陳志瀾,陳燚豪

(上海建橋?qū)W院,上海201306)

0 引 言

交流伺服電機是一種帶編碼器的電機,主要由驅(qū)動器、編碼器、定子、轉(zhuǎn)子構(gòu)成。由于交流伺服電機沒有電刷和換向器,其工作可靠,維護費用低,成本較低,在同功率下有較小的體積和重量,定子繞組散熱也比較方便,慣量小,特別適應(yīng)于高速和大力矩的工作。交流伺服電機作為控制類電機,可以通過位置和速度方式進行控制,以達到精確定位和快速定位目的。

本文通過查詢1960年至2015年以來已公開發(fā)表的國內(nèi)外交流伺服電機專利(專利數(shù)據(jù)源來自佰騰專利檢索系統(tǒng)),通過“ti:(交流伺服)and ab:(交流伺服)”關(guān)鍵詞對中國專利庫進行檢索,得出382項專利數(shù)據(jù)。另外,通過“AC servo motor”關(guān)鍵詞對國外專利庫進行檢索,得出1 040項專利數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,對上述所有國內(nèi)外專利數(shù)據(jù)進行分析,繪制出交流伺服電機技術(shù)的專利年度分布圖,并對主要國家與地區(qū)的專利申請量、專利申請人、專利技術(shù)分布、研究熱點、主要競爭機構(gòu)、重點技術(shù)領(lǐng)域等方面進行詳細專利地圖分析。

1 全球交流伺服電機技術(shù)分析

1.1 全球?qū)＠麛?shù)量年度變化趨勢

在20世紀60年代,伺服電機以直流電機作為主要執(zhí)行部件。隨著20世紀70年代電機矢量控制技術(shù)的發(fā)明,以及應(yīng)用交流伺服電機的性價比不斷提高,交流伺服電機逐步取代直流伺服電機。圖1反映了交流伺服電機的專利申請量與年度變化趨勢。

圖1 全球交流伺服電機專利申請量與年度變化趨勢

20世紀80年代稀土永磁交流電機的普遍應(yīng)用,永磁交流伺服系統(tǒng)成為了各國的主要研究對象。到20世紀90年代,伴隨著技術(shù)趨于成熟,價格趨于合理,交流伺服電機的應(yīng)用變得普遍,全球?qū)＠暾埩窟_到高峰。21世紀后,技術(shù)相對成熟,專利申請量也趨于穩(wěn)定。在近2年制造業(yè)市場需求穩(wěn)步上升的情況下,交流伺服電機技術(shù)的專利申請量再次呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的趨勢。

1.2 全球前5位專利申請國家的申請量與年度變化

1980年以后,很多機床開始使用可靠性大、維修簡便的交流伺服電動機,隨后許多現(xiàn)代工業(yè)機械和機床等都開始使用交流伺服電動機。交流伺服電機前5位申請國家是日本、中國、美國、韓國以及歐盟,其申請量與年度變化如圖2和表1所示。

圖2 交流伺服電機前5位專利申請國家的申請量與年度變化

表1 前5位專利申請國家的具體申請量(件)

美國在專利方面最先申請,但是發(fā)展速度較為平穩(wěn)。日本由于資源匱乏、勞動力成本高,為了實現(xiàn)經(jīng)濟的高速發(fā)展,大力發(fā)展工業(yè)機器人及自動化行業(yè),導致了交流伺服電機專利的快速發(fā)展。一直從20世紀70年代末到21世紀初期,日本在交流伺服技術(shù)上遠遠領(lǐng)先于其他國家,并且在1991年達到巔峰,年申請量41件,在21世紀后隨著技術(shù)趨于成熟,日本的發(fā)展速度開始放緩。從歐專局專利數(shù)量來看,歐盟受沖擊較小,保持了穩(wěn)定增長。韓國的專利申請量與日本類似,在20世紀90年代達到頂峰,但是之后開始快速下滑。

中國方面,由于研發(fā)起步較晚,以及專利布局的意識不強,交流伺服電機的專利申請基本在20世紀90年代末才開始起步,但是因為市場需求量大,刺激了交流伺服電機專利在21世紀的大量申請,具體如圖3所示。

圖3 中國交流伺服電機專利申請量年度變化趨勢

2003年后,中國的專利申請量開始大幅度提高,目前中國在交流伺服技術(shù)的專利申請上占世界第一,同時保持了年申請量40至50件之間的增速。但是日本在技術(shù)上的積累仍然不容小覷,目前在國內(nèi)市場上的份額依然是日本處于領(lǐng)先地位,可見國內(nèi)申請的部分技術(shù)還未投入至應(yīng)用領(lǐng)域,中國交流伺服電機的發(fā)展前景遠大。

1.3 中國各省市專利申請量占有比例

國內(nèi)各省市的專利申請數(shù)量所占比例如圖4所示。

圖4 中國國內(nèi)各省份專利申請量占比

由圖4得出,在交流伺服電機技術(shù)方面,浙江省、陜西省、江蘇省的技術(shù)實力最強,分別占比21%,20%和19% 。浙江省內(nèi)以杭州奧蒂電控有限公司、杭州德伺麥科技有限公司、浙江盛邁電氣技術(shù)有限公司等一系列公司及相關(guān)機構(gòu)為代表,如圖5所示,交流伺服電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。

圖5 浙江省主要專利申請人

陜西省則以西安交通大學和西安微電機研究所的科研力量為代表,如圖6所示,企業(yè)占比較小,技術(shù)多數(shù)未投入實際運用,相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢。

圖6 陜西省主要專利申請人

江蘇省則既有企業(yè)申請,例如:南京埃斯頓自動化股份有限公司、無錫市幅瑞自動化科技有限公司等,也有高校申請,例如:南京工業(yè)大學、南京工程學院等,如圖7所示,申請人方面較為均衡,產(chǎn)學結(jié)合程度較高。

圖7 江蘇省主要專利申請人

2 主要來源國與申請人

2.1 專利技術(shù)的來源國分析

專利技術(shù)的來源國是指專利的最早優(yōu)先權(quán)國家,圖8反映了交流伺服電機專利技術(shù)的國家來源分布。

圖8 專利技術(shù)的來源國(地區(qū))

由圖8得知,日本的專利量最高,位列第一,占總數(shù)的50.5%。中國和美國分列第二、三位,分別占總數(shù)的27.2%和7%。在亞洲地區(qū)除中日兩國以外,韓國技術(shù)力量雄厚,與以德國為首的歐盟申請數(shù)量持平,專利數(shù)量占總數(shù)的6.8%,其余是英國占1.8%,俄羅斯0.3%,加拿大0.1%。顯而易見,在交流伺服電機技術(shù)領(lǐng)域的專利積累,日本處于世界領(lǐng)先地位,說明日本對該領(lǐng)域的技術(shù)保持了高度的重視,以及在技術(shù)方面也相對成熟。中國在近年來的專利申請量上迎頭趕上,雖然在年度申請量上超越了日本,占據(jù)了第一的位置,但是在總量上依然缺乏積累,技術(shù)的進一步成熟也需要一定時間的積累,并需要積極將相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)當中,以獲得更多交流伺服電機技術(shù)上的進步。

2.2 全球主要專利申請人分析

全球約有近千家機構(gòu)活躍在交流伺服電機技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域,其中全球?qū)＠暾埩壳?0位的申請人均是企業(yè),如表2所示。

表2 交流伺服電機領(lǐng)域全球前10位專利申請人

由表2可知,日本共有9家機構(gòu)進入全球前十名,韓國的三星電子位列第十。日本整體實力雄厚,積累豐富,也是世界上交流伺服電機技術(shù)和市場占有量最大的國家。通過分析企業(yè)在該領(lǐng)域?qū)＠纳暾埩?可以得出該企業(yè)在這個技術(shù)領(lǐng)域的綜合實力與技術(shù)積累。結(jié)合表2,可以得知發(fā)那科以135件相關(guān)專利位列第一,遙遙領(lǐng)先于其他企業(yè),可見其雄厚的技術(shù)實力。隨后安川電機、松下電器、東芝機械分列二、三、四位,他們之間的專利量相去不遠,在技術(shù)方面各有所長,有一定的競爭關(guān)系。之后在前十位中韓國的三星電子以微小的差距位列第十,可見其在交流伺服電機方面也有一定的研發(fā)實力。憑借分析專利申請的活躍期及專利申請趨勢圖,從表2再可以看出,企業(yè)在該項技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先持續(xù)度和最新的科研態(tài)勢。在交流伺服電機技術(shù)領(lǐng)域上,縱觀前十位專利申請人,日本企業(yè)的專利申請活躍期都超過了20年。反觀三星電子,在活躍期上遠遠少于日本企業(yè),可見在這一領(lǐng)域,日本企業(yè)在活躍期上有著明顯優(yōu)勢,在活躍期內(nèi)的專利積累十分雄厚,研發(fā)時期也較長,技術(shù)已相當成熟。

從各個企業(yè)的角度來看專利申請的活躍期及專利申請趨勢圖,專利申請活躍期超過30年的有發(fā)那科、安川電機、日東精工、日立、日本伺服。全球大部分申請人的專利申請高峰均在上個世紀,近年還活躍的只有發(fā)那科、日東精工和日本伺服?？梢娪捎诮涣魉欧姍C技術(shù)已相對成熟,相當數(shù)量的申請人已轉(zhuǎn)移其技術(shù)研發(fā)的重點方向,尚在活躍的發(fā)那科、日東精工和日本伺服是全球交流伺服電機的重點研發(fā)公司。

2.3 中國主要專利申請人

我國在交流伺服電機領(lǐng)域?qū)＠暾埖那?0位申請人,其中7位是企業(yè),還有3位是高校與研究機構(gòu),如表3所示。其中,前3位分別是西安交通大學、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、南京埃斯頓自動化股份有限公司?？蒲袡C構(gòu)有西安微電機研究所,位列第六。高校有西安交通大學和南京工程學院分列第一和第十。其中西安交通大學以49項專利遙遙領(lǐng)先,在國內(nèi)交流伺服電機技術(shù)領(lǐng)域占有領(lǐng)先地位。

從專利申請活躍期上看,國內(nèi)機構(gòu)的活躍期都在近十年內(nèi),說明這項技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展較晚。換而言之,交流伺服電機技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展?jié)摿艽?目前發(fā)展的熱度也較高。

從各個單位的角度來看,廣州數(shù)控設(shè)備有限公司在國內(nèi)技術(shù)開發(fā)較早,最早申請在1999年,近年來卻鮮有發(fā)展。西安交通大學、南京埃斯頓自動化股份有限公司、杭州德伺麥科技有限公司、北京超同步伺服股份有限公司、成都樂創(chuàng)自動化技術(shù)股份有限公司、南京工程學院這6家單位近期仍處于活躍期,是中國目前主要的專利申請人。在不活躍的單位中,廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、臺達電子工業(yè)股份有限公司、杭州奧蒂電控有限公司分別在2010年、2006年和2011年達到其巔峰,近年來已不再將研發(fā)力量投入在交流伺服電機領(lǐng)域。

表3 交流伺服電機領(lǐng)域中國前10位專利申請人

3 交流伺服電機技術(shù)分析

3.1 國際專利技術(shù)分析

通過IPC代碼分類的方式,可以對交流伺服電機的技術(shù)領(lǐng)域進行劃分,如表4所示。

表4 交流伺服電機專利主要技術(shù)類型(國際專利分類)

根據(jù)國際專利分類,其最主要的技術(shù)領(lǐng)域位于電機控制、電機本體以及控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)上,占比分別為73.85%,20.29%和12.79%。由此可見,全球?qū)＠暾埲嗽诮涣魉欧姍C的電機控制、電機本體和控制系統(tǒng)領(lǐng)域投入的研發(fā)工作最多。

技術(shù)分類上第4～第6位的專利占比較為接近,塑料的成型或連接、非電變量的控制系統(tǒng)和電氣設(shè)備是主要的研究方向。信息存儲、壓力機、測量或分析材料方面也有交流伺服電機的應(yīng)用與研究。全球主要專利申請人的具體技術(shù)分布,如表5所示。

表5 世界排名前10位的專利申請人技術(shù)類型分布(國際專利分類)

在電機控制、電機本體以及控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)這3大核心技術(shù)領(lǐng)域,均由發(fā)那科占據(jù)主導地位。發(fā)那科在總共5項技術(shù)領(lǐng)域均占有主導地位,可見其在交流伺服電機技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)實力。安川電機、東芝機械也分別在測量技術(shù)和成型連接領(lǐng)域有相對優(yōu)勢。其余公司大多數(shù)以電機控制和電機本體作為主要研發(fā)領(lǐng)域,可以看出這兩項核心技術(shù)在專利申請上的重要地位。其中,日東精工,主要利用交流伺服電機進行自動化產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用,所以在核心技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)專利申請量少。住友重工主要以重型機械為主,專利申請主要在電機控制、塑料成型連接和電氣設(shè)備領(lǐng)域,在核心技術(shù)方面,專利申請量也較少。

3.2 國內(nèi)專利技術(shù)分析

相較國際專利而言,國內(nèi)專利技術(shù)分布則相對較為分散,如表6所示。

表6 交流伺服電機專利主要技術(shù)類型(國內(nèi)專利分類)

電機控制、電機本體以及控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)3大核心領(lǐng)域,專利占比僅有23.96%,20.68%和6.4%。只有電機本體方面的占有比例與國際專利持平,而電機控制方面落后達到50%,控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)也落后6%左右。可見,國內(nèi)在交流伺服電機的專利申請方向較為分散,從第4到第10位,占有比例均勻分布在電磁測量、保護電路、機床零件等周邊相關(guān)研究。在電機控制和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域還缺少研發(fā)力量的投入,有待進一步加強。

4 結(jié) 語

1)日本在交流伺服電機技術(shù)領(lǐng)域方面占有主導地位,中國近年來發(fā)展迅猛,但是在關(guān)鍵技術(shù),以及專利應(yīng)用方面有較大欠缺,建議國家應(yīng)盡快加強交流伺服電機技術(shù)的專利布局,并不斷將技術(shù)應(yīng)用于相關(guān)行業(yè),提高核心競爭力。2)通過年度變化趨勢的分析,交流伺服電機在20世紀70年代開始進入國外市場,在20世紀90年代初達到高潮,到21世紀初交流伺服電機在國外市場的技術(shù)已經(jīng)基本成熟。通過專利地圖也發(fā)現(xiàn),國內(nèi)在21世紀后開始重視交流伺服電機的研究和技術(shù)專利的申請,盡管國內(nèi)的交流伺服電機技術(shù)發(fā)展較晚,但技術(shù)領(lǐng)域已進入成熟階段,目前交流伺服電機技術(shù)領(lǐng)域方面發(fā)表的專利總占有量已位列世界第二。3)從全球交流伺服電機應(yīng)用領(lǐng)域的專利分析來看,日本占據(jù)著領(lǐng)先地位,全球前十的專利申請人中有9位均來自日本,如發(fā)那科、安川電機等企業(yè)仍占有核心技術(shù)。與日本企業(yè)相比,國內(nèi)企業(yè)在核心技術(shù)領(lǐng)域、專利占有量以及專利布局等方面都有所欠缺,國內(nèi)前十位的專利申請人中有3位是高校及科研機構(gòu),國內(nèi)企業(yè)技術(shù)方面還應(yīng)該加大交流伺服電機應(yīng)用領(lǐng)域研究的力度。4)從技術(shù)熱點方面來看,電機控制、電機本體、控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然是交流伺服電機的核心技術(shù)關(guān)鍵。在電機控制專利方面,國外技術(shù)布局與國內(nèi)技術(shù)布局相比,高出50%左右。電機本體方面的技術(shù)布局比較接近,控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)方面技術(shù)布局,國外專利數(shù)量要比國內(nèi)專利數(shù)量高出6%。由此可知,國內(nèi)在核心技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)方面,尚有較大差距,需要加快在電機控制方面的核心技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)。