風電傳動鏈產(chǎn)業(yè)深度研究把握產(chǎn)業(yè)鏈變化的鑰匙優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能聚集地

風電傳動鏈產(chǎn)業(yè)深度研究-把握產(chǎn)業(yè)鏈變化的鑰匙優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能聚集地一、傳動鏈：風電整機核心，技術(shù)進步關(guān)鍵點（一）傳動系統(tǒng)簡介傳動系統(tǒng)是使葉片動能轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)鍵裝置，通常包括輪轂、主軸、齒輪箱、減

速器、發(fā)電機、軸承等零部件。零部件的類型與風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，例如

在直驅(qū)式風機中，沒有齒輪箱結(jié)構(gòu)，主軸尺寸也比較小；半直驅(qū)機型各有特色，有的

廠家沒有主軸或者主軸只起到傳動的作用而不承受負載。傳動系統(tǒng)在風機總成本中占比較高。根據(jù)三一重能招股說明書，2020年公司齒輪箱、

發(fā)電機、回轉(zhuǎn)支承成本分別為12.32/3.26/3.06億元，分別占當年總成本的22.64%、

6.00%、5.62%。特別地，齒輪箱是公司總成本中占比最高的部件，發(fā)電機與回轉(zhuǎn)支

承按照價值量，在總成本中分別排第三位與第四位，傳動系統(tǒng)在風機成本中的重要

性不言而喻。傳動系統(tǒng)技術(shù)壁壘相對較高，國產(chǎn)替代仍在路上。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國風電機組

主要零部件大部分已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)替代，零部件的國產(chǎn)化也不斷推動了風電成本的

下降。根據(jù)伍德麥肯茲官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，2019年我國機艙、發(fā)電機、塔筒的國產(chǎn)化程度

已經(jīng)非常高，均達到80%以上的水平，葉片、齒輪箱、轉(zhuǎn)換器等零部件國產(chǎn)化率也已

經(jīng)達到了70%以上。軸承作為傳動系統(tǒng)的主要組成部分，是我國風機完全國產(chǎn)化的

最后一塊拼圖，2019年我國主軸軸承、偏航變槳軸承的國產(chǎn)化率分別只有33%和50%，

側(cè)面體現(xiàn)風電軸承的較高技術(shù)壁壘。在整個風機產(chǎn)業(yè)鏈中，傳動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)毛利率相對較高。供求關(guān)系、技術(shù)壁壘、競

爭格局等直接影響整機及零部件的毛利率，2018-2020年，除發(fā)電機外，風機主要零

部件毛利率均有所上漲，20年受搶裝因素影響，零部件廠商毛利率與整機廠商毛利

率出現(xiàn)背離。在風電整機及主要零部件中，軸承、主軸、制動器等傳動系統(tǒng)的組成部

分毛利率處于較高水平，2020年軸承、主軸、制動器環(huán)節(jié)的平均毛利率分別為35.27%、

35.99%、40.21%，印證了傳動系統(tǒng)在風電產(chǎn)業(yè)鏈當中的重要地位。（二）風機技術(shù)路線：理解風機產(chǎn)業(yè)鏈變化的鑰匙不同風電機組傳動系統(tǒng)的組成差異較大，風電機組技術(shù)路線的走向是傳動系統(tǒng)的產(chǎn)

業(yè)鏈以及市場格局演變的總鑰匙。根據(jù)傳動系統(tǒng)配置，風力發(fā)電機組技術(shù)路線可大

體分為六類：高速鼠籠異步發(fā)電機（SCIG）、高速繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機

（WRIG）、高速雙饋異步發(fā)電機（DFIG）、低速直驅(qū)永磁/電勵磁發(fā)電機

（PMSG/EESG）、中速/低速半直驅(qū)永磁/電勵磁發(fā)電機、高速半直驅(qū)鼠籠發(fā)電

機。目前，市場上應(yīng)用最多的主要有直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組、雙饋異步風力發(fā)電機

組、半直驅(qū)混合驅(qū)動風力發(fā)電機組三類。雙饋式風力發(fā)電機組采用多級齒輪箱驅(qū)動雙饋異步發(fā)電機，它的電機轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩

小，變流器只需要處理轉(zhuǎn)差功率，無需對所有發(fā)電機輸出功率做變換。其優(yōu)點是體

積小，重量輕，整機成本和吊裝成本都相對較低，但多級齒輪箱的采用同時增加了

機組發(fā)生故障的頻率。

直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組在傳動鏈中省略了齒輪箱，將風輪與低速永磁同步發(fā)電機直

接連接，降低了機械故障率和定期維護成本，同時作為同步電機能夠更加平穩(wěn)地發(fā)

電，提高了風電轉(zhuǎn)換效率和運行可靠性，在大功率領(lǐng)域表現(xiàn)更好；但是相比雙饋式

機組，直驅(qū)式風力發(fā)電機組體積較大、成本較高。半直驅(qū)概念是指采用中速齒輪箱和中速發(fā)電機傳動路線的風電機組，因其綜合了雙

饋異步高速傳動和直驅(qū)傳動鏈的傳動特點，因此也被稱為“半直驅(qū)混合驅(qū)動風電機

組”。半直驅(qū)永磁混合驅(qū)動技術(shù)結(jié)合直驅(qū)與雙饋兩種技術(shù)路線的優(yōu)點，傳動鏈由兩

級傳動齒輪箱和中速永磁發(fā)電機構(gòu)成，通過兩級傳動齒輪箱適當提高永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)

速，可以使用比直驅(qū)風機體積更小、重量更輕的永磁發(fā)電機；比雙饋風機使用的多

級高傳動比齒輪箱轉(zhuǎn)速比更低，可靠性更強。此外，采用中速傳動的超緊湊傳動鏈

技術(shù)，載荷受力傳遞路徑較短，有效減輕齒輪箱、發(fā)電機經(jīng)受的載荷，通過均分風

機部件的設(shè)計和制造難度，從而保證了風電機組運行的可靠性，可有效降低綜合度

電成本。直驅(qū)式風電機組由于沒有齒輪箱，是目前三種主流技術(shù)路線中故障發(fā)生率最低的，

但由于機組體積較大，原材料成本相應(yīng)較高。以IEEE2006年刊載的論文為例，對

今天仍然有一定的參考意義，以3MW風機為例，考慮不同技術(shù)路線風電機組的發(fā)

電機原材料重量，直驅(qū)電勵磁風機機組重量最大，為45.1噸，其中鋼鐵占比較大，

共32.5噸；其次是直驅(qū)永磁機組，重量為22.4噸；三級齒輪箱雙饋風電機組重量最

輕，只有5.24噸，可見雙饋路線的發(fā)電機在原材料消耗上具有優(yōu)勢；若考慮齒輪箱

重量，3MW三級齒輪箱雙饋機組的齒輪箱重量為22噸，加上金屬原材料的重量為

27.24噸；一級齒輪箱半直驅(qū)永磁機組齒輪箱重量為14噸，加上金屬原材料重量為

20.11噸；直驅(qū)永磁機組總重量為24.2噸。體現(xiàn)在成本上，3MW的3級齒輪箱雙饋機組傳動系統(tǒng)（發(fā)電機原材料、發(fā)電機安

裝、齒輪箱、轉(zhuǎn)換器）成本為32萬歐元，直驅(qū)永磁機組成本為43.2萬歐元，1級齒

輪箱半直驅(qū)永磁機組成本為33.3萬歐元。雙饋、半直驅(qū)永磁風機在成本競爭上處于

優(yōu)勢地位，未來隨著風機大型化的持續(xù)推進以及稀土等原材料的上漲，雙饋與半直

驅(qū)的成本優(yōu)勢有望繼續(xù)擴大。風機技術(shù)作為整機廠商的競爭核心，經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)外各大整機廠商逐步形成

自己獨特的技術(shù)演進路線：

GE：GE起家于陸上風電，連續(xù)多年采用雙饋技術(shù)路線；2015年，GE收購阿爾斯

通的新能源業(yè)務(wù)，獲得了阿爾斯通在海上風電領(lǐng)域的生產(chǎn)能力，并正式進軍海上風

電市場。目前，GE海上風電機組HalideX14MW-220和Halide150-6MW等大兆瓦機

組均采用直驅(qū)永磁技術(shù)路線。西門子歌美颯：西門子陸上風電主要采用直驅(qū)永磁路線，而歌美颯陸上風電則采取

雙饋路線。2017年，西門子與歌美颯合并，陸上機組延續(xù)了歌美颯的雙饋路線。而

在6MW及以上的海上大兆瓦機組中，采取的是半直驅(qū)路線。

金風科技：全球領(lǐng)先的直驅(qū)永磁風機生產(chǎn)商，1.5MW、2S、3S/4S、6S/8S系列機

型均為直驅(qū)永磁，在2021年國際風能大會上發(fā)布了多款中速永磁產(chǎn)品，標志了金風

技術(shù)路線的重要轉(zhuǎn)變。運達股份、遠景能源、三一重能：均為我國著名的雙饋機組生產(chǎn)商，3MW以上機

型都以雙饋路線為主。在2021年北京風能大會上遠景能源推出的卓刻平臺

WH4.65N-192、WH5.0N-192采用了半直驅(qū)技術(shù)。

電氣風電：公司技術(shù)路線涵蓋齒輪箱增速型、風輪直驅(qū)型，公司陸上風機均為齒輪

箱增速型技術(shù)路線，海上風機包括齒輪箱增速型與風輪直驅(qū)型兩種技術(shù)路線。擁有鼠籠發(fā)電機和雙饋發(fā)電機設(shè)計技術(shù)以及永磁直驅(qū)發(fā)電機與變流器耦合技術(shù)，公司

3MW以上機型主要采用雙饋路線。風電大型化過程中，陸上機型中三種技術(shù)路線均有應(yīng)用。根據(jù)北京風能大會官方公

眾號，2020年和2021年國內(nèi)各大整機廠紛紛推出大兆瓦機型。在新推出的陸上機

型中，4MW以上占據(jù)了主導(dǎo)地位，其中三一重能、遠景能源、金風科技、明陽智

能均推出6MW及以上機型。在技術(shù)路線上，整機廠大多延續(xù)其傳統(tǒng)路線，直驅(qū)、

雙饋、半直驅(qū)皆有應(yīng)用，金風科技推出了中速直驅(qū)永磁的新機型，明陽智能以半直

驅(qū)為主，三一重能、中國海裝、運達股份以雙饋為主，而遠景在2021年CWP上推

出半直驅(qū)機型，打破了其過往以雙饋為主的產(chǎn)品布局。大兆瓦海上風電機型以直驅(qū)和半直驅(qū)技術(shù)路線為主。相比陸上風機，海上風電機組

通常功率更大，工作環(huán)境更惡劣，吊裝與維護成本更高，因此對于機組運行的穩(wěn)定

性提出了更高要求。由于多級齒輪箱的應(yīng)用，高速雙饋式風電機組后期發(fā)生故障概

率遠高于直驅(qū)式和半直驅(qū)式機組，從而限制了其在海上風電領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)《大容量海上風電機組發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)》，國內(nèi)外主要廠商推出的5MW以上海上

風電機組，我們發(fā)現(xiàn)除華銳風電、聯(lián)合動力等國內(nèi)三線廠商曾在2011-2012年間推

出過雙饋式的6MW機組外，其余風機均采用直驅(qū)或半直驅(qū)技術(shù)路線。二、技術(shù)路線多點開花，零部件各有千秋（一）軸承：技術(shù)壁壘較高，國產(chǎn)廠商紛紛發(fā)力軸承在風機中應(yīng)用廣泛。雙饋式風機與半直驅(qū)式風機中運用的軸承主要有主軸軸承、

偏航軸承、變槳軸承、齒輪箱軸承與發(fā)電機軸承。一般地，一臺雙饋式或半直驅(qū)風電

機組需要主軸軸承1~3套，偏航軸承1套，變槳軸承3套。而直驅(qū)式風機由于沒有齒輪

箱結(jié)構(gòu)，因此不需要齒輪箱軸承。根據(jù)軸承工作其所能承受的載荷方向，可以將滾動軸承分為向心軸承和推力軸承。

根據(jù)滾動體的種類與結(jié)構(gòu)不同，軸承又可以分為深溝球軸承、球狀滾子軸承、圓錐

滾子軸承、圓柱滾子軸承等。球軸承的高速運轉(zhuǎn)性能好，旋轉(zhuǎn)精度高，但剛度較低，

適用于高轉(zhuǎn)速但負荷不太大的場景；滾子軸承和滾針軸承由于增大了接觸面積，剛

度更高，但高速運轉(zhuǎn)性能稍遜，適用于載荷較大的場景。由于工作環(huán)境與受力情況不同，風機不同位置通常使用不同結(jié)構(gòu)的軸承。一般地，

主軸軸承要承擔葉輪傳導(dǎo)的強大的徑向和軸向作用力，負荷較重，因此要求主軸軸

承具有較強的硬度。在實際中，球狀滾子軸承通常用在3點式傳動鏈的主軸軸承，而

圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承通常用在模塊式傳動鏈中。在兆瓦級風電機組中，齒輪箱多采用多級行星輪與平行輪結(jié)合的方式，深溝球軸承、

球狀滾子軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承以及四點接觸球軸承都可以根據(jù)需要

安裝在齒輪箱的不同位置。

變槳主要用來改變?nèi)~片的方向，偏航則用來改變機艙的方向，實際中應(yīng)用較多的偏

航變槳軸承主要有深溝球軸承、球狀滾子軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承等。主軸軸承高度定制化，不同整機廠不同機型選擇各異。在帶齒輪箱的雙饋、半直驅(qū)

機組中，最常見的傳動系統(tǒng)配置是三點或四點懸掛式，其中三點式中采用一個主軸

承，齒輪箱的耳軸要在低速軸旁邊承載負荷，因此組合中有三個支點，西門子、

Nordex、維斯塔斯1.5-3MW機型中有很多采用這種結(jié)構(gòu)；四點懸掛式中采用兩個

主軸軸承，其中一個主軸軸承靠近齒輪箱的低速軸，這種結(jié)構(gòu)可以更好地保護齒輪

箱，但也對錯位更加敏感，通常需要更大的機艙空間，西門子歌美颯、維斯塔斯、

GE2-2.5MW機型中很多采用這種結(jié)構(gòu)。此外，也有機型將主軸軸承直接與齒輪箱相連，從而省去了主軸結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的

好處是減少了原材料的用量，從而具有成本優(yōu)勢，但由于齒輪箱直接與葉輪連接，

發(fā)生故障的概率隨之增長，并且一旦齒輪箱故障便需要更換整個機艙，后期運維比

較麻煩。目前，維斯塔斯3MW機型和Areva5MW機型中使用了這種結(jié)構(gòu)。在另一

種“漂浮式傳動鏈”結(jié)構(gòu)中，通過將支持結(jié)構(gòu)和動力系統(tǒng)分離，采用兩個主軸軸承

來支持轉(zhuǎn)子。這種設(shè)計主要是為了減少傳遞到齒輪箱和發(fā)電機的非扭矩負載，但也有研究認為這種設(shè)計會增加主軸軸承的載荷。目前，這種設(shè)計主要用在阿爾斯通的

一些風機產(chǎn)品和GE海上機型中。在直驅(qū)式風機中，傳動系統(tǒng)設(shè)計也有所差別。由于直驅(qū)式風機通常都是徑向通量

機，其傳動系統(tǒng)設(shè)計的一個主要目標便是確保最小的氣隙間隔。為了達成這一目

標，通常需要增加主軸軸承的數(shù)量，在實際生產(chǎn)中，單主軸軸承、雙主軸軸承、三

主軸軸承結(jié)構(gòu)都有應(yīng)用。主軸軸承類型多樣。造成主軸軸承高度定制化的原因除了傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異外，軸

承類型的選擇也是重要因素。當使用兩個或多個軸承來支撐主軸時，為了防止過度

的軸向運動，一個或兩個軸承必須固定在軸向。而在實際運行中，零件熱膨脹將導(dǎo)

致材料變形，因此還需要有一個在軸向自由的軸承來容納軸向位移（非定位軸承）

和一個軸向固定的軸承來控制主軸位置（定位軸承）。此外，主軸中通常還需要一

個徑向預(yù)加載軸承來分擔載荷。主軸軸承技術(shù)難度高，有更高的價值與毛利率。主軸軸承設(shè)計難度高，工作環(huán)境惡

劣，壽命要求達到25-30年，對設(shè)備可靠性要求很高。此外，風輪主軸載荷大，相

比其他軸承的長度也更長，需要主軸軸承有足夠的硬度、強度、抗沖擊性能