风电传动链产业深度研究把握产业链变化的钥匙优质产能聚集地

风电传动链产业深度研究-把握产业链变化的钥匙优质产能聚集地一、传动链：风电整机核心，技术进步关键点（一）传动系统简介传动系统是使叶片动能转换为电能的关键装置，通常包括轮毂、主轴、齿轮箱、减

速器、发电机、轴承等零部件。零部件的类型与风力发电机的结构息息相关，例如

在直驱式风机中，没有齿轮箱结构，主轴尺寸也比较小；半直驱机型各有特色，有的

厂家没有主轴或者主轴只起到传动的作用而不承受负载。传动系统在风机总成本中占比较高。根据三一重能招股说明书，2020年公司齿轮箱、

发电机、回转支承成本分别为12.32/3.26/3.06亿元，分别占当年总成本的22.64%、

6.00%、5.62%。特别地，齿轮箱是公司总成本中占比最高的部件，发电机与回转支

承按照价值量，在总成本中分别排第三位与第四位，传动系统在风机成本中的重要

性不言而喻。传动系统技术壁垒相对较高，国产替代仍在路上。经过多年的发展，我国风电机组

主要零部件大部分已经实现了国产替代，零部件的国产化也不断推动了风电成本的

下降。根据伍德麦肯兹官网的数据，2019年我国机舱、发电机、塔筒的国产化程度

已经非常高，均达到80%以上的水平，叶片、齿轮箱、转换器等零部件国产化率也已

经达到了70%以上。轴承作为传动系统的主要组成部分，是我国风机完全国产化的

最后一块拼图，2019年我国主轴轴承、偏航变桨轴承的国产化率分别只有33%和50%，

侧面体现风电轴承的较高技术壁垒。在整个风机产业链中，传动系统各环节毛利率相对较高。供求关系、技术壁垒、竞

争格局等直接影响整机及零部件的毛利率，2018-2020年，除发电机外，风机主要零

部件毛利率均有所上涨，20年受抢装因素影响，零部件厂商毛利率与整机厂商毛利

率出现背离。在风电整机及主要零部件中，轴承、主轴、制动器等传动系统的组成部

分毛利率处于较高水平，2020年轴承、主轴、制动器环节的平均毛利率分别为35.27%、

35.99%、40.21%，印证了传动系统在风电产业链当中的重要地位。（二）风机技术路线：理解风机产业链变化的钥匙不同风电机组传动系统的组成差异较大，风电机组技术路线的走向是传动系统的产

业链以及市场格局演变的总钥匙。根据传动系统配置，风力发电机组技术路线可大

体分为六类：高速鼠笼异步发电机（SCIG）、高速绕线转子异步发电机

（WRIG）、高速双馈异步发电机（DFIG）、低速直驱永磁/电励磁发电机

（PMSG/EESG）、中速/低速半直驱永磁/电励磁发电机、高速半直驱鼠笼发电

机。目前，市场上应用最多的主要有直驱永磁风力发电机组、双馈异步风力发电机

组、半直驱混合驱动风力发电机组三类。双馈式风力发电机组采用多级齿轮箱驱动双馈异步发电机，它的电机转速高，转矩

小，变流器只需要处理转差功率，无需对所有发电机输出功率做变换。其优点是体

积小，重量轻，整机成本和吊装成本都相对较低，但多级齿轮箱的采用同时增加了

机组发生故障的频率。

直驱永磁风力发电机组在传动链中省略了齿轮箱，将风轮与低速永磁同步发电机直

接连接，降低了机械故障率和定期维护成本，同时作为同步电机能够更加平稳地发

电，提高了风电转换效率和运行可靠性，在大功率领域表现更好；但是相比双馈式

机组，直驱式风力发电机组体积较大、成本较高。半直驱概念是指采用中速齿轮箱和中速发电机传动路线的风电机组，因其综合了双

馈异步高速传动和直驱传动链的传动特点，因此也被称为“半直驱混合驱动风电机

组”。半直驱永磁混合驱动技术结合直驱与双馈两种技术路线的优点，传动链由两

级传动齿轮箱和中速永磁发电机构成，通过两级传动齿轮箱适当提高永磁发电机转

速，可以使用比直驱风机体积更小、重量更轻的永磁发电机；比双馈风机使用的多

级高传动比齿轮箱转速比更低，可靠性更强。此外，采用中速传动的超紧凑传动链

技术，载荷受力传递路径较短，有效减轻齿轮箱、发电机经受的载荷，通过均分风

机部件的设计和制造难度，从而保证了风电机组运行的可靠性，可有效降低综合度

电成本。直驱式风电机组由于没有齿轮箱，是目前三种主流技术路线中故障发生率最低的，

但由于机组体积较大，原材料成本相应较高。以IEEE2006年刊载的论文为例，对

今天仍然有一定的参考意义，以3MW风机为例，考虑不同技术路线风电机组的发

电机原材料重量，直驱电励磁风机机组重量最大，为45.1吨，其中钢铁占比较大，

共32.5吨；其次是直驱永磁机组，重量为22.4吨；三级齿轮箱双馈风电机组重量最

轻，只有5.24吨，可见双馈路线的发电机在原材料消耗上具有优势；若考虑齿轮箱

重量，3MW三级齿轮箱双馈机组的齿轮箱重量为22吨，加上金属原材料的重量为

27.24吨；一级齿轮箱半直驱永磁机组齿轮箱重量为14吨，加上金属原材料重量为

20.11吨；直驱永磁机组总重量为24.2吨。体现在成本上，3MW的3级齿轮箱双馈机组传动系统（发电机原材料、发电机安

装、齿轮箱、转换器）成本为32万欧元，直驱永磁机组成本为43.2万欧元，1级齿

轮箱半直驱永磁机组成本为33.3万欧元。双馈、半直驱永磁风机在成本竞争上处于

优势地位，未来随着风机大型化的持续推进以及稀土等原材料的上涨，双馈与半直

驱的成本优势有望继续扩大。风机技术作为整机厂商的竞争核心，经过多年发展，国内外各大整机厂商逐步形成

自己独特的技术演进路线：

GE：GE起家于陆上风电，连续多年采用双馈技术路线；2015年，GE收购阿尔斯

通的新能源业务，获得了阿尔斯通在海上风电领域的生产能力，并正式进军海上风

电市场。目前，GE海上风电机组HalideX14MW-220和Halide150-6MW等大兆瓦机

组均采用直驱永磁技术路线。西门子歌美飒：西门子陆上风电主要采用直驱永磁路线，而歌美飒陆上风电则采取

双馈路线。2017年，西门子与歌美飒合并，陆上机组延续了歌美飒的双馈路线。而

在6MW及以上的海上大兆瓦机组中，采取的是半直驱路线。

金风科技：全球领先的直驱永磁风机生产商，1.5MW、2S、3S/4S、6S/8S系列机

型均为直驱永磁，在2021年国际风能大会上发布了多款中速永磁产品，标志了金风

技术路线的重要转变。运达股份、远景能源、三一重能：均为我国著名的双馈机组生产商，3MW以上机

型都以双馈路线为主。在2021年北京风能大会上远景能源推出的卓刻平台

WH4.65N-192、WH5.0N-192采用了半直驱技术。

电气风电：公司技术路线涵盖齿轮箱增速型、风轮直驱型，公司陆上风机均为齿轮

箱增速型技术路线，海上风机包括齿轮箱增速型与风轮直驱型两种技术路线。拥有鼠笼发电机和双馈发电机设计技术以及永磁直驱发电机与变流器耦合技术，公司

3MW以上机型主要采用双馈路线。风电大型化过程中，陆上机型中三种技术路线均有应用。根据北京风能大会官方公

众号，2020年和2021年国内各大整机厂纷纷推出大兆瓦机型。在新推出的陆上机

型中，4MW以上占据了主导地位，其中三一重能、远景能源、金风科技、明阳智

能均推出6MW及以上机型。在技术路线上，整机厂大多延续其传统路线，直驱、

双馈、半直驱皆有应用，金风科技推出了中速直驱永磁的新机型，明阳智能以半直

驱为主，三一重能、中国海装、运达股份以双馈为主，而远景在2021年CWP上推

出半直驱机型，打破了其过往以双馈为主的产品布局。大兆瓦海上风电机型以直驱和半直驱技术路线为主。相比陆上风机，海上风电机组

通常功率更大，工作环境更恶劣，吊装与维护成本更高，因此对于机组运行的稳定

性提出了更高要求。由于多级齿轮箱的应用，高速双馈式风电机组后期发生故障概

率远高于直驱式和半直驱式机组，从而限制了其在海上风电领域的应用。根据《大容量海上风电机组发展现状及关键技术》，国内外主要厂商推出的5MW以上海上

风电机组，我们发现除华锐风电、联合动力等国内三线厂商曾在2011-2012年间推

出过双馈式的6MW机组外，其余风机均采用直驱或半直驱技术路线。二、技术路线多点开花，零部件各有千秋（一）轴承：技术壁垒较高，国产厂商纷纷发力轴承在风机中应用广泛。双馈式风机与半直驱式风机中运用的轴承主要有主轴轴承、

偏航轴承、变桨轴承、齿轮箱轴承与发电机轴承。一般地，一台双馈式或半直驱风电

机组需要主轴轴承1~3套，偏航轴承1套，变桨轴承3套。而直驱式风机由于没有齿轮

箱结构，因此不需要齿轮箱轴承。根据轴承工作其所能承受的载荷方向，可以将滚动轴承分为向心轴承和推力轴承。

根据滚动体的种类与结构不同，轴承又可以分为深沟球轴承、球状滚子轴承、圆锥

滚子轴承、圆柱滚子轴承等。球轴承的高速运转性能好，旋转精度高，但刚度较低，

适用于高转速但负荷不太大的场景；滚子轴承和滚针轴承由于增大了接触面积，刚

度更高，但高速运转性能稍逊，适用于载荷较大的场景。由于工作环境与受力情况不同，风机不同位置通常使用不同结构的轴承。一般地，

主轴轴承要承担叶轮传导的强大的径向和轴向作用力，负荷较重，因此要求主轴轴

承具有较强的硬度。在实际中，球状滚子轴承通常用在3点式传动链的主轴轴承，而

圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承通常用在模块式传动链中。在兆瓦级风电机组中，齿轮箱多采用多级行星轮与平行轮结合的方式，深沟球轴承、

球状滚子轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承以及四点接触球轴承都可以根据需要

安装在齿轮箱的不同位置。

变桨主要用来改变叶片的方向，偏航则用来改变机舱的方向，实际中应用较多的偏

航变桨轴承主要有深沟球轴承、球状滚子轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等。主轴轴承高度定制化，不同整机厂不同机型选择各异。在带齿轮箱的双馈、半直驱

机组中，最常见的传动系统配置是三点或四点悬挂式，其中三点式中采用一个主轴

承，齿轮箱的耳轴要在低速轴旁边承载负荷，因此组合中有三个支点，西门子、

Nordex、维斯塔斯1.5-3MW机型中有很多采用这种结构；四点悬挂式中采用两个

主轴轴承，其中一个主轴轴承靠近齿轮箱的低速轴，这种结构可以更好地保护齿轮

箱，但也对错位更加敏感，通常需要更大的机舱空间，西门子歌美飒、维斯塔斯、

GE2-2.5MW机型中很多采用这种结构。此外，也有机型将主轴轴承直接与齿轮箱相连，从而省去了主轴结构。这种结构的

好处是减少了原材料的用量，从而具有成本优势，但由于齿轮箱直接与叶轮连接，

发生故障的概率随之增长，并且一旦齿轮箱故障便需要更换整个机舱，后期运维比

较麻烦。目前，维斯塔斯3MW机型和Areva5MW机型中使用了这种结构。在另一

种“漂浮式传动链”结构中，通过将支持结构和动力系统分离，采用两个主轴轴承

来支持转子。这种设计主要是为了减少传递到齿轮箱和发电机的非扭矩负载，但也有研究认为这种设计会增加主轴轴承的载荷。目前，这种设计主要用在阿尔斯通的

一些风机产品和GE海上机型中。在直驱式风机中，传动系统设计也有所差别。由于直驱式风机通常都是径向通量

机，其传动系统设计的一个主要目标便是确保最小的气隙间隔。为了达成这一目

标，通常需要增加主轴轴承的数量，在实际生产中，单主轴轴承、双主轴轴承、三

主轴轴承结构都有应用。主轴轴承类型多样。造成主轴轴承高度定制化的原因除了传动系统结构差异外，轴

承类型的选择也是重要因素。当使用两个或多个轴承来支撑主轴时，为了防止过度

的轴向运动，一个或两个轴承必须固定在轴向。而在实际运行中，零件热膨胀将导

致材料变形，因此还需要有一个在轴向自由的轴承来容纳轴向位移（非定位轴承）

和一个轴向固定的轴承来控制主轴位置（定位轴承）。此外，主轴中通常还需要一

个径向预加载轴承来分担载荷。主轴轴承技术难度高，有更高的价值与毛利率。主轴轴承设计难度高，工作环境恶

劣，寿命要求达到25-30年，对设备可靠性要求很高。此外，风轮主轴载荷大，相

比其他轴承的长度也更长，需要主轴轴承有足够的硬度、强度、抗冲击性能