风电零部件系列专题(二)：主机技术路线——双馈、直驱与半直驱-信达证券.pdf-solarbe文库

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风电零部件系列专题（二）主机技术路线双馈、直驱与半直驱 [Table_Industry] 机械设备行业专题 [Table_ReportDate] 2022 年 7 月 3 日请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 2 证券研究报告行业研究 [Table_ReportType] 行业周报 [Table_StockAndRank] 机械设备投资评级上次评级 [Table_Author] 刘卓机械设备行业分析师执业编号 S1500519090002 联系电话 010-83326753 邮箱 liuzhuoacindasc.com 信达证券股份有限公司 CINDA SECURITIES CO.,LTD 北京市西城区闹市口大街 9号院 1号楼邮编 100031 [Table_Title] 风电零部件系列专题（二）主机技术路线双馈、直驱与半直驱 2022 年 7 月 3 日本期内容提要 [Table_Summar [Table_Summary]  本周专题国内风电机组中，水平轴风电机组是主要机型，水平轴主要包括双馈型机组（带增速齿轮箱）、直驱型机组（不带增速齿轮箱）和半直驱型机组（带中速齿轮箱的直驱系统），其中又以双馈型机组为主，直驱型机组中大部分是永磁直驱机组，励磁直驱机组占比较小。从全球市场份额看，双馈机组占比仍在 80％左右，为主流机型。从中国市场份额看，双馈机组占比也在 55％左右。全球主要风机厂商对主机技术路线的布局有所不同，有的厂商目前尚以直驱或半直驱为主，如金风科技和明阳智能，有的厂商以双馈机型为主，如远景能源，有的是直驱和双馈两种路线并进，如西门子、 GE、电气风电等。以电气风电为例，电气风电的路上风机多采用双馈路线，海上风机中直驱技术应用比例高于陆风。  双馈式风电机组一般采用的是转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似，永磁直驱风电机组取消了增速齿轮箱，风轮轴直接和发电机轴直接相连，发电机多采用永磁式结构的转子的同步发电机，无须外部提供励磁电源。同功率下双馈机组的发电效率要高于直驱机组，但是综合考虑风速和实际功率变化以及自耗电差异，同功率的直驱机组和双馈机组由效率不同带来的成本差异是不明显的。既然效率因素影响有限，双馈和直驱机组的发电成本决定因素就在于硬件结构不同带来的成本不同，以及运输、安装和运维成本。  对比度电成本来看，度电成本最低的是永磁半直驱机组，其次是双馈机组，度电成本最高的是永磁直驱机组。随着风机大型化趋势，对机组的可靠性要求越来越高，从可靠性方面来看，直驱机组的可靠性最高，因此风机大型化背景下直驱化是未来风机演变的主要方向。我们认为，中期来看，双馈机组可适应的功率较高，陆上风机不存在明确的技术迭代方向，半直驱、直驱和双馈机组三者路线有望共存，长期来看，风机往更高功率方向演进，半直驱和直驱具有天然的可靠性优势，两者的装机占比有望进一步提升。  由于主机技术路线不同，传动系统有所区别，从双馈到半直驱再到直驱，其传动系统设计更加的紧凑，因此对于轴承所受的纵向力不断减弱，轴向力不断增强。在轴承应用上，双馈式风机主轴轴承常用调心滚子轴承，调心滚子轴承具有较好的调心能力，在安装中无需同轴校核，所以在实际选型和安装中大多选用调心滚子轴承作为主轴轴承。直驱和半直驱型机组主轴轴承常用单列或双列圆锥滚子轴承，因其传动结构设计紧凑，对轴向力承载要求较高。  风险因素疫情反复风险、政策变动风险等。请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 3 目录风电零部件系列专题（二）主机技术路线双馈、直驱与半直驱 4 风电主机包括直驱、半直驱和双馈三种类型，目前双馈型占比最高 4 双馈和直驱型机组全面对比各具优劣势，中长期半直驱 /直驱型占比提升 . 6 双馈和直驱机型主轴系结构直驱型结构更紧凑，轴承轴向承载力要求较高 9 表目录表 1全球主要 3MW 以上风机主机厂商技术路线和主要产品 5 表 2风电双馈机组和直驱机组的结构和性能对比 6 表 3风电双馈机组和永磁直驱机组的部分零部件成本和重量对比（吨，万元） . 8 表 4直驱、半直驱和双馈机组的优劣势全面对比 8 图目录图 1风电主机技术路线分类 4 图 2全球双馈机组装机占比 4 图 3国内双馈机组装机占比 4 图 4永磁直驱型风电机组结构 6 图 5双馈型风电机组结构 . 6 图 6风电直驱和双馈机组全功率范围的效率对比 7 图 7风电双馈和直驱机组不同风速下的功率差 . 7 图 8 2029 年半直驱机组在全球陆上风电和海上风电的装机占比预测 9 图 9双馈型风电机组传动系统图示 . 10 图 10直驱型风机结构图示 10 图 11半直驱型风机结构图示 . 10 图 12调心滚子轴承图示 11 图 13单列圆锥滚子轴承图示 . 11 图 14双列圆锥滚子轴承图示 . 12 请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 4 风电零部件系列专题（二）主机技术路线双馈、直驱与半直驱风电主机包括直驱、半直驱和双馈三种类型，目前双馈型占比最高国内风电机组中，水平轴风电机组是主要机型，水平轴主要包括双馈型机组（带增速齿轮箱）、直驱型机组（不带增速齿轮箱）和半直驱型机组（带中速齿轮箱的直驱系统），其中又以双馈型机组为主，直驱型机组中大部分是永磁直驱机组，励磁直驱机组占比较小。双馈式风机通常单机容量较小、安装灵活，国内代表整机商包括远景能源、上海电气等；直驱式风机后期运维成本相对较低，国内代表整机商包括金风科技、运达股份等；半直驱式风机结合了以上两种风机的优势，与双馈式风机相比，可有效减缓齿轮箱的损耗，与直驱式风机相比，同等功率下，重量和体积更低，明阳智能、中车风电、维斯塔斯等整机商已相继布局半直驱海上风电机组。风力发电技术大规模工业化应用于上世纪九年代，由于受生产技术水平的影响，当时主要为定桨距机组，后逐渐发展为双馈机组。双馈机组以比较优越的性能、技术优势和价格优势等，迅速建立起了完善的工业链体系。直驱机组由于受当时技术水平、生产工艺和生产成本制约，发展缓慢。从全球市场份额看，双馈机组占比仍在 80％左右，为主流机型。从中国市场份额看，双馈机组占比也在 55％左右。随着生产技术与生产工艺的提高、生产成本的降低、机组容量的不断增加，使得双馈机组对发电机轴承、齿轮箱技术、滑环、碳刷等技术的要求越来越高，双馈机组的总体优势逐渐降低，直驱和半直驱产业链链更加完善，直驱和半直驱技术相对优势有所提升。图 1 风电主机技术路线分类资料来源信达证券研发中心图 2 全球双馈机组装机占比资料来源风电机组技术现状分析及未来发展趋势预测，信达证券研发中心图 3 国内双馈机组装机占比资料来源风电机组技术现状分析及未来发展趋势预测，信达证券研发中心 80 20.0 双馈机组占比直驱和半直驱机组占比 55 45.0 双馈机组占比直驱和半直驱机组占比请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 5 全球主要风机厂商对主机技术路线的布局有所不同，有的厂商目前尚以直驱或半直驱为主，如金风科技和明阳智能，有的厂商以双馈机型为主，如远景能源，有的是直驱和双馈两种路线并进，如西门子、 GE、电气风电等。以电气风电为例，电气风电的路上风机多采用双馈路线，海上风机中直驱技术应用比例高于陆风。表 1全球主要 3MW 以上风机主机厂商技术路线和主要产品主要主机厂商主机技术路线主要产品参数西门子歌美飒技术路线包括 2.1MW 到 5.8MW 的带齿轮箱机组及 3.2MW-10MW 直至 14MW 的永磁直驱机组陆上 3.X 平台，功率 3.4MW，风轮直径分别为 132m 和 145m；陆上 4.X 平台，功率 5.0MW，风轮直径分别为 132m 和 145m；陆上 5.X 平台，功率 5.8MW，风轮直径分别为 155m 和 170m；海上 D6/D7 平台，功率 6MW、 7MW，风轮直径 154m；海上 D8 平台，功率 8MW，风轮直径 167m。海上 SG14.0-222D，功率 14MW，风轮直径 222m。（在研）维斯塔斯技术路线包括原维斯塔斯异步双馈机组，三菱重工维斯塔斯的半直驱永磁海上机组陆上 4MW 平台，功率 3.45MW、 4.0MW 和 4.2MW，风轮直径分别为 105m、 112m、 117m、 126m、 136m 和 150m 等；陆上 EnVentus 平台，功率 5.6/6.0MW，风轮直径 150m 和 162m；海上 4MW 平台，功率 4.2MW 风轮直径 117m；海上 9MW 平台，功率 9.5MW 风轮直径 164m 和 174m。海上 15MW 平台，功率 15MW 风轮直径 236m。（在研） GE 技术路线包括 GE 异步双馈机组， GE-阿尔斯通直驱永磁海上机组陆上 3MW 平台，功率 3.2-4.2MW 可调，风轮直径 117m、 130m 和 137m；陆上 5MWCypress 平台，功率 4.8MW 和 5.3MW，风轮直径 158m；陆上 6MWCypress 平台，功率 6.0MW，风轮直径 164m；海上 Haliade 平台，功率 6MW，风轮直径 150m；海上 Haliade-X 平台，功率 13MW，风轮直径 220m。（样机）金风科技技术路线主要为直驱永磁机组 GW3S/4S 智能风机平台 GW140-3.4、 GW140-3.57、 GW136-4.2、 GW155-4.5、 GW136-4.8 GW1653.6/4.0、 GW1655.0 GW6S/8S 智能风机平台 GW171-6.45、 GW184-6.45、 GW154-6.7、 GW175-8.0 明阳智能技术路线主要为半直驱机组 MySE3MW 系列 3000（叶轮直径 112、 121、 135） MySE3.2MW 3200（叶轮直径 145） MySE3.6MW 3600（叶轮直径 135、 166） MySE4.0MW 4000（叶轮直径 145、 156、 166） MySE5.0MW 5000（叶轮直径 166） MySE5.5MW 5500（叶轮直径 158） MySE6.XMW 6250（叶轮直径 173） MySE6.XMW 6450（叶轮直径 18X） MySE7.XMW 7000/7250（叶轮直径 158） MySE8-10MW 平台 8000-10000（叶轮直径 19X） MySE11MW 平台 11000（叶轮直径 203）（在研）运达股份技术路线主要为异步双馈机组 3.XMW 系列产品，功率 3.0MW-3.6MW，风轮直径 140m、 147m、 156m、 164m； 4.XMW 系列产品，功率 4.2MW-4.5MW，风轮直径 147m、 156m、 160m、 171m； 5MW 系列产品，功率 5MW，风轮直径 130m、 139m 5.XMW 系列产品，功率 6.0-6.25MW，风轮直径 175m 远景能源技术路线主要为异步双馈机组陆上 EN-156/3.X 系列、 EN-4.XMW/156 系列、 EN-3.XMW/141 系列、和 EN-2.XMW/131、 141 系列海上 EN-171/5.5 系列、 EN-4.XMW/136、 148 系列和 EN-5.XMW/161 系列电气风电技术路线涵盖齿轮箱增速型、风轮直驱型，拥有鼠笼发电机和双馈发电机设计技术及永磁直驱发电机与变流器耦合技术陆上 3.45MW/4.0MW（风轮直径 146m）陆上 4.XMW（风轮直径 146m、 155m、 168m）海上 5.XMW（风轮直径 172m）海上 3.6MW（风轮直径 116m、 122m、 136m）海上 4.0MW（风轮直径 130m、 146m）海上 6.X/7.X（风轮直径 154m、 172m）海上 8.0MW（风轮直径 167m）三一重能技术路线主要为异步双馈机组， 4MW 以上变压器上置陆上 3.XMW（功率 3.0/3.2/3.3/3.35MW 风轮直径 146/155/160/164/168m）陆上 3.6MW（风轮直径 164m、 168m）陆上 4.XMW（功率 4.0/4.2/4.5/4.55/4.8MW，风轮直径 146/156/160/164/168/171/175/183m）陆上 5.0MW（风轮直径 156/160/164/168/172/183/193m）陆上 5.XMW（功率 5.6MW，风轮直径 172m）请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 6 陆上 6.25MW（功率 6.25MW，风轮直径 172/183m）资料来源三一重能公告，信达证券研发中心双馈和直驱型机组全面对比各具优劣势，中长期半直驱 /直驱型占比提升运行原理对比双馈式风电机组一般采用的是转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似（电机结构参考我们此前发布的报告 20210220 周专题智能工业基础零部件系列之一电机） ,定转子三相对称，转子电流由滑环接入。当转子转速变化、无功需求变化时通过变频器改变转子电流的频率、相位、幅值保持定子频率稳定和无功调节。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，故所需的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，约占发电机功率的 20-30。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减少变频器的容量外，还可实现对有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。永磁直驱风电机组取消了增速齿轮箱，风轮轴直接和发电机轴直接相连，发电机多采用永磁式结构的转子的同步发电机，无须外部提供励磁电源。转子的转速随风速的变化而改变，其交流电的频率也随之变化，经过全功率电力电子变频器将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。变频器的容量较大，达发电机额定容量的 120％以上。图 4 永磁直驱型风电机组结构资料来源分频风电系统用于直驱式风机和双馈式风机对比，信达证券研发中心图 5 双馈型风电机组结构资料来源分频风电系统用于直驱式风机和双馈式风机对比，信达证券研发中心机组结构对比双馈机组和直驱机组在发电机、变频器、齿轮箱等主要部件等方面存在一定差异。（一）发电机目前双馈机组采用双馈式异步发电机，而直驱机组多采用低速多极发电机，发电机的励磁方式大部分为永磁。直驱式发电机转数低，磁极数多，通常在 90 极以上，体积和重量都较大。永磁材料在震动、冲击、高温情况下易失磁，而且存在永久的强磁性，在现场条件下检修较困难。双馈式异步风电机重量轻、体积小。（二）变频器直驱机组采用的是全功率变频器，容量大、谐波大。双馈机组中仅有转差功率经过变频器，变频器容量小、价格低、谐波小。（三）齿轮箱直驱机组不采用齿轮箱。双馈机组多采用变比较大的齿轮箱。总结来讲，双馈机组和直驱机组在结构、运输、安装、运维方面双馈与永磁直驱机组都各有优劣势，定性分析来看，两者差别并不是太大。表 2 风电双馈机组和直驱机组的结构和性能对比双馈机组永磁直驱机组结构差异齿轮箱双馈发电机变频器永磁同步发电机变频器励磁由电网通过双向变流器进行励磁，励磁可调永磁体励磁，励磁不可调尺寸重量因转速高、转矩小，故尺寸较小、重量较轻永磁同步发电机极数多、体积及重量较大过流能力电网故障时可提供 5 倍额定电流的过流能力，有利于启动过电流保护及故障清除全功率变频系统其过流能力一般被限制在 2 倍额定电流请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 7 变频器容量约占发电机额定容量的 20-30 全功率变流器，容量为发电机额定容量的 120％以上无功调节通过变频器改变转子电流达到无功调节发电机输出端的功率因数无法控制，通过变流器控制输出到电网端的无功功率电能品质由变流器控制电压匹配、同步和相位控制，并网迅速，基本无电流冲击全功率变流，基本无电流冲击；发电机与电网彼此独立，避免了失步问题，但会有高频电流流入电网维护发电机前端有齿轮箱，转子侧有电刷、滑环，故障点多无齿轮箱，发电机转子上无绕组、电刷、滑环，故障点少。但永磁体在高温、振动等环境下易失磁资料来源双馈风电机组与永磁直驱机组对比分析，信达证券研发中心发电成本对比比较双馈和直驱风电机组发电成本的首要考虑因素是机组效率，机组效率直接决定了两者在功率相同的情况下零部件的规格大小要求，进而影响硬件成本。很多直观的认为，直驱机组取消了齿轮箱以及发电机转子无损耗，因此在工作效率上要高于双馈机组，但是具体情况如何，国内有相关学术研究提供了数据参考。相关学术研究（双馈风电机组与永磁直驱机组对比分析，蔡梅圆等， 2016 年）以 2MW 机组为例，在负载小于约 500kW 即负载率小于约 21.5时，双馈机组的效率低于永磁直驱机组的效率，最大差值出现在起始点，相差 1.6。负载率大于 21.5时双馈机组的效率高于永磁直驱机组的效率，最大差值出现在负载率 64至额定点之前的较宽的一段范围内，相差约 2。从功率曲线对比来看，在风速小于 5.8m/s 的低风速段时永磁直驱机组有一定的优势，风速高于 5.8m/s，特别是接近满发风速时双馈机组优势明显；由于双馈机组齿轮箱冷却自耗电约 10kW，以及其他部分自耗电的差异，两种机组的发电量差异不会很大。总结来讲，同功率下双馈机组的发电效率要高于直驱机组，但是综合考虑风速和实际功率变化以及自耗电差异，同功率的直驱机组和双馈机组由效率不同带来的成本差异是不明显的。图 6 风电直驱和双馈机组全功率范围的效率对比资料来源双馈风电机组与永磁直驱机组对比分析，信达证券研发中心图 7 风电双馈和直驱机组不同风速下的功率差资料来源双馈风电机组与永磁直驱机组对比分析，信达证券研发中心既然效率因素影响有限，双馈和直驱机组的发电成本决定因素就在于硬件结构不同带来的成本不同，以及运输、安装和运维成本的差别。双馈机组与永磁直驱机组的硬件结构的差别主要在发电机、齿轮箱、变频器三方面，控制系统等其他系统的造价相差不多。以 2MW 双馈机组与永磁直驱机组为例。 2MW 双馈机组较永磁直驱机组在成本方面低 20 万元左右，折算到单位千瓦的成本为 100 元。直驱机组的发电机重量远高于双馈机组。双馈机组因转速高、转矩小，发电机尺寸较小、重量较轻；永磁直驱机组体积和重量大，随着单机容量的增加，直驱机组重量增加较为明显。由此可见直驱机组带来了运输、吊装等一系列的成本增加。从维护和故障维修方面看，双馈机组有齿轮箱和发电机滑环、碳刷，增加了故障点和更换易耗件的成本。直驱机组由于没有齿轮箱和发电机滑环、碳刷，会减少相对应的故障率。但直驱机组必须通过空气流过转子和定子之间的间隙来进行冷却，空气中含有的带电粒子、灰尘等会在永磁场的作用下附着在永磁体的表面，造成风电机组磁隙发生变化，请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 8 从而影响机组性能。永磁机组因存在强的永磁场，金属工具在机组上也很难运作，维修维护困难。而双馈机型可以单独对齿轮箱、发电机等部件进行维修，其维护难度远低于直驱机型。总结来看，在运输、安装、运维方面双馈与永磁直驱机组都各有优劣势，两者在制造、运输、安装、运维方面的成本区别并不明显。综合以上方面，对比度电成本来看，度电成本最低的是永磁半直驱机组，其次是双馈机组，度电成本最高的是永磁直驱机组。表 3 风电双馈机组和永磁直驱机组的部分零部件成本和重量对比（吨，万元）零部件成本零部件重量（发电机齿轮箱）机型发电机成本变频器成本齿轮箱成本成本合计 1.5MW 2MW 3MW 5MW 双馈机组 40 40 100 180 23 30 41.6 85 永磁直驱机组 140 60 0 200 47.5 47.8 80.3 140 资料来源双馈风电机组与永磁直驱机组对比分析，信达证券研发中心优劣势全面对比随着风机大型化趋势，对机组的可靠性要求越来越高，从可靠性方面来看，直驱机组的可靠性最高，因此风机大型化背景下直驱化是未来风机演变的主要方向。但如前所述，直驱型机组的电机体积和重量以及造价均有较大提升，同时也提高了运输成本，但双馈机组在后期维护方面的成本较高。综合来看，半直驱机组结合了直驱和双馈机组两者的优势，未来的装机占比有望提升，未来几年可能是海上风电机组的主流路线。我们认为，中期来看，双馈机组可适应的功率较高，陆上风机不存在明确的技术迭代方向，半直驱、直驱和双馈机组三者路线有望共存，长期来看，风机往更高功率方向演进，半直驱和直驱具有天然的可靠性优势，两者的装机占比有望进一步提升。表 4直驱、半直驱和双馈机组的优劣势全面对比类别直驱型半直驱型双馈型高速永磁中速永磁高速双馈中速双馈结构无齿轮箱，机械可靠性好有齿轮箱，故障率较高低速齿轮箱，故障率略低有齿轮箱，有滑环，故障率高有滑环，低速齿轮箱，故障率较高控制控制回路少，控制简单控制回路较多，控制相对复杂控制回路多，控制复杂电机种类永磁电机，体积大，吊装困难永磁发电机，体积较小永磁发电机，体积较大碳刷、滑环的故障率高变流器全功率全功率的 1/3 电机造价 /尺寸 /重量最高 /最大 /最重较高 /较大 /较重高 /大 /重低 /小 /轻较低 /较小 /较轻可靠性最高较高高低较低可维护性维护工作量小，维护费用低；海上发电机拆卸困难齿轮箱维护频繁且易发生故障；电机等大部件拆卸相对容易，可维护性较好齿轮箱维护频繁且易发生故障；发电机等大部件拆卸相对容易；有碳刷、滑环，增加维护工作量资料来源海上风电机组大型化技术路线分析，信达证券研发中心 Wood Mackenzie 对半直驱机组的应用前景预测乐观，预计到 2029 年半直驱机组在全球陆上风电、海上风电市场的占有率将分别达到 45、 34。请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 9 图 8 2029 年半直驱机组在全球陆上风电和海上风电的装机占比预测资料来源风能， Wood Mackenzie，信达证券研发中心双馈和直驱机型主轴系结构直驱型结构更紧凑，轴承轴向承载力要求较高风机通过主轴将旋转的机械能传递给发电机，通过发电机转化为电能。目前市场上兆瓦级别的风力发电机主要是包括直驱式和双馈式或是结合两者特点开发的半直驱式三种。直驱式风机因为采用多级永磁发电机，其发电机体型庞大，因此基本上和主轴做成一体式，发电机的转子和风机动轴固定连接，动轴通过轴承套在定轴上，轮毂和动轴通过螺栓固定联接。双馈式风机因为采用的是普通的异步发电机，为了达到相应的转动速度，因此需要在主轴末端增加一个齿轮增速箱。直驱式风机相对于双馈式风机来说结构紧凑。风电主轴的重要性风机主轴在风机正常运行中起到重要作用，同时其体积大，重量重，一旦损坏不仅无法拆卸维修，同时会给风力发电机造成巨大的安全隐患。风机主轴主要承受来自风轮的载荷作用包括轴向扭矩，轴向推力以及横向弯矩作用。其中，轴向扭矩的传递路径为主轴前端法兰主轴齿轮箱行星架，主要造成主轴发生扭转变形；轴向推力分为向内和向外两种，向内的轴向推力传递路径为主轴轴肩前轴套前轴承轴承座，向外的轴向推力传递路径为主轴锁紧螺母后轴套后轴承轴承座；横向弯矩传递路径主要是主轴轴承配合段前轴承轴承座，在横向弯矩作用下，风机主轴发生微小的弯曲变形，轴承对主轴的弯曲变形起到一定的调心作用，通过轴承内圈的微小偏转来保证主轴轴承配合段和主轴中心线一致。主轴作为风机结构中不可拆卸维修的关键零部件之一，设计使用寿命需要在 20 年以上。双馈型机组主轴系结构双馈机组与主轴联接的零部件主要有风轮（轮毂风机叶片）和增速齿轮箱，主轴前端的联接法兰盘与风机轮毂通过螺栓联接，后端通过胀套联轴器与增速齿轮箱的输入轴相连。风机主轴的安装放置形式主要有有两点挑臂梁形式以及三点悬臂梁形式；前者应用较为普遍，主要是通过前后两个主轴支撑轴承来支撑风机主轴，两个轴承安装在独立的两个或者是一个一体的轴承座内；三点悬臂梁支撑，风机主轴外部仅仅使用一个支撑轴承，另外的两点是增速齿轮箱内部的转矩支撑轴承，相比较而言，两点式支撑在抑制风机振动等方面具有优势。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 陆上风电海上风电请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 10 图 9 双馈型风电机组传动系统图示资料来源兆瓦级风力发电机主轴结构可靠性分析与研究，信达证券研发中心直驱 /半直驱型机组主轴系结构直驱型机组的主轴轴系包括轮毂内主轴轴系和单轴承主轴轴系。轮毂内主轴结构最早始于德国一家名为 Enercon 公司，该设计结构已被申请专利。同时， Enercon 也是世界上首个研发出无齿轮箱风电机组的公司，并且从 1993 年开始批量生产直驱型风机，轮毂内主轴结构就其中一种。这种结构特点是主轴为一根心轴，主轴后端面通过法兰与底座相联接，这种风电机组在运行时主轴由于结构特点只承受弯矩和风载荷作用的轴向推力。在主轴在前段和中部设计有两个轴承座，前端轴承座孔设计在轮毂内部，中部轴承连接发电机转子，轮毂载荷集中与两轴承跨距之间，主轴的受载情况良好。单轴承结果相对于轮毂内主轴结构少了一个主轴轴承，即使用一个轴承座为支撑。目前风电机组正朝着大兆瓦级方向发展，随着装机容量的增加，机组重量也随之增加，使用一个主轴轴承能够减少载荷。单轴承支撑结构中轴承分为两种，一种是三列圆柱滚子轴承，另外一种为双列圆锥滚子轴承。三列圆柱滚子轴承和双列圆锥滚子轴承均能够很好的承受径向力、轴向力以及弯矩。半直驱的概念是在直驱与双馈的基础上随着风电机组大型化发展过程中出现的种种问题而提出来的，因此半直驱风电机组兼顾了直驱与双馈机组的特点。从主传动链的结构上来说，半直驱机组与双馈机组更类似，不同的是半直驱机组齿轮箱传动比较低，一定程度上能够提高齿轮箱的可靠性。由于半直驱机组与双馈型机组结构类似且结构较为紧凑，因此目前半直驱主轴结构主要为将主轴集成于齿轮箱，因此主轴长度较短。图 10 直驱型风机结构图示资料来源风电机组主轴轴系结构设计方法的研究，信达证券研发中心图 11 半直驱型风机结构图示资料来源风电机组主轴轴系结构设计方法的研究，信达证券研发中心请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 11 直驱、半直驱和双馈型机组的主轴轴承区别由于主机技术路线不同，传动系统有所区别，从双馈到半直驱再到直驱，其传动系统设计更加的紧凑，因此对于轴承所受的纵向力不断减弱，轴向力不断增强。在轴承应用上，双馈式风机主轴轴承常用调心滚子轴承，调心滚子轴承具有较好的调心能力，在安装中无需同轴校核，所以在实际选型和安装中大多选用调心滚子轴承作为主轴轴承。直驱和半直驱型机组主轴轴承常用单列或双列圆锥滚子轴承，因其传动结构设计紧凑，对轴向力承载要求较高。调心滚子轴承由一个带球面滚道的外圈和一个双滚道内圈、一个或两个保持架及一组球面滚子组成。由于外圈球面滚道的中心与轴承中心一致，故具有调心性能，可以自动调整因轴与轴承座之间的角度误差所产生的倾斜或轴的挠曲。调心滚子轴承可以承受较大的径向载荷与双向轴向载荷。特别适用于承受重载荷或冲击振动载荷。但调心滚子轴承允许的工作转速相对较低。图 12 调心滚子轴承图示资料来源洛轴商城官网，信达证券研发中心单列圆锥滚子轴承内、外圈具有锥形滚道，滚子亦为锥形。若将锥形延伸，其顶点则相交于轴承轴线上的一点。因此，圆锥滚子轴承的滚子可以在滚道上实现纯滚动。单列圆锥滚子轴承属于分离型轴承，轴承内组件（由滚子、保持架和内圈组成）和外圈可以分离。因此，可以很方便地安装在轴颈和轴承座上。圆锥滚子轴承适用于承受径向载荷、单向轴向载荷及径向和轴向联合载荷。圆锥滚子轴承轴向载荷能力取决于接触角α，即外圈滚道角度，接触角α越大，轴向载荷能力越大。单列圆锥滚子轴承可以承受一个方向的轴向载荷。并能限制轴相对轴承座一个方向的轴向位移。圆锥滚子轴承即使在纯径向载荷作用下，内部也会产生附加轴向分力，此时，需要有一个等量的反向作用力来与之相平衡。通常在两个支承中采用两个相同结构的单列圆锥滚子轴承面对面或背对背相对安装。图 13 单列圆锥滚子轴承图示资料来源洛轴商城官网，信达证券研发中心请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 12 双列圆锥滚子轴承轴承在承受以径向负荷同时，可承受双向轴向负荷。外圈（或内圈）是一个整体。两个内圈（或外圈）小端面相近，中间有隔圈，游隙靠隔圈的厚薄来调整。此种轴承在承受以径向负荷同时，可承受双向轴向负荷，可在轴承的轴向游隙范围内，限制轴承或外壳的双向轴向位移。图 14 双列圆锥滚子轴承图示资料来源洛轴商城官网，信达证券研发中心请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 13 研究团队简介刘卓，对外经济贸易大学金融学硕士， 2017 年加入信达证券研发中心，曾任农林牧渔行业研究员，现从事机械设备行业研究。刘俊奇，上海交通大学动力工程硕士， 2021 年加入信达证券研发中心，现从事机械设备行业研究。机构销售联系人区域姓名手机邮箱全国销售总监韩秋月 13911026534 hanqiuyuecindasc.com 华北区销售总监陈明真 15601850398 chenmingzhencindasc.com 华北区销售副总监阙嘉程 18506960410 quejiachengcindasc.com 华北区销售祁丽媛 13051504933 qiliyuancindasc.com 华北区销售陆禹舟 17687659919 luyuzhoucindasc.com 华北区销售魏冲 18340820155 weichongcindasc.com 华北区销售樊荣 15501091225 fanrongcindasc.com 华北区销售章嘉婕 13693249509 zhangjiajiecindasc.com 华东区销售总监杨兴 13718803208 yangxingcindasc.com 华东区销售副总监吴国 15800476582 wuguocindasc.com 华东区销售国鹏程 15618358383 guopengchengcindasc.com 华东区销售李若琳 13122616887 liruolincindasc.com 华东区销售朱尧 18702173656 zhuyaocindasc.com 华东区销售戴剑箫 13524484975 daijianxiaocindasc.com 华东区销售方威 18721118359 fangweicindasc.com 华东区销售俞晓 18717938223 yuxiaocindasc.com 华东区销售李贤哲 15026867872 lixianzhecindasc.com 华东区销售孙僮 18610826885 suntongcindasc.com 华东区销售贾力 15957705777 jialicindasc.com 华南区销售总监王留阳 13530830620 wangliuyangcindasc.com 华南区销售副总监陈晨 15986679987 chenchen3cindasc.com 华南区销售副总监王雨霏 17727821880 wangyufeicindasc.com 华南区销售刘韵 13620005606 liuyuncindasc.com 华南区销售许锦川 13699765009 xujinchuancindasc.com 华南区销售胡洁颖 13794480158 hujieyingcindasc.com 请阅读最后一页免责声明及信息披露 http//www.cindasc.com 14 分析师声明负责本报告全部或部分内容的每一位分析师在此申明，本人具有证券投资咨询执业资格，并在中国证券业协会注册登记为证券分析师 ,以勤勉的职业态度 ,独立、客观地出具本报告；本报告所表述的所有观点准确反映了分析师本人的研究观点；本人薪酬的任何组成部分不曾与，不与，也将不会与本报告中的具体分析意见或观点直接或间接相关。免责声明信达证券股份有限公司以下简称 “ 信达证券 ” 具有中国证监会批复的证券投资咨询业务资格。本报告由信达证券制作并发布。本报告是针对与信达证券签署服务协议的签约客户的专属研究产品，为该类客户进行投资决策时提供辅助和参考，双方对权利与义务均有严格约定。本报告仅提供给上述特定客户，并不面向公众发布。信达证券不会因接收人收到本报告而视其为本公司的当然客户。客户应当认识到有关本报告的电话、短信、邮件提示仅为研究观点的简要沟通，对本报告的参考使用须以本报告的完整版本为准。本报告是基于信达证券认为可靠的已公开信息编制，但信达证券不保证所载信息的准确性和完整性。本报告所载的意见、评估及预测仅为本报告最初出具日的观点和判断，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可能会出现不同程度的波动，涉及证券或投资标的的历史表现不应作为日后表现的保证。在不同时期，或因使用不同假设和标准，采