風電轴承行業深度报告:風機部件國產最後一环,轴承企業百花齐放
1.一、碳中和方针明白，風電行業迎来快速成长汗青复盘：我國風電行業成长 20 余年，海内主機廠及相干配套財產快速突起。“十一五” 時代属于我國風電財產的快速突起期，但陪伴而来凸起的電網适配問題使得行業弃風率高企， 運营商投資經濟性不高，叠加國度電價补助的陸续退坡，“十二五”“十三五”時代我國風 電装機呈現较大颠簸。“十二五”時代，跟着風電扶植计劃趋于規范，和電網调剂能力加 强，弃風率從 2011 年的 16.2%降低至 2014 年的 8.0%，叠加 2015 年是電價退坡的最後一 年，2015 年迎来一轮抢装潮，實現 34.2GW 的高装機量。
受抢装潮影响，“十三五”早期 再次迎来弃風率的爬升，跟着《關于有序铺開發用電規劃的通知》與《關于創建健全可再生 能源電力消纳保障機制的通知》政策出台，風電消纳問題获得改良，弃風率快速降低，根基 保持在 5%之内；2020 年為陸風電價补助的最後一年，昔時迎来 69.32GW 的陸風新增装 機，創汗青新高。
相较于陸優势電，我國海優势電成长较晚，且增长了海缆、根本桩、海上工程等零部件及步 骤，施工難度较大，造價廣泛较高，持久以来必要寄托電價补助保持投資回报率。2020 年 1 月財務部、國度發改委、國度能源局结合公布《關于促成非水可再生能源發電康健成长的 若干定見》，提出新增海優势電再也不纳入中心財務补助范畴，按劃定完成批准（存案）并于 2021 年 12 月 31 日前全数機组完成并網的存量海優势力發電項目，按响應代價政策纳入中 央財務补助范畴。受此影响，2021 年底迎来海優势電的抢装行情，2021 整年海優势電新增 装機量 16.90GW，同比增加 452.29%，創汗青新高；累计装機量到达 26.39GW。
風電財產日益成熟，大型化晋升風機降本曲线斜率，行業迎来成持久。風電抢装潮後，行業 機组招標代價延续降低：以 3MW 風機為例，機组招標代價從 2019 年最高 4093 元/kW 下 降至 2021 年底 2798 元/kW，4MW 及以上機型渐渐成為招標的主流機型，2021 年 12 月 4MW 風機招標價下探至 2359 元/kW。按照金風科技官網，2022 年 3 月風機公然投標均價 已跌至 1876 元/kW。陪伴着風機造價的降低，風電運营商投資回报率向上冲破，装機热忱高企。2022 年起，跟着海風技能與履历的成熟，風機、海缆、根本平台等造價本錢的降低 有望晋升運营的红利性，“十四五”海優势電有望迎来快速成持久。
風電招標延续高景气。從招標量来看，2021 年整年風機電组公然招標量到达 54GW，同比 增加 74%；此中，陸上新增招標容量 51.37GW，海上新增招標容量 2.79GW。按照風電之 音公家号统计，2022 年 1~6 月，風電項目招標范围达 53.46GW，已靠近客岁整年的招標 量。
1.二、風機主流线路分為雙馈、半直驱、直驱機型
按照《海優势機電组機型成长的技能线路比拟》，依照發機電的布局和事情道理，風機電组 可分為异步和同步風機電组，异步風機按其转子绕组布局可分為笼型异步風機和绕线式雙馈 异步風機，同步風機按其转子励磁方法可分為永磁同步風機和電励磁同步風機，此中依照風 轮機和永磁發機電的傳動方法，永磁同步風機電组可分為永磁直驱風機電组和永磁半直驱風 機電组。跟着機组单機容量增大，風力發機電组從初期利用的恒速恒頻鼠笼式异步風機成长 為變速恒頻的高速傳動雙馈式异步風機，随後呈現無齿轮增速箱的直驱式永磁同步風機和半 直驱式永磁同步風機。
雙馈异步風力發機電组：風轮機需經由過程增速齿轮箱毗連至转速较高的雙馈异步發機電转子， 转子的励磁绕组經由過程转子侧和網侧變更器毗連至電網，定子绕组直接并網。雙馈發機電體系 經由過程励磁變更器節制转子電流的頻率、相位和幅值間接调理定子侧的输出功率，具备调速范 围较宽、有功和無功功率可自力调理、转子励磁變更器的容量较小（约 30%發機電額定容 量）等长處，在陸上和海優势電場中都有遍及利用。 永磁直驱風力發機電组：風轮機與永磁同步發機電直接相連，發機電的定子绕组經由過程定子侧 和網侧變更器毗連至電網。
永磁直驱式風機電组與雙馈風機電组比拟，转子為永磁體励磁， 無需外部供给励磁電源，解除励磁消耗。風轮與發機電转子之間省去了增速齿轮箱，转子转 速低，發機電的极對数不少，凡是在 90 极以上，因此發機電體积较大。永磁直驱風機體系 具备效力较高、噪音低、低電压穿越能力较强等长處，已遍及利用于陸上和海優势電場。 永磁半直驱風力發機電组：風轮機通太低變速比（一般 k＜40）齿轮箱與永磁同步發機電转 子毗連，發機電的定子绕组仍經由過程全功率變更器毗連至電網。
永磁半直驱式風機電组風轮經 增速齿轮箱毗連至發機電转子，转子转速比永磁直驱 式風機電组的高。是以，可以削减永 磁機電转子磁极数，有益于减小發機電的體积和質量，低落風機的吊装難度，同時保存了永 磁直驱風機電组容量大、低電压穿越能力较强等长處。國表里诸多風機廠家大容量海優势電 機组均采纳永磁半直驱的技能线路，已有较多樂成贸易運行的案例。
按照《海優势機電组大型化技能线路阐發》，發機電、齿轮箱、變流器三大部件是雙馈、直 驱、半直驱技能线路的重要區分。 發機電：直驱型永磁機组靠得住性最高，但發機電體积较大、造價较高且维修難度较大，在一 定水平上對風機電组的進一步大型化造成制约；半直驱型中速永磁機组齿轮箱傳動比低洗車水槍，、可 靠性较高，且發機電體积有用减小，有益于風機電组進一步大型化的推動標的目的；雙馈型機组 技能成熟、本錢低、重量輕，但存在碳刷、滑环體系，靠得住性较低、保護事情量大。
齿轮箱：雙電波拉皮,馈型、半直驱型機组均經由過程齿轮箱来将風轮转速實現增速傳動，以提多發機電转 速，但持久處于高速運转的齿轮箱易存在磨损、胶合、断齿、漏油等危害；直驱型機组無齿 轮箱，風轮直接驱動發機電转子扭转，不存在齿轮箱妨碍，靠得住性高。
變流器：雙馈型機组采纳 1/3 全功率的變頻器，容量小、代價低；直驱型、半直驱型機组采 用全功率變頻器，容量大、代價较高。但跟着電力電子元器件的高速成长，今朝變流器技能 加倍成熟，代價渐渐低落，其造價在機组总體代價中的比重已不大；同時，變流器也正朝着 中压標的目的成长，中压變流器可進一步减小體积，低落消耗，能更好地知足大型化的成长需求。
齿轮箱、發機電和變流器是造價本錢的重要變量。從傳動體系本錢比去痣藥膏,拟来看，以 3MW 風機 為例，三類技能线路的造價本錢排序為直驱型（43 万欧元）>半直驱型（33 万欧元）>雙馈 型（32 万欧元）；据《雙馈風機電组與永磁直驱機组比拟阐發》，典范的 2MW 雙馈機组较 永磁直驱機组本錢低 20 万元摆布，即 100 元/kW。
直驱型機组造價本錢偏高的缘由有如下两個方面：1）雙馈機组因转速高、转矩小，發機電 尺寸较小、重量较輕；永磁直驱機组體积和重量大，跟着单機容量的增长，直驱機组重量增 加出格较着，随之带来機组制造、運输吊装本錢增长；2）從發機電和齿轮箱質料来看，直 驱機型對付铜、永磁質料的利用量较大，按照《Wind Turbine – Materials and Manufacturing Fact Sheet》，與 2001~2005 年比拟，2006~2010 年風機機舱内永磁質料的利用量大幅增 加，其重要缘由是利用了具备更大發機電的直驱和半直驱機型，雙馈機型的利用比例在渐渐 减小。近几年铜、稀土原質料的代價快速上涨使得直驱型機電的造價本錢大幅晋升，按照金 力永磁投資者瓜葛勾當記實表，半直驱永磁風力發機電单元磁材用量约莫是直驱永磁風力發 機電的 1/4~1/3，因而部門大兆瓦機型選擇了半直驱這種折衷的方案。
發電效力方面，按照《海優势機電组機型成长的技能线路比拟》，永磁直驱、電励磁直驱風 機的年發電量最高，其次是永磁半直驱、雙馈异步風機。保護保障方面，從保護和妨碍维修 方面看，雙馈機组有齿轮箱和發機電滑环、碳刷，增长了妨碍點和改换易耗件的本錢。直驱 機组因為没有齿轮箱和發機電滑环、碳刷，會削减相對于應的妨碍率。若斟酌分歧技能线路風 機的初始造價、運行保護本錢和發電效力，半直驱機组的度電本錢最低，其次是雙馈异步、永磁直驱機组。
1.三、海内主機廠技能线路不尽不异
海内廠商選擇的技能线路不尽不异。金風 2007 年第一台直驱永磁風機電组安装在中海油位 于渤海的钻井平台上，2021 年對現有直驱永磁平台及產物举行了優化和進级，并公布了 15 款中速永磁平台旗舰機型；明阳智能则相對于刚强地走半直驱线路，2006 年曾引進和利用 雙馈技能，可是基于對現有和将来市場的阐發，明阳智能董事长决然断然地转向半直驱技能 线路；電气風電此前重要為雙馈機型，2021 年完成為了半直驱傳動链技能開辟及產物利用； 东方電气此前 2.5MW 機型（含）的技能线路為雙馈機型，2.5MW 以上（不含）機型都采纳 了直驱機型，2021 年也開辟了 4MW 雙馈機型；中車風機電组類型包含 1.5~3.0MW 雙馈系 列機组、2.0~6.0 中速永磁系列機组；其他主機廠（前景能源、運达股分、三一重能、结合 動力）则重要采纳雙馈线路。
我國根基完成風機的國產化，2019~2021 年風電装機前十名均為國產主機廠，集中度较高， 2021 年 CR3 為 47.4%、CR5 為 69.4%，CR10 為 95.1%。從陸上、海上散布来看，陸上 風電新增装機排名前五為：金風科技（直驱）、前景能源（雙馈）、運达股無痛植牙,分（雙馈）、中 車風電（雙馈、半直驱）、三一重能（雙馈），雙馈機型具有更低的制造本錢而被遍及利用 于陸優势電；海優势電新增装機排名前五為：電气風電（雙馈、半直驱）、明阳智能（半直驱）、金風科技（直驱）、中國海装（半直驱）、东方電气（雙馈、直驱），海優势電技能 的選擇则不尽不异。
從中國風能协會统计的数据来看，雙馈异步型依然盘踞陸優势電新增装機较大的份額。從 2020 年环境来看，雙馈异步型新增装機占陸優势電新增装機的 60.9%，比拟 2019 年晋升 9.4pct；直驱型風機占比 30.5%，比拟 2019 年降低 6.3pct；半直驱風機占比 8.4%，比拟 2019 年降低 3.1pct。
1.四、機组大型化趋向加快
2011~2021 年，陸上、海上单機功率實現翻倍增加，陸上新增風機均匀容量從 1.5MW 增长 至 3.1MW，海上新增風機均匀容量從 2.7MW 增长至 5.6MW。按照 CWEA 统计的数据， 2021 年新增装機主力機型已從 2020 年的 2.0~3.9MW 晋升至 3.0~4.9MW，2021 年海風新 增装機较多，海風主力機型散布在 5.0~6.9MW。参考 2022 年以来項目風機機组招標信息来 看，陸風招標機型已扩展至 5~6MW，海風招標機型已扩展至 8~9MW，個體項目将采纳 10~11MW 機型。
2.一、風電轴承為活動關键，包含傳動體系轴承及偏航變桨轴承
風電轴承是風機所有活動部位的關键，作為風機的焦點部件，風力發機電的受力和振動环境 繁杂，必需可以或许經受庞大的打击负荷，在腐化、風沙、湿润和低温情况下事情，同時要知足 20 年利用寿命和高靠得住性的請求。轴承行業在“十二五”计劃中占据首要职位地方，在 2010 年 國度工信部公布的《機器根本零部件財產振兴施行方案》中，風力發機電轴承被列為七大類 必要重點冲破的關頭零部件之首。 按照《風力發機電用轴承简述》，風機電组轴承包含：
1）傳動體系轴承：風力發機電主轴承、齿轮箱轴承和發機電轴承。風力發機電组的主轴又 称低速轴或叶轮轴，起到毗連叶轮與齿轮箱或發機電、和通报扭矩的感化。主轴由主 轴轴承支承，因此主轴上的作使劲和變形都影响到主轴轴承，其受的力重要包含風叶 及轮毂的重量、主轴自重、主轴轴承的支承力、推力轴承的止推力、風經由過程風叶及轮毂 感化在主轴的力，因此主轴轴承重要經受径向力，也受部門因為風力而發生的轴向力。 齿轮箱起到将扭转叶片通报的较低转速提高到發機電的額定转速；别的，風力發機電完 成機器能到電能的转化，内部布局一样用到轴承。
2）偏航、變桨體系及其轴承：偏航轴承是偏航體系中的首要部件，其位于機舱的底部，承 载着風力發機電主傳動體系的全数質量，并通报气動推力到塔架，用于正确當令地调解 風力發機電的迎風角度。變桨距體系用于调解叶片的迎風標的目的；變桨轴承安装于叶片和 轮毂之間，内、外圈經由過程螺栓别離與叶片和轮毂联络，使叶片可以相對于其轴线扭转以达 到變桨的目標。
2.二、调心滚子、圆锥滚子、圆柱滚子為主轴承重要情势
据《風機電组主轴承選型與設計阐發》，依照支承點的個数分類，風機電组主轴承的安插選 型可分為三點支承、两點支承和单轴承。
1）三點支承即“主轴轴承＋齿轮箱中的轴承”，是雙馈機组的經常使用安插情势。三點支承緊身褲，的 轴承布局通常是在風轮侧設計為自力轴承室，轴承室内安装１個调心滚子轴承，主轴與齿轮 箱采纳胀紧套毗連，２個圆柱滚子轴承安装在齿轮箱内，而齿轮箱采纳扭力臂举行支承。该 安插情势轴承室凡是利用调心滚子轴承。 2）两點支承：主轴被 2 個轴承支承，齿轮箱和主轴之 2 間的毗連采纳胀紧套或螺栓联接， 齿轮箱内無需支承。常見情势包含：雙列圆锥滚子轴承+圆柱滚子轴承、两個单列圆锥滚子轴承。 3）单轴承：主轴被１個大直径的雙列圆锥滚子轴承支承，主轴通常是直径大且比力短的结 構，齿轮箱和主轴之間的毗連采纳胀紧套或螺栓联接。比年来在全世界風電主轴承中的比例呈 上升趋向。
今朝常見的主轴承分為三種：调心滚子轴承（SRB）、圆锥滚子轴承（TRB）、三排圆柱滚 子轴承（CRB）。调心滚子轴承多用于雙馈、5MW 如下機型，其长處在于抗挠動性比力强。 直驱和半直驱機型多采纳圆锥滚子轴承和三排圆柱滚子轴承，合用于更大单機容量的機组。 今朝，圆锥滚子轴承是海内企業研發的重點。
2.三、自力變桨轴承有望成為主流趋向
按照《風力發機電用轴承简述》，偏航轴承是偏航體系中的首要部件，其位于機舱的底部， 承载着風力發機電主傳動體系的全数質量，并通报气動推力到塔架，用于正确當令地调解風 力發機電的迎風角度，因此偏航轴承是風力發機電實時追踪風向變革的包管。按照偏航轴承 的受力特色（同時經受轴向载荷、径向载荷和颠覆力矩），偏航轴承凡是采纳单排四點接触 球或雙排四點接触球转盘轴承，也有采纳交织圆柱滚子转盘轴承的。
變桨距體系由變桨轴承、驱念頭構、原念頭及其他附件構成。按照變桨轴承的事情特色，要 求變桨轴承應具备高靠得住性、運转機動而且寿命跨越 20 年。别的，變桨轴承的齿轮也有较 高的請求，同時還請求變桨轴承應具备杰出的密封機能。此外，斟酌到變桨轴承在風力發電 機上的安装位置，一般還請求對其举行概况防腐處置。變桨轴承凡是采纳单排四點接触球转 盘轴承、雙排四點接触球转盘轴承、交织圆柱滚子转盘轴承或三排滚子转盘轴承。其機能比 偏航轴承的請求加倍严酷。
對付變桨體系而言，變桨節制象征着叶片可以在 0°到 90°之間滚動。在風速低于額定速率 （凡是為 12m/s）時，風轮叶片會滚動到彻底朝向風向，即桨距為 0°。當風速增大時，可以 節制叶片桨距，将風機的输出功率调解到其額定值。當風速到达预定极限時（凡是為 28m/s）， 風機将叶片滚動到 90°，遏制發電。集中變桨節制會将所有叶片的桨距同時调解到不异角度。 相反，自力變桨節制（IPC）可以動態而自力地调解每一個叶片的桨距。這類桨距调解可以根 据分歧叶片的负载及時举行。
IPC 經由過程别離動態调理三個叶片的變桨角度，使每一個叶片可以或许获得分歧的方针位置，低落動 均衡载荷，并對不合错误称转子载荷抵偿，從而调理風機速率進而節制風機的输出功率。自力變桨體系也可以或许作為刹車利用，經由過程滚動叶片来使桨叶遏制運作。别的，變桨節制，出格是独 立變桨節制體系，還可以或许低落風機構件上的委靡负载。IPC 模式的重要上風是可以或许低落叶片、 轮毂、主體框架和塔架的委靡负载。為了均衡這些负载，特别是不平均風場引發的不合错误称负 载，必需自力调解每一個叶片的桨距，终极實現更輕量化的設計并耽误風機利用寿命。
自力變桨轴承有望成為主流趋向。据《新强联定增第二轮审核询問函的复兴》，2021 年公 司共同前景能源和中船海装風電等下流客户的自力變桨體系而新研發的自力變桨轴承批量 贩卖；公司自力變桨轴承贩卖收入從 2020 年的 82.51 万元增长至 2021保濕乳霜， 年的 1.79 亿元。
2.四、風電齿轮箱轴承和發機電轴承靠得住性請求高
齿轮箱轴承重要有调心滚子轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和交织滚子轴承，此中多采 用调心滚子轴承。齿轮箱工况卑劣，對轴承的請求是運行安稳、振動噪声小、靠得住性高和寿 命长达 20 年。 發機電轴承既要經受主轴自重的径向载荷，又要經受主轴自重在倾角標的目的引發的轴向载荷， 凡是選用深沟球轴承和圆柱滚子轴承组配方法作為發機電支承轴承。
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