2022年风电行业之风电主轴专题研究

1、2022年风电行业之风电主轴专题研究1. 风电主轴：风机重要部件，需求升级驱动行业变迁风力发电机主轴是风电机组机舱中的关键核心部件，用于连接叶轮毂和齿轮箱，承担传动和 受力功能。风力发电机组结构较为复杂，由风轮（叶片、轮毂）、主轴承、风电主轴、齿轮 箱、发电机等部分组成，其中轮毂、主轴、齿轮箱、发电机等构成了风机发电机组传动系统。风电主轴在风电整机中用于连接轮毂和齿轮箱，将叶片转动产生的动能传递给齿轮箱，且作 为主要的受力部件，工作环境多变恶劣，极易发生韧脆转变，造成主轴断裂，从而引发事故。 风机主轴的使用寿命约 20 年，使用中更换成本高，更换难度大，因此风机整机制造商对其 质量要求非常严格

2、，通常情况下风机厂不会轻易更换供应商，客户粘性较强。由于传动系统的不同，不同技术路线风机中主轴功能有所不同，但都是机组重要组成部分。1）双馈机型：传动系统由主轴、齿轮箱、联轴器等构成（轮毂-主轴-齿轮箱-联轴器-发电机）， 风电主轴既需要作为承重轴承担齿轮箱、发动机等重量，也需要作为重要的传动部件起到传 动作用，同时高速传动带来较高的疲劳强度，主轴受力工况复杂。2）直驱机型：轮毂直接连接发动机，省去了齿轮箱等传动系统（轮毂-发动机），此时“轴” 只需要起到承重作用，同时低速传动疲劳强度弱，受力工况最为简单。3）半直驱机型：有集成化和半集成化两种结构，对于轴的力学要求不同。集成化半直驱 机型：轮

3、毂联接齿轮箱，再联接发电机，省去了主轴等传动系统（轮毂-齿轮箱-发电机），此 时与直驱机型相似，“轴”只需要起到承重作用，不需承担传动功能，中速传动疲劳强度较 弱，受力工况较为简单。半集成化直驱机型：传动系统由主轴、齿轮箱等组成（轮毂-主轴 -齿轮箱-发电机）此时与双馈机型相似，主轴及需要承重也需要起到传动作用，中速传动疲 劳强度较弱，受力工况较为复杂。综上所述，不同机型中风电主轴受力工况复杂程度比较如 下：双馈机型半集成化半直驱机型集成化半直驱机型直驱机型，而主轴不管是作为传动 轴还是承重轴都是风机发电机组中不可缺少的一部分。2. 风机大型化趋势下，未来铸造主轴有望成市场主流风电主轴分为锻造

4、和铸造两种，两种生产工艺各具优势，根据不同工况，适用于不同风机机 型。（1）锻造主轴适用于更复杂的工况，通常运用于双馈机型中。锻造指利用锻压机械对金 属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工 方法。锻造能保证锻件内部金属纤维组织的连续性，使锻件具有良好的力学性能与更长的使 用寿命，适用于受力强、条件恶劣的工作环境，但在锻造过程中反复加热锻压会伴随一定的 材料损耗，使得锻造法的生产效率和材料利用率与铸造法相比较低。通常在双馈机型中多数 采用锻造工艺。（2）铸造主轴力学性能略弱，适用于较为简单工况，通常运用于直驱、半直 驱机型中。铸造指通过熔炼金属，制造铸型

5、，将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、 尺寸、成分、组织和性能铸件的成形方法。铸造能够使铸件快速一次成型，生产效率和材料 利用率都较高，适合用于大型或者结构复杂的部件生产，但其力学性能低于同材质的锻件力 学性能，随着球墨铸铁的发展与应用，现在铸造主轴性能已大幅提升。通常在直驱、半直驱 中多数采用铸造工艺。风机大型化趋势下，铸造主轴的研发与生产备受关注。目前仍是锻造主轴占主流，未来随着 风机的大型化，铸造主轴占比将提升。主要有以下原因：（1）锻造主轴受制于生产设备，不适用于大型风机：锻压机具有生产极限，目前最大可制 8MW 风机用主轴，更大型风机主轴采用锻造技术设备成本过高，缺乏性价比。 （

6、2）随着风机大型化，不同技术路径风机装机结构将有所变化，直驱与半直驱机型占比将 提升，主轴在中低速传动工况下相比于双馈高速传动性能要求略有降低，转向性价比。对于 双馈机型来说，传动链较长，制作难度加大，无法保障稳定性与使用寿命；对于直驱机型来 说，容量越大，发动机越大，成本越高，同时海上作业放大了直驱机型的吊装难度。直驱与 双馈风电机组向大型化发展过程中遇到困难，因此，兼顾双馈与直驱优点的半直驱机型愈发 受到关注：半直驱又称为中速传动，采用一级或两级增速齿轮箱，转速低、损耗少、传动 比较双馈下降 75%，可靠性大为提升；多为紧凑型机型（取消低速轴或将低速轴的长度减 小），减轻机舱重量，重量轻、体积小、便于运输，吊装安全；传动链效率高，在各种功 率下都能保持极高的发电效率；磁钢用量少，机组成本低，半直驱中速永磁发电机磁钢所 用数量仅为直驱的 1/3，直径仅为直驱的 1/2。相同功率下，紧凑型半直驱机组比双馈、直驱 技术路线的机组尺寸更小，重量更轻，兼顾了直驱技术的高稳定性和双馈技术的低成本优势， 更适应机组大型化和海风规模化的发展趋势。锻造主轴与铸造主轴工艺难点不同。（