风电传动设备：主齿轮箱、发电机、制动器及变桨/偏航系统
风力发电机组（WTG）是安装在离地 80–150 米高度的数十吨级机械组件，需在交变冲击载荷、转子振动、覆冰和盐雾（海上场址）条件下连续运行 20 年以上。更换一台 5 MW 机组的主齿轮箱或发电机，成本以数百万美元计，并造成数周停机，还需动用自升式安装船。因此传动部件的选型——速比 100–150 的主增速齿轮箱（multiplicator）、发电机、变桨与偏航系统、高速轴制动器和偏航制动器——决定了项目全寿命期的度电成本（LCOE）。
行业典型工况
- 1.5–6 MW 机组主增速齿轮箱（multiplicator），速比 100–150，按 IEC 61400-4 服务系数 ≥ 1.4
- 变桨系统（叶片桨距调节）——三只叶片各配 5.5–22 kW 独立驱动，用于功率调节和紧急顺桨
- 偏航系统（机舱方位）——4–6 台 1.5–15 kW 齿轮电机，使机舱对准风向
- 主发电机——直驱永磁同步（PMSG）或绕线转子双馈（DFIG）混合方案，功率 1.5–12 MW
- 高速轴制动器——转子紧急停机，制动力矩可达 30 000 N·m，并具备检修驻车功能
- 偏航制动器——定位后将机舱保持在设定方位（沿偏航轴承周向布置 4–8 个摩擦制动器）
- 主转子轴承和机舱内 1–10 t 检修起重机，可在不拆卸整机的情况下更换部件
- 8–15 MW 海上机组的自升式平台安装——起重机卷扬驱动、桩腿升降驱动、液压站
齿轮箱
在风电领域，主增速齿轮箱（multiplicator）是机组最关键的机械部件：它将转子的 10–20 r/min 经速比 100–150 升速至发电机的 1500–1800 r/min，并在风载交变作用下运行 20 年以上而无需大修。此外还有偏航系统齿轮电机（沿机舱偏航轴承周向布置 4–6 台）和叶片变桨驱动。SDS 组合中主齿轮箱的核心供应商是 CGC：公司累计交付超过 30 000 台风电齿轮箱，成为继 CSSC 之后的全球第二大制造商。
机组主齿轮箱（multiplicator）1.5–6 MW
行星-平行轴组合式齿轮箱：输入端 1–2 级行星级（高速比、结构紧凑）+ 输出端 1–2 级平行轴级（节圆线速度高，便于布置制动盘和至发电机的联轴器）。CGC 是该领域的旗舰：Wind/CGC WG 系列覆盖 1.5/2.0/2.5/3.0/4.5/6.0 MW 机组，累计交付超过 30 000 台风电齿轮箱，全球产量仅次于 CSSC。球墨铸铁箱体，磨齿人字齿轮达 ISO 5 级精度，TIMKEN/SKF 轴承，6 µm 过滤的强制润滑并配油温调节。
- — 速比 100–150
- — 按 IEC 61400-4 设计寿命 20 年（175 200 h）
- — 额定力矩下服务系数 ≥ 1.4
- — 强制润滑，风冷或水冷油冷却器
- — DNV GL / TÜV / Germanischer Lloyd 认证
偏航驱动——方位齿轮电机
4–6 台 BONENG K/HB 系列行星齿轮电机或专用偏航驱动沿机舱偏航轴承周向布置，通过齿轮啮合以 0.3–0.5°/s 的速度使机舱对准风向。它们根据风向传感器送入整机控制器的指令同步运行。定位后由偏航制动器锁定，齿轮电机随即卸载。BONENG 是 SDS 组合中偏航驱动的核心供应商，在冶金和工业领域屡获用户认可。
- — 每台驱动功率 1.5–15 kW
- — 速比 1500–2500
- — 自锁级或内置电磁制动器
- — 防护等级 IP65，海上型 IP66 + C5-M 防腐涂层
- — 法兰与整机厂偏航轴承标准兼容
变桨驱动——叶片桨距调节驱动
每只叶片配一台独立行星齿轮电机，使叶片绕轮毂轴在 0–90° 范围内转动。在超过额定风速时调节机组输出功率，并在故障或暴风时将叶片转至顺桨位置（90°，载荷最小）。紧急转动时间不超过 4–6 秒——对安全至关重要。BONENG 供应变桨系统用的紧凑型行星齿轮箱，INOVANCE 供应带电池后备电源的变桨驱动变频器。
- — 每只叶片功率 5.5–22 kW
- — 速比 1000–2000
- — 锂离子或超级电容电池后备电源，满足 3 个顺桨循环
- — 叶片由 0° 紧急转至 90° 的时间 ≤ 4 s
- — SSI/EnDat 绝对值编码器用于角度反馈
机舱内起重机卷扬
1–10 吨级检修起重机嵌入机舱顶部，用于通过地板舱口从地面吊起备件和工具，或在不拆卸整个机舱的情况下更换单个部件（发电机、联轴器、控制器）。卷扬驱动为蜗杆-平行轴或行星齿轮电机，带内置制动器和起重量限制器。
- — 起重量 1–10 t，钢丝绳长度匹配塔筒高度
- — 双速模式（粗/精定位）
- — 起重量限制器及上/下位置限位开关
- — 符合 EN 14492-1，DNV GL 证书
- — 断电自闭式电磁制动器
海上安装用自升式平台驱动
8–15 MW 海上机组由自升式船舶（jack-up vessel）安装，配 4–6 条长达 120 m 的桩腿。升降驱动为大功率行星齿轮电机，采用齿条或销齿啮合，同步运行以在安装作业期间将整个船体抬升至海平面以上。安装完成后船舶下降复位并移至下一台机组。
- — 单腿承载能力 5 000–15 000 t
- — 升降速度 0.3–0.8 m/min
- — 所有桩腿高度同步偏差 ± 50 mm 以内
- — C5-M 海洋型，不锈钢紧固件和轴
- — 每条桩腿驱动冗余（N+1）
电动机和发电机
在风电中，电机承担两类角色：机组主发电机（1.5–12 MW）和检修系统辅助电机（偏航、变桨、液压、冷却）。主发电机有三种竞争架构：永磁同步（PMSG，无齿轮直驱）、绕线转子双馈（DFIG，带齿轮箱的混合方案）以及全功率变流的鼠笼式异步机。SDS 组合中发电机的旗舰供应商是 Wolong（卧龙）：YHTM 系列专为可再生能源发电而设计，功率 1.5–12 MW，并被制造商明确定位为其首选风电解决方案。
永磁同步发电机（PMSG）1.5–12 MW
多极低速无齿轮直驱发电机——转子直接与叶片轮毂相连，转速 8–20 r/min，定子直径 4–7 m。优点是消除了作为单一故障点的主齿轮箱，缺点是质量和外形尺寸较大，海上尤为突出。Wolong YHTM 是可再生能源发电机的旗舰系列，功率 1.5–12 MW，额定负载效率 96–98%，专为风电和聚光太阳能发电应用优化。
- — 功率 1.5–12 MW，电压 690 V – 6.6 kV
- — NdFeB 永磁体，具备短路时抗退磁保护
- — 强制风冷或水冷 IC81W
- — 绝缘等级 H，工作温度 −40 °C 至 +50 °C
- — 海上型——密封外壳、C5-M 防腐涂层
绕线转子异步发电机（DFIG）1.5–6 MW
双馈电机：定子直接接入 690 V 电网，转子经额定功率 ±30% 的变流器供电。这样仅用远小于全功率变流方案的变流器，即可在同步转速 ±30% 范围内调节转子转速。用于带主齿轮箱（multiplicator）的混合架构。Wolong YHTM 系列亦覆盖这一细分——绕线转子异步电机，功率可达 6 MW。
- — 功率 1.5–6 MW
- — 长寿命转子集电环（石墨电刷，每 3–5 年更换一次）
- — 工作转速范围同步转速 ±30%
- — 绝缘等级 F，按 B 级留有热裕度
- — 符合电网导则的低电压穿越（LVRT）
混合（中速）结构
在直驱 PMSG 与带三级齿轮箱的经典 DFIG 之间折中——永磁发电机 + 速比 30–60 的单级或两级行星增速箱。相比直驱质量更小，相比三级齿轮箱可靠性更高。Wolong 也为该架构供应发电机。中速混合方案的主齿轮箱是 CGC 的核心能力。
- — 转速 100–500 r/min（介于直驱与高速之间）
- — 永磁 + 最少集电环
- — 法兰与 CGC 中速齿轮箱兼容
- — 全功率变流方案（按 100% 功率）
主变频器与辅助变频器
主变流器处理机组全部功率（PMSG 全功率变流）或 ±30%（DFIG），实现发电机与电网的同步并提供 LVRT/HVRT。此外，机组还配有用于变桨和偏航系统的辅助变流器。INOVANCE 供应用于变桨和偏航控制的 MD/HD 系列中压和低压变频器，以及主回路成套变流柜。INVT 供应用于液压站、机舱冷却与通风系统的辅助变频器。
- — 主变流器：功率 1.5–12 MW，电压 690 V – 6.6 kV
- — 按 IEEE 519 总谐波畸变 THD < 3%
- — 符合电网导则的 LVRT——在 0% 电压时穿越 0.15 s
- — 变桨变流器带后备电源以实现紧急顺桨
- — 符合 EN 50178 / IEC 61800-3 认证
工业制动器
风力发电机组配有三套独立制动系统：通过叶片顺桨的气动制动（主要停机方式）、位于齿轮箱与发电机之间高速轴上的机械制动器（紧急停机和驻车），以及机舱偏航轴承上的偏航制动器（定位后保持方位）。SDS 组合中机械制动器的核心供应商是 HUAWU：针对高速轴制动器和偏航制动器设有专门系列，并提供面向海上机组的海洋型。
高速轴制动器（high-speed shaft brake）
HUAWU YPZ/SBD 盘式制动器安装在主齿轮箱与发电机之间的高速轴上。在保护动作时（超速、失电、变桨故障）提供转子紧急停机，并提供检修驻车模式。制动力矩可达 30 000 N·m，液压夹紧、弹簧闭合——失压时制动器自动闭合。
- — 制动力矩可达 30 000 N·m
- — 液压夹紧、弹簧闭合（fail-safe）
- — 紧急动作时间 ≤ 0.3 s
- — 闸片磨损与闸瓦位置监测
- — 海上型——不锈钢弹簧、防盐雾
偏航制动器（方位）
HUAWU YDP 系列——沿偏航轴承周向布置的摩擦卡钳制动器（沿圆周 8–16 个）。偏航系统齿轮电机将机舱转至所需方位后，制动器闭合并在风向变化 ±5–8° 范围内将其保持就位。这卸载了偏航驱动并减少齿圈磨损。部分制动器以持续摩擦阻尼（passive damping）模式运行，以抑制机舱自激振荡。
- — 成组制动力矩可达 5–10 MN·m（沿轴承周向）
- — 液压夹紧，压力 150–210 bar
- — 多个制动器同时进入 passive damping 模式
- — 闸片磨损监测（每个制动器配限位开关）
- — 海上机组采用 C5-M 海洋型
转子紧急机械制动器
在不少机组上，高速轴制动器同时承担驻车和紧急两种功能；但在大型海上机组上会加装一台低速轴制动器——布置在低速轴或直接装在转子轮毂上。它按紧急工况下转子的全部起动力矩设计，在高速制动器故障时作为后备。制动力矩 0.5–3 MN·m。
- — 制动力矩 0.5–3 MN·m
- — 液压夹紧，弹簧 fail-safe 闭合
- — 动作时间 ≤ 0.5 s
- — 液压站冗余（主用 + 应急）
- — 与机组 PLC 系统兼容
检修起重机卷扬及海上提升机制动器
机舱内置起重机卷扬上的带式或盘式制动器在失电时保持载荷，并以可控速度实现应急下降。在用于海上安装的自升式平台上，每个升降驱动配盘式制动器以保持承载桩腿。HUAWU 和 Jingu（用于港口起重机）是该类制动器的供应商。
- — 制动力矩取驱动额定值的 1.5–2 倍裕度
- — 失电闭合
- — 与内置蜗杆或行星卷扬齿轮箱兼容
- — C5-M 海洋型
联轴器和轴承
风力发电机组传动链中，「主齿轮箱 → 发电机」区段采用专用联轴器：它们须补偿机舱机架在风载下变形后产生的径向和角向偏移，阻尼冲击扭振，提供电气隔离以保护发电机轴承免受轴电流影响，在混合方案中还充当弹性环节。主转子轴承是另一类有其自身要求的部件。
高速轴弹性联轴器（齿轮箱至发电机）
Longxuan LMS/LMD 系列——采用钢膜片组或复合材料环形膜片的弹性联轴器。传递 5–80 kN·m 力矩，补偿 1–3 mm 径向和最大 1° 角向偏移。具备电气隔离（两半联轴器间设介电插件）——保护发电机轴承免受变频器诱发的轴电流影响。在 1500–1800 r/min 额定转速下阻尼扭振。
- — 力矩 5–80 kN·m
- — 补偿径向偏移 1–3 mm，角向最大 1°
- — 电气隔离 ≥ 5 kV DC
- — 平衡等级 G2.5（高速区）
- — 弹性元件寿命不低于 175 000 h
变桨系统紧凑型联轴器
Yongjing LX/LMC 系列——叶片桨距系统中位于变桨齿轮电机与变桨轴承小齿轮之间的紧凑型弹性销套联轴器。小尺寸至关重要——变桨驱动布置在叶片轮毂内部，空间狭小。它们补偿安装后的小量偏移，并在紧急顺桨时阻尼冲击载荷。
- — 力矩 0.5–5 kN·m
- — 紧凑的轴向尺寸
- — 与变桨齿轮电机法兰兼容
- — 弹性元件寿命 100 000 h 以上
中速方案混合弹性联轴器
在混合架构（PMSG + 单级行星增速箱）中，齿轮箱与发电机之间设有专用型 Longxuan 弹性联轴器——它不仅补偿热位移，还作为弹性环节抑制扭振共振。由于中速（100–500 r/min）和更高的扭矩密度，比经典高速联轴器更紧凑。
- — 力矩 50–500 kN·m（中速）
- — 补偿机舱机架变形后的偏移
- — 电气隔离以保护发电机轴承
- — 与 CGC 中速齿轮箱及 Wolong PMSG 法兰兼容
主转子轴承
双列调心或圆锥滚子主转子轴承承受来自转子和叶片的全部载荷（质量 60–250 t），并将力矩直接传至主齿轮箱或 PMSG 转子。寿命 20 年以上，更换需拆卸整条传动链。SDS 组合中未将某一主力品牌轴承列为独立产品，但我们参与 CGC 主齿轮箱（TIMKEN/SKF/FAG 集成供货）和 Wolong 发电机的轴承选型。
- — 设计 L10 寿命 ≥ 175 000 h
- — 双列调心或圆锥结构
- — 海上用带防盐雾密封
- — 自动润滑系统，周期 1–4 h
- — 振动和温度监测（SKF/Schaeffler 传感器）
应用图库
我们的行业解决方案
SDS 产品组合中覆盖该行业典型应用的品牌。
- CGC1.5–6 MW 机组用主增速齿轮箱（multiplicator）。累计交付 30 000 台以上风电齿轮箱——全球产量仅次于 CSSC，是 CGC 在风电领域的旗舰能力
- WOLONG用于风电和聚光太阳能发电的 YHTM 系列发电机，功率 1.5–12 MW。可再生能源旗舰系列——直驱 PMSG 和绕线转子 DFIG
- HUAWU机组高速轴制动器（力矩可达 30 000 N·m）和偏航系统方位制动器。面向海上场址的 C5-M 海洋型
- BONENG偏航驱动——方位齿轮电机，每台机组 4–6 个，功率 1.5–15 kW。变桨驱动——5.5–22 kW 叶片桨距用紧凑型行星驱动
- YONGJING变桨系统用 LX/LMC 紧凑型弹性销套联轴器，位于叶片齿轮电机与变桨轴承之间
- LONGXUAN主齿轮箱与发电机之间的高速轴弹性联轴器，带电气隔离以保护发电机轴承免受轴电流影响
- INOVANCE带后备电源的变桨驱动变频器（用于紧急顺桨）、偏航系统变频器、机组主变流器
- INVT用于液压站、发电机和齿轮箱冷却、机舱通风的辅助变频器
- DONLY变桨系统、高速轴制动器和偏航制动器、海上安装自升式平台用液压站
- DEO主齿轮箱和传动链润滑系统用油冷却器，发电机液冷用板式换热器
图片来源: U.S. Fish and Wildlife Service - Midwest Region (Public domain) · michael marston (CC BY 2.0) · North Charleston (CC BY-SA 2.0) · Eileen at OE (CC BY-SA 4.0) · Wikimedia Commons (Public domain)