风电齿轮箱专利分析

技术部

知识产权CoE特刊

Aug 2021

  风电齿轮箱

风能作为一种广泛分布的清洁能源，被公认为是具有大规模商业开发价值的可再生新能源。风力发电行业的发展已经成为全球各国战略规划中的重要一环，对于改善能源安全、环境污染、气候变化及促进可持续性经济发展具有重要意义。风力发电机组是风电行业全产业链的核心与基础，其关键部件的开发，是推动产业稳定持续发展的决定性因素。

齿轮箱是风力发电机组的关键部件之一，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。

本报告通过对齿轮箱制造厂商及整机厂商等重要公司的风电齿轮箱技术展开专利分析，以期全面了解该技术的发展历程及研发现状、对其专利壁垒有准确的认知，并提供相应的研发和专利布局建议。

重要公司专利申请的总体态势分析

重要公司专利申请趋势

重要公司在风电齿轮箱领域的专利申请趋势大致可以分为以下四个时期，各时期划分以公开的申请量增长率变化为标准。

萌芽期（2006年及以前）：这一时期风电齿轮箱技术刚开始发展，主要涉及行星结构和润滑冷却。早期的专利申请人主要是齿轮箱制造厂商，如汉森传动，占据总申请量的四成，说明汉森传动在风电齿轮箱的专利布局开展得最早。风电整机厂商的专利申请数量较少，2006年以前仅西门子、通用电气申请了少量专利。

快速增长期（2007年至2012年）：这一时期重要公司的风电齿轮箱专利数量急剧上升，特别是2011年和2012年，专利申请均突破300件。这一时期的专利申请人主要是整机厂商，如通用电气，维斯塔斯和西门子，技术主要涉及传动链结构、行星结构。

回落期（2013年至2015年）：这一时期风电齿轮箱专利数量下降至年均200件左右，ZF的专利申请量超越西门子等整机厂商，很可能是因为ZF在2011年收购汉森传动、2015年收购博世力士乐风电齿轮箱业务之后，加速全球专利布局。

平稳增长期（2016年至今）：从2017年开始，专利申请量再次呈现上升趋势，此阶段的专利上升主要来源于国内南高齿的专利申请。整机厂商中通用电气、明阳智能的专利申请量排名靠前，但西门子仅申请10余项专利。

重要公司专利申请地域分布

重要公司的风电齿轮箱相关技术的专利申请主要集中在中国、德国和欧洲。中国的专利申请数量最多，一方面反映了中国市场的受关注程度，另一方面也得益于国内齿轮箱制造厂商的贡献。在这些专利申请中，有239件PCT国际专利，也说明申风电齿轮箱技术的核心地位，这些重要公司倾向于通过PCT途径在多个地区进行专利布局。

重要公司专利技术来源分布

风电齿轮箱技术来源主要集中在中国和德国，一方面说明这些地区的技术创新能力和活跃程度较高，另一方面也说明这些重要公司主要分布在中国和德国。

 重要公司专利申请数量分析

从申请数量来看，ZF排名前一位，全球专利申请量在500个以上。通用电气和南高齿排名第二和第三位，全球专利申请量在300件以上。西门子歌美飒、维斯塔斯、汉森传动和弗兰德排名第4-7位，专利申请量在200-300之间。之后是MOVENTAS，MIBA和明阳，专利申请量在200件以下。可见，风电齿轮箱的专利申请主要掌握在齿轮箱制造厂商手上，风力发电机整机厂商中仅通用电气、西门子歌美飒、维斯塔斯和明阳进入前十名。

通过分析这些重要公司共同申请专利的情况可以了解相互之间的合作关系。在2009年以前，西门子和汉森传动及ZF均开展技术合作，共同申请了8项专利家族，如EP2080904B1、ES2341373T3等。2011年，西门子与WINERGY展开合作，共同申请了1项专利家族。ZF同时也和维斯塔斯开展合作，在2011年和2018年分别与维斯塔斯共同申请3项专利家族。

 齿轮箱制造厂商专利申请趋势

汉森传动在2008年以前，专利申请数量始终排名第一，到2009年被ZF超越，2011年被ZF收购起专利申请数量维持为0。

ZF在21世纪初也已开始风电齿轮箱的专利布局，经历至2006年的萌芽期后，从2007年开始专利申请量逐渐上升，一直到2014年达到顶峰。从2015年起，ZF的专利申请量呈现出回落态势，而近年来虽有起伏但总体申请量在年均60件以下。

弗兰德从2012年开始专利申请量有明显上升，之后也呈现波浪式上涨，如今年均专利申请量在30-40件之间。

MIBA从2011年开始专利申请量有所增加，在2015-2017年间有所回落，到2018年专利申请量又再次增长，并且之后也持续保持上升趋势。

MOVENTAS在2012年达到专利申请高峰以后，专利申请量持续下降，近年来仅申请零星专利。

南高齿虽然从上世纪90年代就开始风电齿轮箱专利申请，但直到2017年当年专利申请数量才突破20件。在此之后快速增长，到2019年当年申请量突破100件，现在已成为年均专利申请最多的风电齿轮箱制造厂商。

 整机厂商专利申请趋势

通用电气在经历了萌芽期后，从2007年起专利申请量快速增长，到2012年达到顶峰。结合2006年通用电气与南高齿签署联合开发风力发电机齿轮箱协议、2009年通用电气与美国第一能源集团共建风电齿轮箱基地，以及2009年通用电气与重庆新兴齿轮组建合资公司共同生产风力发电机齿轮，可知在这一时期通用电气致力于齿轮箱技术的研发创新。2013年，通用电气专利申请数量急剧下降，之后维持在年均20件上下。

西门子早在21世纪初期就已经进行齿轮箱的专利布局，到2011年当年专利申请达到60件，推测与西门子G10X机型的研发相关。虽然在2018年，西门子发布三年战略增长计划明确陆上将全部推行双馈齿轮箱技术，然而从2018年开始西门子的齿轮箱专利申请量反而更为减少，每年仅不足10件，推测西门子陆上机型采用的双馈齿轮箱技术为成熟技术，或可能与供应商合作。

维斯塔斯的齿轮箱专利申请高峰分别出现在2006年，2011年和2019年。2011年，维斯塔斯于伦敦发布了V164-7.0MW风机，齿轮箱技术在之前的3级增速上改为2级增速，电机技术也采用了永磁技术。2019年，维斯塔斯发布EnVentus模块化平台。可以发现，专利申请高峰与产品研发进度密切相关。

明阳从2007年才开始齿轮箱技术的专利布局，但在2018年以前年均专利申请量仅在10件以下。2018年，明阳申请了29项专利，推测可能与当年MySE4.0平台新机型发布相关。而2020年，明阳的专利申请量又再次突破10项，且其中涉及漂浮式风力发电机组的传动系统，推测该技术很可能应用于MySE5.5MW抗台风型浮式机组。

重要公司研发团队分析

ZF风电齿轮箱核心研发团队成员包括SMOOK, WARREN、BOGAERT, ROGER、LEIMANN, DIRK、BAUER, GERHARD。此外，排名靠前的发明人还包括弗兰德公司的KLEIN-HITPASS, ARNO；MIBA的HÖLZL, JOHANNES SEBASTIAN。国内发明人可关注南高齿的王朝阳、孙义忠（南高齿技术总监）、何爱民（南高齿技术副总），以及德力佳的刘建国（原南高齿总经理）。

重要公司风电齿轮箱专利技术分析

重要公司风电齿轮箱技术发展分析

1995年，通用电气于US5663600A披露了一种齿轮传动结构，是风电齿轮箱的基础专利，被引130次，其中维斯塔斯引用7次、ZF引用3次、汉森传动引用2次、西门子歌美飒引用1次、通用电气自引用13次。

2000年，WINERGY于US6459165B1中披露了一种双螺旋齿轮两级行星风电变速箱，该专利被引用204次，也是风电齿轮箱技术领域的基础专利。其中，引用该专利的公司包括通用电气、汉森传动、罗伯特博世、三菱重工、西门子、维斯塔斯等。

2002年，VESTAS于WO2002079644A1中披露一种行星+平行结构的齿轮箱，其中行星轮保持装置通过至少两组双联行星轮可转动地安装在齿圈上。该专利被引用177次，引用公司包括通用电气、汉森传动、三菱重工、西门子、ZF、ENERCON、维斯塔斯等。

2003年，汉森传动于GB0326933D0中披露一种传动单元，其中行星齿轮通过柔性销类型的轴支撑，该专利被引用65次；WINERGY于DE10360693A1中披露一种行星齿轮，其中滑动轴承布置在环形齿轮的外周上，该专利被引用67次。

2007年，AERODYN于DE102007012408A1中披露一种超紧凑半直驱发电机，其中齿轮箱和发电机通过螺纹接头连接并布置在轮毂和塔架之间，该专利于2008年许可给明阳。

2011年，WINDRGY和西门子于EP2573386B1中披露一种双排轴承的传动机构，该专利于2013年全部转让至西门子。

2014年，ROBERT BOSCH于DE102014202494中披露三行星齿轮功率分流结构。

2017年，通用电气于US20190136945A1中披露一种3D打印柔性销轴的齿轮组件。

2018年，南高齿于CN109578527A中披露一种通过不同模块互相组合的模块化风电主齿轮箱。

2020年，明阳于CN111894808A中披露一种用于漂浮式风力发电机组的传动系统安装结构。

重要公司风电齿轮箱专利地图分析

从3D专利地图中可以看出，标签为润滑、行星齿轮的专利最多，其次为平行齿轮、传感器标签的专利。说明风电齿轮箱的专利布局重点在于这些技术方向。

重要公司风电齿轮箱技术分布分析

对于齿轮箱制造商，各厂商的专利布局不尽相同。南高齿和MOVENTAS的专利布局侧重于润滑冷却，ZF、重齿、弗兰德和汉森传动侧重于行星结构，重庆望江侧重于密封，MIBA和RENK侧重于滑动轴承。

对于整机厂商，都侧重于传动链结构，这也与整机厂商相较于齿轮箱本身的具体结构，更关注其在传动链中的布局和连接关系相符。

整机厂商风电齿轮箱技术分布趋势

通用电气的专利技术分布较为平均，但在滑动轴承领域和分析设计方法方面的专利申请较少。

西门子的专利布局早期侧重于传动链结构、润滑冷却和行星结构，但近年来在这些方面的专利申请显著减少，相反在滑动轴承方面开展专利布局。

维斯塔斯近年来专利布局集中在传动链结构、润滑冷却、行星结构和工装工具。

明阳智能从2018年起在传动链结构方面加大专利布局力度，在2020年开始润滑冷却和滑动轴承的专利布局。

金风科技关于齿轮箱技术的专利申请较少，2013年曾申请较多传动链结构的专利，但最近几年的专利申请主要涉及润滑冷却。

维斯塔斯风电齿轮箱重点专利分析

维斯塔斯早在2002年就开始了齿轮箱专利布局，但直到2019年才推出EnVentus新一代风力发电机传动系统。EnVentus由主轴、主轴箱体、齿轮箱和发电机组成，由维斯塔斯和ZF共同开发。2018年11月，ZF和维斯塔斯共同申请了EP3653907A1专利，并以该专利为优先权申请了PCT国际专利。EP3653907A1专利涉及齿轮箱结构。

1. EP3653907A1

The invention relates to a gearbox (103), comprising: a housing-fixed structure (115); and a bearing cassette (107), which has a bearing seat ring (109) and at least one bearing (111). An output shaft (113) of the gearbox (103) is rotatably mounted in the bearing seat ring (109) by means of the at least one bearing (111). The housing-fixed structure (115) forms a first support surface. The first support surface surrounds the bearing seat ring (109) on the outside and at least radially fixes the bearing seat ring.

2019年，维斯塔斯申请6项专利家族，其均通过PCT途径申请，未来可在全球进行专利布局，推测与EnVentus相关的可能性较大。这6项专利家族主要涉及润滑，如WO2019161856A1，WO2020001715A1，以及工装工具。

2. WO2019161856A1

A powertrain component (21, 22, 23) for a wind turbine (100) is provided, comprising a powertrain component housing (20) with at least one rotating part (49) and a dry sump 5 lubrication system for lubricating the rotating part (49). The lubrication system comprises a dry sump lubricant tank (51, 52, 53) and a pump (60) for pumping the lubricant from the tank (51, 52, 53) towards a lubricant release point, the lubricant release point being provided at a level above at least part of the rotating part (49) for receiving the lubricant from the tank (51, 52, 53) and allowing the lubricant to lubricate the rotating part (49). 10 The tank (51, 52, 53) is integrated in or directly attached to the powertrain component housing (20) at a level below the at least one rotating part (49).

3. WO2020001715A1

A pump system for supplying lubricant to components of a wind turbine comprises: a pump for pumping lubricant through a fluid circuit of the wind turbine; a drive means for driving the pump; and, a gearbox arrangement arranged to couple the drive means to the pump. The gearbox arrangement comprises a rotatable input shaft configured to be driven by the drive means and a rotatable output shaft configured to drive the pump. The input shaft is rotatable in a first direction of rotation and a second direction of rotation when driven by the drive means. The output shaft is rotatable in the first direction of rotation, and the speed of rotation of the output shaft is determined by an operational mode of the gearbox arrangement. In a first mode of operation, when the input shaft rotates in the first direction of rotation at a first speed of rotation, the gearbox arrangement is configured to drive the output shaft to rotate also in the first direction of rotation at the first speed of rotation. In a second mode of operation, when the input shaft rotates in the second direction of rotation at the first speed of rotation, the gearbox arrangement is configured to drive the output shaft to rotate in the first direction of rotation at a second speed of rotation.

明阳智能风电齿轮箱重点专利分析

明阳从2008年开始通过引进德国Aerodyn的SCD(Super Compact Drive)风力发电系统切入半直驱技术。2007年，Aerodyn申请德国专利DE102007012408并在2018年将该专利许可给明阳。2016年，Aerodyn将该专利的中国同族专利CN101702928B转让给明阳。DE102007012408的专利技术为明阳自主研发奠定了基础。

1.CN101702928B

一种风力涡轮机，其带有至少一个转子叶片(10)、轮毂(12)、容纳齿轮箱(32)的齿轮箱外壳(18)、容纳发电机(34)的发电机外壳(20)、顶支撑(22)、塔架(14)和支承该顶支撑以使得其在该塔架(14)上旋转的方位轴承(42)。该风力涡轮机的特征在于，转子轴承(16)、该齿轮箱外壳(18)和该发电机外壳(20)布置在该轮毂(12)与该顶支撑(22)之间，被设计成载荷传递部件，并且经由螺纹接头(54、38)相互连接。

在引进消化吸收Aerodyne技术8年后，明阳于2015年成功自主研发MySE3.0半直驱机组。2015年明阳申请7项齿轮箱相关专利（同日申请的发明创造计为1项），其中6项涉及齿轮箱结构设计，包括两级行星传动结构、行星传动柔性销轴均载自适应技术、齿轮箱发电机联接结构、单点轴承等。

2. CN105221340B

本发明公开了一种紧凑型风力发电机组的改良结构，包括至少一个转子叶片、轮毂、整流罩、机舱罩及置于机舱罩中的齿轮箱、发电机、机舱座，转子叶片通过变桨轴承与轮毂连接；轮毂与齿轮箱通过转子法兰连接；齿轮箱采用两级行星传动，其内部集成双列圆锥滚子轴承作为转子轴承，该转子轴承的内圈与齿轮箱的前端法兰连接，外圈与齿轮箱的外壳连接，齿轮箱的外壳与机舱座通过法兰螺栓连接，机舱座通过偏航轴承与塔架连接；发电机布置在机舱座内部，与齿轮箱经由法兰螺栓连接。本发明的结构非常紧凑、重量轻且低成本。

3. CN105240216B

本发明公开了一种紧凑型风力发电机组的改进结构，包括至少一个转子叶片、轮毂、齿轮箱、发电机、传动系外壳、偏航组件、机舱座，转子叶片通过变桨轴承与轮毂连接；轮毂经过风轮锁定盘和齿轮箱的前端盖，用螺栓连接到齿轮箱的转子轴承的内圈上；齿轮箱的前端法兰、转子轴承及传动系外壳布置在轮毂与机舱座之间，被设计成载荷传递部件，并经由法兰螺栓相互连接；齿轮箱和发电机布置在传动系外壳的内部；传动系外壳由螺栓连接到机舱座上，机舱座通过偏航组件的偏航轴承与风力发电机组配套的塔架进行连接。本发明的结构非常紧凑、重量轻且低成本。

4. CN205036515U

本实用新型公开了一种用于联接风力发电机组的齿轮箱和发电机的联接装置，包括外壳法兰、内基体、扭矩限制器、弹性元件、制动盘、制动盘隔套及带法兰盘的胀紧套；外壳法兰连接到发电机的传动法兰上，内基体置于外壳法兰内，与外壳法兰之间夹有扭矩限制器，齿轮箱的输出轴穿过发电机的中空发电机轴后与胀紧套连接，胀紧套通过其法兰盘连接到内基体上，用螺栓进行固定，所述螺栓外套装有弹性元件，制动盘通过制动盘隔套连接到内基体上。本实用新型可以实现齿轮箱和发电机的动力传递，并具有过载保护和装配误差补偿功能。

5. CN205036793U

本实用新型公开了一种紧凑型大功率风电齿轮箱均载结构，包括法兰式双列圆锥主轴承和柔性销组件，法兰式双列圆锥主轴承的内圈通过螺栓与行星架及轮毂连接，其外圈通过螺栓与风轮锁定法兰及箱体连接；柔性销组件的数量与一级行星齿轮机构的行星轮个数相一致，每个行星轮由一个柔性销组件来均载，每个柔性销组件均由配套的柔性销轴和销套组成，所述柔性销轴的一端固定插装在行星架上，与行星架过盈配合，其另一端朝风力发电机组的发电机方向延伸，形成为悬臂式结构，所述销套与柔性销轴过盈配合，并支撑行星轮。本实用新型对齿轮箱中多个行星齿轮进行均载，改善齿轮受载，使齿轮箱均载效果更好，进而有效提高齿轮箱的使用寿命

6. CN205036837U

本实用新型公开了一种紧凑型风力发电机组齿轮箱用的太阳轮浮动结构，包括花键套、太阳轮、太阳轮输出轴；花键套的内孔形成有两圈大小不一的内齿；太阳轮装配在太阳轮输出轴上；太阳轮输出轴的两端均外伸出太阳轮，其一端朝发电机方向延伸，并与齿轮箱中二级行星齿轮机构的二级行星架连接，其另一端朝轮毂方向延伸，并在该端轴身上沿其周向间隔开设有多个与花键套的一圈内齿一一对应的槽，且该端与太阳轮的一端共同穿过齿轮箱中一级行星齿轮机构的一级行星架，太阳轮穿过一级行星架的该端轮身上沿其周向间隔开设有多个与花键套的另一圈内齿一一对应的槽；太阳轮与太阳轮输出轴通过花键套连接传递功率。本实用新型结构更加紧凑，均载效果更好。

7.CN205118002U

本实用新型公开了一种风力发电机组永磁发电机用的单点支承轴承结构，包括轴承座、空心轴、深沟球轴承和圆柱滚子轴承；深沟球轴承位于永磁发电机的外侧，靠近齿轮箱方向，主要用来平衡永磁发电机的转子的倾覆力矩，同时作为定位轴承之用，圆柱滚子轴承位于永磁发电机的内侧，作为主要承载轴承之用；深沟球轴承和圆柱滚子轴承的外圈与轴承座通过卡簧连接，轴承座与永磁发电机的机壳通过螺栓连接，深沟球轴承和圆柱滚子轴承的内圈通过热套与空心轴连接，空心轴与永磁发电机的转子通过螺栓连接，形成为转动部件。采用本实用新型结构能够简化发电机额外轴承设计，保证发电机转子运行的可靠性的同时，便于轴承的设计及维护。

2018年起，明阳申请了15项功率分流传动结构专利家族，其中发明专利5项，可予以关注。

8. CN109372969A

一种超紧凑半直驱式功率分流差动的风电齿轮箱传动结构，包括采用单个双列法兰式主轴承结构的主轴承，但不包括长主轴，该主轴承内置于齿轮箱中，所述齿轮箱采用行星差动功率分流结构，分别从齿轮箱的轮毂侧一级行星轮系和发电机侧一级行星轮系输入功率，其中，所述轮毂侧一级行星轮系由轮毂侧行星架驱动输入，所述发电机侧一级行星轮系由发电机侧齿圈驱动输入，所述发电机侧一级行星轮系通过发电机侧太阳轮与轮毂侧一级行星轮系连接，通过轮毂侧太阳轮最终输出功率，所述每个行星轮均采用柔性销结构进行均载。本发明能够保证齿轮箱在相同重量及尺寸的条件限制下，实现功率密度最大化，同时安全可靠性提高。

9. CN111520444A

一种紧凑半直驱风力发电机组齿轮箱多支路功率分流传动结构，包括有三级行星齿轮传动系统，第一级行星齿轮传动系统为定轴内啮合传动，功率由其第一级内齿圈输入，再经其多个第一级外齿轮形成多个支路输出；第二级行星齿轮传动系统为定轴外啮合传动，功率由其多个第二级大齿轮输入，再经其多个第二级小齿轮输出；第三级行星齿轮传动系统为定轴外啮合传动，功率由其多个第三级大齿轮输入，总汇到第三级中心小齿轮输出。本发明能充分利用了原第二级行星传动的径向空间，相对于传统紧凑半直驱驱动结构，在保持空间不变的前提下，综合增强了齿轮箱传动的承载能力，提高传动功率。

2020年，明阳同日申请漂浮式风电机组传动系统的发明和实用新型专利，推测该技术应用于明阳MySE5.5MW抗台风型浮式机组的可能性较大。

10. CN111894808A

一种用于漂浮式风力发电机组的传动系统安装结构，包括齿轮箱外壳和发电机外壳，所述齿轮箱外壳的后端与发电机外壳的前端连接；所述发电机外壳包括前端承载结构和后端定子安装结构，所述前端承载结构和后端定子安装结构的连接处设有外凸法兰，外凸法兰与主机安装接口连接；所述后端定子安装结构包括发电机后端壳体和发电机定子支撑框架，所述发电机定子支撑框架设置在发电机后端壳体的内部。通过该安装结构可以简单地将传动系统与翼型塔架上的主机安装接口连接。本发明涉及风力发电技术领域。

南高齿风电齿轮箱重点专利分析

2019年，南高齿申请CN110671485A专利，该专利涉及太阳轮轴与花键轴装配，且通过PCT途径在美国、欧洲和印度进行布局，是南高齿同族专利数量最多同时也是唯一申请国外的专利，可予以关注。

1. CN110671485A

一种风电齿轮箱太阳轮轴与花键轴的装配结构，属于风电齿轮箱技术领域。风电齿轮箱太阳轮轴与花键轴的装配结构包括：太阳轮轴；花键轴，所述花键轴为空心轴，所述太阳轮轴的一端穿入所述花键轴内，且所述太阳轮轴穿入所述花键轴的一端与所述花键轴通过花键副连接；机械泵驱动齿轮，安装在所述花键轴的一端，且内径小于所述花键轴的内径；定距环，所述定距环设置于所述花键轴内，且所述定距环的一端抵接在所述机械泵驱动齿轮的内侧，并与所述机械泵驱动齿轮固定连接，所述定距环的另一端与所述太阳轮轴位于所述花键轴内的端部间隔设置。本发明通过设置定距环来分担太阳轮轴的轴向力，可减小太阳轮轴与花键轴之间的轴向磨损。

结语

在专利申请数量方面，排名前十位的专利申请人中有6家为齿轮箱制造厂商，其中ZF的专利申请量最多，南高齿的专利申请增长速度最快。整机厂商方面，通用电气、西门子和维斯塔斯排名前三。但近年来，西门子的专利申请量较少。

在专利技术分布方面，润滑冷却和行星结构是专利布局热点，而整机厂商则较注重传动链结构的专利布局，可以加强在这一技术点的专利布局。

在合作关系方面，西门子与弗兰德、ZF、WINERGY，维斯塔斯与ZF，明阳与AERODYN之间都进行过专利共同申请或专利许可、转让，可见在风电齿轮箱技术领域开展合作不失为提升技术能力的有力举措。