風力發電機用主軸軸承的專利分析

文 | 譚凱，黃蓉

風力發電機用主軸軸承的專利分析

文 | 譚凱，黃蓉1

主軸軸承是風電機組的核心部件，直接決定著機組的傳遞效率和主傳動鏈的維護成本。統計顯示，從2004年—2015年，我國風電企業在此方面的專利申請量有了大幅提升，但與國外相比，仍存在不小的差距。

風力發電機發電時，葉輪將風能轉換為機械能，低速轉動的葉輪通過傳動系統由齒輪箱增速，將動力傳遞給發電機進行發電。主軸軸承是吸收風力作用載荷和傳遞載荷的主要部件，其性能的好壞不僅對傳遞效率有影響，而且也決定了主傳動鏈的維護成本。由于風力發電機組所處的惡劣工況和長壽命、高可靠性的使用要求，使得軸承具有較高的技術復雜度，是公認的國產化難度最大的技術之一，成為影響我國風力發電制造業發展的軟肋。

本文從全球專利申請態勢、中國專利申請態勢兩方面對主軸軸承的專利進行分析，從而對比出國內外技術的差距。其中，全球專利申請態勢分析的樣本來源于世界專利索引（WPI）數據庫，中國專利申請態勢分析的樣本來源于中國專利數據庫（CPRS）。

主軸軸承全球專利申請態勢分析

為分析主軸軸承全球專利申請態勢，本節重點研究了主軸軸承的全球專利申請趨勢、主要申請人排名、技術分布這三個方面。

一、申請趨勢

近年來風力發電技術朝著大型化、商品化、實用化、集群化方向快速發展，發電成本持續下降，產業不斷成長壯大。隨著風力發電機組功率的不斷增大，對風力發電機組配套軸承的需求也不斷增加，從圖1可看出，全球風力發電機主軸軸承的專利申請量可以分為以下3個階段：

（一）技術萌芽期（2002年—2005年）

2005年之前，全球風力發電機組以兆瓦級以下機型為主，所采用的主軸軸承大多為通用軸承，相應的主軸軸承的專利申請量一直較少。

（二）快速發展期（2006年—2010年）

2006年之后，由于世界清潔能源的需求上升，各國政府都制定了相應的鼓勵政策，風力發電機大型化的趨勢越來越明顯。主軸軸承的供應商開始大力投入到主軸軸承的研發上，主軸軸承的申請量從2005年起穩步上升，到2010年達到峰值，達到60多件。

（三）技術穩定期（2011年至今）

2011年之后，風電機組市場出現短期飽和，2011年—2013年，主軸軸承總申請量一直維持在60件左右，而2014年—2015年的專利申請量受數據公開滯后的影響，并不能準確反映真實的申請量。

二、主要申請人排名

如圖2所示，對全球專利申請人進行了統計。世界主要軸承制造商中，日本NTN、瑞典SKF以及德國舍弗勒排名前三位。從世界范圍來看，日本、歐洲和美國占據申請量的絕對優勢。尤其是日本，有4家該國企業名列其中，包括NTN、NSK（日本精工）、三菱重工和光洋精工，占33.3%，表明了日本在主軸軸承上的技術領先地位。中國雖然也有3家企業上榜，包括國電聯合動力技術有限公司（以下簡稱“國電聯合”）、瓦房店軸承集團有限責任公司（以下簡稱“瓦軸”）、湘電風能有限公司（以下簡稱“湘電”），但申請量都較少，比如瓦軸在通用軸承上擁有先進技術，但其在主軸軸承方面的相關申請就較少，這也從側面反映出中國在主軸軸承技術上的落后。

三、技術分布

總體來說，集中于主軸軸承結構改進的專利申請占據多數，而其他如安裝拆卸、布置方式、材料工藝、監測維護、潤滑、密封、保持架等方面的專利申請數量相當。圖3顯示了全球排名前12位的申請人在主軸軸承的專利申請技術分布上的申請量。排名前三位的NTN、SKF和舍弗勒三大軸承制造商主要著眼于主軸軸承的結構，其在結構上的專利申請量分別為：19項、25項和38項，大幅領先于其他申請人。而日本NTN除了在主軸軸承的結構外，還在圓錐滾子軸承的保持架技術上申請了大量的專利，其申請量與結構方面的申請量基本持平，顯示了其在保持架這一技術上具有一定的優勢。瑞典SKF除在主軸軸承的結構外，各個技術分支的申請量比較均衡。德國舍弗勒則在主軸軸承結構上大量布局，顯示了其在此方面擁有強大的技術儲備。另外，日本NSK在主軸軸承的材料工藝方面申請了大量專利，表明其在這一技術分支上的強大實力。此外，瓦軸作為軸承制造商，其專利申請主要集中在監測維護和保持架上，與國外軸承制造商的技術側重點不同，這也顯示出我國在主軸軸承的結構、材料工藝上的落后。

圖1 主軸軸承領域全球專利申請趨勢

圖2 主軸軸承領域全球主要申請人

圖3 主軸軸承領域全球專利申請主要申請人的技術分布

主軸軸承中國申請態勢分析

為分析主軸軸承中國專利申請態勢，本節重點研究了主軸軸承的中國專利申請趨勢、主要申請人排名、技術分布這三個方面。

一、申請趨勢

如圖4所示，有關主軸軸承的申請，在國內從2004年開始出現第一件專利申請之后，總體分為3個階段：

（一）技術萌芽期（2004年—2007年）

由于主軸軸承的生產難度較大，長期依賴國外進口，國內對主軸軸承的研發起步較晚，該階段與主軸軸承相關的專利申請量較少，主要申請人為國外公司，僅在2006年國內公司提交了1件專利申請。

（二）高速發展期（2008年—2011年）

“十五”期間，中國風電裝機容量不斷攀升，導致主軸軸承處于供貨緊張狀態，一些國外企業的產品合同交貨周期甚至達到了1年至2年，產品價格因市場供不應求而相對較高 。2007年，《滾動軸承風力發電機軸承》出臺，2008年以后，國內企業積極參與并致力于主軸軸承的研發工作。該階段與主軸軸承相關的專利申請量逐年增加，2008年，國內企業提交了7件專利申請，從2009年開始，國內申請人的申請量超過國外申請人。

（三）技術穩定期（2012年至今）

2010年—2012年，風電行業在經歷了高利潤、高速度的發展后，行業競爭激烈，受行業洗牌、調整的影響，該階段與主軸軸承相關的專利申請量開始回落。在2012年主軸軸承專利申請量出現低谷后，于2013年開始反彈，這表明風電產業經歷調整后其發展趨于理性，而2014年—2015年的專利申請量受數據公開的滯后影響，并不能準確反映真實的申請量。

二、主要申請人排名

如圖5所示，對主要申請人在中國申請的專利進行了統計分析。其中，瑞典SKF以26件專利申請位居首位。在專利申請量排名前12位的申請人中，中國企業有5家，占比41.7%，這說明國內企業在主軸軸承領域具備較強的知識產權保護意識；德國企業有3家，占比25%；日本企業有2家，占比16.7%；瑞典和丹麥企業各有1家，占比8.3%。這些申請人中屬于整機制造商的有中國國電聯合、德國西門子、中國湘電、中國華銳風電科技股份有限公司（以下簡稱“華銳”）、丹麥維斯塔斯、日本三菱重工，它們的專利申請側重于主軸軸承應用方面；其余的都為軸承制造商，它們的專利申請側重于主軸軸承結構、布置方式等。

圖4 主軸軸承領域中國專利申請趨勢及國內/外專利申請趨勢

圖5 主軸軸承領域中國專利申請主要申請人排名

圖6 主軸軸承領域中國專利申請技術分支占比情況

圖7 主軸軸承領域中國專利申請主要申請人技術分支

三、技術分布

圖6反映的是主軸軸承各個技術分支上的專利申請量情況。從該圖中可看出，大部分專利仍集中于主軸軸承的結構設計方面（占31%），安裝拆卸、布置方式、監測維護、潤滑、密封、保持架方面的專利申請占比基本相當。而制約我國風電軸承行業發展的材料工藝技術的專利申請量較少，這是因為很多國外用于風電傳動系中的軸承產品已進入中國市場，但其核心技術并沒有在中國公開。此外，由于目前市場的維修成本大于更換成本，并且維修后的風險不易把控，風力發電機上主軸軸承的維修案例極少，絕大部分場合還是選擇更換主軸軸承。因此，主軸軸承的安裝以及監測的專利申請量所占比例較大，其所體現的也是近年來機組軸承領域的技術發展趨勢，即軸承尺寸的不斷增大，損壞后更換的成本增加，相應地對于其安裝和運行的技術要求也越來越高，因此申請人對于這些領域的專利保護也愈加重視。

圖7反映的是主要申請人在各個技術分支上的專利申請量。由該圖可以看出，在結構上，瑞典SKF、日本NTN、德國西門子、德國舍弗勒申請量較大；在安裝拆卸上，中國國電聯合、瑞典SKF、中國湘電申請量較大；在材料工藝上，日本NTN申請量較大；在監測維護上，中國瓦軸和中國上海聯合滾動申請量較大；在潤滑上，日本NTN申請量較大；在密封上，中國國電聯合、中國華銳申請量較大；在保持架上，日本NTN、瑞典SKF公司、中國瓦軸申請量較大。由于主軸軸承領域整機制造商與軸承制造商之間缺乏技術合作，整機制造商在設計傳動系時簡單地把軸承設計工作外包給軸承制造商，整機制造商在應用主軸軸承時會發現一系列應用問題，因而整機制造商多在潤滑、密封、監測、安裝方面申請相關專利。

小結

我國風電軸承制造與國外存在差距，材料是主要因素，其次為風電軸承設計、工藝水平和工藝裝備。盡管我們制定了JG/T10705－2007《滾動軸承 風力發電機軸承》和修訂了GB/T18254－2002《高碳鉻軸承鋼》標準，對其中碳化物、偏析、含氧量和夾雜物等要求有所提升，但受制于國內鋼企冶煉技術和成本等因素，完全實施仍有很大難度，這就造成國內風電軸承質量先天不足，風電軸承的壽命、可靠性及一致性遜色國外產品。

在分析全球和中國主軸軸承專利時發現，關于材料和工藝方面的專利申請很少，因而在這方面的借鑒和啟示也寥寥無幾，想要在材料和工藝方面尋求主軸軸承的突破難度較大。但是，關于主軸軸承其他方面的申請很多，因而可以考慮從其他方面著手打破主軸軸承的制造瓶頸。

（作者單位：國家知識產權局專利局機械發明審查部風力機械處）

1 黃蓉等同于第一作者