我國低轉速大扭矩電機的應用現狀及發展建議

／中國電器工業協會／

相較于通用型電機，低轉速大扭矩電機普遍具有更高的技術特點和質量需求，行業內能夠提供解決方案的企業較為稀缺。而下游應用客戶對低轉速大扭矩電機企業的要求不僅體現在產品性能、質量、價格上，還體現在企業的定制化能力、完整的產業鏈生產能力上。

一、引言

目前，通過不斷的新舊能源改革發展，我國已逐步建成了以煤炭為主體，以電力為中心，以石油、天然氣和可再生能源全面發展的能源供應格局。從人類可持續發展的方面來看，可再生能源是可以讓人類種群得以延續的最終選擇，而不可再生的一次能源只能作為過渡階段。但現階段人類對化石能源的依賴與一次能源緊缺的矛盾，以及可再生能源利用技術發展的不足，迫使人類將在尋求能源“開源”的同時，更多地發展能源“節流”技術。因此，提高能源利用效率，減少能源的不合理耗損，將是未來主基調。

我國是世界第一大能源消耗國，能源消耗量逐年提升，節能降耗是我國長期時間內亟待解決的問題，也是能源發展的重點戰略。2021年，我國第二產業用電量5.61萬億千瓦時，占全社會用電量的比例接近80%，工業耗能是我國節能降耗的主要戰場，電機作為耗電量最大的單種類設備（占工業領域耗電量約2/3），研發并推廣高效率、低能耗、高功率密度的電機是實現我國節能環保發展路徑的重要手段。在此背景下，我國政府重視節能減排，對于設備和技術研究給予政策引導以及資金支持。2021年6月，我國最新電機能效標準《電動機能效限定值及能效等級》（GB18613—2020）正式實施，能效三級（國際標準IE3）以下能效電機將不再允許生產銷售；2021年10月，由工信部、市場監管總局印發的《電機能效提升計劃（2021—2023年）》中提出到2023年在役高效節能電機（指符合電機能效新標準二級標準以上的電動機）占比達20%以上的目標。

在礦山、電力、石油化工、索道纜車等大型傳動裝備領域中，普遍存在重載起停、長時間低速重載運行的工況，對電機的輸出扭矩、功率平衡、運行平穩度等參數有著較高的需求。在上述領域中，感應電機加機械減速結構的驅動系統是目前最常見的電氣傳動解決方案，但其存在結構復雜、減速機構易磨損、潤滑油滲漏、運行可靠性差、維護成本高以及系統整體效率低等缺點，逐漸不符合經濟發展節能環保的要求。

低轉速大扭矩電機通常指轉速低于500r/min、轉矩大于500Nm，用于驅動的電機。因相較于異步感應電動機具有轉矩大、效率高、振動噪聲小、綠色節能等優點，目前在節能電梯領域已廣泛實現應用；在石油裝備、煤炭機械、風力發電、纜車索道等尚未完全滲透的領域具有廣泛的應用前景。因此低轉速大扭矩電機越來越受到業內人士的關注，成為當前研究的熱門方向。

二、行業發展概況

常見工業電機類型包含三相異步電機、永磁同步電機等，如表1所示。傳統的三相異步電機可以通過增加材料（加大鐵心外徑、增大定子槽型尺寸、增加銅線重量、采用導磁性能好的硅鋼片）等方式提升電機的效率，但是由于其基本工作原理，傳統異步電機本身效率提升存在限制，且提升難度較大。永磁同步電機憑借其高功率因數、高效率、高動態響應、溫升低等特點，正在成為我國能效二級、一級（對標國際標準IE4、IE5）等級能效電機的主要發展方向。

（一）電動機驅動方式對比

電動機作為原動機拖動生產機械被廣泛應用于工業領域，是社會生產不可缺少的一種傳動方式。目前主流的大型傳動設備電機驅動方式包括“電機+液力耦合器+減速器驅動”、“電機+CST驅動”、“永磁同步電機驅動”，此外還有“高速直流電機+減速器驅動”、“變頻調速電動機+減速器驅動”等方式，如表2所示。

（二）永磁同步電機優勢

相比于傳統異步電機，永磁同步電機作為同步伺服電機中最主要的種類，具備以下更加突出的優勢：

1）效率高：由永磁體產生磁場，轉子上無需添加勵磁繞組，電機內部發熱減少，提高電機效率，并節約能源；電機設計時，無需額外的功率裕量，輕載時效率更高。

表1 我國常見電機系統

表2 我國大型傳動設備領域常見電機驅動方式

2）啟動轉矩：永磁同步電機采用驅動器控制，正常工作時轉子繞組不做功，在設計時可使轉子繞組完全滿足高起動轉矩的要求。

3）體積小、重量輕：永磁同步電機功率因數高低不受電機極數限制，在同等配套系統條件下，可將電機的極數設計得更高，相應電機的體積可以更小；電機結構靈活，省去了如繞組端部、轉子端環等部分；采用高性能的永磁材料提供磁場，電機氣隙磁場較異步電機增強了很多，相同功率需求下體積和重量大大減少。

4）噪聲低：無需勵磁繞組，無勵磁噪聲；非接觸電磁力傳遞功率，避免了機械振動與磨損噪聲。

5）可靠性高：在各種嚴苛環境下（高溫高濕、超低溫和溫度沖擊、粉塵油污、金屬顆粒物、強電磁干擾等）的抗干擾能力較強、7×24小時運行環境中抗疲勞強度強；以永磁體提供勵磁，省去了易出問題的集電環和電刷，電機結構簡單，各類連接點和運動部件擾動小，可靠性高。

6）全生命周期維護成本低：結構工藝簡單，維修工作量小；無電刷、集電環、勵磁繞組等易損零部件，維護成本低；軟起/停可實現動態控制，避免電機起動的瞬間大電流給電網帶來的沖擊，以及轉矩瞬時劇增給傳動系統帶來的機械沖擊，由此降低了系統的電網故障和機械故障風險。

三、行業重點發展領域及趨勢

考慮低轉速大扭矩電機在業內的發展現狀以及下游領域需求情況，本文選取節能電梯領域作為低轉速大扭矩電機的成熟滲透案例，選取石油裝備、煤炭輸送機械以及纜車索道領域作為在降本增效方面具有強內生需求，低轉速大扭矩電機在該類領域具有較高推廣潛力的代表；選取風力發電領域作為低轉速大扭矩電機已具備相應技術路線但尚未成為主流應用的代表。

（一）節能電梯發展領域

（1）電機應用現狀及趨勢

電梯的運行離不開電機驅動系統。電機驅動系統對電梯的起動加速、穩速運行及制動減速起著控制作用，因此其性能優劣直接影響電梯的加減速度、平層精度、轎廂舒適感等重要技術指標。目前全球安全、綠色、節能的電梯和自動扶梯已成為市場主流，在此之上，高速、超高速電梯的驅動系統原理與普通電梯的基本相同，但在電梯運行中采取的驅動、控制技術與普通電梯有著本質的區別，常常代表了領域中的最高技術成果。

伴隨著電梯應用需求的變化，電梯領域電機控制技術呈現出漸進發展歷程，逐步經歷了直流電機驅動控制，交流單速電機驅動控制，交流雙速電機驅動控制，直流有齒輪、無齒輪調速驅動控制，交流調壓調速驅動控制，交流變壓變頻調速驅動控制以及交流永磁同步電機變頻調速驅動控制等不同階段。由于永磁同步電機具備高性價比、高可靠性和穩定性的特點，目前已成為電梯領域驅動電機的首選方案。

近年來我國電梯市場連續出現增幅下降、增量不減的趨勢。相比其他機械制造業來講，電梯行業受下游行業影響更大。電梯行業的下游行業大頭是房地產行業和公共建筑業，包括住宅、商業配套、基礎設施等，電梯行業與居民住宅、商場超市、物流倉儲、市政工程存在高度的關聯性，下游行業的發展狀況直接影響電梯行業的發展。隨著我國國民經濟發展迅速，國家基建項目、房地產項目的蓬勃發展，以及城鎮化進程的加快推進，使我國成為全球最大的電梯制造和銷售國，保有量也躍升為世界第一。

目前，以綠色科技打造高性能節能產品已經成為電梯產業未來發展方向，市場對新一代節能電梯的需求日趨旺盛。節能電梯使用過程中，需預防突發安全事故，因此一部電梯需要一臺驅動電機和一臺備用電機。基于《中國電梯》披露的我國電梯、自動扶梯產量，考慮舊電梯改造更換、老舊小區加裝等存量市場需求，我國節能電梯領域對電機的需求量預測如圖1所示。

（二）石油裝備領域發展概況

（1）電機應用現狀及趨勢

石油鉆采過程中，鉆井和采油是兩大主要環節。鉆井是利用機械設備和相關的技術，從地表向地下將地層鉆成具有一定深度的圓柱形孔眼的工程。鉆井是勘探、開發石油、天然氣資源的重要環節，也是重要的手段，在石油、天然氣工業發展中有著不可替代的重要作用。鉆井過程中所需要的設備即為鉆機裝備。

圖1 我國歷年節能電梯永磁同步電機需求量

在通過勘探、鉆井、完井之后，油井開始正常生產，油田也開始進入采油階段，根據油田開發需要，最大限度地將地下原油開采到地面上來，提高油井產量和原油開采效率，合理開發油藏，實現高產、穩產的過程被稱為采油。采油過程中涉及的設備即為采油裝備。

（a）石油鉆機裝備領域

我國石油鉆機裝備的發展經歷了仿造、引進、消化吸收到自主研發幾個階段。在20世紀70年代之前，動力驅動設備應用較多的是機械驅動，之后由于電力電子技術的應用，在石油鉆機驅動模式方面出現了電驅動鉆機。電驅動鉆機極大改善了過去機械驅動鉆機的傳動效率偏低的問題，且能適應不同的負載環境，在實際應用時更便于裝配轉移，在發生事故時有較好的機具保護能力，更有利于實現對位置、速度、轉矩及其他性能方面的控制，也能夠更好地適應鉆機系統向高度自動控制方向的發展，具有傳統機械驅動鉆機無可比擬的性能優勢。

如此看來，無可辯駁的證據已經準備妥當，只需妻子步入相關部門或是發到網上。自己距離類似案例的下場，只有一步之遙了。

泥漿泵（鉆井泵）、轉盤、頂驅及絞車是鉆機系統的核心設備，上述設備的傳動系統復雜、傳動鏈長，易發生故障。常規修井機、泥漿泵、絞車、頂驅及轉盤運轉時噪聲大、能耗高，傳動箱及附屬設備占據大量鉆臺空間且運移困難。

油氣開采業一直是我國能源消耗和污染物排放大戶，能耗和污染物排放均居工業部門前列，2020年綜合能源消費量3743億噸標準煤，約占全國工業能耗總量的2.85%；碳排放總量為13.78億tCO2，其中直接排放9.18億tCO2、電力排放4.60億tCO2。近年來，國內外對鉆井作業的能耗和污染物排放相繼出臺了愈加嚴格的法規和要求：國務院《“十四五”節能減排綜合工作方案》中提出“到2025年，全國單位國內生產總值能源消耗比2020年下降13.5%，能源消費總量得到合理控制……以鋼鐵、有色金屬、建材、石化化工等行業為重點，推進節能改造和污染物深度治理……‘十四五’時期，規模以上工業單位增加值能耗下降13.5%，萬元工業增加值用水量下降16%”的要求。同時，鉆井承包商為了降低勘探開發成本，希望鉆機能具備更高的可靠性和更快的運移性以減少鉆井作業周期，電機直驅化成為行業內對鉆機裝備的下一步研究方向。2022年1月，北京石油機械有限公司召開“4500kN交流變頻永磁直驅頂驅技術”科技成果鑒定會，該技術實現了頂驅交流變頻永磁直驅的精確控制，輸出效率提升20%，同時顯著降低頂驅全生命周期中能耗和維護保養成本，達到了國際領先水平；2022年6月，江蘇煤炭地質勘探三隊在使用了DBZJ-Z型永磁直驅系列鉆機后，對電耗節省費用及材料節省費用進行了測算，發現其電能節省效果基本維持在30%左右，并且各類型產品每年可產生至少30萬元的材料節省，具體如表3所示。

直驅鉆井裝備配備的動力機可選擇交流變頻電機或永磁同步電機。直驅電機選型的關鍵在于電機的輸出特性與負載特性之間的匹配。交流變頻電機利用變頻調速技術可在基頻以下時變壓變頻恒轉矩調速，高于基頻時恒壓弱磁恒功率調速，調速范圍寬，啟動轉矩大，符合鉆井裝備的負載特性，在電機直驅鉆井裝備動力機中具有較高的采用度。永磁同步電機輸出功率大，功率因數高，節能效果好，應用到直驅鉆井裝備中優勢明顯。利用矢量控制和直接轉矩控制（DTC）技術，均能實現永磁同步電機的無級調速。矢量控制技術調速范圍寬，調速過程需要復雜的旋轉坐標變換，動態響應速度弱于DTC。而DTC的控制結構簡單，響應速度快，但調速范圍小。目前矢量控制在永磁電機直驅鉆井裝備中更加普遍。

表3 費用節省測算表

交流變頻電機和永磁電機均可實現鉆井裝備的直接驅動，但各有優缺點。在購置成本方面，永磁同步電機受永磁體材料價格影響，其成本要高于交流變頻電機；在運營成本方面，由于存在“大馬拉小車”現象，永磁同步電機節能降本優勢更為明顯，其效率和功率因數 均領先于交流變頻電機。

從直驅方案的應用目的和效果看來，利用直驅方案改造現有的轉盤、頂驅、絞車和鉆井泵，可取消中間傳動裝置，簡化傳動鏈，提高傳動效率和可靠性。另一方面，機電融合技術和低速大扭矩電機的開發及應用，在同等功率要求下可顯著減小體積和質量，方便拆裝和運輸。上述優勢增強了鉆機的運移能力，加快了鉆機的模塊化、自動化和智能化進程。

（b）石油采油裝備領域

我國油田采油方法主要為機械采油法，通過抽油機將原油從地下開采出來，我國現役的抽油機主要分為兩大類，分別是游梁式抽油機以及無游梁式新型抽油機。

游梁式抽油機是油田使用最廣泛的采油設備，其工作原理是動力機將旋轉運動傳遞給減速機，使動力機的旋轉速度降低，然后傳遞給曲柄連桿機構，旋轉運動轉變為游梁的上下擺動，游梁上的懸點通過繩索帶動抽油桿做上下運動，實現抽油過程。游梁式抽油機結構簡單，運行穩定，方便使用和維護，目前，三相異步電機是其常見的動力驅動裝置。由于油井的特殊工況，導致三相異步電機功率富余量大，負載率相對較低，且抽油機一次沖刺周期內負載變化大。電機低負載率和載荷不平穩會導致電力拖動系統效率和功率因數偏低。再加上皮帶、減速箱、四連桿等，傳動環節多、能量損耗大，導致抽油機系統電能損失大、能耗高。據統計，普通游梁式抽油機的總效率平均約為25%；在油田生產過程中，電能消耗較大，約占生產成本的33%，其中80%為抽油機的電能消耗[1]。因此抽油機的節能降耗是目前石油開采企業亟待解決的問題。

目前抽油機驅動電機的主流方案為異步電機加減速器的解決方案，但常規三相異步電機在啟動過程中，低速轉矩和最大轉矩倍數都有限，為達到要求通常需要加大電機規格；到正常運行狀態，異步電機則又處于輕載運行狀態，效率和功率因數較低。而永磁同步電機則可以在滿足負載動態的大轉矩要求下，顯著提升輕載運行時的工作效率，減小裝機功率。此外，永磁電機是由永磁體激磁，無需勵磁電流，能夠顯著提高功率因數；轉子無銅耗（三相異步電機轉子繞組損耗占總損耗的20%以上），因而發熱較低，無需風扇；其效率可比一般同規格異步電機提升2%~8%，并且在較寬的負載變動范圍內可始終保持較高的效率和功率因數。因此永磁同步電機在油田勘探開發場景中有著更高的推廣潛力。

以遼河油田曙光采油廠采油二區為例，過去其全區采油系統耗電占總耗電的85%以上[2]。在安裝使用永磁電機后，電機功率由原來的45kW降低至22kW，啟動轉矩提升至3.4倍以上，功率等級提高1~2倍，年用電量由過去的9.64萬度降至6.57萬度，降本增效效果顯著。

（2）電機市場發展及預測

近年來，中美貿易摩擦升級，國際地緣政治局勢復雜多變，油氣進口貿易風險不斷加大，中國能源安全存在潛在威脅。構建全面開放條件下的油氣安全保障體系，提升國際油氣市場話語權，成為我國經濟發展的當務之急。面對潛在的能源安全威脅，我國確定了油氣資源“增儲上產”的重要戰略定位。在“增儲上產”戰略背景下，我國目前鼓勵油氣資源的勘探與開發，出臺配套政策保證國內能源供給。2019年5月，國家能源局組織召開大力提升油氣勘探開發力度工作推進會，強調石油企業要不折不扣完成七年行動方案要求，落實“增儲上產”主體責任；指出各部委及地方政府應發揮協同作用，加強配套政策，保障重點項目落地實施。國內三大油針對“七年行動計劃（2019-2025）”已形成戰略規劃，如中海油集團《關于中國海油強化國內勘探開發未來“七年行動計劃”》、中石油集團《2019-2025年國內勘探與生產加快發展規劃方案》，明確提出要增加油氣勘探與開發，降低油氣對外依存度。在政策的強力支撐下，國內油氣企業將進一步加大石油天然氣的勘探開發資本支出，國內油服行業將迎來長景氣周期。

我國鉆井工程主要由中石油、中石化、中海油等大型石油行業國企進行負責。根據上述企業的年報披露、我國石油行業政策規劃以及我國油服工程招標文件的需求（每個鉆井工程要求施工隊配備鉆機裝備：頂驅設備一臺，轉盤、絞車各一臺，鉆井泵兩臺，修井機則作為固定設備由油田依據需求進行配備），我國歷年鉆機裝備電機需求量及預測如圖2所示。

圖2 我國歷年鉆機裝備電機需求量及預測

相較于僅適用于新鉆井應用場景的鉆井設備而言，采油設備因其可用于新、老油井生產，需求基數龐大；此外，由于每口井都需要一套采油設備，但一臺鉆機在其使用壽命內可開發多口井，因此采油設備年均更新需求更加穩定。

我國歷年石油完井數除少數年份由于油價大幅下降，勘探投資大幅縮水等原因出現下滑外，基本維持在每年20000口以上，并且規模恢復迅速。在“增儲上產”戰略背景下，我國目前鼓勵石油資源的勘探與開發，我國未來每年完井數有望穩定提升。根據中石油數據，我國油田平均壽命在15~30年，油井則大多可平穩生產10余年，部分特殊油井（延長油礦）已愈100年，因此大部分油井在生命周期中基本不存在更新換代需求（抽油機理論壽命15年左右，最高可達50年以上，損壞部位多為驢頭、連桿，電機損壞概率低）。根據上述條件，對我國采油裝備電機需求量測算如圖3所示。

圖3 我國歷年抽油機電機需求量

目前我國石油裝備行業對于永磁同步電機方案的認知程度較低，處于個別油田項目試用階段，業內永磁同步電機滲透率尚處于較低水平。未來，隨著我國石油行業對于節能、維保降費需求不斷提高，我國石油鉆機裝備領域永磁同步需求量有望高速爬升。

（三）煤炭輸送機械發展領域

（1）電機應用現狀及趨勢

煤炭輸送機械通常是指能夠使煤炭或物料沿著輸送的整體或部分布置線路所確定的方向或走向、連續或短周期間斷地運行，以實現自動搬運的機械設備，主要包括刮板式輸送機、帶式輸送機、鏈式輸送機等。隨著煤炭企業工作面設備自動化水平和生產能力的不斷提升，煤炭輸送機正朝著大運量、大功率、大運距以及高效率的方向發展。

傳統煤炭輸送機普遍采用三相異步電機作為動力輸出部，液力耦合器、減速器等作為動力傳動部，將動力傳給滾筒帶動膠帶運動。傳統的異步電機由于普遍輸出轉速大、扭矩小，與負載之間必須連接減速器等裝置以應對低轉速、大轉矩的運行工況。并且在設計選型時，通常需要考慮較大的功率富裕量來應對礦山裝備重載啟動過程大轉矩的需求，導致電機經常處于低效率高能耗下運行，其調速特性差，智能化程度低，不僅影響了煤炭的開采效率，還造成了嚴重的電能耗損。在國家節能減排政策的需求下，已逐漸無法滿足當前下游領域工作面對輸送機的要求。

永磁同步電機中電機轉子結構上的永磁體建立的氣隙磁密對氣隙的變化并不敏感，能夠產生低轉速大轉矩的輸出效果，也可以滿足大啟動轉矩的需求，因此十分適用于煤炭運輸機械系統所處的重載啟動與低速運行的工況。而直驅永磁同步電機由于不需要加速器和聯軸器等中間裝置，在輸送機安裝時能有效節省安裝工時，并且在例行維護中維護工作量較小，操作空間增大，因此在整個煤炭開采運輸期間具備更高的經濟效益和更好的節能效果。

目前煤炭輸送機械低轉速大扭矩電機對直驅方案的研究主要集中于帶式輸送機與刮板輸送機兩類設備。現有的帶式輸送機的驅動機構與張緊機構一般采用獨立的控制系統，協調性差，張緊過程存在著滯后性。在帶式輸送機采用永磁直驅的基礎上，進一步利用永磁驅動技術對其張緊機構進行改造，通過對驅動與張緊的協同控制可以實現全永磁智能驅動。中國礦業大學與北京百正創源公司提出的基于永磁同步電機的智能直驅與張緊一體化系統采用機頭與機身中部多電機多點驅動方式，驅動系統與張緊系統均采用永磁同步電動機作為動力源，共用一套綜合控制系統，已成功應用于鄂爾多斯昊華精煤高家梁礦等多家煤礦；在淮滬煤電有限公司丁集礦公司[1]改造項目中，該公司過往使用的帶式輸送機存在電耗高、噪聲大、故障率大、占地面積大等問題。2019年換用永磁直驅電動滾筒方案后，據電表統計，每年每臺設備可節電30萬kWh，年節約總電量60萬kWh，每年可節約煤204tce，每年可減少CO2排放55lt。

刮板輸送機作為采煤機運行的軌道與工作面煤炭運輸的設備，其驅動部分多采用TTT技術、CST技術以及異步電機變頻驅動技術，以上三種驅動技術均采用交流異步電機作為動力源，分別存在自身局限性。與交流異步電機相比，因永磁同步電機具有低轉速大轉矩輸出特性、高節能效果、高功率因數等優點，近來行業內部分學者與企業研究人員針對刮板輸送機開展了永磁直驅技術研究。但永磁直驅刮板輸送機目前仍處于設計、研究試驗階段，尚未成功應用于實操場景中。

目前，煤炭輸送機械通常存在較高的能源損耗減少以及最大轉矩倍數需求，因此開采企業普遍對能夠實現較大節能效果的永磁同步電機具有更迫切的需求。近年來我國已有眾多開采企業針對輸送機永磁同步電機開展集中采購活動，如神華國能集團公司、盤江集團、北方重工集團等企業已開展多次帶式輸送機永磁電機的采購招標活動。永磁同步電機憑借其優秀的工作效率、良好的節能效果、更強的穩定性和可靠性以及更低的全生命周期維保成本，在輸送機領域具有巨大的發展潛力。

（2）電機市場發展及預測

煤炭輸送機是實現煤炭開采最直接、最重要的設備之一。煤炭屬于大宗能源，近年來產銷趨勢較為穩定，出現大幅波動風險較小，如今正向優化產業結構、提高供給質量過渡，行業產能利用率不斷提升。

據中國煤炭工業協會統計數據顯示，我國大型煤炭企業采煤機械化程度由1978年的32.34%提高到2020年的98.9%，隨著近幾年煤炭價格回暖，煤炭行業盈利改善，設備投資加大，煤礦機械市場步入更新為主的成熟期，市場需求波動將大幅下降，市場容量將趨于穩定，需求確定性大幅增強，未來幾年依然會保持較為穩定的新增需求。而永磁同步電機將憑借其功率效率高、噪聲小、體積小、發熱小、可靠性強等特點，伴隨著行業內對于設備節能減排、更新換代等需求穩步提升其在行業內的滲透率。我國歷年煤炭輸送機永磁電機需求量預測如圖4所示。

圖4 我國歷年煤炭輸送機永磁電機需求量預測

（四）纜車索道發展領域

（1）電機應用現狀及趨勢

客運索道作為一種特種設備，依據《客運架空索道安全規范》，其運載速度有嚴格要求。客運索道驅動、迂回站之間存在一定高差，因此有空載、重上空下、重下空上、重上重下四種不同工況。索道的驅動系統必須滿足不同工況下的速度及轉矩要求，因此索道用電機及其驅動器需要既能提供足夠的輸出轉矩，又能在重下工況時將產生的負功率安全地返回電網。

傳統客運索道驅動系統一般采用電機加減速器的驅動模式，減速器作為動力傳達機構，可以降低輸出軸的旋轉速度，同時將電機的轉矩成比例地放大到減速器的輸出軸，再通過與減速器輸出軸相嚙合的驅動輪將動力傳遞至運載索，從而使索道的運行速度符合設計要求。但減速器在使用過程中，存在漏油、振動、過熱和噪聲大等缺點，會降低設備的連續運轉能力與可靠性，并且減速器存在機械效率損失，使得系統對電能的利用率降低。此外，在索道的維護工作中，減速器維護一直是重要部分：減速器潤滑油泄漏或污染、軸承及齒輪等零部件的損壞均可能導致減速器無法正常工作，造成安全隱患。

永磁同步電機在設計成多級結構時，能夠實現低轉速與大轉矩的動力輸出，在低速范圍下具有很好的轉矩輸出特性。因此，永磁直驅電機的直驅方案逐漸替代“電機+減速器”方案成為當前索道驅動發展的主流方向。

（2）電機市場發展及預測

客運索道作為一種觀光代步工具，將傳統和現代相結合，是當今解決山岳型風景區內部交通和輸送游客的較好途徑，在山岳型風景旅游區中起到良好的作用。中國作為世界上擁有山地景觀和山岳型景區較多的國家之一，其現代旅游發展的經驗證明，山岳型景區要發展旅游離不開索道。

索道是滑雪場必備的載人提升工具。冰雪產業目前是國家重點發展行業，近年來冰雪運動在國內快速發展，2022年北京張家口聯合舉辦的冬季奧運會將中國冰雪產業的發展推向了高潮。在現代滑雪運動中，各種形式的客運索道已成為滑雪場密不可分的重要組成部分，是滑雪場正常運營的基本前提。在中國滑雪協會2004年推出的《中國滑雪場所管理規范》中明確要求，根據客運索道的數量、形式的配備情況對滑雪場進行分級，索道質量、數量不符合要求的雪場將不具備運營資格。索道也是園區、主題公園、動物園等區域交通鏈接的最佳選擇之一。昆明世園會、青島世園會、廣州長隆、珠海長隆等園區巧妙運用架空客運索道解決了區域連接難題，還兼有體驗、觀光、休閑等功能。

國家《“十四五”文化和旅游發展規劃》指出：“到2025年，文化鑄魂、文化賦能和旅游為民、旅游帶動作用全面凸顯，文化事業、文化產業和旅游業成為經濟社會發展和綜合國力競爭的強大動力和重要支撐”。從中可以看到，國家在“十四五”期間對旅游業發展定位比“十三五”更高。國務院2015年1月21日印發了《關于促進旅游業改革發展的若干意見》國發〔2014〕31號，明確提出“繼續支持郵輪游艇、索道纜車、游樂設施等旅游裝備制造國產化，積極發展郵輪游艇旅游、低空飛行旅游”。客運索道作為與旅游業相輔相成，與滑雪運動相伴而生的新興產業，也將隨著我國旅游業的發展而同步發展。根據國家市場監督管理總局特種設備安全監察局統計數據顯示，截至2021年，我國客運索道登記數量為1114條。根據《客運架空索道安全規范》的要求，客運索道在使用過程中需配備驅動電機以及備用電機各一臺。考慮到我國部分索道使用年限已接近設計年限，基于新增需求以及替換需求，對我國索道纜車用電機的需求量預測如圖5所示。

圖5 我國歷年索道驅動電機需求量

我國客運索道永磁電機仍在探索測試階段，目前僅有少數從國際先進索道公司高價進口，截至2020年6月，國內僅部分研發設計能力已可與國際領先水平競爭的企業設計出應用于首臺套纜車索道行業的永磁直驅同步電機，但該類電機目前僅在個別景區索道中有應用，因此目前我國國產索道纜車永磁電機實際保有量較低。考慮到未來行業內技術發展需要，以及景區、滑雪場等項目全生命周期成本對比情況，包括節能減排、采購維修成本、控制精度提升、可靠性穩定性增強、降低運行噪聲等因素將在長期內帶動我國索道纜車永磁同步電機的需求不斷提升。在此背景下，我國索道纜車永磁電機的滲透率有望在未來迅速提升。

（五）風力發電領域發展概況

（1）電機應用現狀及趨勢

電機廣泛應用于風電設備中的風電機組、變槳系統、偏航系統等，其中永磁同步電機主要應用于風電機組與變槳系統。而風電場建設的核心設備之一是風電機組，隨著風電機組單機容量增大，風電機組的類型從早期的恒速恒頻鼠籠式異步風機發展為變速恒頻的高速傳動雙饋式異步風機，隨后出現的半直驅式永磁同步風機和無齒輪箱的直驅式永磁同步風機大量應用在風電場的實例。

（a）鼠籠式異步風機

鼠籠式異步風機具有結構簡單、體積小、制造成本低、可靠性高及調速范圍大等優點，多見于早期小型陸上風電場和歐洲小型海上風電場，在面向海上風電場的機組大型化進程中逐步淡出主流機型選擇。

（b）雙饋式異步電機

雙饋式機型技術成熟，是目前風電技術的主流機型，由定子繞組直連定頻三相電網的繞線型異步發電機和安裝在轉子繞組上的雙向背靠背IGBT電壓源變流器組成。雙饋式異步電機具有調速范圍寬、可單獨進行有功和無功調節等優點，在陸上和海上風電場都有大量應用。國內外應用于海上風電場的雙饋式異步電機最大單機容量為6MW，由于功率越大，齒輪箱制造越困難，加上需要定期的維修保養，在未來深遠海、大容量（10MW級）的風電場中并不適用。

（c）永磁同步電機

永磁同步電機按照風輪機和永磁發電機的傳動方式，可分為永磁直驅式電機和永磁半直驅式電機。半直驅式是指風葉帶動齒輪箱來驅動永磁電機發電，它介于直驅式電機和雙饋式異步電機之間，齒輪箱的調速低于雙饋式異步電機，發電機則由雙饋式異步電機的繞線式變為永磁同步電機。永磁半直驅式電機轉速比永磁直驅式電機高，可以減少轉子磁極數，減輕電機體積和重量，同時還保留了永磁直驅式電機的優點，因此國內外大容量風電機組在永磁半直驅的技術路線上存在更多商業運行案例。

永磁直驅式電機轉子為永磁體勵磁，因無須勵磁電源，故省去了齒輪箱，降低了損耗。直驅方案具有效率高、噪聲低及低電壓穿越能力強等優點，但從經濟角度看，近年來稀土永磁材料價格波動較大，直驅永磁同步電機購置成本相比半直驅或雙饋異步電機較高，并且直驅永磁同步電機在大功率機型下重量過大，導致吊裝難度加大，因此仍處于市場推廣階段，僅在部分3MW以下機型中廣泛獲得應用。從研發角度看，直驅方案的高穩定性和低運維需求使其仍然具有較高的研發價值，目前全球各國也存在著不少的大功率風電直驅案例，世界上也有眾多風機廠商和學者在大容量直驅式電機方向投入研究精力，因此永磁直驅式電機將依然是業內的熱門研究方向。

（2）電機市場發展及預測

我國風電發展處于高速發展階段，風電累計裝機量從2014年的114.6GW增加至2021年的346.67GW。風電機組向大功率型號遷移的趨勢明顯，最大功率、最長葉片記錄不斷刷新，同時風電市場由陸地風能豐富地區向陸地高海拔、低風速地區及海洋拓展的傾向加劇了對大尺寸機組的需求。我國陸續發布《“十四五”可再生能源發展規劃》、《關于促進新時代新能源高質量發展的實施方案》等政策，對風電產業的發展進行了指導。2020年以來，我國各省陸續發布“十四五”期間風力發電規劃，2020年《風能北京宣言》的規劃更是直接宣稱我國2025年后年均新增風能裝機量將達到60GW。

此外，根據《風電場改造升級和退役管理辦法》，運行15年以上的1.5MW及以下的風電機組普遍需要進行更新換代。2010年的機組基本使用年限已過，需要更換新的機組。由于風機發展初期（2010年前）以小機組為主，發電效率較低，通過技改延長風機壽命的性價比較差。因此，開發商更傾向于替換新機，保障發電效率。

基于上述政策指引與行業發展情況，根據風電機組的設計方案（風電機組所需電機數量為一臺），我國風電機組電機的需求量變化情況預測如圖6所示。

圖6 我國歷年風電機組電機需求量

未來，新增裝機數量的趨于平穩主要源于我國大力推行海上發電建設后風電機組平均功率的大幅提升，意味著我國風電裝機由臺數增量發展轉向功率增量發展，風電行業出現高功率化、裝機量平穩化的發展趨勢。根據市場調研與訪談結果，我國目前風電機組永磁同步電機滲透率約30%，永磁同步電機由于易于維護更適合于大風機，滲透率將繼續快速提升。至2025年我國風電機組永磁電機滲透率有望達50%，2030年有望增至60%。我國風電機組的永磁電機需求量變化情況預測如圖7所示。

四、行業競爭概況

相較于通用型電機，低轉速大扭矩電機普遍具有更高的技術特點和質量需求，行業內能夠提供解決方案的企業較為稀缺。而下游應用客戶對低轉速大扭矩電機企業的要求不僅體現在產品性能、質量、價格上，還體現在企業的定制化能力、完整的產業鏈生產能力上。以石油鉆機電機為例，該類鉆機電機呈現出一體化、模塊化設計，多個子系統共同使用一套電機控制系統的發展趨勢，要求鉆機設備制造商與專用電機制造商深度合作，電機制造商提供的產品需覆蓋鉆機設備內多個子系統，如絞車、鉆井泵（泥漿泵）、頂驅和轉盤等。因此，對細分行業的認知程度以及公司技術能力的覆蓋范圍成為永磁同步電機企業在重點應用領域內競爭的核心能力。

圖7 我國歷年風電機組永磁同步電機需求量

目前行業內第一梯隊是以瑞士ABB、德國西門子、日本松下、日本三菱為代表的外資品牌生產商。外資企業產品應用集中于油氣鉆采、礦山機械、起重機械、冶金機械、發電設備、數控機床等中高端項目型市場，普遍擁有成熟的生產線，較多的項目應用案例，產品覆蓋功率范圍廣。

第二梯隊是以埃斯頓、華夏天信、菲仕技術、青島中加特等為代表的中國本土電機品牌生產商和部分如日立、東芝等日系品牌廠商，不同企業的電機業務側重各有差異。目前國內企業憑借較高的性價比、靈活的業務模式以及良好的服務能力，不斷推動我國國產替代的進程，并且隨著近年來研發投入和實力的提升，技術水平不斷積累，目前與國外頂尖品牌的技術差距正在不斷縮小。

五、行業發展建議

行業內企業需對關鍵技術進行攻關，吸取新材料、新工藝、新技術的突破成果，對關鍵共性技術進行研究和成果轉化，加速低轉速大扭矩永磁同步電機在尚未大范圍應用的領域推廣，滿足各行業對產品節能環保、高可靠性、高壽命的使用需求。

除了對重點領域實現突破發展，對產品供過于求的領域也需要進行結構調整，堅決淘汰技術性能落后，資源消費嚴重的產品。行業內協會與監管組織在推動行業內進行工藝革新的同時，鼓勵行業內企業添置必需的先進制造設備，推動行業技術水平共同提高，縮短與國外發達國家先進企業的差距。