中国信通院于晓萌等：风电传动系统轴承的专利态势分析

0  引言
风能是可再生的清洁能源，储量大、分布广，开发风力发电技术是当前诸多国家的发展战略。风力发电具有天然绿色属性，是最具潜力的发电形式之一，也是实现碳达峰、碳中和目标的重要路径^[1]。我国风电产业在技术方面整体处于全球领先水平，不仅具备大兆瓦级风电整机自主研发能力，且已形成完整风电装备制造产业链，制造企业整体实力与竞争力大幅提升^[2]。风电产业链主要包含上游原材料及零部件制造、中游风电整机和下游风电场运营三个部分，根据风电产业的产业链现状，风电产业的关键技术主要包含零部件、风电机组、智能运维三个方向。
目前，我国风电产业国产化程度较高，风电机组及智能运维技术均处于领先水平，风电机组中的双馈和直馈两种主流技术已经发展成熟，作为未来风电整机的发展趋势，我国在半直驱技术、漂浮式海上风电技术方面也早有布局。此外，智能化运维早已经融入到风电运行系统中；在零部件方面，叶片、塔筒、齿轮箱等零部件国内企业技术发展比较成熟，尤其是在长叶片、高塔架方面，且部分零部件对国外厂商也有少量销售，但在精密传送部件如轴承等方面仍存在缺口。
风电轴承是连接各系统的重要零部件之一，主要分为两大类，包括变桨偏航轴承和传动系统轴承。其中，传动系统轴承又包含了主轴轴承、增速器轴承以及电机轴承。我国在变桨偏航轴承领域已经实现了较高的国产化率，发展相对成熟，但传动系统轴承在精度保持性、性能稳定性、寿命和可靠性等方面与国际先进水平存在一定差距^[3]，国产化率较低，技术研发、制造工艺等均处于早期阶段。
本文以传动系统轴承为研究基础，对风电传动系统轴承的专利态势进行分析，重点分析了风电传动系统轴承的专利申请趋势、专利布局目标国/地区、专利主要申请人以及专利技术分支等方面，并提出了相关建议。
1  风电传动系统轴承专利态势分析
1.1  风电传动系统轴承全球专利申请态势平稳，我国申请近几年持续增长图1为2012年至2022年6月风电传动系统轴承的专利申请趋势。其中，全球风电传动系统轴承共计申请专利1 375 件，合并同族为809 项。近年来，全球风电传动系统轴承申请态势平稳，每年总申请量不足100 项，这是由于风电产业发展较早。早在1888年第一个大型风力发电机就已经问世，这也导致国外传动系统轴承的发展相对成熟，即便有政策的助推也未出现大幅度增长。而由于专利申请公开的滞后性，导致近两年统计的专利数量低于真实的专利申请数量。

图1  风电传动系统轴承的全球专利申请趋势
我国企业风电传动系统轴承领域共计申请专利471 件，合并同族为408 项。我国风电传动系统轴承领域专利申请量处于波动状态，这与我国风电产业政策相关，我国风电产业的发展与我国政策的变化关联性较大，产业需求呈现周期波动。2010年之后，我国风电产业发展进入调整，处于波动期；2015—2016年，弃风率甚至高达15%以上，产业发展的不明朗限制了企业的研发投入；2018年至今，新增风电装机容量得到改善，重拾升势^[4]，弃风弃电现象得到改善，“双碳目标”也加速了产业的发展，使得风电传动系统轴承领域的专利申请量在持续增加。受专利公开影响，2021年和2022年的专利申请数量较少，但可以预见的是，在国家政策的助推下，为加快风电产业零部件国产化，风电传动系统轴承领域专利在随后几年仍会保持增长的态势。
1.2  我国是传动系统轴承专利主要目标申请国如图2所示，从专利主要布局国/地区来看，在中国的专利布局排名第一位。一方面，政策支持风电产业零部件的国产化，近几年中国申请人积极开展创新活动，尤其是在2018年之后，国内企业在风电传动系统轴承的科研、技术、工艺等方面均加大了投入；另一方面，我国是全球最大风电市场，全球风能委员会（Global Wind Energy Council，GWEC）的数据显示，我国风电新增装机量连续四年全球居首，2021年我国不仅陆上风电新增装机量全球最高，海上风电累计装机也最多^[5]，市场的不断扩大也推动了全球主导企业在我国进行专利布局。

图2  风电传动系统轴承目标申请国/地区
图3为五局流向图，体现了同族专利在五局的分布情况。根据图3可以看出，技术来源国为中国的专利申请95%都流向了中国，只有极少量的专利在国外进行布局，即我国申请人大部分只在本国申请专利；而风电传动系统轴承技术位于世界前列的欧洲和日本，均有超过总量30%的专利在我国申请，其中，日本申请人的专利申请平均分布在日本、中国、欧洲以及美国；欧洲申请人的专利申请除在欧洲布局外，还有将近50%的申请分布在中国和美国；美国60%的专利申请在美国进行布局，还有一部分专利申请在中国、欧洲以及日本进行了布局；韩国申请人无相关专利申请。对比美国、欧洲、日本，可以发现我国申请人缺少海外专利布局的意识。

图3  风电传动系统轴承五局流向图
1.3  我国应持续加大科研投入，积极进行轴承方面的专利布局目前的轴承行业市场主要被国外企业占据，其中瑞典、德国、日本、美国的八家跨国企业占据了全球70%以上的市场份额，而中国企业主要占据了中低端市场，在大容量轴承技术方面相对落后。从全球申请人排名来看，日本恩梯恩株式会社（NTN Corporation）、斯凯孚（Svenska Kullager-Fabriken，SKF）、舍弗勒（Schaeffler）、日本精工株式会社（NSK）、捷太格特（JTEKT）作为轴承行业的主导者在申请量上具有很大的优势。其中，NTN以125项专利族的申请量位列第一位，NTN是全球最大的轴承厂商之一，轴承的种类包含了自动调心滚子轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、自动调心球轴承等多种类型。SKF以91项专利族的申请量位列第二位，SKF总部位于瑞典哥德堡，也是全球最大的轴承厂商之一，早在20世纪初就已经发明了双列自动对心滚珠轴承，目前是全球风电主轴轴承、偏航、变桨轴承的主要供应商。Schaeffler以54项专利族的申请量位列第三位，Schaeffler是一家德国企业，旗下包含INA、LuK和FAG，其中INA主要产品包含滚动轴承和滑动轴承，而FAG是风电主轴轴承、偏航、变桨轴承的主要供应商。NSK以50项专利族的申请量位列第四位，NSK成立于1916年，主要产品包含了深沟球轴承、推力球轴承、角接触球轴承、自调心球轴承、滚子轴承等多种类型。JTEKT以31项专利族的申请量位列第五位，JTEKT属于丰田集团的成员，是传动系列产品和轴承的供应商。在全球申请量排名TOP10的企业中，中国申请人瓦轴以29项专利族的申请量位列第六位。
从中国申请人排名可以看出，除了瓦房店轴承集团有限责任公司（简称瓦轴）、洛阳LYC轴承有限公司（简称洛轴）以及洛阳新强联回转支承股份有限公司（简称新强联）之外，其他企业的专利族申请量均不足10 项。其中，瓦轴是我国目前最大的轴承企业，主要供应主轴轴承、偏航变桨轴承、齿轮箱轴承和发电机轴承，供应明阳智能、华锐风电等整机厂商；洛轴属于我国轴承行业综合性制造企业，先后起草了轴承有关的多项行业标准、国家标准，其主要供应主轴轴承、偏航变桨轴承、齿轮箱轴承和发电机轴承，据介绍，目前10 MW以下的海上风电机组主轴轴承已经投入试用；新强联相比瓦轴、洛轴入局较晚，但发展迅速，目前产品已覆盖主轴轴承、偏航变桨轴承，此外，齿轮箱轴承也正在研发中，目前在风电领域已经实现3 MW以上风电轴承的大批量销售，5.5 MW也在少量生产。我国申请人的专利申请量与日本和瑞典等主导企业相比，申请量存在一定差距，这也反映了我国在风电传动系统轴承领域专利布局的缺乏以及技术的落后。
1.4  我国在材料、工艺、监控与检测、密封等技术分支应加强研究风电传动系统轴承领域的专利申请主要涉及保持架、材料、工艺、监控与检测、结构、密封、润滑、组装等多个技术分支（见图4）^[6]。保持架是传动系统轴承的关键零部件，用于包裹并隔离滚动体，还用于将滚动体保持在传动系统轴承内，保持架要同时承受摩擦等引起的应力以及其他物质带来的腐蚀作用，保持架的材料对于轴承的整体性能起着非常重要的作用；由于传动系统轴承的可靠性需求，使得材料的选取成为影响传动系统轴承运行性能的关键因素；为了避免保持架与滚动体直接发生直接接触，润滑起到决定性作用，除了能够保证传动系统轴承的正常运行，润滑还可以起到疏散热量、降低噪声等作用；近年来，风电产业快速发展，智能化、数字化成为发展趋势，传动系统轴承在运行状态中的状态监控与检测已经成为保证风电整体供给能力的关键指标；由于风机直接与外界环境接触，长期暴露在外，因此，对于传动系统轴承的密封性有着较高的要求，以保证轴承的寿命以及风机的寿命；工艺、结构、组装等技术分支属于传动系统轴承的传统关键技术分支。

图4   国内外主要企业主要技术分支申请趋势
由图4可以看出，NTN、SKF、Schaeffler等主导企业在各个技术分支上均有相关专利布局，其中，NTN公司在保持架、材料、工艺、结构、润滑等分支均有不少的专利申请，而在监控与检测、密封、组装等技术分支上也略有涉及；SKF除润滑方面涉及较少，在其他技术分支均有相关的专利布局；Schaeffler专利布局主要集中在保持架以及结构两方面，但在其他技术分支上也均有相关布局。
国内企业瓦轴、洛轴、新强联、国电联合在风电传动系统轴承相关技术分支的专利布局存在多个空白点，专利申请主要集中在保持架、结构、润滑等领域，其中瓦轴的专利申请主要分布在保持架和结构方面，在润滑方面有相关布局，但是在材料、工艺、监控与检测、密封、组装等方面处于空白状态；洛轴的专利申请主要集中在结构方面，在保持架、润滑方面有相关布局，与瓦轴相同，在材料、工艺、监控与检测、密封、组装等方面也处于空白状态；新强联的专利申请集中在保持架和润滑两方面，在材料、结构、组装等方面有相关涉及，但在工艺、监控与检测、密封等方面处于空白状态；国电联合仅在结构方面进行了专利布局，其他技术分支均处于空白状态。由此可见，国内企业对于材料、工艺、监控与检测、密封等方面研究较少，尽管我国目前轴承制造上已经加大了软硬件的投入，也已经取得了重大技术突破，但是在冷加工尺寸精度、热变形处理、润滑问题等工艺制造过程中还是存在难点问题，还需要持续加大研发投入，加强研究。
2  发展建议
2.1  持续开展关键技术攻关，提高企业核心竞争力针对我国在大兆瓦传动系统轴承工艺制造过程中存在的难点问题，应加强政策引导，加大政策扶持，以调动企业研发、创新等方面的积极性，引导企业持续开展关键技术攻关，尤其是在冷加工尺寸精度、热变形处理、润滑问题等工艺制造问题以及监控与检测、密封等影响轴承运行性能的关键技术问题上，加大科研投入；另外，应当鼓励轴承制造厂商积极和风电整机厂商开展合作，共同为传动系统轴承的设计、制造、使用寻找解决方案，打造风电产业的核心竞争力。
2.2  优化专利布局，扩大海外市场针对目前我国在风电传动系统轴承领域多个技术分支缺少专利布局的问题，一方面，应该努力提高企业的知识产权保护意识，引导企业建立健全包含专利、商业秘密等在内的知识产权保护制度，开展面向研发人员的知识产权培训，进行传动系统轴承领域的专利分析及预警，针对专利布局中的薄弱点提早进行布局，尤其是材料、工艺、监控与检测、密封等技术分支；另一方面，鼓励企业对于解决产业关键技术问题的重要专利提前进行全球布局，逐步扩大海外市场。
3  结束语
本文通过对风电传动系统轴承领域的专利布局情况进行深入分析，发现我国在风电传动系统轴承领域申请量持续增加，但是我国申请人普遍缺乏海外布局的意识，同时在材料、工艺、监控与检测、密封、组装等多个技术分支缺乏相关研究。建议在风电传动系统轴承创新主体方面，持续开展关键技术攻关，优化专利布局，逐步扩大海外市场，提高轴承企业在全球风电市场的核心竞争力。

作者简介

于晓萌  

中国信息通信研究院知识产权与创新发展中心司法鉴定与专利标准研究部工程师，主要从事知识产权鉴定及专利分析工作。

闫坤 

中国信息通信研究院知识产权与创新发展中心司法鉴定与专利标准研究部副主任，高级工程师，主要从事3G/4G/5G、音视频、车联网、Wi-Fi等方向的标准必要专利评估及知识产权鉴定工作。

论文引用格式：

于晓萌, 闫坤. 风电传动系统轴承的专利态势分析[J]. 信息通信技术与政策, 2023,49(3):68-73.

本文刊于《信息通信技术与政策》2023年 第3期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。

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校  审 | 谨  言、珊  珊

编  辑 | 凌  霄

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