我国低转速大扭矩电机的应用现状及发展建议

2022-09-03中国电器工业协会

电器工业 2022年8期

／中国电器工业协会／

相较于通用型电机，低转速大扭矩电机普遍具有更高的技术特点和质量需求，行业内能够提供解决方案的企业较为稀缺。而下游应用客户对低转速大扭矩电机企业的要求不仅体现在产品性能、质量、价格上，还体现在企业的定制化能力、完整的产业链生产能力上。

一、引言

目前，通过不断的新旧能源改革发展，我国已逐步建成了以煤炭为主体，以电力为中心，以石油、天然气和可再生能源全面发展的能源供应格局。从人类可持续发展的方面来看，可再生能源是可以让人类种群得以延续的最终选择，而不可再生的一次能源只能作为过渡阶段。但现阶段人类对化石能源的依赖与一次能源紧缺的矛盾，以及可再生能源利用技术发展的不足，迫使人类将在寻求能源“开源”的同时，更多地发展能源“节流”技术。因此，提高能源利用效率，减少能源的不合理耗损，将是未来主基调。

我国是世界第一大能源消耗国，能源消耗量逐年提升，节能降耗是我国长期时间内亟待解决的问题，也是能源发展的重点战略。2021年，我国第二产业用电量5.61万亿千瓦时，占全社会用电量的比例接近80%，工业耗能是我国节能降耗的主要战场，电机作为耗电量最大的单种类设备（占工业领域耗电量约2/3），研发并推广高效率、低能耗、高功率密度的电机是实现我国节能环保发展路径的重要手段。在此背景下，我国政府重视节能减排，对于设备和技术研究给予政策引导以及资金支持。2021年6月，我国最新电机能效标准《电动机能效限定值及能效等级》（GB18613—2020）正式实施，能效三级（国际标准IE3）以下能效电机将不再允许生产销售；2021年10月，由工信部、市场监管总局印发的《电机能效提升计划（2021—2023年）》中提出到2023年在役高效节能电机（指符合电机能效新标准二级标准以上的电动机）占比达20%以上的目标。

在矿山、电力、石油化工、索道缆车等大型传动装备领域中，普遍存在重载起停、长时间低速重载运行的工况，对电机的输出扭矩、功率平衡、运行平稳度等参数有着较高的需求。在上述领域中，感应电机加机械减速结构的驱动系统是目前最常见的电气传动解决方案，但其存在结构复杂、减速机构易磨损、润滑油渗漏、运行可靠性差、维护成本高以及系统整体效率低等缺点，逐渐不符合经济发展节能环保的要求。

低转速大扭矩电机通常指转速低于500r/min、转矩大于500Nm，用于驱动的电机。因相较于异步感应电动机具有转矩大、效率高、振动噪声小、绿色节能等优点，目前在节能电梯领域已广泛实现应用；在石油装备、煤炭机械、风力发电、缆车索道等尚未完全渗透的领域具有广泛的应用前景。因此低转速大扭矩电机越来越受到业内人士的关注，成为当前研究的热门方向。

二、行业发展概况

常见工业电机类型包含三相异步电机、永磁同步电机等，如表1所示。传统的三相异步电机可以通过增加材料（加大铁心外径、增大定子槽型尺寸、增加铜线重量、采用导磁性能好的硅钢片）等方式提升电机的效率，但是由于其基本工作原理，传统异步电机本身效率提升存在限制，且提升难度较大。永磁同步电机凭借其高功率因数、高效率、高动态响应、温升低等特点，正在成为我国能效二级、一级（对标国际标准IE4、IE5）等级能效电机的主要发展方向。

（一）电动机驱动方式对比

电动机作为原动机拖动生产机械被广泛应用于工业领域，是社会生产不可缺少的一种传动方式。目前主流的大型传动设备电机驱动方式包括“电机+液力耦合器+减速器驱动”、“电机+CST驱动”、“永磁同步电机驱动”，此外还有“高速直流电机+减速器驱动”、“变频调速电动机+减速器驱动”等方式，如表2所示。

（二）永磁同步电机优势

相比于传统异步电机，永磁同步电机作为同步伺服电机中最主要的种类，具备以下更加突出的优势：

1）效率高：由永磁体产生磁场，转子上无需添加励磁绕组，电机内部发热减少，提高电机效率，并节约能源；电机设计时，无需额外的功率裕量，轻载时效率更高。

表1 我国常见电机系统

表2 我国大型传动设备领域常见电机驱动方式

2）启动转矩：永磁同步电机采用驱动器控制，正常工作时转子绕组不做功，在设计时可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求。

3）体积小、重量轻：永磁同步电机功率因数高低不受电机极数限制，在同等配套系统条件下，可将电机的极数设计得更高，相应电机的体积可以更小；电机结构灵活，省去了如绕组端部、转子端环等部分；采用高性能的永磁材料提供磁场，电机气隙磁场较异步电机增强了很多，相同功率需求下体积和重量大大减少。

4）噪声低：无需励磁绕组，无励磁噪声；非接触电磁力传递功率，避免了机械振动与磨损噪声。

5）可靠性高：在各种严苛环境下（高温高湿、超低温和温度冲击、粉尘油污、金属颗粒物、强电磁干扰等）的抗干扰能力较强、7×24小时运行环境中抗疲劳强度强；以永磁体提供励磁，省去了易出问题的集电环和电刷，电机结构简单，各类连接点和运动部件扰动小，可靠性高。

6）全生命周期维护成本低：结构工艺简单，维修工作量小；无电刷、集电环、励磁绕组等易损零部件，维护成本低；软起/停可实现动态控制，避免电机起动的瞬间大电流给电网带来的冲击，以及转矩瞬时剧增给传动系统带来的机械冲击，由此降低了系统的电网故障和机械故障风险。

三、行业重点发展领域及趋势

考虑低转速大扭矩电机在业内的发展现状以及下游领域需求情况，本文选取节能电梯领域作为低转速大扭矩电机的成熟渗透案例，选取石油装备、煤炭输送机械以及缆车索道领域作为在降本增效方面具有强内生需求，低转速大扭矩电机在该类领域具有较高推广潜力的代表；选取风力发电领域作为低转速大扭矩电机已具备相应技术路线但尚未成为主流应用的代表。

（一）节能电梯发展领域

（1）电机应用现状及趋势

电梯的运行离不开电机驱动系统。电机驱动系统对电梯的起动加速、稳速运行及制动减速起着控制作用，因此其性能优劣直接影响电梯的加减速度、平层精度、轿厢舒适感等重要技术指标。目前全球安全、绿色、节能的电梯和自动扶梯已成为市场主流，在此之上，高速、超高速电梯的驱动系统原理与普通电梯的基本相同，但在电梯运行中采取的驱动、控制技术与普通电梯有着本质的区别，常常代表了领域中的最高技术成果。

伴随着电梯应用需求的变化，电梯领域电机控制技术呈现出渐进发展历程，逐步经历了直流电机驱动控制，交流单速电机驱动控制，交流双速电机驱动控制，直流有齿轮、无齿轮调速驱动控制，交流调压调速驱动控制，交流变压变频调速驱动控制以及交流永磁同步电机变频调速驱动控制等不同阶段。由于永磁同步电机具备高性价比、高可靠性和稳定性的特点，目前已成为电梯领域驱动电机的首选方案。

近年来我国电梯市场连续出现增幅下降、增量不减的趋势。相比其他机械制造业来讲，电梯行业受下游行业影响更大。电梯行业的下游行业大头是房地产行业和公共建筑业，包括住宅、商业配套、基础设施等，电梯行业与居民住宅、商场超市、物流仓储、市政工程存在高度的关联性，下游行业的发展状况直接影响电梯行业的发展。随着我国国民经济发展迅速，国家基建项目、房地产项目的蓬勃发展，以及城镇化进程的加快推进，使我国成为全球最大的电梯制造和销售国，保有量也跃升为世界第一。

目前，以绿色科技打造高性能节能产品已经成为电梯产业未来发展方向，市场对新一代节能电梯的需求日趋旺盛。节能电梯使用过程中，需预防突发安全事故，因此一部电梯需要一台驱动电机和一台备用电机。基于《中国电梯》披露的我国电梯、自动扶梯产量，考虑旧电梯改造更换、老旧小区加装等存量市场需求，我国节能电梯领域对电机的需求量预测如图1所示。

（二）石油装备领域发展概况

（1）电机应用现状及趋势

石油钻采过程中，钻井和采油是两大主要环节。钻井是利用机械设备和相关的技术，从地表向地下将地层钻成具有一定深度的圆柱形孔眼的工程。钻井是勘探、开发石油、天然气资源的重要环节，也是重要的手段，在石油、天然气工业发展中有着不可替代的重要作用。钻井过程中所需要的设备即为钻机装备。

图1 我国历年节能电梯永磁同步电机需求量

在通过勘探、钻井、完井之后，油井开始正常生产，油田也开始进入采油阶段，根据油田开发需要，最大限度地将地下原油开采到地面上来，提高油井产量和原油开采效率，合理开发油藏，实现高产、稳产的过程被称为采油。采油过程中涉及的设备即为采油装备。

（a）石油钻机装备领域

我国石油钻机装备的发展经历了仿造、引进、消化吸收到自主研发几个阶段。在20世纪70年代之前，动力驱动设备应用较多的是机械驱动，之后由于电力电子技术的应用，在石油钻机驱动模式方面出现了电驱动钻机。电驱动钻机极大改善了过去机械驱动钻机的传动效率偏低的问题，且能适应不同的负载环境，在实际应用时更便于装配转移，在发生事故时有较好的机具保护能力，更有利于实现对位置、速度、转矩及其他性能方面的控制，也能够更好地适应钻机系统向高度自动控制方向的发展，具有传统机械驱动钻机无可比拟的性能优势。

如此看来，无可辩驳的证据已经准备妥当，只需妻子步入相关部门或是发到网上。自己距离类似案例的下场，只有一步之遥了。

泥浆泵（钻井泵）、转盘、顶驱及绞车是钻机系统的核心设备，上述设备的传动系统复杂、传动链长，易发生故障。常规修井机、泥浆泵、绞车、顶驱及转盘运转时噪声大、能耗高，传动箱及附属设备占据大量钻台空间且运移困难。

油气开采业一直是我国能源消耗和污染物排放大户，能耗和污染物排放均居工业部门前列，2020年综合能源消费量3743亿吨标准煤，约占全国工业能耗总量的2.85%；碳排放总量为13.78亿tCO2，其中直接排放9.18亿tCO2、电力排放4.60亿tCO2。近年来，国内外对钻井作业的能耗和污染物排放相继出台了愈加严格的法规和要求：国务院《“十四五”节能减排综合工作方案》中提出“到2025年，全国单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%，能源消费总量得到合理控制……以钢铁、有色金属、建材、石化化工等行业为重点，推进节能改造和污染物深度治理……‘十四五’时期，规模以上工业单位增加值能耗下降13.5%，万元工业增加值用水量下降16%”的要求。同时，钻井承包商为了降低勘探开发成本，希望钻机能具备更高的可靠性和更快的运移性以减少钻井作业周期，电机直驱化成为行业内对钻机装备的下一步研究方向。2022年1月，北京石油机械有限公司召开“4500kN交流变频永磁直驱顶驱技术”科技成果鉴定会，该技术实现了顶驱交流变频永磁直驱的精确控制，输出效率提升20%，同时显著降低顶驱全生命周期中能耗和维护保养成本，达到了国际领先水平；2022年6月，江苏煤炭地质勘探三队在使用了DBZJ-Z型永磁直驱系列钻机后，对电耗节省费用及材料节省费用进行了测算，发现其电能节省效果基本维持在30%左右，并且各类型产品每年可产生至少30万元的材料节省，具体如表3所示。

直驱钻井装备配备的动力机可选择交流变频电机或永磁同步电机。直驱电机选型的关键在于电机的输出特性与负载特性之间的匹配。交流变频电机利用变频调速技术可在基频以下时变压变频恒转矩调速，高于基频时恒压弱磁恒功率调速，调速范围宽，启动转矩大，符合钻井装备的负载特性，在电机直驱钻井装备动力机中具有较高的采用度。永磁同步电机输出功率大，功率因数高，节能效果好，应用到直驱钻井装备中优势明显。利用矢量控制和直接转矩控制（DTC）技术，均能实现永磁同步电机的无级调速。矢量控制技术调速范围宽，调速过程需要复杂的旋转坐标变换，动态响应速度弱于DTC。而DTC的控制结构简单，响应速度快，但调速范围小。目前矢量控制在永磁电机直驱钻井装备中更加普遍。

表3 费用节省测算表

交流变频电机和永磁电机均可实现钻井装备的直接驱动，但各有优缺点。在购置成本方面，永磁同步电机受永磁体材料价格影响，其成本要高于交流变频电机；在运营成本方面，由于存在“大马拉小车”现象，永磁同步电机节能降本优势更为明显，其效率和功率因数均领先于交流变频电机。

从直驱方案的应用目的和效果看来，利用直驱方案改造现有的转盘、顶驱、绞车和钻井泵，可取消中间传动装置，简化传动链，提高传动效率和可靠性。另一方面，机电融合技术和低速大扭矩电机的开发及应用，在同等功率要求下可显著减小体积和质量，方便拆装和运输。上述优势增强了钻机的运移能力，加快了钻机的模块化、自动化和智能化进程。

（b）石油采油装备领域

我国油田采油方法主要为机械采油法，通过抽油机将原油从地下开采出来，我国现役的抽油机主要分为两大类，分别是游梁式抽油机以及无游梁式新型抽油机。

游梁式抽油机是油田使用最广泛的采油设备，其工作原理是动力机将旋转运动传递给减速机，使动力机的旋转速度降低，然后传递给曲柄连杆机构，旋转运动转变为游梁的上下摆动，游梁上的悬点通过绳索带动抽油杆做上下运动，实现抽油过程。游梁式抽油机结构简单，运行稳定，方便使用和维护，目前，三相异步电机是其常见的动力驱动装置。由于油井的特殊工况，导致三相异步电机功率富余量大，负载率相对较低，且抽油机一次冲刺周期内负载变化大。电机低负载率和载荷不平稳会导致电力拖动系统效率和功率因数偏低。再加上皮带、减速箱、四连杆等，传动环节多、能量损耗大，导致抽油机系统电能损失大、能耗高。据统计，普通游梁式抽油机的总效率平均约为25%；在油田生产过程中，电能消耗较大，约占生产成本的33%，其中80%为抽油机的电能消耗[1]。因此抽油机的节能降耗是目前石油开采企业亟待解决的问题。

目前抽油机驱动电机的主流方案为异步电机加减速器的解决方案，但常规三相异步电机在启动过程中，低速转矩和最大转矩倍数都有限，为达到要求通常需要加大电机规格；到正常运行状态，异步电机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数较低。而永磁同步电机则可以在满足负载动态的大转矩要求下，显著提升轻载运行时的工作效率，减小装机功率。此外，永磁电机是由永磁体激磁，无需励磁电流，能够显著提高功率因数；转子无铜耗（三相异步电机转子绕组损耗占总损耗的20%以上），因而发热较低，无需风扇；其效率可比一般同规格异步电机提升2%~8%，并且在较宽的负载变动范围内可始终保持较高的效率和功率因数。因此永磁同步电机在油田勘探开发场景中有着更高的推广潜力。

以辽河油田曙光采油厂采油二区为例，过去其全区采油系统耗电占总耗电的85%以上[2]。在安装使用永磁电机后，电机功率由原来的45kW降低至22kW，启动转矩提升至3.4倍以上，功率等级提高1~2倍，年用电量由过去的9.64万度降至6.57万度，降本增效效果显著。

（2）电机市场发展及预测

近年来，中美贸易摩擦升级，国际地缘政治局势复杂多变，油气进口贸易风险不断加大，中国能源安全存在潜在威胁。构建全面开放条件下的油气安全保障体系，提升国际油气市场话语权，成为我国经济发展的当务之急。面对潜在的能源安全威胁，我国确定了油气资源“增储上产”的重要战略定位。在“增储上产”战略背景下，我国目前鼓励油气资源的勘探与开发，出台配套政策保证国内能源供给。2019年5月，国家能源局组织召开大力提升油气勘探开发力度工作推进会，强调石油企业要不折不扣完成七年行动方案要求，落实“增储上产”主体责任；指出各部委及地方政府应发挥协同作用，加强配套政策，保障重点项目落地实施。国内三大油针对“七年行动计划（2019-2025）”已形成战略规划，如中海油集团《关于中国海油强化国内勘探开发未来“七年行动计划”》、中石油集团《2019-2025年国内勘探与生产加快发展规划方案》，明确提出要增加油气勘探与开发，降低油气对外依存度。在政策的强力支撑下，国内油气企业将进一步加大石油天然气的勘探开发资本支出，国内油服行业将迎来长景气周期。

我国钻井工程主要由中石油、中石化、中海油等大型石油行业国企进行负责。根据上述企业的年报披露、我国石油行业政策规划以及我国油服工程招标文件的需求（每个钻井工程要求施工队配备钻机装备：顶驱设备一台，转盘、绞车各一台，钻井泵两台，修井机则作为固定设备由油田依据需求进行配备），我国历年钻机装备电机需求量及预测如图2所示。

图2 我国历年钻机装备电机需求量及预测

相较于仅适用于新钻井应用场景的钻井设备而言，采油设备因其可用于新、老油井生产，需求基数庞大；此外，由于每口井都需要一套采油设备，但一台钻机在其使用寿命内可开发多口井，因此采油设备年均更新需求更加稳定。

我国历年石油完井数除少数年份由于油价大幅下降，勘探投资大幅缩水等原因出现下滑外，基本维持在每年20000口以上，并且规模恢复迅速。在“增储上产”战略背景下，我国目前鼓励石油资源的勘探与开发，我国未来每年完井数有望稳定提升。根据中石油数据，我国油田平均寿命在15~30年，油井则大多可平稳生产10余年，部分特殊油井（延长油矿）已愈100年，因此大部分油井在生命周期中基本不存在更新换代需求（抽油机理论寿命15年左右，最高可达50年以上，损坏部位多为驴头、连杆，电机损坏概率低）。根据上述条件，对我国采油装备电机需求量测算如图3所示。

图3 我国历年抽油机电机需求量

目前我国石油装备行业对于永磁同步电机方案的认知程度较低，处于个别油田项目试用阶段，业内永磁同步电机渗透率尚处于较低水平。未来，随着我国石油行业对于节能、维保降费需求不断提高，我国石油钻机装备领域永磁同步需求量有望高速爬升。

（三）煤炭输送机械发展领域

（1）电机应用现状及趋势

煤炭输送机械通常是指能够使煤炭或物料沿着输送的整体或部分布置线路所确定的方向或走向、连续或短周期间断地运行，以实现自动搬运的机械设备，主要包括刮板式输送机、带式输送机、链式输送机等。随着煤炭企业工作面设备自动化水平和生产能力的不断提升，煤炭输送机正朝着大运量、大功率、大运距以及高效率的方向发展。

传统煤炭输送机普遍采用三相异步电机作为动力输出部，液力耦合器、减速器等作为动力传动部，将动力传给滚筒带动胶带运动。传统的异步电机由于普遍输出转速大、扭矩小，与负载之间必须连接减速器等装置以应对低转速、大转矩的运行工况。并且在设计选型时，通常需要考虑较大的功率富裕量来应对矿山装备重载启动过程大转矩的需求，导致电机经常处于低效率高能耗下运行，其调速特性差，智能化程度低，不仅影响了煤炭的开采效率，还造成了严重的电能耗损。在国家节能减排政策的需求下，已逐渐无法满足当前下游领域工作面对输送机的要求。

永磁同步电机中电机转子结构上的永磁体建立的气隙磁密对气隙的变化并不敏感，能够产生低转速大转矩的输出效果，也可以满足大启动转矩的需求，因此十分适用于煤炭运输机械系统所处的重载启动与低速运行的工况。而直驱永磁同步电机由于不需要加速器和联轴器等中间装置，在输送机安装时能有效节省安装工时，并且在例行维护中维护工作量较小，操作空间增大，因此在整个煤炭开采运输期间具备更高的经济效益和更好的节能效果。

目前煤炭输送机械低转速大扭矩电机对直驱方案的研究主要集中于带式输送机与刮板输送机两类设备。现有的带式输送机的驱动机构与张紧机构一般采用独立的控制系统，协调性差，张紧过程存在着滞后性。在带式输送机采用永磁直驱的基础上，进一步利用永磁驱动技术对其张紧机构进行改造，通过对驱动与张紧的协同控制可以实现全永磁智能驱动。中国矿业大学与北京百正创源公司提出的基于永磁同步电机的智能直驱与张紧一体化系统采用机头与机身中部多电机多点驱动方式，驱动系统与张紧系统均采用永磁同步电动机作为动力源，共用一套综合控制系统，已成功应用于鄂尔多斯昊华精煤高家梁矿等多家煤矿；在淮沪煤电有限公司丁集矿公司[1]改造项目中，该公司过往使用的带式输送机存在电耗高、噪声大、故障率大、占地面积大等问题。2019年换用永磁直驱电动滚筒方案后，据电表统计，每年每台设备可节电30万kWh，年节约总电量60万kWh，每年可节约煤204tce，每年可减少CO2排放55lt。

刮板输送机作为采煤机运行的轨道与工作面煤炭运输的设备，其驱动部分多采用TTT技术、CST技术以及异步电机变频驱动技术，以上三种驱动技术均采用交流异步电机作为动力源，分别存在自身局限性。与交流异步电机相比，因永磁同步电机具有低转速大转矩输出特性、高节能效果、高功率因数等优点，近来行业内部分学者与企业研究人员针对刮板输送机开展了永磁直驱技术研究。但永磁直驱刮板输送机目前仍处于设计、研究试验阶段，尚未成功应用于实操场景中。

目前，煤炭输送机械通常存在较高的能源损耗减少以及最大转矩倍数需求，因此开采企业普遍对能够实现较大节能效果的永磁同步电机具有更迫切的需求。近年来我国已有众多开采企业针对输送机永磁同步电机开展集中采购活动，如神华国能集团公司、盘江集团、北方重工集团等企业已开展多次带式输送机永磁电机的采购招标活动。永磁同步电机凭借其优秀的工作效率、良好的节能效果、更强的稳定性和可靠性以及更低的全生命周期维保成本，在输送机领域具有巨大的发展潜力。

（2）电机市场发展及预测

煤炭输送机是实现煤炭开采最直接、最重要的设备之一。煤炭属于大宗能源，近年来产销趋势较为稳定，出现大幅波动风险较小，如今正向优化产业结构、提高供给质量过渡，行业产能利用率不断提升。

据中国煤炭工业协会统计数据显示，我国大型煤炭企业采煤机械化程度由1978年的32.34%提高到2020年的98.9%，随着近几年煤炭价格回暖，煤炭行业盈利改善，设备投资加大，煤矿机械市场步入更新为主的成熟期，市场需求波动将大幅下降，市场容量将趋于稳定，需求确定性大幅增强，未来几年依然会保持较为稳定的新增需求。而永磁同步电机将凭借其功率效率高、噪声小、体积小、发热小、可靠性强等特点，伴随着行业内对于设备节能减排、更新换代等需求稳步提升其在行业内的渗透率。我国历年煤炭输送机永磁电机需求量预测如图4所示。

图4 我国历年煤炭输送机永磁电机需求量预测

（四）缆车索道发展领域

（1）电机应用现状及趋势

客运索道作为一种特种设备，依据《客运架空索道安全规范》，其运载速度有严格要求。客运索道驱动、迂回站之间存在一定高差，因此有空载、重上空下、重下空上、重上重下四种不同工况。索道的驱动系统必须满足不同工况下的速度及转矩要求，因此索道用电机及其驱动器需要既能提供足够的输出转矩，又能在重下工况时将产生的负功率安全地返回电网。

传统客运索道驱动系统一般采用电机加减速器的驱动模式，减速器作为动力传达机构，可以降低输出轴的旋转速度，同时将电机的转矩成比例地放大到减速器的输出轴，再通过与减速器输出轴相啮合的驱动轮将动力传递至运载索，从而使索道的运行速度符合设计要求。但减速器在使用过程中，存在漏油、振动、过热和噪声大等缺点，会降低设备的连续运转能力与可靠性，并且减速器存在机械效率损失，使得系统对电能的利用率降低。此外，在索道的维护工作中，减速器维护一直是重要部分：减速器润滑油泄漏或污染、轴承及齿轮等零部件的损坏均可能导致减速器无法正常工作，造成安全隐患。

永磁同步电机在设计成多级结构时，能够实现低转速与大转矩的动力输出，在低速范围下具有很好的转矩输出特性。因此，永磁直驱电机的直驱方案逐渐替代“电机+减速器”方案成为当前索道驱动发展的主流方向。

（2）电机市场发展及预测

客运索道作为一种观光代步工具，将传统和现代相结合，是当今解决山岳型风景区内部交通和输送游客的较好途径，在山岳型风景旅游区中起到良好的作用。中国作为世界上拥有山地景观和山岳型景区较多的国家之一，其现代旅游发展的经验证明，山岳型景区要发展旅游离不开索道。

索道是滑雪场必备的载人提升工具。冰雪产业目前是国家重点发展行业，近年来冰雪运动在国内快速发展，2022年北京张家口联合举办的冬季奥运会将中国冰雪产业的发展推向了高潮。在现代滑雪运动中，各种形式的客运索道已成为滑雪场密不可分的重要组成部分，是滑雪场正常运营的基本前提。在中国滑雪协会2004年推出的《中国滑雪场所管理规范》中明确要求，根据客运索道的数量、形式的配备情况对滑雪场进行分级，索道质量、数量不符合要求的雪场将不具备运营资格。索道也是园区、主题公园、动物园等区域交通链接的最佳选择之一。昆明世园会、青岛世园会、广州长隆、珠海长隆等园区巧妙运用架空客运索道解决了区域连接难题，还兼有体验、观光、休闲等功能。

国家《“十四五”文化和旅游发展规划》指出：“到2025年，文化铸魂、文化赋能和旅游为民、旅游带动作用全面凸显，文化事业、文化产业和旅游业成为经济社会发展和综合国力竞争的强大动力和重要支撑”。从中可以看到，国家在“十四五”期间对旅游业发展定位比“十三五”更高。国务院2015年1月21日印发了《关于促进旅游业改革发展的若干意见》国发〔2014〕31号，明确提出“继续支持邮轮游艇、索道缆车、游乐设施等旅游装备制造国产化，积极发展邮轮游艇旅游、低空飞行旅游”。客运索道作为与旅游业相辅相成，与滑雪运动相伴而生的新兴产业，也将随着我国旅游业的发展而同步发展。根据国家市场监督管理总局特种设备安全监察局统计数据显示，截至2021年，我国客运索道登记数量为1114条。根据《客运架空索道安全规范》的要求，客运索道在使用过程中需配备驱动电机以及备用电机各一台。考虑到我国部分索道使用年限已接近设计年限，基于新增需求以及替换需求，对我国索道缆车用电机的需求量预测如图5所示。

图5 我国历年索道驱动电机需求量

我国客运索道永磁电机仍在探索测试阶段，目前仅有少数从国际先进索道公司高价进口，截至2020年6月，国内仅部分研发设计能力已可与国际领先水平竞争的企业设计出应用于首台套缆车索道行业的永磁直驱同步电机，但该类电机目前仅在个别景区索道中有应用，因此目前我国国产索道缆车永磁电机实际保有量较低。考虑到未来行业内技术发展需要，以及景区、滑雪场等项目全生命周期成本对比情况，包括节能减排、采购维修成本、控制精度提升、可靠性稳定性增强、降低运行噪声等因素将在长期内带动我国索道缆车永磁同步电机的需求不断提升。在此背景下，我国索道缆车永磁电机的渗透率有望在未来迅速提升。

（五）风力发电领域发展概况

（1）电机应用现状及趋势

电机广泛应用于风电设备中的风电机组、变桨系统、偏航系统等，其中永磁同步电机主要应用于风电机组与变桨系统。而风电场建设的核心设备之一是风电机组，随着风电机组单机容量增大，风电机组的类型从早期的恒速恒频鼠笼式异步风机发展为变速恒频的高速传动双馈式异步风机，随后出现的半直驱式永磁同步风机和无齿轮箱的直驱式永磁同步风机大量应用在风电场的实例。

（a）鼠笼式异步风机

鼠笼式异步风机具有结构简单、体积小、制造成本低、可靠性高及调速范围大等优点，多见于早期小型陆上风电场和欧洲小型海上风电场，在面向海上风电场的机组大型化进程中逐步淡出主流机型选择。

（b）双馈式异步电机

双馈式机型技术成熟，是目前风电技术的主流机型，由定子绕组直连定频三相电网的绕线型异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。双馈式异步电机具有调速范围宽、可单独进行有功和无功调节等优点，在陆上和海上风电场都有大量应用。国内外应用于海上风电场的双馈式异步电机最大单机容量为6MW，由于功率越大，齿轮箱制造越困难，加上需要定期的维修保养，在未来深远海、大容量（10MW级）的风电场中并不适用。

（c）永磁同步电机

永磁同步电机按照风轮机和永磁发电机的传动方式，可分为永磁直驱式电机和永磁半直驱式电机。半直驱式是指风叶带动齿轮箱来驱动永磁电机发电，它介于直驱式电机和双馈式异步电机之间，齿轮箱的调速低于双馈式异步电机，发电机则由双馈式异步电机的绕线式变为永磁同步电机。永磁半直驱式电机转速比永磁直驱式电机高，可以减少转子磁极数，减轻电机体积和重量，同时还保留了永磁直驱式电机的优点，因此国内外大容量风电机组在永磁半直驱的技术路线上存在更多商业运行案例。

永磁直驱式电机转子为永磁体励磁，因无须励磁电源，故省去了齿轮箱，降低了损耗。直驱方案具有效率高、噪声低及低电压穿越能力强等优点，但从经济角度看，近年来稀土永磁材料价格波动较大，直驱永磁同步电机购置成本相比半直驱或双馈异步电机较高，并且直驱永磁同步电机在大功率机型下重量过大，导致吊装难度加大，因此仍处于市场推广阶段，仅在部分3MW以下机型中广泛获得应用。从研发角度看，直驱方案的高稳定性和低运维需求使其仍然具有较高的研发价值，目前全球各国也存在着不少的大功率风电直驱案例，世界上也有众多风机厂商和学者在大容量直驱式电机方向投入研究精力，因此永磁直驱式电机将依然是业内的热门研究方向。

（2）电机市场发展及预测

我国风电发展处于高速发展阶段，风电累计装机量从2014年的114.6GW增加至2021年的346.67GW。风电机组向大功率型号迁移的趋势明显，最大功率、最长叶片记录不断刷新，同时风电市场由陆地风能丰富地区向陆地高海拔、低风速地区及海洋拓展的倾向加剧了对大尺寸机组的需求。我国陆续发布《“十四五”可再生能源发展规划》、《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》等政策，对风电产业的发展进行了指导。2020年以来，我国各省陆续发布“十四五”期间风力发电规划，2020年《风能北京宣言》的规划更是直接宣称我国2025年后年均新增风能装机量将达到60GW。

此外，根据《风电场改造升级和退役管理办法》，运行15年以上的1.5MW及以下的风电机组普遍需要进行更新换代。2010年的机组基本使用年限已过，需要更换新的机组。由于风机发展初期（2010年前）以小机组为主，发电效率较低，通过技改延长风机寿命的性价比较差。因此，开发商更倾向于替换新机，保障发电效率。

基于上述政策指引与行业发展情况，根据风电机组的设计方案（风电机组所需电机数量为一台），我国风电机组电机的需求量变化情况预测如图6所示。

图6 我国历年风电机组电机需求量

未来，新增装机数量的趋于平稳主要源于我国大力推行海上发电建设后风电机组平均功率的大幅提升，意味着我国风电装机由台数增量发展转向功率增量发展，风电行业出现高功率化、装机量平稳化的发展趋势。根据市场调研与访谈结果，我国目前风电机组永磁同步电机渗透率约30%，永磁同步电机由于易于维护更适合于大风机，渗透率将继续快速提升。至2025年我国风电机组永磁电机渗透率有望达50%，2030年有望增至60%。我国风电机组的永磁电机需求量变化情况预测如图7所示。

四、行业竞争概况

相较于通用型电机，低转速大扭矩电机普遍具有更高的技术特点和质量需求，行业内能够提供解决方案的企业较为稀缺。而下游应用客户对低转速大扭矩电机企业的要求不仅体现在产品性能、质量、价格上，还体现在企业的定制化能力、完整的产业链生产能力上。以石油钻机电机为例，该类钻机电机呈现出一体化、模块化设计，多个子系统共同使用一套电机控制系统的发展趋势，要求钻机设备制造商与专用电机制造商深度合作，电机制造商提供的产品需覆盖钻机设备内多个子系统，如绞车、钻井泵（泥浆泵）、顶驱和转盘等。因此，对细分行业的认知程度以及公司技术能力的覆盖范围成为永磁同步电机企业在重点应用领域内竞争的核心能力。

图7 我国历年风电机组永磁同步电机需求量

目前行业内第一梯队是以瑞士ABB、德国西门子、日本松下、日本三菱为代表的外资品牌生产商。外资企业产品应用集中于油气钻采、矿山机械、起重机械、冶金机械、发电设备、数控机床等中高端项目型市场，普遍拥有成熟的生产线，较多的项目应用案例，产品覆盖功率范围广。

第二梯队是以埃斯顿、华夏天信、菲仕技术、青岛中加特等为代表的中国本土电机品牌生产商和部分如日立、东芝等日系品牌厂商，不同企业的电机业务侧重各有差异。目前国内企业凭借较高的性价比、灵活的业务模式以及良好的服务能力，不断推动我国国产替代的进程，并且随着近年来研发投入和实力的提升，技术水平不断积累，目前与国外顶尖品牌的技术差距正在不断缩小。