[科普中国]-超导电机

研究发展

迄今为止超导电机的研究主要是超导同步发电机和超导单极电机，而超导同步发电机主要还只是转子励磁绕组采用超导线圈。电机的定子绕组由于是在50Hz工频下工作，超导材料交流损耗较大，因此在20世纪80年代前研制的超导电机，定子绕组仍然采用常规铜绕组。在80年代中期后，人们研究出极细丝交流超导复合线，其交流损耗已降低到可接受的程度，因此目前已开始研究定子绕组和转子绕组全部采用超导材料的全超导电机。

这样超导电机的定、转子处于同一的温度空间，消除了室温气隙，亦无需单独的转子旋转容器，这不仅简化了电机结构，也简化了低温系统结构，提高了电机运行的可靠性。如果能进一步提高电机转子励磁绕组的磁通密度，并采用高温超导体作为磁屏蔽，还有可能免去铁芯和铁轭，将大大减轻电机的重量。超导单极电机是一种没有换向器的低压大电流直流电机，其静止的励磁线圈是超导的，而旋转电枢仍然是常规铜线圈。

由于超导单极电机的功率大、重量轻，如比功率可达746W/kg以上，因此有广泛应用前景，如应用于船舶电力推进。当前人们还开始研究用高温超导块材料取代永磁电机中的永磁材料做成超导永磁电机，法、美等国已研制出500～1000W的超导永磁电机原理样机，并计划研制更大功率的超导永磁电机。2

基本结构图为转子用超导励磁绕组的超导发电机的基本结构，由定子和转子两部分组成。

定子常规发电机中，电枢绕组嵌于贴心之中，铁心是绕组的支撑件。由于电枢电流是交流电流，铁心要选用铁耗低的硅钢片。超导发电机中，由于磁通密度高，采用非磁性高强度材料支撑绕组。但是，为了构成电枢绕组的磁回路和防止磁场泄露，在定子外层需要采用铁磁材料屏蔽。

转子用超导体制成的励磁绕组要运行在低温环境，超导发电机的转子一般采用多重圆筒结构，转子内筒为冷却介质储槽，然后是超导励磁绕组及其支撑筒、热辐射屏蔽筒，以及阻尼筒、真空外壳。

（1）冷却介质储槽及输送、回收系统。超导体必须运行在临界温度以下才能维持稳定的超导态。支撑超导绕组的内筒兼做冷却介质储槽。低温超导发电机中的冷却介质为液氦，高温超导发电机则可用液氮或温度在30K左右的低温氦气作为冷却介质。冷却介质从冷却系统输入到转子内部冷却超导线圈，蒸发的冷却介质通过回流通道排出，并和外部冷却系统形成循环。冷却介质储槽外为真空层，以抑制热量的侵入。

（2）转子励磁绕组。常规发电机中，由于导线的电流密度受到限制，仅靠绕组难以产生很强的磁场，必须将绕组嵌入铁心中，铁磁材料的饱和磁通密度小于2T，因此，常规发电机中的磁通密度小于2T。实用低温超导材料的允许电流密度比铜线高出两个数量级以上，临界磁场大于10T。所以，使用超导技术不仅可以省去铁心，而且可以运行在远高于铁心磁饱和的磁通密度(目前一般设计为5～7T)。

（3）热辐射屏蔽筒。绕组筒外为真空空间，其中设有热辐射屏蔽筒，其作用是降低从常温向低温的热传导，提高冷却效率。真空层抑制通过空气的热传导，热辐射屏蔽筒抑制从常温外筒来的热辐射。

（4）阻尼筒。超导发电机中的阻尼筒既具有常规发电机中阻尼绕组的功能——在电磁动态过程中抑制转子的非同期振荡，又具有缓解动态过程中定子的交流磁场对超导绕组影响的作用，以提高超导稳定性。为了提高阻尼性能，可采用多重阻尼筒。热辐射屏蔽筒也可兼有阻尼筒作用。

（5）力矩传导筒。在发电机中，电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，向负载输出电能，原动机向转子提供驱动转矩。常规发电机中，转矩通过轴直接传给转子铁心，铁心带动励磁绕组旋转。但在超导发电机中，必须尽量抑制进入超导低温环境的热量，所以不能用传热量大的实心轴传递转矩，而要采用可抑制热量传导、壁厚较薄（传热量和传热截面积成正比）的力矩传导筒。2

优点超导线在临界温度T、临界磁场强度H及临界电流密度J值以内时具有超导性，其电阻为零。这将使超导电机绕组的电阻损耗降为零，既解决了电枢绕组发热、温升问题，又使电机效率大为提高。更重要的是超导线的临界磁场强度和临界电流密度都很高，使超导电机的气隙磁通密度和绕组的电流密度可比传统常规电机提高数倍乃至数十倍。这就大大提高电机的功率密度，降低电机的重量、体积和材料消耗。

由于采用超导线圈，使绕组提高了载流能力，产生比常规线圈大数倍的磁场而又几乎无焦耳热损耗，因而具有一系列先进的技术经济特性。如用于同步发电机可以提高电机效率，大约比常规电机提高0.5%～0.8%；体积小、重量轻，整机重量可减小1/3～1/2；电机电抗可减少到1/4，从而提高电机运行稳定性。它还可以省铁芯，使电机的电枢绕组对地绝缘水平大大提高，同时由于气隙磁通密度可比常规电机大4～5倍，单机容量可达百万千伏安以上。

常见类型超导汽轮发电机

励磁绕组用超导线(铌钛Nb-Ti合金线或铌三锡Nb3Sn)绕制。选用的电流密度高达传统常规绕组的几十倍。电机的磁通气隙密度取得很高，大大超过了铁磁材料（硅钢片等）的饱和点。因而发电机重量大幅度下降，提高了发电机的电磁功率的最大值，使电机可以应付更大的功率突变，这有利于电机并网运行时的稳定性。目前因强磁场、大电流密度的交流超导材料尚未过关,所以只能在直流励磁绕组中采用超导线,而交流电枢绕组则仍用常规导线（铜线）。 转子超导励磁绕组浸于旋转的低温液氦容器中，由多层转轴的内层输送液态氦，以冷却励磁绕组。蒸发后的气态氦从多层转轴的夹层流出。为了避免外界热量的侵入，在旋转低温容器的外壳以及多层转轴的层间均设有真空隔热夹层。整套低温系统严格密封。在转子外层还装有用金属材料制成的电阻尼屏，以屏蔽定子谐波磁场及发电机在三相不对称运行时的负序磁场进入超导励磁绕组，避免超导材料失去超导性。

超导单极直流电机

采用超导励磁绕组及液态电刷，可以制成高电压、大电流、大容量的直流电机。有圆盘式和折入式两种。这两种电机均可作发电机运行（由原动机驱动），也可作电动机运行(由电刷引入电流)。超导单极直流电机适用于船舶推进、轧钢、大型卷扬机和慢速压缩机等场合，很有发展前途。