高温超导电机技术的研究现状与应用前景浅析

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郑军

高温超导线材的性能和商业化水平自2000年以后取得重大进展，相对低温超导线材其超导转变温度和载流能力大幅提高，使高温超导应用技术取得突破，成为新世纪重大高新技术。高温超导电机作为前沿技术已被列入我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，加快高温超导电机的研究具有十分重要的战略意义。

高温超导电机中用高温超导线圈取代常规铜线圈，低温下具有零电阻特性，载流能力远大于铜导线，在给定空间内能产生很强的磁场，通过先进的设计可以使大容量高温超导电机体积和质量为常规电机的约1/2和1/3，具有高功率密度、高效率、低振动噪声、过载能力强、无周期热负载等优点。在船舶电力推进、直驱风力发电、大功率电气传动、工业发电、航天发射等许多大中型电机应用领域，特别是对电机体积、质量有严格要求的船舶电力推进和直驱风力发电领域有着十分诱人的应用前景。

一、高温超导电机技术国内外研究现状

1.国外研究现状

国外对高温超导电机的研究十分重视，美、德、日、韩等国采取一系列措施，完善体制，增加研究经费，制定研发计划，并取得了重大的突破。美国早在1987年就开始研究高温超导材料在电机领域应用的可能性，主要单位有美国超导公司（AMSC）、Rockwell Automation公司、Reliance Electric公司、电力研究所（EPRI）等，美国高温超导电机研发的历程如图1所示。

2000年7月，1 000hp、3 600r/min高温超导电机研制成功。该电机被认为是高温超导电机商业化应用的里程碑，其获得的设计经验预示着已掌握了进入大功率高温超导电机设计大门的金钥匙。

2004年，5MW、 230r/min的高温超导电机的满负荷试验顺利完成。该电机是为了建造全尺寸船用推进电机，摸索技术工艺而进行中间认证的环节。

2009年，美国超导公司36.5MW、120r/min高温超导电机（如图2所示）通过海军验收试验，该电机作为美国海军新一代电力战舰DDG1000推进电机侯选电机之一，标志着高温超导电机的发展已接近工程应用阶段。

德国在2001年研制成功400kVA、1 800r/min高温超导电动机后，在2006年成功研制4MW、3 600r/min发电机，2011年又研制成功4MW、120r/min高溫超导电动机。韩国为超导技术的发展制定了DAPAS计划，在2003年研制成功75kW、1 800r/min高温超导电动机后，2007年3月宣布完成了一台1 000kW、3 600r/min高温超导电动机的研制，目前正在研制5MW、210r/min高温超导推进电机。日本川崎重工于2013年6月宣布完成船舶电力推进用3MW高温超导电机。

美国能源部2008年制定的风电开发计划，未来开发的重点集中在大功率海上风机上。直驱式发电机不需要配置成本昂贵的齿轮箱，这将有利于进一步加快海上或陆上风场的发展。

为了满足将来大容量风力发电的技术需求，目前美国、英国和德国正在制定和实施大容量高温超导风力发电的研究计划。2009年2月，美国超导公司与国家可再生能源实验室（ N R E L ）、国家风能技术中心（NWTC）和美国东元西屋（TWMC）签署了共同合作研发协议，共同合作设计和论证先进海上风力发电机的关键技术，此发电机为大型高温超导直驱式发电机。2007年3月，科孚德（Converteam）公司和Zenergy公司宣布合作为全球风力发电和小型水力发电市场开发、制造、销售高温超导发电机。Converteam正在开展一项为期4年的由英国商业工业部资助的8MW、12rpm直驱式高温超导风力发电机的设计开发，该发电机体积明显小于常规电机，且质量只有常规电机的1/4，发电成本可节约1/4，现已完成了该发电机的高温超导线圈的制造和测试工作。

2.国内研究现状

2004年之前，我国在高温超导推进电机方面的研究还处于空白。中船重工集团第712研究所（以下简称“712所”）是最早致力于高温超导推进电机研究的机构，在20世纪60年代中期开始以舰船电力推进为目标开展超导应用技术研究工作，在20世纪90年代成功研制了一台300kW的低温超导单极电机。2007年4月，国家科技部“863”计划创新项目共同支持的“100kW高温超导同步电机”在712所研制成功，完成了一台100kW高温超导电机原理样机，如图3所示，并进行了多次性能研究试验，电机运行平稳，低温系统工作正常。填补国内高温超导电机研究的技术空白，突破部分关键技术，验证了高温超导电机的应用可行性，翻开了我国高温超导电机研究新的一页。

2012年4月，712所再次成功研制国家“863”重点项目“1 000kW高温超导电动机”样机，如图4所示。通过1 000kW高温超导电动机样机的研制，建立高温超导电机设计与分析方法，突破了多项关键技术，解决将来实际应用可能遇到的部分工程技术问题。该电机的研制成功，标志着我国已成为世界上少数几个具备兆瓦级高温超导电机研制能力的国家，为后续大容量高温超导电机的研究奠定了坚实的基础，在我国高温超导电机技术的战略发展史上具有里程碑意义。

3.国内外技术对比

目前国内外研制的代表性高温超导电机主要技术参数如表1所示。虽然我国1 000kW高温超导电机研制成功，技术水平和技术能力得到长足进步，但是高温超导电机是一项应用新材料、新方法、新工艺的多学科高新技术，技术难度大，而且国内高温超导电机的研究起步较晚、研究经费少，研究的深度和广度还不够，基础研究、技术水平与技术手段与美国和德国相比还存在明显差距。

我国更大容量高温超导电机的研究任重道远，需要解决大容量高温超导电机及系统设计技术，形成完整的具有独立知识产权的大容量高温超导设计技术和研制能力。712所已经完成了前期技术资料调研和整理消化，针对大容量高温超导电机技术方案开展了大量的论证工作。

二、高温超导电机的技术内涵

高温超导电机采用超导励磁绕组（超导磁体）代替常规铜质绕组，主要由定子、转子、低温冷却系统和失超保护系统等组成，如图5所示。其中定子主要由电枢、机座、轴承组成，转子由冷媒传输装置、高温超导磁体、磁体支撑系统、转轴、外转子真空屏等部件组成。高温超导磁体工作温度为30～40K，由外部低温冷却系统提供低温冷媒介质，通过冷媒传输装置输入转子内对超导磁体进行冷却，以维持超导磁体的超导状态。高温超导磁体在低温下具有载流密度大、产生磁场强、无损耗等特点，其强磁场特性降低了电机的体积和质量，提高电机功率密度和电机效率。

三、高温超导电机的应用前景浅析

1.高温超导电机是大容量高转矩密度推进电机的理想解决方案

近20年来，电力推进技术已经成为高性能船舶推进系统的主流技术方向，在世界范围内，不论是战斗舰船还是商船都广泛采用和配置电力推进系统，电力推进技术的综合优势已经得到实践检验。船舶电力推进系统主要由变频器、推进电机和螺旋桨组成，其中推进电机直接驱动螺旋桨，转速低、扭矩大，其体积、质量、效率和振动噪声对舰船动力系统性能和总体性能具有重要影响，是核心动力设备。发展各种新型大容量高转矩密度、低特征信号舰船推进电机，备受世界各国关注，成为新的技术制高点和竞争焦点。

未来舰船不断向大型化发展，推进功率和需要的转矩将越来越高。高转矩和体积质量的关联和制约更加突出，转矩密度成为衡量推进电机技术水平的重要指标。尽管已经采用或准备应用的先进感应电机、永磁电机等在一定程度上解决了推进电机及系统的体积和质量大的矛盾，但对高转矩密度新型推进电机的研究一直在做不懈努力。

高温超导推进电机采用高温超导磁体进行励磁，由于超导材料具有零电阻特性，使得高温超导线圈在低温下（30K左右）载流能力远大于铜线圈，进而在给定空间内能产生很强的磁场，使其具有高功率密度、高效率、质量轻、噪声低、过载能力强、无周期热负载等优点，随着高温超导线材性能的不断进步，其技术优势将越来越显著。在許多大中型电机应用场合，特别是对电机体积、质量有严格要求的船舶电力推进领域，高温超导推进电机具有十分广阔的应用前景。以美国的36.5MW高温超导电机为例，电机包括低温冷却系统的总质量为75t（其中低温冷却系统等辅助设备5t），而常规感应电机质量约200t，高温超导电机的质量约为感应电机的1/3，效率高出近1%，是理想的解决方案。

在船舶推进方面，大容量高温超导推进电机具有以下显著优势：①提高船舶总体布置的灵活性，减小推进电机布置空间和质量，增加配备武器装备的类型和数量；②提高推进系统运行效率，增强续航能力，降低运行成本；③降低推进系统振动噪声，提高舒适性。

2.高温超导电机是大功率直驱风力发电机的理想选择

海上风能总量大、利用率高，是一种可再生、无污染的绿色能源。在在国内外风电装机容量快速增长的同时，单机大容量成为风力发电特别是海上风力发电的发展趋势和技术需求，未来风力发电单机容量将提升至8～10MW，甚至更大容量。单机容量的增大，将导致包括常规风力发电机、吊仓、轮毂、齿轮箱等在内的塔上质量很大，给机组的吊装、设计、制造，以及塔基的设计建造带来很大的困难。

高温超导风力发电机具有体积小、质量轻和效率高的优势，目前国外大型企业高度重视，被认为是同时解决以上困难的未来大型风力发电的最佳解决途径。

结合美国超导公司（AMSC）的技术资料，将高温超导风力发电机组与其他类型发电机组塔上质量（桨叶+轮毂+吊仓）进行对比（如图6所示），可以看出当电机功率大于5MW时，高温超导直驱风力发电机组塔上质量已具备优势，并且随着容量增大，质量轻体积小的优势越明显。据分析，10MW、12r/min高温超导直驱风力发电机的质量约为120t，相当于常规发电机质量的1/3。

高温超导风力发电机具有显著的体积、质量和效率优势，可大幅降低塔上质量，降低机组运输、吊装、设计和建造的难度，具有很好的应用价值：①降低塔上设备和塔基的建造难度和成本；②降低设备运输和安装难度和成本；③单机大容量大大降低电缆连接线、机组维护、环境处理等系统运行成本；④高效率（特别是低速低功率运行时），提高运行经济性。

因此，大容量高温超导风力发电是大容量风力发电特别是海上风力发电的理想选择，具有很好的应用前景。

3.高温超导同步调相机是特高压直流输电系统动态无功补偿的优选方式

随着大规模新能源集中接入西北部地区电网，通过大容量的特高压直流输电系统将新能源送往中东部负荷中心，是促进新能源消纳和实现资源优化配置的较好方式。但是，特高压直流输电系统接人电网后，电网“强直弱交”的问题凸显。新能源的间歇性、随机性出力特性和低抗扰性除了给系统调峰增加压力和困难外，也给系统的安全稳定运行增加了风险：系统的频率稳定性下降，电压控制难度增大。尤其是采用特高压直流输送时，问题更为突出，这也成为现阶段特高压直流无法充分发挥其输送能力的主要原因之一。

为了增强特高压交直流系统的稳定性，满足直流大规模功率输送要求，必须配置大容量的动态无功补偿设备。动态无功补偿方式主要有静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator）、静止无功补偿器（Static VarCompensator）以及同步调相机（Synchronous Compensator），三者性能比較如表2所示。同步调相机应用历史比较悠久，但后来随着电力电子装置技术的成熟和调相机设备老化，鉴于调节速度和有功损耗等原因，静止型动态无功补偿装置逐渐替代了调相机的应用，在厂网分家后，调相机在电网中的应用就被限制了。但近年来，随着可再生能源及特高压直流工程的实施，送端工频过电压控制、受端电网连锁反映和换相失败的危害逐渐增大，受电压影响出力的静止同步补偿器、静止无功补偿器等动态无功补偿设备对于次暂态出力需求（预防换相失败）及暂态下的快速大容量无功需求（协助直流快速恢复）响应能力不足。而调相机的进相能力、次暂态出力特性（可抑制直流换相失败）及强励能力则正好能符合上述需求。

高温超导同步调相机由于超导磁体激磁能力强、无励磁损耗（仅励磁电源损耗），以及特殊的空心结构使得其具有如下性能优势：

①无功范围宽：可实现进相和滞相的全范围动态运行。

②效率高：高温超导体同步调相机有98.8%的高效率，通常比以铜线为基本导电材料的普通电机的效率高1%，而常规调相机的效率因高励磁电流造成的励磁绕组损耗而更加急剧地下降。高温超导同步调相机的效率，与静态无功伏安调相机和柔性输电系统那些装置的效率不相上下。

③无功输出能力强：同步电抗小过载能力强，且大幅减小了直轴次暂态电抗的设计值，传统调相机在0.25左右，经过特殊设计减少至0.15，提高了次暂态过程中的瞬时无功输出能力，相同工况下可提升至1.5倍以上。

④响应速度快：大幅降低的设计值，使调相机的无功响应速度得到了大幅提升。

⑤抑制负序和零序电流：转子外层设计铜质阻尼屏，可以非常有效地吸收由负序和零序电流所产生的热量，抵消具有很大负序（>30%）和零序（>15%）电流成分的瞬时干扰。

⑥无热疲劳：不会因负载变化产生励磁绕组频繁的冷热收缩，而缩短励磁绕组的使用寿命。这是因为在空载与满载之间高温超导体励磁绕组只需要励磁电流做小的改变，并且在恒定的低温下运行。

4.高温超导直线电机是超大推力电磁发射的新一代技术方案

目前的发射装置（如火炮、火箭等）大都采用化学燃料发射器，随着科学技术的进步，已不能满足人类对发射能力的更高要求（超高速、超高动能）。火箭发射虽然不受滞止声速的限制，但火箭发射的有效载荷仅为火箭自重的1%左右，而不断反向喷射的高速工质，实际上是一种浪费，其推进效率也很低，发射成本极高，且火箭发射技术也极为复杂。在此背景下，采用直线电机的新一代的高速电磁推进（发射）技术受到了世界各国的关注。

与传统旋转电机相比，直线电机具有爬坡能力强、噪声小、非粘着驱动和转弯半径小等优点，随着直线电机设计与控制技术的发展，直线电机在工业生产、国防和轨道交通领域的应用越来越广泛。但是其效率和功率因数比较低，这也制约了其进一步的发展。高温超导直线电机采用高温超导带材线圈作为其定子或动子，大气隙工作条件下仍能保证较高的功率因数，高温超导线圈本身固有的零电阻特性与大电流载流能力，大幅降低了直线电机的损耗，提高了效率与磁体激磁性能，使高温超导直线电机尤其是大容量、大推力级别尺寸更小、质量更轻、空间利用率更高、单机推力更大。随着高温超导带材性能水平的不断提高，高温直线电机磁密可实现2～3倍的提高，进而可实现超大载荷推力电磁发射的能力。相比永磁直线电机，高温超导直线电机还可以主动退磁，不存在铁磁吸附物不易清理的难题，维护保养更为方便。

超大推力高温超导电磁发射技术独有的优点，使得其在各类国防武器、科研、交通运输以及航空、航天等领域有着极为广泛和深远的应用前景，未来可实现大吨位太空战略武器和航天飞机的无烟“飞天”，同时可应用于舰船提高舰载飞机、鱼雷、高能武器的发射速度，大幅提升我国空、海作战能力，该技术还可应用于未来高速磁浮轨道交通领域的牵引技术。

综上所述，高温超导直线电机在航天火箭发射、电磁炮高能武器等国防科技工业领域具有十分诱人的应用前景。

四、结语

高温超导电机性能优于常规电机的原因在于高温超导线材的高载流密度特性。高温超导线材是一个有着广阔应用前景的高科技产业，世界各国正在加大投资力度，努力提高超导线材性能，降低线材成本。目前可工程使用的高温超导线材主要有2种：Bi系一代高温超导线和Y系二代高温超导线。随着近几年国内超导材料制备技术的快速发展，逐渐克服了早期超导带材依赖国外进口的局限性，很大程度上降低了超导电机研发的经济成本。高温超导材料的发展为高温超导电机技术实用化创造了条件。

高温超导电机的研究是一个多学科融合的系统化科学工程，需要经历一个连续、递进、深化的研究过程，从原理性突破到主要关键技术解决，从关键技术解决到实用化研究，从实用化研究到最终工程化研究，每一步都是一次尖锐的挑战和勇敢的创新。大容量高温超导电机更具技术优势和实用化意义，未来研究工作任重道远，需乘势而上持续加大投入，早日实现工程化应用目标，将我国高温超导电机技术推进到国际领先水平，为国家安全和未来能源发展战略提供强有力的技术保障。