鄭軍

高溫超導線材的性能和商業(yè)化水平自2000年以后取得重大進展，相對低溫超導線材其超導轉(zhuǎn)變溫度和載流能力大幅提高，使高溫超導應用技術取得突破，成為新世紀重大高新技術。高溫超導電機作為前沿技術已被列入我國《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，加快高溫超導電機的研究具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

高溫超導電機中用高溫超導線圈取代常規(guī)銅線圈，低溫下具有零電阻特性，載流能力遠大于銅導線，在給定空間內(nèi)能產(chǎn)生很強的磁場，通過先進的設計可以使大容量高溫超導電機體積和質(zhì)量為常規(guī)電機的約1/2和1/3，具有高功率密度、高效率、低振動噪聲、過載能力強、無周期熱負載等優(yōu)點。在船舶電力推進、直驅(qū)風力發(fā)電、大功率電氣傳動、工業(yè)發(fā)電、航天發(fā)射等許多大中型電機應用領域，特別是對電機體積、質(zhì)量有嚴格要求的船舶電力推進和直驅(qū)風力發(fā)電領域有著十分誘人的應用前景。

一、高溫超導電機技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.國外研究現(xiàn)狀

國外對高溫超導電機的研究十分重視，美、德、日、韓等國采取一系列措施，完善體制，增加研究經(jīng)費，制定研發(fā)計劃，并取得了重大的突破。美國早在1987年就開始研究高溫超導材料在電機領域應用的可能性，主要單位有美國超導公司（AMSC）、Rockwell Automation公司、Reliance Electric公司、電力研究所（EPRI）等，美國高溫超導電機研發(fā)的歷程如圖1所示。

2000年7月，1 000hp、3 600r/min高溫超導電機研制成功。該電機被認為是高溫超導電機商業(yè)化應用的里程碑，其獲得的設計經(jīng)驗預示著已掌握了進入大功率高溫超導電機設計大門的金鑰匙。

2004年，5MW、 230r/min的高溫超導電機的滿負荷試驗順利完成。該電機是為了建造全尺寸船用推進電機，摸索技術工藝而進行中間認證的環(huán)節(jié)。

2009年，美國超導公司36.5MW、120r/min高溫超導電機（如圖2所示）通過海軍驗收試驗，該電機作為美國海軍新一代電力戰(zhàn)艦DDG1000推進電機侯選電機之一，標志著高溫超導電機的發(fā)展已接近工程應用階段。

德國在2001年研制成功400kVA、1 800r/min高溫超導電動機后，在2006年成功研制4MW、3 600r/min發(fā)電機，2011年又研制成功4MW、120r/min高溫超導電動機。韓國為超導技術的發(fā)展制定了DAPAS計劃，在2003年研制成功75kW、1 800r/min高溫超導電動機后，2007年3月宣布完成了一臺1 000kW、3 600r/min高溫超導電動機的研制，目前正在研制5MW、210r/min高溫超導推進電機。日本川崎重工于2013年6月宣布完成船舶電力推進用3MW高溫超導電機。

美國能源部2008年制定的風電開發(fā)計劃，未來開發(fā)的重點集中在大功率海上風機上。直驅(qū)式發(fā)電機不需要配置成本昂貴的齒輪箱，這將有利于進一步加快海上或陸上風場的發(fā)展。

為了滿足將來大容量風力發(fā)電的技術需求，目前美國、英國和德國正在制定和實施大容量高溫超導風力發(fā)電的研究計劃。2009年2月，美國超導公司與國家可再生能源實驗室（ N R E L ）、國家風能技術中心（NWTC）和美國東元西屋（TWMC）簽署了共同合作研發(fā)協(xié)議，共同合作設計和論證先進海上風力發(fā)電機的關鍵技術，此發(fā)電機為大型高溫超導直驅(qū)式發(fā)電機。2007年3月，科孚德（Converteam）公司和Zenergy公司宣布合作為全球風力發(fā)電和小型水力發(fā)電市場開發(fā)、制造、銷售高溫超導發(fā)電機。Converteam正在開展一項為期4年的由英國商業(yè)工業(yè)部資助的8MW、12rpm直驅(qū)式高溫超導風力發(fā)電機的設計開發(fā)，該發(fā)電機體積明顯小于常規(guī)電機，且質(zhì)量只有常規(guī)電機的1/4，發(fā)電成本可節(jié)約1/4，現(xiàn)已完成了該發(fā)電機的高溫超導線圈的制造和測試工作。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2004年之前，我國在高溫超導推進電機方面的研究還處于空白。中船重工集團第712研究所（以下簡稱“712所”）是最早致力于高溫超導推進電機研究的機構，在20世紀60年代中期開始以艦船電力推進為目標開展超導應用技術研究工作，在20世紀90年代成功研制了一臺300kW的低溫超導單極電機。2007年4月，國家科技部“863”計劃創(chuàng)新項目共同支持的“100kW高溫超導同步電機”在712所研制成功，完成了一臺100kW高溫超導電機原理樣機，如圖3所示，并進行了多次性能研究試驗，電機運行平穩(wěn)，低溫系統(tǒng)工作正常。填補國內(nèi)高溫超導電機研究的技術空白，突破部分關鍵技術，驗證了高溫超導電機的應用可行性，翻開了我國高溫超導電機研究新的一頁。

2012年4月，712所再次成功研制國家“863”重點項目“1 000kW高溫超導電動機”樣機，如圖4所示。通過1 000kW高溫超導電動機樣機的研制，建立高溫超導電機設計與分析方法，突破了多項關鍵技術，解決將來實際應用可能遇到的部分工程技術問題。該電機的研制成功，標志著我國已成為世界上少數(shù)幾個具備兆瓦級高溫超導電機研制能力的國家，為后續(xù)大容量高溫超導電機的研究奠定了堅實的基礎，在我國高溫超導電機技術的戰(zhàn)略發(fā)展史上具有里程碑意義。

3.國內(nèi)外技術對比

目前國內(nèi)外研制的代表性高溫超導電機主要技術參數(shù)如表1所示。雖然我國1 000kW高溫超導電機研制成功，技術水平和技術能力得到長足進步，但是高溫超導電機是一項應用新材料、新方法、新工藝的多學科高新技術，技術難度大，而且國內(nèi)高溫超導電機的研究起步較晚、研究經(jīng)費少，研究的深度和廣度還不夠，基礎研究、技術水平與技術手段與美國和德國相比還存在明顯差距。

我國更大容量高溫超導電機的研究任重道遠，需要解決大容量高溫超導電機及系統(tǒng)設計技術，形成完整的具有獨立知識產(chǎn)權的大容量高溫超導設計技術和研制能力。712所已經(jīng)完成了前期技術資料調(diào)研和整理消化，針對大容量高溫超導電機技術方案開展了大量的論證工作。

二、高溫超導電機的技術內(nèi)涵

高溫超導電機采用超導勵磁繞組（超導磁體）代替常規(guī)銅質(zhì)繞組，主要由定子、轉(zhuǎn)子、低溫冷卻系統(tǒng)和失超保護系統(tǒng)等組成，如圖5所示。其中定子主要由電樞、機座、軸承組成，轉(zhuǎn)子由冷媒傳輸裝置、高溫超導磁體、磁體支撐系統(tǒng)、轉(zhuǎn)軸、外轉(zhuǎn)子真空屏等部件組成。高溫超導磁體工作溫度為30～40K，由外部低溫冷卻系統(tǒng)提供低溫冷媒介質(zhì)，通過冷媒傳輸裝置輸入轉(zhuǎn)子內(nèi)對超導磁體進行冷卻，以維持超導磁體的超導狀態(tài)。高溫超導磁體在低溫下具有載流密度大、產(chǎn)生磁場強、無損耗等特點，其強磁場特性降低了電機的體積和質(zhì)量，提高電機功率密度和電機效率。

三、高溫超導電機的應用前景淺析

1.高溫超導電機是大容量高轉(zhuǎn)矩密度推進電機的理想解決方案

近20年來，電力推進技術已經(jīng)成為高性能船舶推進系統(tǒng)的主流技術方向，在世界范圍內(nèi)，不論是戰(zhàn)斗艦船還是商船都廣泛采用和配置電力推進系統(tǒng)，電力推進技術的綜合優(yōu)勢已經(jīng)得到實踐檢驗。船舶電力推進系統(tǒng)主要由變頻器、推進電機和螺旋槳組成，其中推進電機直接驅(qū)動螺旋槳，轉(zhuǎn)速低、扭矩大，其體積、質(zhì)量、效率和振動噪聲對艦船動力系統(tǒng)性能和總體性能具有重要影響，是核心動力設備。發(fā)展各種新型大容量高轉(zhuǎn)矩密度、低特征信號艦船推進電機，備受世界各國關注，成為新的技術制高點和競爭焦點。

未來艦船不斷向大型化發(fā)展，推進功率和需要的轉(zhuǎn)矩將越來越高。高轉(zhuǎn)矩和體積質(zhì)量的關聯(lián)和制約更加突出，轉(zhuǎn)矩密度成為衡量推進電機技術水平的重要指標。盡管已經(jīng)采用或準備應用的先進感應電機、永磁電機等在一定程度上解決了推進電機及系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大的矛盾，但對高轉(zhuǎn)矩密度新型推進電機的研究一直在做不懈努力。

高溫超導推進電機采用高溫超導磁體進行勵磁，由于超導材料具有零電阻特性，使得高溫超導線圈在低溫下（30K左右）載流能力遠大于銅線圈，進而在給定空間內(nèi)能產(chǎn)生很強的磁場，使其具有高功率密度、高效率、質(zhì)量輕、噪聲低、過載能力強、無周期熱負載等優(yōu)點，隨著高溫超導線材性能的不斷進步，其技術優(yōu)勢將越來越顯著。在許多大中型電機應用場合，特別是對電機體積、質(zhì)量有嚴格要求的船舶電力推進領域，高溫超導推進電機具有十分廣闊的應用前景。以美國的36.5MW高溫超導電機為例，電機包括低溫冷卻系統(tǒng)的總質(zhì)量為75t（其中低溫冷卻系統(tǒng)等輔助設備5t），而常規(guī)感應電機質(zhì)量約200t，高溫超導電機的質(zhì)量約為感應電機的1/3，效率高出近1%，是理想的解決方案。

在船舶推進方面，大容量高溫超導推進電機具有以下顯著優(yōu)勢：①提高船舶總體布置的靈活性，減小推進電機布置空間和質(zhì)量，增加配備武器裝備的類型和數(shù)量；②提高推進系統(tǒng)運行效率，增強續(xù)航能力，降低運行成本；③降低推進系統(tǒng)振動噪聲，提高舒適性。

2.高溫超導電機是大功率直驅(qū)風力發(fā)電機的理想選擇

海上風能總量大、利用率高，是一種可再生、無污染的綠色能源。在在國內(nèi)外風電裝機容量快速增長的同時，單機大容量成為風力發(fā)電特別是海上風力發(fā)電的發(fā)展趨勢和技術需求，未來風力發(fā)電單機容量將提升至8～10MW，甚至更大容量。單機容量的增大，將導致包括常規(guī)風力發(fā)電機、吊倉、輪轂、齒輪箱等在內(nèi)的塔上質(zhì)量很大，給機組的吊裝、設計、制造，以及塔基的設計建造帶來很大的困難。

高溫超導風力發(fā)電機具有體積小、質(zhì)量輕和效率高的優(yōu)勢，目前國外大型企業(yè)高度重視，被認為是同時解決以上困難的未來大型風力發(fā)電的最佳解決途徑。

結(jié)合美國超導公司（AMSC）的技術資料，將高溫超導風力發(fā)電機組與其他類型發(fā)電機組塔上質(zhì)量（槳葉+輪轂+吊倉）進行對比（如圖6所示），可以看出當電機功率大于5MW時，高溫超導直驅(qū)風力發(fā)電機組塔上質(zhì)量已具備優(yōu)勢，并且隨著容量增大，質(zhì)量輕體積小的優(yōu)勢越明顯。據(jù)分析，10MW、12r/min高溫超導直驅(qū)風力發(fā)電機的質(zhì)量約為120t，相當于常規(guī)發(fā)電機質(zhì)量的1/3。

高溫超導風力發(fā)電機具有顯著的體積、質(zhì)量和效率優(yōu)勢，可大幅降低塔上質(zhì)量，降低機組運輸、吊裝、設計和建造的難度，具有很好的應用價值：①降低塔上設備和塔基的建造難度和成本；②降低設備運輸和安裝難度和成本；③單機大容量大大降低電纜連接線、機組維護、環(huán)境處理等系統(tǒng)運行成本；④高效率（特別是低速低功率運行時），提高運行經(jīng)濟性。

因此，大容量高溫超導風力發(fā)電是大容量風力發(fā)電特別是海上風力發(fā)電的理想選擇，具有很好的應用前景。

3.高溫超導同步調(diào)相機是特高壓直流輸電系統(tǒng)動態(tài)無功補償?shù)膬?yōu)選方式

隨著大規(guī)模新能源集中接入西北部地區(qū)電網(wǎng)，通過大容量的特高壓直流輸電系統(tǒng)將新能源送往中東部負荷中心，是促進新能源消納和實現(xiàn)資源優(yōu)化配置的較好方式。但是，特高壓直流輸電系統(tǒng)接人電網(wǎng)后，電網(wǎng)“強直弱交”的問題凸顯。新能源的間歇性、隨機性出力特性和低抗擾性除了給系統(tǒng)調(diào)峰增加壓力和困難外，也給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行增加了風險：系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性下降，電壓控制難度增大。尤其是采用特高壓直流輸送時，問題更為突出，這也成為現(xiàn)階段特高壓直流無法充分發(fā)揮其輸送能力的主要原因之一。

為了增強特高壓交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足直流大規(guī)模功率輸送要求，必須配置大容量的動態(tài)無功補償設備。動態(tài)無功補償方式主要有靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator）、靜止無功補償器（Static VarCompensator）以及同步調(diào)相機（Synchronous Compensator），三者性能比較如表2所示。同步調(diào)相機應用歷史比較悠久，但后來隨著電力電子裝置技術的成熟和調(diào)相機設備老化，鑒于調(diào)節(jié)速度和有功損耗等原因，靜止型動態(tài)無功補償裝置逐漸替代了調(diào)相機的應用，在廠網(wǎng)分家后，調(diào)相機在電網(wǎng)中的應用就被限制了。但近年來，隨著可再生能源及特高壓直流工程的實施，送端工頻過電壓控制、受端電網(wǎng)連鎖反映和換相失敗的危害逐漸增大，受電壓影響出力的靜止同步補償器、靜止無功補償器等動態(tài)無功補償設備對于次暫態(tài)出力需求（預防換相失?。┘皶簯B(tài)下的快速大容量無功需求（協(xié)助直流快速恢復）響應能力不足。而調(diào)相機的進相能力、次暫態(tài)出力特性（可抑制直流換相失?。┘皬妱钅芰t正好能符合上述需求。

高溫超導同步調(diào)相機由于超導磁體激磁能力強、無勵磁損耗（僅勵磁電源損耗），以及特殊的空心結(jié)構使得其具有如下性能優(yōu)勢：

①無功范圍寬：可實現(xiàn)進相和滯相的全范圍動態(tài)運行。

②效率高：高溫超導體同步調(diào)相機有98.8%的高效率，通常比以銅線為基本導電材料的普通電機的效率高1%，而常規(guī)調(diào)相機的效率因高勵磁電流造成的勵磁繞組損耗而更加急劇地下降。高溫超導同步調(diào)相機的效率，與靜態(tài)無功伏安調(diào)相機和柔性輸電系統(tǒng)那些裝置的效率不相上下。

③無功輸出能力強：同步電抗小過載能力強，且大幅減小了直軸次暫態(tài)電抗的設計值，傳統(tǒng)調(diào)相機在0.25左右，經(jīng)過特殊設計減少至0.15，提高了次暫態(tài)過程中的瞬時無功輸出能力，相同工況下可提升至1.5倍以上。

④響應速度快：大幅降低的設計值，使調(diào)相機的無功響應速度得到了大幅提升。

⑤抑制負序和零序電流：轉(zhuǎn)子外層設計銅質(zhì)阻尼屏，可以非常有效地吸收由負序和零序電流所產(chǎn)生的熱量，抵消具有很大負序（>30%）和零序（>15%）電流成分的瞬時干擾。

⑥無熱疲勞：不會因負載變化產(chǎn)生勵磁繞組頻繁的冷熱收縮，而縮短勵磁繞組的使用壽命。這是因為在空載與滿載之間高溫超導體勵磁繞組只需要勵磁電流做小的改變，并且在恒定的低溫下運行。

4.高溫超導直線電機是超大推力電磁發(fā)射的新一代技術方案

目前的發(fā)射裝置（如火炮、火箭等）大都采用化學燃料發(fā)射器，隨著科學技術的進步，已不能滿足人類對發(fā)射能力的更高要求（超高速、超高動能）?；鸺l(fā)射雖然不受滯止聲速的限制，但火箭發(fā)射的有效載荷僅為火箭自重的1%左右，而不斷反向噴射的高速工質(zhì)，實際上是一種浪費，其推進效率也很低，發(fā)射成本極高，且火箭發(fā)射技術也極為復雜。在此背景下，采用直線電機的新一代的高速電磁推進（發(fā)射）技術受到了世界各國的關注。

與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機相比，直線電機具有爬坡能力強、噪聲小、非粘著驅(qū)動和轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點，隨著直線電機設計與控制技術的發(fā)展，直線電機在工業(yè)生產(chǎn)、國防和軌道交通領域的應用越來越廣泛。但是其效率和功率因數(shù)比較低，這也制約了其進一步的發(fā)展。高溫超導直線電機采用高溫超導帶材線圈作為其定子或動子，大氣隙工作條件下仍能保證較高的功率因數(shù)，高溫超導線圈本身固有的零電阻特性與大電流載流能力，大幅降低了直線電機的損耗，提高了效率與磁體激磁性能，使高溫超導直線電機尤其是大容量、大推力級別尺寸更小、質(zhì)量更輕、空間利用率更高、單機推力更大。隨著高溫超導帶材性能水平的不斷提高，高溫直線電機磁密可實現(xiàn)2～3倍的提高，進而可實現(xiàn)超大載荷推力電磁發(fā)射的能力。相比永磁直線電機，高溫超導直線電機還可以主動退磁，不存在鐵磁吸附物不易清理的難題，維護保養(yǎng)更為方便。

超大推力高溫超導電磁發(fā)射技術獨有的優(yōu)點，使得其在各類國防武器、科研、交通運輸以及航空、航天等領域有著極為廣泛和深遠的應用前景，未來可實現(xiàn)大噸位太空戰(zhàn)略武器和航天飛機的無煙“飛天”，同時可應用于艦船提高艦載飛機、魚雷、高能武器的發(fā)射速度，大幅提升我國空、海作戰(zhàn)能力，該技術還可應用于未來高速磁浮軌道交通領域的牽引技術。

綜上所述，高溫超導直線電機在航天火箭發(fā)射、電磁炮高能武器等國防科技工業(yè)領域具有十分誘人的應用前景。

四、結(jié)語

高溫超導電機性能優(yōu)于常規(guī)電機的原因在于高溫超導線材的高載流密度特性。高溫超導線材是一個有著廣闊應用前景的高科技產(chǎn)業(yè)，世界各國正在加大投資力度，努力提高超導線材性能，降低線材成本。目前可工程使用的高溫超導線材主要有2種：Bi系一代高溫超導線和Y系二代高溫超導線。隨著近幾年國內(nèi)超導材料制備技術的快速發(fā)展，逐漸克服了早期超導帶材依賴國外進口的局限性，很大程度上降低了超導電機研發(fā)的經(jīng)濟成本。高溫超導材料的發(fā)展為高溫超導電機技術實用化創(chuàng)造了條件。

高溫超導電機的研究是一個多學科融合的系統(tǒng)化科學工程，需要經(jīng)歷一個連續(xù)、遞進、深化的研究過程，從原理性突破到主要關鍵技術解決，從關鍵技術解決到實用化研究，從實用化研究到最終工程化研究，每一步都是一次尖銳的挑戰(zhàn)和勇敢的創(chuàng)新。大容量高溫超導電機更具技術優(yōu)勢和實用化意義，未來研究工作任重道遠，需乘勢而上持續(xù)加大投入，早日實現(xiàn)工程化應用目標，將我國高溫超導電機技術推進到國際領先水平，為國家安全和未來能源發(fā)展戰(zhàn)略提供強有力的技術保障。