高溫超導(dǎo)電機(jī)中用高溫超導(dǎo)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(yuǎn)大于銅導(dǎo)線，在給定空間內(nèi)能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)可以使大容量高溫超導(dǎo)電機(jī)體積和質(zhì)量為常規(guī)電機(jī)的約1/2和1/3，具有高功率密度、高效率、低振動(dòng)噪聲、過載能力強(qiáng)、無周期熱負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)。在船舶電力推進(jìn)、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電、大功率電氣傳動(dòng)、工業(yè)發(fā)電、航天發(fā)射等許多大中型電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是對(duì)電機(jī)體積、質(zhì)量有嚴(yán)格要求的船舶電力推進(jìn)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域有著十分誘人的應(yīng)用前景。

一、高溫超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.國(guó)外研究現(xiàn)狀

 　　國(guó)外對(duì)高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究十分重視，美、德、日、韓等國(guó)采取一系列措施，完善體制，增加研究經(jīng)費(fèi)，制定研發(fā)計(jì)劃，并取得了重大的突破。美國(guó)早在1987年就開始研究高溫超導(dǎo)材料在電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，主要單位有美國(guó)超導(dǎo)公司（AMSC）、Rockwell Automation公司、Reliance Electric公司、電力研究所（EPRI）等，美國(guó)高溫超導(dǎo)電機(jī)研發(fā)的歷程如圖1所示。

圖1 美國(guó)高溫超導(dǎo)電機(jī)研究歷程

　　2000年7月，1 000hp、3 600r/min高溫超導(dǎo)電機(jī)研制成功。該電機(jī)被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)電機(jī)商業(yè)化應(yīng)用的里程碑，其獲得的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)示著已掌握了進(jìn)入大功率高溫超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)大門的金鑰匙。

　　2004年， 5MW、230r/min的高溫超導(dǎo)電機(jī)的滿負(fù)荷試驗(yàn)順利完成了一臺(tái)。該電機(jī)是為了建造全尺寸船用推進(jìn)電機(jī)，摸索技術(shù)工藝而進(jìn)行中間認(rèn)證的環(huán)節(jié)。

　　2009年，美國(guó)超導(dǎo)公司36.5MW、120r/min高溫超導(dǎo)電機(jī)（如圖2所示）通過海軍驗(yàn)收試驗(yàn)，該電機(jī)作為美國(guó)海軍新一代電力戰(zhàn)艦DDG1000推進(jìn)電機(jī)侯選電機(jī)之一，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展已接近工程應(yīng)用階段。

2000年7月，1 000hp、3 600r/min高溫超導(dǎo)電機(jī)研制成功。該電機(jī)被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)電機(jī)商業(yè)化應(yīng)用的里程碑，其獲得的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)示著已掌握了進(jìn)入大功率高溫超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)大門的金鑰匙。

　　2004年， 5MW、230r/min的高溫超導(dǎo)電機(jī)的滿負(fù)荷試驗(yàn)順利完成了一臺(tái)。該電機(jī)是為了建造全尺寸船用推進(jìn)電機(jī)，摸索技術(shù)工藝而進(jìn)行中間認(rèn)證的環(huán)節(jié)。

　　2009年，美國(guó)超導(dǎo)公司36.5MW、120r/min高溫超導(dǎo)電機(jī)（如圖2所示）通過海軍驗(yàn)收試驗(yàn)，該電機(jī)作為美國(guó)海軍新一代電力戰(zhàn)艦DDG1000推進(jìn)電機(jī)侯選電機(jī)之一，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展已接近工程應(yīng)用階段。

圖2 美國(guó)36.5MW高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)

　　德國(guó)在2001年研制成功400kVA、1800r/min 高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)后，在2006年成功研制4MW、3600r/min 發(fā)電機(jī)，2011年又研制成功4MW、120r/min 高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)。韓國(guó)為超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展制定了DAPAS計(jì)劃，在2003年研制成功75kW、1800r/min 高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)后，2007年3月宣布完成了一臺(tái)1 000kW、3600r/min 高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)的研制，目前正在研制5MW 、210r/min高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)。日本川崎重工于2013年6月宣布完成船舶電力推進(jìn)用3MW高溫超導(dǎo)電機(jī)。

　　美國(guó)能源部2008年制定的風(fēng)電開發(fā)計(jì)劃，未來開發(fā)的重點(diǎn)集中在大功率海上風(fēng)機(jī)上。直驅(qū)式發(fā)電機(jī)不需要配置成本昂貴的齒輪箱，這將有利于進(jìn)一步加快海上或陸上風(fēng)場(chǎng)的發(fā)展。

　　為了滿足將來大容量風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)需求，目前美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)正在制定和實(shí)施大容量高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電的研究計(jì)劃。2009 年2 月, 美國(guó)超導(dǎo)公司與國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)、國(guó)家風(fēng)能技術(shù)中心(NWTC) 和美國(guó)東元西屋（TWMC）簽署了共同合作研發(fā)協(xié)議，共同合作設(shè)計(jì)和論證先進(jìn)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，此發(fā)電機(jī)為大型高溫超導(dǎo)直驅(qū)式發(fā)電機(jī)。2007年3月，科孚德（Converteam）公司和Zenergy公司宣布合作為全球風(fēng)力發(fā)電和小型水力發(fā)電市場(chǎng)開發(fā)、制造、銷售高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。Converteam正在開展一項(xiàng)為期4年的由英國(guó)商業(yè)工業(yè)部資助的8MW、12rpm直驅(qū)式高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)，該發(fā)電機(jī)體積明顯小于常規(guī)電機(jī)，且質(zhì)量只有常規(guī)電機(jī)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(jī)的高溫超導(dǎo)線圈的制造和測(cè)試工作。

2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　2004年之前，我國(guó)在高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)方面的研究還處于空白。中船重工集團(tuán)第七一二研究所（以下簡(jiǎn)稱“七一二所”）是最早致力于高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)研究的機(jī)構(gòu)，在20世紀(jì)60年代中期開始以艦船電力推進(jìn)為目標(biāo)開展超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)研究工作，在20世紀(jì)90年代成功研制了一臺(tái)300kW的低溫超導(dǎo)單極電機(jī)。2007年4月，國(guó)家科技部“863”計(jì)劃創(chuàng)新項(xiàng)目共同支持的“100kW 高溫超導(dǎo)同步電機(jī)”在七一二所研制成功，完成了一臺(tái)100kW 高溫超導(dǎo)電機(jī)原理樣機(jī)，如圖3所示，并進(jìn)行了多次性能研究試驗(yàn)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，低溫系統(tǒng)工作正常。填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高溫超導(dǎo)電機(jī)研究的技術(shù)空白，突破部分關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證了高溫超導(dǎo)電機(jī)的應(yīng)用可行性，翻開了我國(guó)高溫超導(dǎo)電機(jī)研究新的一頁。

圖3  我國(guó)100kW高溫超導(dǎo)電機(jī)

　　2012年4月，七一二所再次成功研制國(guó)家“863”重點(diǎn)項(xiàng)目“1 000kW高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)”樣機(jī)，如圖4所示。通過1 000kW高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)樣機(jī)的研制，建立高溫超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)與分析方法，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，解決將來實(shí)際應(yīng)用可能遇到的部分工程技術(shù)問題。該電機(jī)的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)已成為世界上少數(shù)幾個(gè)具備兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)電機(jī)研制能力的國(guó)家，為后續(xù)大容量高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在我國(guó)高溫超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)的戰(zhàn)略發(fā)展史上具有里程碑意義。

圖4  我國(guó)1 000kW高溫超導(dǎo)電機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.國(guó)內(nèi)外技術(shù)對(duì)比

　　目前國(guó)內(nèi)外研制的代表性高溫超導(dǎo)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。雖然我國(guó)1 000kW高溫超導(dǎo)電機(jī)研制成功，技術(shù)水平和技術(shù)能力得到長(zhǎng)足進(jìn)步，但是高溫超導(dǎo)電機(jī)是一項(xiàng)應(yīng)用新材料、新方法、新工藝的多學(xué)科高新技術(shù)，技術(shù)難度大，而且國(guó)內(nèi)高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究起步較晚、研究經(jīng)費(fèi)少，研究的深度和廣度還不夠，基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平與技術(shù)手段與美國(guó)和德國(guó)相比還存在明顯差距。

我國(guó)更大容量高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究任重道遠(yuǎn)，需要解決大容量高溫超導(dǎo)電機(jī)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，形成完整的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大容量高溫超導(dǎo)設(shè)計(jì)技術(shù)和研制能力。七一二所已經(jīng)完成了前期技術(shù)資料調(diào)研和整理消化，針對(duì)大容量高溫超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)方案開展了大量的論證工作。

二、高溫超導(dǎo)電機(jī)的技術(shù)內(nèi)涵

　　高溫超導(dǎo)電機(jī)采用超導(dǎo)勵(lì)磁繞組（超導(dǎo)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(hù)系統(tǒng)等組成，如圖5所示。其中定子主要由電樞、機(jī)座、軸承組成，轉(zhuǎn)子由冷媒傳輸裝置、高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(duì)超導(dǎo)磁體進(jìn)行冷卻，以維持超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)狀態(tài)。高溫超導(dǎo)磁體在低溫下具有載流密度大、產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)、無損耗等特點(diǎn)，其強(qiáng)磁場(chǎng)特性降低了電機(jī)的體積和質(zhì)量，提高電機(jī)功率密度和電機(jī)效率。