高溫超導(dǎo)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(dǎo)線材其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和載流能力大幅提高，使高溫超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)取得突破，成為新世紀重大高新技術(shù)。高溫超導(dǎo)電機作為前沿技術(shù)已被列入我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，加快高溫超導(dǎo)電機的研究具有十分重要的戰(zhàn)略意義。高溫超導(dǎo)電機中用高溫超導(dǎo)線圈取代常規(guī)銅線圈，低溫下具有零電阻特性，載流能力遠大于銅導(dǎo)線，在給定空間內(nèi)能產(chǎn)生很強的磁場，通過先進的設(shè)計可以使大容量高溫超導(dǎo)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(fēng)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(yīng)用領(lǐng)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(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)電機技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.國外研究現(xiàn)狀

國外對高溫超導(dǎo)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(dǎo)材料在電機領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，主要單位有美國超導(dǎo)公司（AMSC）、Rockwell Automation公司、Reliance Electric公司、電力研究所（EPRI）等，美國高溫超導(dǎo)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(dǎo)電機研制成功。該電機被認為是高溫超導(dǎo)電機商業(yè)化應(yīng)用的里程碑，其獲得的設(shè)計經(jīng)驗預(yù)示著已掌握了進入大功率高溫超導(dǎo)電機設(shè)計大門的金鑰匙。2004年，5MW、230r/min的高溫超導(dǎo)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(shù)工藝而進行中間認證的環(huán)節(jié)。2009年，美國超導(dǎo)公司36.5MW、120r/min高溫超導(dǎo)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(dǎo)電機的發(fā)展已接近工程應(yīng)用階段。

德國在2001年研制成功400kVA、1 800r/min高溫超導(dǎo)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(dǎo)電動機。韓國為超導(dǎo)技術(shù)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(dǎo)電動機后，2007年3月宣布完成了一臺1 000kW、3 600r/min高溫超導(dǎo)電動機的研制，目前正在研制5MW、210r/min高溫超導(dǎo)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(dǎo)電機。

美國能源部2008年制定的風(fēng)電開發(fā)計劃，未來開發(fā)的重點集中在大功率海上風(fēng)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(fēng)場的發(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、英國和德國正在制定和實施大容量高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電的研究計劃。2009年2月，美國超導(dǎo)公司與國家可再生能源實驗室（ N R E L ）、國家風(fēng)能技術(shù)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(shè)計和論證先進海上風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)，此發(fā)電機為大型高溫超導(dǎo)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(fēng)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(dǎo)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(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)推進電機研究的機構(gòu)，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(dǎo)應(yīng)用技術(shù)研究工作，在20世紀90年代成功研制了一臺300kW的低溫超導(dǎo)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(dǎo)同步電機”在712所研制成功，完成了一臺100kW高溫超導(dǎo)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(dǎo)電機研究的技術(shù)空白，突破部分關(guān)鍵技術(shù)，驗證了高溫超導(dǎo)電機的應(yīng)用可行性，翻開了我國高溫超導(dǎo)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(dǎo)電動機”樣機，如圖4所示。通過1 000kW高溫超導(dǎo)電動機樣機的研制，建立高溫超導(dǎo)電機設(shè)計與分析方法，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，解決將來實際應(yīng)用可能遇到的部分工程技術(shù)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(dǎo)電機研制能力的國家，為后續(xù)大容量高溫超導(dǎo)電機的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)，在我國高溫超導(dǎo)電機技術(shù)的戰(zhàn)略發(fā)展史上具有里程碑意義。

3.國內(nèi)外技術(shù)對比

目前國內(nèi)外研制的代表性高溫超導(dǎo)電機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。雖然我國1 000kW高溫超導(dǎo)電機研制成功，技術(shù)水平和技術(shù)能力得到長足進步，但是高溫超導(dǎo)電機是一項應(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，而且國內(nèi)高溫超導(dǎo)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(chǔ)研究、技術(shù)水平與技術(shù)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(dǎo)電機的研究任重道遠，需要解決大容量高溫超導(dǎo)電機及系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，形成完整的具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的大容量高溫超導(dǎo)設(shè)計技術(shù)和研制能力。712所已經(jīng)完成了前期技術(shù)資料調(diào)研和整理消化，針對大容量高溫超導(dǎo)電機技術(shù)方案開展了大量的論證工作。

二、高溫超導(dǎo)電機的技術(shù)內(nèi)涵

高溫超導(dǎo)電機采用超導(dǎo)勵磁繞組（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(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)對超導(dǎo)磁體進行冷卻，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(dǎo)電機的應(yīng)用前景淺析

1.高溫超導(dǎo)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(shù)已經(jīng)成為高性能船舶推進系統(tǒng)的主流技術(shù)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(shù)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(shè)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(guān)注，成為新的技術(shù)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(guān)聯(lián)和制約更加突出，轉(zhuǎn)矩密度成為衡量推進電機技術(shù)水平的重要指標。盡管已經(jīng)采用或準備應(yīng)用的先進感應(yīng)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(dǎo)推進電機采用高溫超導(dǎo)磁體進行勵磁，由于超導(dǎo)材料具有零電阻特性，使得高溫超導(dǎo)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(dǎo)線材性能的不斷進步，其技術(shù)優(yōu)勢將越來越顯著。在許多大中型電機應(yīng)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(lǐng)域，高溫超導(dǎo)推進電機具有十分廣闊的應(yīng)用前景。以美國的36.5MW高溫超導(dǎo)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(shè)備5t），而常規(guī)感應(yīng)電機質(zhì)量約200t，高溫超導(dǎo)電機的質(zhì)量約為感應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)電機是大功率直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的理想選擇

海上風(fēng)能總量大、利用率高，是一種可再生、無污染的綠色能源。在國內(nèi)外風(fēng)電裝機容量快速增長的同時，單機大容量成為風(fēng)力發(fā)電特別是海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢和技術(shù)需求，未來風(fēng)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(dǎo)致包括常規(guī)風(fēng)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(shè)計、制造，以及塔基的設(shè)計建造帶來很大的困難。高溫超導(dǎo)風(fēng)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(fēng)力發(fā)電的最佳解決途徑。結(jié)合美國超導(dǎo)公司（AMSC）的技術(shù)資料，將高溫超導(dǎo)風(fēng)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(dāng)電機功率大于5MW時，高溫超導(dǎo)直驅(qū)風(fēng)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(dǎo)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的質(zhì)量約為120t，相當(dāng)于常規(guī)發(fā)電機質(zhì)量的1/3。

高溫超導(dǎo)風(fēng)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(shè)計和建造的難度，具有很好的應(yīng)用價值：①降低塔上設(shè)備和塔基的建造難度和成本；②降低設(shè)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(dǎo)風(fēng)力發(fā)電是大容量風(fēng)力發(fā)電特別是海上風(fēng)力發(fā)電的理想選擇，具有很好的應(yīng)用前景。

3.高溫超導(dǎo)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(fēng)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。