鄭 征，鄒 瑾，胡 迪

(1．河南理工大學(xué)，河南焦作454000;2．劍橋大學(xué)，英國(guó)劍橋，CB2 1TN)

0 引 言

超導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)始于19 世紀(jì)60 年代，當(dāng)時(shí)超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要采用低溫超導(dǎo)線圈。雖然低溫超導(dǎo)材料具有高功率密度的特性，并因此吸引了軍方的興趣，但是復(fù)雜笨重的制冷系統(tǒng)和它所引發(fā)的高功率損失卻限制了低溫超導(dǎo)的商業(yè)化進(jìn)程。高溫超導(dǎo)材料在20 世紀(jì)90 年代被成功發(fā)現(xiàn)，其工作溫度從4 K 提高到了30 K，它在臨界溫度以下具有零電阻特性，其載流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通銅導(dǎo)線，具有重量輕、體積小、效率高、單機(jī)極限容量大等優(yōu)點(diǎn)［1－2］。另外高溫超導(dǎo)材料具有強(qiáng)磁場(chǎng)等特性，因而高溫超導(dǎo)電機(jī)更加適合應(yīng)用在大功率的場(chǎng)合，如大型船舶與風(fēng)電，尤其在軍用和商用船只應(yīng)用中，高溫超導(dǎo)電機(jī)有著巨大的潛力［3］。

在船航行的過程中，電機(jī)大部分情況是工作在低功率情況下。只有極少數(shù)情況，船只需要全速航行。因此，如果在船只運(yùn)行中，尤其在低速條件下，電機(jī)都能保持高效率，將是船用電機(jī)的理想選擇［4－5］。而常規(guī)電機(jī)往往只能在高速情況下保持高效率。與常規(guī)電機(jī)相比，由于高磁場(chǎng)和高電流的特性，高溫超導(dǎo)電機(jī)能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。而高溫超導(dǎo)電機(jī)無論在低速還是高速情況下，都保持極高的效率，因此，高溫超導(dǎo)電機(jī)將是船用電機(jī)最理想的選擇。同時(shí)，由于高溫超導(dǎo)電機(jī)的大功率密度，電機(jī)的體積和重量都將只是常規(guī)電機(jī)的1 /2 或1 /3［6］。對(duì)于軍用船只來說，更輕的重量保證了船的最高速度可以得到提高，同時(shí)可以使得船只配載更多的武器，保證更強(qiáng)的火力。對(duì)于民用船只來說，可以承運(yùn)更多的客人或更多的貨物，從而提高經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等，因而高溫超導(dǎo)電機(jī)將是下一代理想的船用電機(jī)。

1 船用高溫超導(dǎo)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及特性

船用高溫超導(dǎo)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括超導(dǎo)轉(zhuǎn)子線圈、轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)和室溫電磁屏蔽裝置。轉(zhuǎn)子可以采用突極和隱極兩種設(shè)計(jì)。一套極裝置由幾個(gè)雙扁平賽道型高溫超導(dǎo)線圈組成。因?yàn)槌瑢?dǎo)線圈的“零電阻”特性，轉(zhuǎn)子線圈電阻可以近似為0．02 Ω。除此之外，船用高溫超導(dǎo)電機(jī)有較低的同步電抗，從而保證了滿載和空載的情況下輸出電壓的差異很小。電阻損失的有效減少使得超導(dǎo)電機(jī)在滿載和部分帶載的情況下都具有較高的效率96%～98%［7－8］。

圖1 船用高溫超導(dǎo)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

船用高溫超導(dǎo)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和常規(guī)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相似，只需略微的調(diào)整。定子通過水冷保持低溫，并且采用較小半徑的銅“l(fā)itz”導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來減小渦旋電流。在普通電機(jī)中，高場(chǎng)強(qiáng)會(huì)使電機(jī)定子的鐵槽飽和，從而造成更高的鐵損耗，因而氣隙磁場(chǎng)不得不被限制在較低的值。電機(jī)的效率因而受到了限制。在高溫超導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)中，取消了鐵槽結(jié)構(gòu)，從而提高了氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度。曾經(jīng)被鐵齒占據(jù)的地方，也可以用來放更多的銅線來提高電載。由于更高的氣隙磁場(chǎng)和電載，船用高溫超導(dǎo)電機(jī)的磁場(chǎng)密度提高到了原來的4 倍［8］。除此之外，鐵槽的取消使得超導(dǎo)電機(jī)有更低的諧波場(chǎng)。因此，相比較傳統(tǒng)電機(jī)而言，高溫超導(dǎo)電機(jī)的氣隙場(chǎng)可以被考慮為純正弦波，這也是傳統(tǒng)電機(jī)所不具備的特性。以美國(guó)超導(dǎo)公司制造的25 MW 的船用高溫超導(dǎo)電機(jī)的諧波數(shù)據(jù)為例，傳統(tǒng)電機(jī)由于勵(lì)磁線圈在電樞繞組上產(chǎn)生的電場(chǎng)的5 次諧波值大約為基波的8%，而高溫超導(dǎo)電機(jī)僅為基波的2．582%［9－10］，幾乎可以忽略。同時(shí)由電樞繞組在勵(lì)磁線圈上產(chǎn)生的電場(chǎng)也比傳統(tǒng)電機(jī)小，因而產(chǎn)生的熱損耗也會(huì)比傳統(tǒng)電機(jī)小很多。

冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)的氦氣將轉(zhuǎn)子線圈控制在30～40 K 的工作溫度下。在船用高溫超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，采用一個(gè)冷卻管用來將氦氣通到轉(zhuǎn)子線圈結(jié)構(gòu)中。氣體降溫器并不隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，而是保持靜止?fàn)顟B(tài)，從而減少冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜度并確保穩(wěn)定性。相比最初的船用高溫超導(dǎo)電機(jī)而言，冷卻系統(tǒng)已經(jīng)得到了很大的改進(jìn)。

2 世界先進(jìn)國(guó)家船用高溫超導(dǎo)電機(jī)研究狀況

2.1 美國(guó)高溫超導(dǎo)電機(jī)研究狀況

很多公司投入到超導(dǎo)電機(jī)的制造工作中，美國(guó)超導(dǎo)公司(AMAC)和通用電器公司(GE)一直處于領(lǐng)先地位。

美國(guó)超導(dǎo)公司對(duì)船用高溫超導(dǎo)電機(jī)的試驗(yàn)主要分為兩個(gè)階段，第一階段是實(shí)現(xiàn)相對(duì)較小額定功率的超導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)和測(cè)試。這些電機(jī)是由美國(guó)能源部的超導(dǎo)專利創(chuàng)新機(jī)構(gòu)在20 世紀(jì)90 年代投資所完成從91．875～735 kW 的電機(jī)。在這個(gè)階段，項(xiàng)目的主要目標(biāo)是使用同功率下傳統(tǒng)電機(jī)一半大小的超導(dǎo)電機(jī)，將電機(jī)損耗減少一半。第二階段由美國(guó)海軍研究機(jī)構(gòu)投資資助，美國(guó)超導(dǎo)公司(AMSC)設(shè)計(jì)并測(cè)試了大功率超導(dǎo)電機(jī)，由3．675 MW 到5 MW，25 MW 再到36．5 MW。在這個(gè)階段項(xiàng)目主要驗(yàn)證超導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)概念，從而完成更大規(guī)模電機(jī)的構(gòu)建。

36．5 MW 高溫超導(dǎo)電機(jī)與普通電機(jī)外形體積如圖2 所示。其效率分別為98．6% 和96．8%［11］，除了具有較高的效率外，該電機(jī)還具有體積小、重量輕等傳統(tǒng)電機(jī)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，因此采用船用高溫超導(dǎo)電機(jī)就為軍艦等船只減少了將近200 t 的重量，為高效成功地完成作戰(zhàn)任務(wù)提供了保障。同時(shí)對(duì)于36．5 MW 電機(jī)，普通電機(jī)每年的運(yùn)行花費(fèi)將會(huì)比同功率輸出的高溫超導(dǎo)電機(jī)多5 萬美元［11］。

圖2 36．5 MW 高溫超導(dǎo)電機(jī)與同功率傳統(tǒng)電機(jī)對(duì)比

在美國(guó)超導(dǎo)公司的船用高溫超導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)階段，高溫超導(dǎo)電機(jī)的制冷系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。735kW 等級(jí)的電機(jī)通過反向Brayton 循環(huán)，基線制冷(baseline refrigeration system)系統(tǒng)循環(huán)氦氣。在更高額定功率的高溫超導(dǎo)電機(jī)制冷系統(tǒng)中，雖然同樣采用循環(huán)的氦氣給轉(zhuǎn)子降溫，制冷系統(tǒng)采用了更加先進(jìn)的Gifford－McMahon(一種儀器)。這個(gè)系統(tǒng)確保了商業(yè)通用制冷系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能，并使得設(shè)計(jì)免于使用更加繁復(fù)的旋轉(zhuǎn)氣體制冷機(jī)［11］。

2.2 歐洲高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究

美國(guó)海軍在2007 年率先提出了建造“全電化” 艦船的概念，即電能是所有推進(jìn)裝置中唯一的能量轉(zhuǎn)換方式。它具有高機(jī)動(dòng)性、高靈活性和高可靠性的特點(diǎn)。因而各國(guó)爭(zhēng)相采用此概念，設(shè)計(jì)并制造越來越多的全電化船只。在深刻體會(huì)到全電船的優(yōu)勢(shì)，比如船體中更好的住宿空間、更安靜的操作環(huán)境、更加靈活的設(shè)計(jì)、更少的流體阻力和能量損耗后，德國(guó)西門子于2000 年開始聚焦于超導(dǎo)電機(jī)在EEAES(全電船)的應(yīng)用?；诘聡?guó)教育研究部的經(jīng)費(fèi)資助，從1999 至2001 年，西門子公司成功設(shè)計(jì)了一個(gè)4 極、額定功率為400 kW 的高溫超導(dǎo)同步電機(jī)。該高溫超導(dǎo)電機(jī)由空心的轉(zhuǎn)軸和由高溫超導(dǎo)線圈構(gòu)成的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。它是專門為海洋運(yùn)用的4 MVA 電機(jī)的樣機(jī)，用以檢測(cè)4 MVA 電機(jī)的設(shè)計(jì)理念的正確性。

2.3 日本高溫超導(dǎo)研究

日本對(duì)船用超導(dǎo)電機(jī)的調(diào)查研究始于1989 年對(duì)70 MW 低溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究。從2007 年開始，1 MW 的可分倉(cāng)推進(jìn)高溫超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)成功，并得到新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展部門的支持。通過運(yùn)用電腦援助工程(CAE)，很多高溫超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)問題迎刃而解。在船用高溫超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)計(jì)算流體動(dòng)力工程(CFD)被廣泛應(yīng)用于熱學(xué)問題，如制冷問題、液氦轉(zhuǎn)換耦合設(shè)計(jì)、船體推進(jìn)效率提高設(shè)計(jì)等。

2.4 英國(guó)劍橋大學(xué)研究狀況

英國(guó) International Research and Development Company(IRD)于1966 年試制了世界上第1 臺(tái)超導(dǎo)直流單極電動(dòng)機(jī)模型試驗(yàn)機(jī)(37．3 kW)。之后，IRD又相繼研制了2．4 MW 和20 MW 的試驗(yàn)機(jī)。近些年來，英國(guó)劍橋大學(xué)電子工程系超導(dǎo)組聚焦于高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究。世界第一臺(tái)全高溫超導(dǎo)電機(jī)在劍橋大學(xué)超導(dǎo)組成功構(gòu)建并完成測(cè)試。定子和轉(zhuǎn)子均使用YBCO 材料。定子線圈采用超導(dǎo)帶材。轉(zhuǎn)子采用超導(dǎo)塊材并通過脈沖給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。整個(gè)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)采用液氮冷卻，因此有效地節(jié)約了成本［12－13］。超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3、圖4 所示。

圖3 高溫超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子

從圖3 中可以看出，在高溫超導(dǎo)電機(jī)轉(zhuǎn)子中，塊材通過粘性層附著在銅軸上。銅將塊材中的熱量有效傳導(dǎo)到液氮中實(shí)現(xiàn)降溫。同時(shí)轉(zhuǎn)子的外圍使用熱絕緣材料，保證電機(jī)的隔熱。

圖4 呈現(xiàn)了全超導(dǎo)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。圖中電機(jī)結(jié)構(gòu)的上半部分為電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)(轉(zhuǎn)子除外)。圖中電機(jī)的下半部分為電機(jī)的跑馬場(chǎng)型超導(dǎo)定子線圈。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于電機(jī)的上部分時(shí)候，轉(zhuǎn)子完成勵(lì)賜。當(dāng)轉(zhuǎn)綜處于整個(gè)結(jié)構(gòu)的下半部分時(shí)，電機(jī)將進(jìn)行正常工作。轉(zhuǎn)子通過手柄上下移動(dòng)來完成勵(lì)磁和正常工作的切換。

圖4 超導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)劍橋大學(xué)電子工程超導(dǎo)組對(duì)超導(dǎo)體的H場(chǎng)的研究也做出了巨大貢獻(xiàn)。劍橋大學(xué)超導(dǎo)組是首個(gè)運(yùn)用COMSOL 解決H－formulation 問題的研究。現(xiàn)在一維和二維的H 場(chǎng)問題已經(jīng)得到有效解決，三維仿真的問題正在進(jìn)行研究和解決，一旦超導(dǎo)體的H 場(chǎng)的分布得到有效解決。超導(dǎo)體的交流損失也能有效得到計(jì)算，以便于對(duì)超導(dǎo)體的進(jìn)一步研究。

2.5 中國(guó)超導(dǎo)電機(jī)的現(xiàn)狀

自從高溫超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)以后，中國(guó)也開發(fā)了一些小型的高溫超導(dǎo)磁阻電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)。雖然國(guó)內(nèi)在超導(dǎo)領(lǐng)域的研究取得一定的成果，但由于理論技術(shù)和制造工藝方面的問題，超導(dǎo)電機(jī)未能得到實(shí)際應(yīng)用。2012年7月中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司研制了我國(guó)首臺(tái)兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)電機(jī)(1 MW)。該電機(jī)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，達(dá)到世界先進(jìn)水平，對(duì)我國(guó)超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展具有里程碑意義。

現(xiàn)階段超導(dǎo)電機(jī)在世界先進(jìn)國(guó)家的發(fā)莨情況如表1 所示。

表1 超導(dǎo)電機(jī)發(fā)展概要

3 船用超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著對(duì)高溫超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步研究，各國(guó)都爭(zhēng)相研制更大功率的船用高溫超導(dǎo)電機(jī)來滿足船用需求。然而，隨著高溫超導(dǎo)電機(jī)功率的提高，更多的挑戰(zhàn)需要面臨。隨著功率的提高，電機(jī)的電壓和電流都會(huì)相應(yīng)增加。當(dāng)電流增加的時(shí)候，感生電磁場(chǎng)必然增加。而當(dāng)超導(dǎo)越到更大的電磁場(chǎng)的時(shí)候，臨界電流將會(huì)減小。因此，當(dāng)制造更大功率的高溫超導(dǎo)電機(jī)的時(shí)候，如何提高超導(dǎo)體的臨界電流需要進(jìn)一步的研究。另外，因?yàn)榇酶邷爻瑢?dǎo)電機(jī)的繞組往往是“空心”，沒有鐵磁幫助導(dǎo)線承受電磁力。而電流越大，往往電磁力也會(huì)越大。因此制造更大功率船用高溫超導(dǎo)電機(jī)時(shí)，如何有效支撐繞組也是關(guān)鍵的技術(shù)問題。同理，制造更大功率高溫超導(dǎo)電機(jī)的時(shí)候，如何有效支撐轉(zhuǎn)子的問題也需要解決。而電流越大，交流損耗也越大，交流損耗是超導(dǎo)電機(jī)損耗中所占比重最大的一部分，如何有效減少交流損耗一直是各國(guó)主要研究的目標(biāo)。除此之外，如如何提高電機(jī)穩(wěn)定性等一系列問題都需要解決。正是這些棘手的問題，使得制造更大功率的高溫超導(dǎo)電機(jī)變得非常困難。

船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)即全電化艦船推進(jìn)系統(tǒng)代表著當(dāng)今船舶動(dòng)力的發(fā)展方向，綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)(IPS)，簡(jiǎn)單來說，就是將船用推進(jìn)系統(tǒng)和日用負(fù)載系統(tǒng)整合成為一個(gè)電力系統(tǒng)，從而完成綜合電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)即是模塊化。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊的即插即用。這樣電機(jī)的安裝位置相較于傳統(tǒng)的電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活可靠。因此，適合全電化船用系統(tǒng)的電機(jī)氏未來船用電機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。而高溫超導(dǎo)電機(jī)由于體積小、功率大的優(yōu)勢(shì)，更加適合于全電化船舶系統(tǒng)的應(yīng)用。同時(shí)“全電化”盾于推動(dòng)電機(jī)提出了高功率、高轉(zhuǎn)矩、低體積、低質(zhì)量等要求，而高溫超導(dǎo)電機(jī)是符合這一要求的最佳選擇。

考慮到船用超導(dǎo)電機(jī)必將是未來全電化船用系統(tǒng)發(fā)展的核心，劍橋大學(xué)電子工程超導(dǎo)組致力于打造高溫全電化船用系統(tǒng)，并將重心轉(zhuǎn)移到船用超導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究。在未來幾年里，劍橋超導(dǎo)組將完成超導(dǎo)船用推動(dòng)機(jī)的概念設(shè)計(jì)和優(yōu)化，電機(jī)計(jì)劃設(shè)計(jì)為商業(yè)用途的50 MW 船用電機(jī)，將為實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)全電化船只的設(shè)計(jì)概念做出巨大的貢獻(xiàn)。

5 結(jié) 語

高溫超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)是21 世紀(jì)重大高新技術(shù)，其發(fā)展與船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的迫切需求緊密相關(guān)。普通電力推進(jìn)轄統(tǒng)體積大、十分笨重，長(zhǎng)期以來限制著電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，直到高溫超導(dǎo)電機(jī)的出現(xiàn)，打破了這一困局。高溫超導(dǎo)電機(jī)自身具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的“首選”，為船舶打造最優(yōu)“心臟”。世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都在進(jìn)行超導(dǎo)材料在艦船尤其是軍用艦船上的應(yīng)用研究。隨著高溫超導(dǎo)材料技術(shù)的不斷發(fā)展，最終高溫超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，必將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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