高溫超導船用推進電動機的發展和現狀

鄭 征，鄒 瑾，胡 迪

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

0 引 言

超導電機的設計始于19 世紀60 年代，當時超導電機的轉子主要采用低溫超導線圈。雖然低溫超導材料具有高功率密度的特性，并因此吸引了軍方的興趣，但是復雜笨重的制冷系統和它所引發的高功率損失卻限制了低溫超導的商業化進程。高溫超導材料在20 世紀90 年代被成功發現，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，其載流能力遠遠優于普通銅導線，具有重量輕、體積小、效率高、單機極限容量大等優點［1－2］。另外高溫超導材料具有強磁場等特性，因而高溫超導電機更加適合應用在大功率的場合，如大型船舶與風電，尤其在軍用和商用船只應用中，高溫超導電機有著巨大的潛力［3］。

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

1 船用高溫超導電機的結構及特性

船用高溫超導電機的結構如圖1 所示，包括超導轉子線圈、轉子支撐結構、冷卻循環系統和室溫電磁屏蔽裝置。轉子可以采用突極和隱極兩種設計。一套極裝置由幾個雙扁平賽道型高溫超導線圈組成。因為超導線圈的“零電阻”特性，轉子線圈電阻可以近似為0．02 Ω。除此之外，船用高溫超導電機有較低的同步電抗，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電機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 船用高溫超導電機的結構

船用高溫超導電機的定子結構和常規電機的定子結構相似，只需略微的調整。定子通過水冷保持低溫，并且采用較小半徑的銅“litz”導體結構來減小渦旋電流。在普通電機中，高場強會使電機定子的鐵槽飽和，從而造成更高的鐵損耗，因而氣隙磁場不得不被限制在較低的值。電機的效率因而受到了限制。在高溫超導電機的設計中，取消了鐵槽結構，從而提高了氣隙磁場強度。曾經被鐵齒占據的地方，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和電載，船用高溫超導電機的磁場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電機有更低的諧波場。因此，相比較傳統電機而言，高溫超導電機的氣隙場可以被考慮為純正弦波，這也是傳統電機所不具備的特性。以美國超導公司制造的25 MW 的船用高溫超導電機的諧波數據為例，傳統電機由于勵磁線圈在電樞繞組上產生的電場的5 次諧波值大約為基波的8%，而高溫超導電機僅為基波的2．582%［9－10］，幾乎可以忽略。同時由電樞繞組在勵磁線圈上產生的電場也比傳統電機小，因而產生的熱損耗也會比傳統電機小很多。

冷卻系統采用循環的氦氣將轉子線圈控制在30～40 K 的工作溫度下。在船用高溫超導電機的轉子結構中，采用一個冷卻管用來將氦氣通到轉子線圈結構中。氣體降溫器并不隨著轉子轉動，而是保持靜止狀態，從而減少冷卻系統的復雜度并確保穩定性。相比最初的船用高溫超導電機而言，冷卻系統已經得到了很大的改進。

2 世界先進國家船用高溫超導電機研究狀況

2.1 美國高溫超導電機研究狀況

很多公司投入到超導電機的制造工作中，美國超導公司(AMAC)和通用電器公司(GE)一直處于領先地位。

美國超導公司對船用高溫超導電機的試驗主要分為兩個階段，第一階段是實現相對較小額定功率的超導電機的設計和測試。這些電機是由美國能源部的超導專利創新機構在20 世紀90 年代投資所完成從91．875～735 kW 的電機。在這個階段，項目的主要目標是使用同功率下傳統電機一半大小的超導電機，將電機損耗減少一半。第二階段由美國海軍研究機構投資資助，美國超導公司(AMSC)設計并測試了大功率超導電機，由3．675 MW 到5 MW，25 MW 再到36．5 MW。在這個階段項目主要驗證超導電機的設計概念，從而完成更大規模電機的構建。

36．5 MW 高溫超導電機與普通電機外形體積如圖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，該電機還具有體積小、重量輕等傳統電機無法比擬的優勢，因此采用船用高溫超導電機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任務提供了保障。同時對于36．5 MW 電機，普通電機每年的運行花費將會比同功率輸出的高溫超導電機多5 萬美元［11］。

圖2 36．5 MW 高溫超導電機與同功率傳統電機對比

在美國超導公司的船用高溫超導電機的設計階段，高溫超導電機的制冷系統得到了很大的發展。735kW 等級的電機通過反向Brayton 循環，基線制冷(baseline refrigeration system)系統循環氦氣。在更高額定功率的高溫超導電機制冷系統中，雖然同樣采用循環的氦氣給轉子降溫，制冷系統采用了更加先進的Gifford－McMahon(一種儀器)。這個系統確保了商業通用制冷系統的應用成為可能，并使得設計免于使用更加繁復的旋轉氣體制冷機［11］。

2.2 歐洲高溫超導電機的研究

美國海軍在2007 年率先提出了建造“全電化” 艦船的概念，即電能是所有推進裝置中唯一的能量轉換方式。它具有高機動性、高靈活性和高可靠性的特點。因而各國爭相采用此概念，設計并制造越來越多的全電化船只。在深刻體會到全電船的優勢，比如船體中更好的住宿空間、更安靜的操作環境、更加靈活的設計、更少的流體阻力和能量損耗后，德國西門子于2000 年開始聚焦于超導電機在EEAES(全電船)的應用。基于德國教育研究部的經費資助，從1999 至2001 年，西門子公司成功設計了一個4 極、額定功率為400 kW 的高溫超導同步電機。該高溫超導電機由空心的轉軸和由高溫超導線圈構成的轉子構成。它是專門為海洋運用的4 MVA 電機的樣機，用以檢測4 MVA 電機的設計理念的正確性。

2.3 日本高溫超導研究

日本對船用超導電機的調查研究始于1989 年對70 MW 低溫超導發電機的研究。從2007 年開始，1 MW 的可分倉推進高溫超導電機設計成功，并得到新能源產業技術發展部門的支持。通過運用電腦援助工程(CAE)，很多高溫超導電機設計問題迎刃而解。在船用高溫超導電機設計中計算機計算流體動力工程(CFD)被廣泛應用于熱學問題，如制冷問題、液氦轉換耦合設計、船體推進效率提高設計等。

2.4 英國劍橋大學研究狀況

英國 International Research and Development Company(IRD)于1966 年試制了世界上第1 臺超導直流單極電動機模型試驗機(37．3 kW)。之后，IRD又相繼研制了2．4 MW 和20 MW 的試驗機。近些年來，英國劍橋大學電子工程系超導組聚焦于高溫超導電機的研究。世界第一臺全高溫超導電機在劍橋大學超導組成功構建并完成測試。定子和轉子均使用YBCO 材料。定子線圈采用超導帶材。轉子采用超導塊材并通過脈沖給轉子勵磁。整個電機的冷卻系統采用液氮冷卻，因此有效地節約了成本［12－13］。超導電機的轉子結構如圖3、圖4 所示。

圖3 高溫超導電機的轉子

從圖3 中可以看出，在高溫超導電機轉子中，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到液氮中實現降溫。同時轉子的外圍使用熱絕緣材料，保證電機的隔熱。

圖4 呈現了全超導電機的結構圖。圖中電機結構的上半部分為電機的勵磁系統(轉子除外)。圖中電機的下半部分為電機的跑馬場型超導定子線圈。當轉子處于電機的上部分時候，轉子完成勵賜。當轉綜處于整個結構的下半部分時，電機將進行正常工作。轉子通過手柄上下移動來完成勵磁和正常工作的切換。

圖4 超導電機結構圖

同時劍橋大學電子工程超導組對超導體的H場的研究也做出了巨大貢獻。劍橋大學超導組是首個運用COMSOL 解決H－formulation 問題的研究。現在一維和二維的H 場問題已經得到有效解決，三維仿真的問題正在進行研究和解決，一旦超導體的H 場的分布得到有效解決。超導體的交流損失也能有效得到計算，以便于對超導體的進一步研究。

2.5 中國超導電機的現狀

自從高溫超導材料被發現以后，中國也開發了一些小型的高溫超導磁阻電動機和永磁電動機。雖然國內在超導領域的研究取得一定的成果，但由于理論技術和制造工藝方面的問題，超導電機未能得到實際應用。2012年7月中國船舶重工集團公司研制了我國首臺兆瓦級高溫超導電機(1 MW)。該電機具有完全自主知識產權，達到世界先進水平，對我國超導電機的發展具有里程碑意義。

現階段超導電機在世界先進國家的發莨情況如表1 所示。

表1 超導電機發展概要

3 船用超導電機的發展趨勢

隨著對高溫超導電機技術的進一步研究，各國都爭相研制更大功率的船用高溫超導電機來滿足船用需求。然而，隨著高溫超導電機功率的提高，更多的挑戰需要面臨。隨著功率的提高，電機的電壓和電流都會相應增加。當電流增加的時候，感生電磁場必然增加。而當超導越到更大的電磁場的時候，臨界電流將會減小。因此，當制造更大功率的高溫超導電機的時候，如何提高超導體的臨界電流需要進一步的研究。另外，因為船用高溫超導電機的繞組往往是“空心”，沒有鐵磁幫助導線承受電磁力。而電流越大，往往電磁力也會越大。因此制造更大功率船用高溫超導電機時，如何有效支撐繞組也是關鍵的技術問題。同理，制造更大功率高溫超導電機的時候，如何有效支撐轉子的問題也需要解決。而電流越大，交流損耗也越大，交流損耗是超導電機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主要研究的目標。除此之外，如如何提高電機穩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電機變得非常困難。

船舶綜合電力推進系統即全電化艦船推進系統代表著當今船舶動力的發展方向，綜合全電力推進系統(IPS)，簡單來說，就是將船用推進系統和日用負載系統整合成為一個電力系統，從而完成綜合電力系統。該系統的最大優勢即是模塊化。因此，系統設計的關鍵是成功實現系統模塊的即插即用。這樣電機的安裝位置相較于傳統的電力推進系統設計更加靈活可靠。因此，適合全電化船用系統的電機氏未來船用電機發展的趨勢。而高溫超導電機由于體積小、功率大的優勢，更加適合于全電化船舶系統的應用。同時“全電化”盾于推動電機提出了高功率、高轉矩、低體積、低質量等要求，而高溫超導電機是符合這一要求的最佳選擇。

考慮到船用超導電機必將是未來全電化船用系統發展的核心，劍橋大學電子工程超導組致力于打造高溫全電化船用系統，并將重心轉移到船用超導電機的設計優化的研究。在未來幾年里，劍橋超導組將完成超導船用推動機的概念設計和優化，電機計劃設計為商業用途的50 MW 船用電機，將為實現超導全電化船只的設計概念做出巨大的貢獻。

5 結 語

高溫超導應用技術是21 世紀重大高新技術，其發展與船舶電力推進系統的迫切需求緊密相關。普通電力推進轄統體積大、十分笨重，長期以來限制著電力推進技術的發展，直到高溫超導電機的出現，打破了這一困局。高溫超導電機自身具有的獨特優勢，成為船舶電力推進系統的“首選”，為船舶打造最優“心臟”。世界各發達國家都在進行超導材料在艦船尤其是軍用艦船上的應用研究。隨著高溫超導材料技術的不斷發展，最終高溫超導電機技術將實現工程化應用，必將產生顯著的經濟和社會效益。

［1］ 張磊，盧文忠．基于超導技術的艦船動力系統［J］．造船技術，2009(4):1－3．

［2］ 金建勛，鄭陸海．高溫超導直線電動機技術及其發展［J］．微特電機，2008(3):58－61．

［3］ 陳彪，顧國彪．高溫超導電機轉子冷卻技術的研究［J］．電工技術學報，2011，26(10):144－148．

［4］ Gamble B，Kalsi S，Snitchler G，et al．The status of HTS motors［C］/ /IEEE Power Engineering Soc．Meeting．2002 (1):270 －274．

［5］ Kalsi S S．Development status of superconducting rotating machines［C］/ /IEEE Power Engineering Society Winter Meeting．2002(1):401－403．

［6］ Aized D，Gamble B B，Sidi－Yekhlef A，et al．Status of the 1 000 hp HTS motor development［J］．IEEE Trans．Appl．Supercond，1999，9(4):1197－1200．

［7］ Kalsi S S，Gamble B B，Snitchler G，et al．The status of HTS ship propulsion motor developments［C］/ /IEEE Power Engineering Society General Meeting．2006．

［8］ Kalsi S S，Weeber K，Takesue H，et al．Development status of rotating machines employing superconducting field windings［C］/ /Proceedings of the IEEE．2004(10):1688－1704．

［9］ Umemoto K．Development of 1 MW－class HTS motor for podded ship propulsion system［C］/ /the 9th European Conference on Applied Superconductivity．2009．

［10］ Frank M．High－temperature superconducting rotating machines for ship applications［J］．IEEE Trans．Appl．Supercond，2006，16(2):1465－1468．

［11］ Grilli F，Brambilla R，Martini L．Development of an edge－element model for ac loss computation of high－temperature superconductors［J］．Supercond．Sci．Tech．，2007，1:16－24．

［12］ Jiang Y．The design and control of a superconducting motor［D］．Dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy in the University of Cambridge，2009:56－64．

［13］ Zhen Huang，Wei Xian，Min Zhang，et al．Control and operation of a high temperature superconducting synchronous motor［J］．IEEE Transactions on Applied Superconductiverity 2012，23 (3 ):5200204．