從專利角度分析超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)發(fā)展路線

石佳

摘 要 作為一種新型電機(jī)，超導(dǎo)電機(jī)具有功率密度高、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本文對超導(dǎo)電機(jī)的相關(guān)專利文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索，對各技術(shù)分支的專利申請進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，梳理出超導(dǎo)電機(jī)的技術(shù)演進(jìn)路線，并對超導(dǎo)電機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞 超導(dǎo)電機(jī)；冷卻方式；冷卻回路；超導(dǎo)材料；技術(shù)演進(jìn)

中圖分類號 TM37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0173-02

超導(dǎo)電機(jī)由于采用了超導(dǎo)繞組，與常規(guī)電機(jī)相比，既解決了電樞繞組發(fā)熱、溫升問題，又能夠承載更大的電流從而產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場，降低電機(jī)的重量、體積和材料消耗，提高電機(jī)效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著高溫超導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)、裝配及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都較容易實(shí)現(xiàn)，高溫超導(dǎo)電機(jī)制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化，運(yùn)行成本降低，超導(dǎo)電機(jī)受到更廣泛的關(guān)注。

1 專利技術(shù)概況

由于超導(dǎo)電機(jī)與常規(guī)電機(jī)的差異主要體現(xiàn)在超導(dǎo)繞組的設(shè)置、冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成和材料制備3個(gè)方面，因此，超導(dǎo)電機(jī)的技術(shù)分支主要分為以下幾個(gè)部分。

基本構(gòu)造。主要指超導(dǎo)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，僅體現(xiàn)其與常規(guī)電機(jī)結(jié)構(gòu)的差異以及所衍生的特定結(jié)構(gòu)。主要包括：繞組結(jié)構(gòu)，如超導(dǎo)勵(lì)磁繞組、超導(dǎo)電樞繞組、全超導(dǎo)繞組以及支撐結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)取決于無芯結(jié)構(gòu)帶來的勵(lì)磁繞組和電樞繞組的固定需求。

冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)是超導(dǎo)電機(jī)的核心部件，超導(dǎo)電機(jī)必須通過冷卻系統(tǒng)保證超導(dǎo)繞組的超導(dǎo)性。主要包括3個(gè)部分，制冷機(jī)，常采用G-M制冷機(jī)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，不對該部分做進(jìn)一步研究；傳輸耦合器，技術(shù)難點(diǎn)在于低溫介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)密封問題；冷卻方式，對應(yīng)不同的冷卻液具有不同的冷卻回路和冷卻效果。

材料制備。主要針對超導(dǎo)材料在超導(dǎo)電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，各種超導(dǎo)材料的制備方法。

1.1 申請量年度分布

超導(dǎo)電機(jī)的專利申請趨勢如圖1所示。超導(dǎo)電機(jī)領(lǐng)域的專利申請量從1965年至1985年處于緩速增長階段，到1987年呈爆發(fā)式增長，此后跌落到一個(gè)較高值，保持較平穩(wěn)地持續(xù)增長。造成這個(gè)趨勢的原因在于，在20世紀(jì)70年代，隨著低溫超導(dǎo)體加工技術(shù)逐漸成熟，各個(gè)國家分別投入低溫超導(dǎo)電機(jī)的研發(fā)與制造中，但是低溫超導(dǎo)體的極低工作溫度要求極大地制約了低溫超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，低溫超導(dǎo)電機(jī)發(fā)展的態(tài)勢緩慢，研究人員一直在尋求具備較高臨界溫度的超導(dǎo)體材料。

隨著1986年高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)電機(jī)的工作溫度得以提高，同時(shí)高溫超導(dǎo)材料包括了線材、帶材以及塊材等多種形式，突破了低溫超導(dǎo)電機(jī)的瓶頸，極大地促進(jìn)了高溫超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展，專利申請量也隨之高速增長，并在1987年達(dá)到頂峰，超導(dǎo)電機(jī)領(lǐng)域處于高速發(fā)展階段。隨著超導(dǎo)電機(jī)的專利布局基本形成，已有高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展放緩，相關(guān)專利申請數(shù)量有了一定的回落，步入了1987年至1991年的回落發(fā)展階段。之后隨著各種高臨界溫度的超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)與制備工藝的不斷成熟，專利申請數(shù)量在一個(gè)較高數(shù)值的基礎(chǔ)上保持較平穩(wěn)地持續(xù)增長。

1.2 各技術(shù)分支的專利申請

超導(dǎo)電機(jī)各技術(shù)分支的申請量如圖2所示。對于超導(dǎo)電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)、材料制備和冷卻方式的改進(jìn)占據(jù)了該領(lǐng)域?qū)＠暾埖妮^大份額，超過了總額的80%；支撐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)相對前三者而言較少，這是因?yàn)橹谓Y(jié)構(gòu)本身取決于繞組結(jié)構(gòu)的固有結(jié)構(gòu)以及設(shè)置方式，技術(shù)革新與突破相對較少所致；而傳輸耦合器的申請量最少，約占總申請量的5%，原因在于，傳輸耦合器主要的技術(shù)難點(diǎn)是低溫介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)密封問題，密封問題與繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)置方式和冷卻方式的具體選擇密不可分，各大申請人對傳輸耦合器的研發(fā)基本是對現(xiàn)有的基本密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如采用動(dòng)密封與靜密封相結(jié)合、磁流體密封技

術(shù)等。

2 技術(shù)演進(jìn)路線

超導(dǎo)電機(jī)各技術(shù)分支的專利技術(shù)演進(jìn)如圖3所示。超導(dǎo)電機(jī)經(jīng)歷了從低溫超導(dǎo)電機(jī)發(fā)展到高溫超導(dǎo)電機(jī)的過程，由于支撐結(jié)構(gòu)和傳輸耦合器很大程度上取決于繞組結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)間沒有明顯的優(yōu)劣性，因此在此不做進(jìn)一步發(fā)展演進(jìn)分析。

繞組結(jié)構(gòu)的專利技術(shù)經(jīng)歷了轉(zhuǎn)子超導(dǎo)繞組的低溫同步超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、高溫轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁線圈的超導(dǎo)電機(jī)、電勵(lì)磁超導(dǎo)同步電機(jī)到無芯轉(zhuǎn)子繞組超導(dǎo)同步電機(jī)。而基于無芯轉(zhuǎn)子繞組超導(dǎo)同步電機(jī)存在的需要提高高溫超導(dǎo)線圈的載流能力來使高溫超導(dǎo)電機(jī)具有高功率密度、超導(dǎo)電機(jī)的效率難以持續(xù)提高等問題，發(fā)展出了超導(dǎo)塊材電機(jī)、單極型超導(dǎo)電機(jī)和軸向磁通超導(dǎo)同步電機(jī)等超導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)。由于上述超導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)的定子電樞依然采用銅繞組，定子銅耗制約了超導(dǎo)電機(jī)的效率提升，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展出全超導(dǎo)電機(jī)，有效解決了超導(dǎo)電機(jī)的效率問題。

超導(dǎo)電機(jī)的冷卻方式經(jīng)歷了低溫超導(dǎo)電機(jī)時(shí)期的液氦浸泡冷卻、氣氦強(qiáng)制冷卻、液氦管道冷卻到高溫超導(dǎo)電機(jī)時(shí)期的液氮對流傳導(dǎo)、液氦相變傳熱，基于液氮對流傳導(dǎo)和液氦相變傳熱的基本冷卻方式，演變出了溫差環(huán)流冷卻、冷氦氣對流傳熱、液氖旋轉(zhuǎn)熱管、制冷機(jī)傳導(dǎo)式制冷和氦氖混合式相變傳熱。其中，液氮對流傳導(dǎo)的冷卻效果一般，但成本較低；氦氖混合式相變傳熱冷卻效果最好，線圈載流能力強(qiáng)，磁體穩(wěn)定性好，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。綜合考慮采用的冷卻介質(zhì)的物性、冷卻效果和系統(tǒng)成本，對超導(dǎo)電機(jī)的冷卻方式的改進(jìn)主要集中在固氮對流傳熱、過冷液氮冷卻以及對上述冷卻方式的冷卻回路的優(yōu)化上。

低溫超導(dǎo)電機(jī)的材料制備經(jīng)歷了從NbTi超導(dǎo)繞組到Nb3Sn超導(dǎo)繞組的發(fā)展，高溫超導(dǎo)電機(jī)的材料制備經(jīng)歷了BSCCO線材、YBCO線材、汞系超導(dǎo)材料、RBCO線材、MgB2線材到鐵基超導(dǎo)材料的發(fā)展。其中，NbTi和Nb3Sn是目前應(yīng)用最廣泛的兩種低溫超導(dǎo)材料，臨界溫度都在20k以下，一般工作在液氦溫區(qū)。MgB2的臨界溫度可達(dá)39K，鐵基超導(dǎo)材料的臨界溫度可達(dá)55K，YBCO的臨界溫度可達(dá)92K，RBCO的臨界溫度可達(dá)96K，BSCCO的臨界溫度可達(dá)110K，汞系超導(dǎo)材料的臨界溫度可達(dá)135K。BSCCO線材和YBCO線材是最常用且實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的高溫超導(dǎo)體材料，BSCCO線材通常采用粉末套管法來生產(chǎn)，而YBCO線材通常采用多層結(jié)構(gòu)的制備方法；MgB2和鐵基超導(dǎo)材料由于臨界溫度較低，目前只作為研究；汞系超導(dǎo)材料由于劇毒且易揮發(fā)，近年來研究減少。

3 結(jié)論

綜上所述，超導(dǎo)電機(jī)領(lǐng)域的專利申請量趨于穩(wěn)定，并涵蓋了該領(lǐng)域的各個(gè)技術(shù)分支，其中繞組結(jié)構(gòu)、冷卻方式、材料制備是研究的重點(diǎn)，占據(jù)了該領(lǐng)域的主要申請量。而基于技術(shù)需求，提高超導(dǎo)電機(jī)效率、改進(jìn)冷卻回路、優(yōu)化超導(dǎo)材料、降低成本將是今后超導(dǎo)電機(jī)的研發(fā)方向。

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