面向電動航空的高溫超導電機技術研究發展

宋東彬，閆炬壯，楊文將，2，*，白明亮，劉汝婧，王少鵬，劉宇，田愛梅

1．北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191

2．北京航空航天大學 寧波創新研究院，寧波 315800

3．北京航天儀器控制研究所，北京 100854

進入21 世紀以來，空中交通需求量呈現快速增長態勢，由化石燃料燃燒驅動的噴氣式飛機引發的尾氣污染、噪聲問題日益受到人們關注，為此美國和歐盟相繼制定了N+3 和航跡2050（Flightpath 2050）計劃，追求減少燃油消耗、降低氮氧化物排放和降低噪聲［1-3］的共同目標。未來飛機應具有高燃油效率、低或零排放和低噪聲等特點，飛機電氣化逐步成為航空業實現綠色、健康、可持續性發展的重要途徑。

在全球各國政府主導的碳交易政策約束下，交通運輸電氣化有目共見，特別是在混合動力/電動汽車電氣化的驅動下，儲能和機電技術得以快速發展。雖然電池技術正在穩步改進提升，但目前的鋰離子600 kJ/kg 的能量密度仍無法與航空噴氣燃料46 MJ/kg 相提并論。因此，在大型航空器只使用電池作為能量目前是不現實的［4］。當今大型運輸機主要是由高涵道比的渦扇航空發動機作為驅動力，這種發動機特點是核心發動機產生的大部分功率經由機械連接的低壓渦輪機驅動涵道風扇產生推力，功率范圍為3～8 kW/kg。涵道比（Bypass Ratio，BPR）越大，產生排氣速度和溫度越低，可以提高能量利用率以降低燃料消耗，同時有助于降低噪音，目前最大的涵道風扇發動機GE90X 的BPR=10.0，風扇葉尖直徑達到了3.4 m［5］。但增加涵道比需要核心機所有部件重新匹配設計，并且尺寸增大，尤其是熱力循環機制與推力運行機制的內在耦合使得BPR 存在上限。

傳統航空渦扇發動機中的渦輪直驅風扇配置，渦輪轉速越高，發動機效率越高并且功率密度越大，但涵道風扇若出現超聲速氣流會產生激波導致氣流分離反而降低風扇效率。因此，將渦輪與風扇解耦，高速渦輪機連接高速發電機提升核心機功率密度，高溫燃燒室提高燃油能量利用率，高效率電動機驅動風扇實現大涵道比推動，三者共同促進燃油消耗大幅降低。此外，這樣的電力驅動架構有利于分布式推進飛機的設計和電驅動系統取代傳統氣動、液壓驅動系統，從而實現航空全電氣化。該架構最大的挑戰之一就是研制高功重比和高效率的驅動電機［6］。

為了實現商用飛機的理想性能，驅動電機需要MW 級甚至高達50 MW 的功率水平［4］。而目前常規技術MW 級電機的功率密度通常在0.5 ～2.5 kW/kg，與渦輪核心機相比太小，不具有吸引力。高溫超導材料憑借其通直流可以無阻的特性用作電機勵磁繞組，可大幅提高氣隙磁密以增大磁負荷，降低銅損耗以提高電機效率，同時大幅縮減鐵磁材料用量以達到減重提升功率密度的效果。目前已被研究的高溫超導發電機在連接到高轉速工作的燃氣輪機時，具備實現＞10 kW/kg 的功率密度的能力，已經優于渦輪機的功率密度，超導電機技術為實現大功率航空電推進帶來了希望［6］。

一種理想的航空電推進超導電動系統方案首先通過渦輪機驅動超導發電機發電，經由超導電纜傳輸到超導電動機驅動風扇工作產生飛行推力。超導電機旨在解決大功率傳統電機功重比低、效率低的現狀，但超導的引入使得超導電機工作需要保持低溫，給超導電機的電磁與低溫結構設計帶來了挑戰。同時，超導線圈工作在復雜的旋轉磁場中，會產生損耗危害超導電機的安全運行。

本文內容首先對比并分析了3 種航空電推進超導電動系統方案特點，突出了超導電機對于超導電動系統的重要性。其次，從電機運行原理及結構拓撲等方面入手，對目前研究的高溫超導樣機進行歸類并總結分析。接著，對超導電機面臨的4 大關鍵技術進行歸納分析。最后，梳理了航空電推進中超導電動的應用與發展以及對未來超導電動航空的展望。

1 超導電動系統方案與特點

為實現航空業節能減排、綠色可持續發展目標，航空電力推進受到追捧，主要分為純電力推進系統和混合動力推進系統。航空電力推進系統采用一次或二次能源供給電動機驅動槳扇產生推力，與傳統航空推進系統的區別在于將能源單元與推進單元解耦，不僅有助于能源單元提高能源利用率，而且可以提高推進單元的推進效率，同時提高了航空電力推進系統設計的靈活性。超導電機具有大功率、小體積、低損耗等優勢，應用于航空電推進系統取代傳統電機，可以滿足大功率航空電推進緊湊、高效設計要求，由此衍生出純電力超導電動推進系統和混合動力超導電動系統2 種航空電力推進系統。

純電力超導電動推進系統包括發電系統和電推進系統，電推進系統由超導電動機和螺旋槳葉或涵道風扇（簡稱槳扇）組成，發電系統發電供給超導電動機驅動槳扇產生推力，其基本架構如圖1 所示。鋰電池、太陽能電池和氫燃料電池是當前發電系統的主要電源［7］，因其能量密度低、功率密度小等特點，限制了飛機起飛重量、飛行速度和續航時間等，僅能滿足小功率電動飛機推進系統的電力需求［8-9］。

混合動力超導電動系統包括航空發動機、超導發電機、儲能系統、超導電動機和槳扇等，其中發動機驅動超導發電機提供主動力輸出，鋰電池提供輔助動力，根據航空發動機軸是否直接和超導電動機相連可分為并聯式和串聯式混合動力超導電動系統。

并聯式混合動力超導電動系統中航空發動機與超導電機通過機械齒輪聯動裝置耦合共同驅動槳扇工作，可實現超導電機或航空發動機單獨工作的模態［10］，其基本架構如圖2 所示。當飛機需求功率低于航空發動機輸出功率時，超導電機作為超導發電機吸收航空發動機富余能量，供給儲能系統充電，但由于機械齒輪聯動裝置的存在使得此系統架構較為復雜，限制了系統效率的提高。混合動力飛機Boeing Sugar Volt 采用了通用公司研發的并聯混合動力裝置“hfan”，探索使用了5.3 MW 高功率水平的超導電機，與1.3 MW 低功率水平的傳統電機相比，超導電機可以提供足夠的動力，并延長了前端渦輪發動機的使用壽命，有效降低了飛機燃油消耗和污染物排放［11］。

圖2 并聯式混合動力超導電動系統基本架構Fig. 2 Basic architecture of parallel superconducting hybrid electric drive system

串聯式混合動力超導電動系統中航空發動機直接驅動超導發電機產生電能，與儲能系統一起供給超導電動機驅動槳扇產生推力，其基本架構如圖3 所示。航空發動機與超導電動機的分離設計實現了兩者解耦，利于航空發動機始終在最佳工作點穩定運行，提高了航空發動機熱力效率以降低燃油消耗［10］。航空發動機和超導發電機功率范圍必須滿足飛機巡航飛行時的動力需求，儲能系統需要提供飛機峰值功率大于超導發電機發電功率的部分，而該系統架構中超導電動機功率應覆蓋飛機所有的飛行狀態，所需功率較大。

圖3 串聯式混合動力超導電動系統基本架構Fig. 3 Basic architecture of series superconducting hybrid electric drive system

渦輪發電超導電動系統是目前實現大功率航空電推進飛機動力需求最有前景的一種方案，如圖3 所示。該方案采用燃氣渦輪發動機直接驅動超導發電機高效發電，經過超導電纜供給超導電動機驅動尾部槳扇［12］。此外，該電力推進架構利于飛機實現分布式推進設計，分布式推進單元在降低風扇直徑的同時可以提高推進效率。NASA N3-X 概念機采用渦軸發電超導分布式推進系統，通過機翼尖端的燃氣渦輪發動機驅動多臺超導發電機發電，總發電功率約50 MW，每臺發電機為一組超導推進單元供電，總推進功率約35 MW［13］。

超導電動系統中的低溫冷卻問題亦是關鍵技術，一種液氫能源制冷一體化的串聯式混合動力超導電動系統如圖4 所示，圖中的箭頭指示線表示液氫的流動順序及方向。首先液氫流向超導發電機和超導電動機中，對各自含有的超導結構進行低溫冷卻。冷卻后的液氫攜帶著大量熱量流向渦輪發動機中，作為無碳燃料對其做功，從而使整個超導電動系統的冷卻系統形成了閉環。液氫能源在整個系統中即是冷卻工質，又是燃料，實現了多重利用，更有利于綠色航空。

圖4 液氫能源制冷一體化的串聯式混合動力超導電動系統Fig. 4 A series hybrid superconducting electric system integrating liquid hydrogen energy refrigeration

大功率航空電推進飛機對電機的功率需求路線如圖5 所示，隨著飛機總推進功率的增加，動力系統對于電機的需求功率越來越大。相比于常規電機，超導電機擁有的高功率密度優勢，越是在大功率條件下，越顯著，從而為實現大型航空器的緊湊型設計和經濟性運營提供了技術支持，因此開展超導電機拓撲結構和關鍵技術的研究十分重要。

圖5 大功率飛機對電機功率需求路線圖Fig. 5 Power demand roadmap of electrical machine for high-power aircraft

2 超導電機基本分類與拓撲結構

2. 1 超導電機基本分類

超導材料具有卓越的載流能力及直流無阻傳輸特性，將超導材料替代原電機中的常規繞組或永磁體，便構成了超導電機（Superconducting Machine，SM），有望使電機功重比及效率提高。超導電機的分類方法有多種，如圖6 所示。根據所選取的超導材料類型，分為線材超導電機、帶材超導電機和塊材超導電機；根據超導材料所處位置，分為定子半超導電機（PSM-S）、轉子半超導電機（PSM-R）和全超導電機（FSM）；根據勵磁源不同，分為電勵磁超導電機、永磁勵磁超導電機和混合勵磁超導電機；根據轉子結構不同，分為超導同步電機和超導異步電機；根據定轉子間隙方向及磁通路徑復雜程度，分為常規結構超導電機和特殊結構超導電機，常規結構超導電機又分為徑向間隙超導電機和軸向間隙超導電機，特殊結構超導電機包括軸-徑向間隙超導電機、單極超導電機、爪極超導電機、磁通切換超導電機和磁齒輪超導電機等。

圖6 超導電機的分類方法Fig. 6 Classification of superconducting machines

目前對于航空電推進系統而言，常規結構超導電機的工作轉速均受到不同程度的限制，更適宜充分利用其低速、大扭矩、高效率的特點，作為電動機來驅動風扇或槳葉。而特殊結構超導電機憑借其特殊的結構特點，可以在高轉速下工作，較適合作為航空電推進系統中的發電機。

下面將依據定轉子間隙方向及磁通路徑的分類方法，分別闡述超導電動機和超導發電機的拓撲結構特點及相關原理樣機的研究進展。

2. 2 超導電動機拓撲結構

2.2.1 徑向間隙超導同步電動機

定轉子間隙方向沿轉子半徑方向，并且磁通路徑閉合面垂直于轉軸的超導電機稱為徑向間隙超導電機，如圖7 所示。根據超導所處位置不同，又可細分為徑向間隙轉子半超導電機、徑向間隙定子半超導電機和徑向間隙全超導電機。

圖7 徑向間隙超導電機Fig. 7 Topology of radial gap SM

徑向間隙轉子半超導電機的定子繞組由銅線繞制，在轉子上采用超導磁體進行勵磁。徑向間隙轉子半超導電機轉子需要低溫冷卻系統、隔熱轉矩結構、超導供電滑環結構以及電磁屏蔽結構等維持超導磁體正常工作［14］，如圖8 所示。相同尺寸的超導磁體可以產生更高的氣隙磁密，勵磁繞組可采用無鐵芯結構減輕轉子結構重量，大幅提升電機功率密度。但轉子勵磁無鐵芯結構使得超導材料的用量以及漏磁增加。同時，超導勵磁繞組隨轉子旋轉，帶來了大電流滑環電刷磨損，超導二元引線漏熱，轉軸冷卻通道動密封以及通過轉矩傳遞漏熱等問題，嚴重限制了轉子半超導電機的工作轉速，工作轉速均低于5 kr/min。

圖8 徑向間隙轉子半超導電機示意圖［14］Fig. 8 Diagram of radial gap PSM-R［14］

相比于轉子半超導電機，徑向間隙定子半超導電機的低溫冷卻系統相對簡單，技術上更容易實現。同時，由于超導的高載流密度特性，可使超導電機趨向小型化和輕質化。為簡化冷卻系統和緩解轉子超導勵磁半超導電機低溫旋轉動密封的矛盾。出現了一種定子超導勵磁-旋轉電樞型的第1 類徑向間隙定子半超導電機，該電機采用靜置的超導勵磁繞組和旋轉的銅電樞繞組，靜置的超導勵磁結構大幅降低了超導冷卻系統復雜程度，但旋轉電樞結構仍擺脫不了滑環電刷的制約，同時使銅損耗增加。美國［6］和法國［15］分別就內旋轉電樞和外旋轉電樞的第1 類徑向間隙半超導電機開展了相應的研究工作。

如果將電機的電樞繞組用超導繞組替代，轉子采用常規勵磁，便形成了轉子常規勵磁-超導電樞型的第2 類徑向間隙定子半超導電機［16-18］。但超導電樞繞組在交變電流或交變磁場工作條件下，會產生一定的交流損耗。相對于旋轉勵磁型電機而言，該種結構電機的超導電樞低溫冷卻系統是靜置的，相對簡單，但是超導電樞繞組結構往往需要相對龐大的低溫冷卻系統。

徑向間隙全超導電機可以同時擁有高載流密度和高氣隙磁密，且重量較小，具有半超導電機所有的優點，也面臨著半超導電機的所有難題。世界各國目前主要以全超導電機概念設計為主，圖9 展示了面向航空電推進的全超導電機概念設計的功率-功率密度-轉速分布情況。如圖9 所示，在理論上，考慮制冷系統重量后的全超導電機功率密度可以高達25.6 kW/kg，性能遠高于常規同類電機，可以滿足大型電動飛機推進系統要求。全超導電機的研制主要圍繞小功率樣機開展，目前報道的有英國劍橋大學［19］、中國清華大學［20］、俄羅斯莫斯科航空學院［21］和日本九州大學［22］。

圖9 全超導電機概念設計的功率-功率密度-轉速分布Fig. 9 Power-power density-speed distribution of conceptual design of FSM

2.2.2 軸向間隙超導同步電動機

定轉子間隙方向沿轉軸方向，并且磁通路徑閉合面平行于轉軸的超導電機稱為軸向間隙超導電機，如圖10 所示［23］。軸向間隙超導同步電機以盤式轉子為主，轉子或定子采用超導繞組替代常規繞組，或者采用超導疊層導體或塊材進行勵磁，以提高電機的功率密度與效率，此種結構的電機優點是在保證外徑不變的情況下，可以通過模塊化設計來增大電機容量。但是，由于盤式轉子的轉動慣量相對細長轉子較大，盤式轉子在高速運轉時邊緣受力嚴重，同時轉子勵磁或電樞繞組的供輸電仍受到滑環電刷的限制，導致盤式轉子的轉速不宜過高。

圖10 軸向間隙超導電機［23］Fig. 10 Topology of axial gap SM［23］

文獻［23-25］分別研究了400 kW 單轉子盤與雙轉子盤軸向間隙超導電機，其端電壓為618 V，頻率為16.7 Hz。截止目前，超導疊層導體與塊材在實驗室分別可以俘獲高達17.7 T［26］和17.6 T［27］的磁場，但是對于電機中作為勵磁磁體使用時，如何高效磁化是亟待解決的問題。

2.2.3 超導異步電動機

相對于同步電機，異步電機由于可靠性高、成本低和寬泛的調速能力，在工業中應用更加廣泛。因此，超導異步電機也是超導電機研究的熱點。最常見的異步電機為鼠籠型轉子電機。鼠籠型超導轉子從起動至穩定工作過程中，由于超導正常工作時無阻的特性，超導導條與端環會經歷超導態-正常態-超導態的過程，鼠籠型超導異步電機會表現出同步電機特性，即鼠籠型超導異/同步電機，其轉子結構如圖11 所示［28］。

圖11 鼠籠型超導異/同步電機轉子［28］Fig. 11 Squirrel-cage type rotor of superconducting induction/synchronous motor rotor［28］

鼠籠型超導異/同步電機，轉子采用超導導條與端環實現自短路結構，雖然免去了勵磁電源，但低溫旋轉密封仍是目前研究重點，該類型的電機主要由日本京都大學研制［28-29］，冷卻方式采用液氮直接浸泡式冷卻，因此工作轉速受到限制，優點是相對于同等常規電機可以輸出高達10 倍的轉矩。由于端環與導條通過焊接連接，仍有微小電阻存在，故電機會在異步-同步狀態之間切換工作，因此高效的低溫冷卻結構是實現鼠籠型超導異/同步電機穩定工作的前提保障。

文獻［28］研究了50 kW/400 V/50 Hz 的超導異步電機在12 kW 下的轉矩和轉速對電機性能的影響。隨著轉矩的增大，超導異步電機的效率逐漸增大，最終效率穩定在82%。而增大轉速則增大了定子損耗和轉子損耗，使電機效率減小。

2. 3 超導發電機拓撲結構

由于常規結構超導電機不宜工作在高轉速條件下，因此功率密度提升能力有限。對于航空電推進系統的需求，渦電動力是一種極具前景的全電航空實現途徑。渦輪發電機的突出特點是高功率、高轉速以及高效率，因此，多種適宜高速工作的超導發電機結構被加以報道。

2.3.1 軸徑向間隙超導同步發電機

為避免轉子超導勵磁動密封難題以及超導體勵磁磁密不足的現狀，在第2 類徑向間隙定子半超導電機的基礎上，在轉子端部增加軸向超導勵磁結構，得到一種新型的軸-徑向間隙超導電機［30］。軸-徑向間隙超導電機的定子電樞繞組與徑向間隙超導電機相同，區別在于前者在轉子端部增加了靜置的超導勵磁磁體與閉磁環，轉子端部增加了N 極導磁端環和S 極導磁端環，導磁端環與轉子連成一個整體，閉磁環與導磁端環留有軸向間隙，因此電機內部同時存在徑向和軸向磁通路徑，其局部結構如圖12所示。

圖12 軸-徑向間隙超導電機局部結構［30］Fig. 12 Local structure of axial-radial gap SM［30］

軸-徑向間隙超導電機綜合了徑向氣隙超導電機和軸向氣隙超導電機結構特點，采用此新型結構有效地解決了超導電機的低溫容器旋轉動密封和軸的冷卻收縮補償問題，克服了系統可靠性低的缺點，通過超導軸向勵磁增加徑向氣隙磁密，進而增加空載反電勢和電磁轉矩，提高電機功率并增大電機功率密度。此種電機轉子采用常規永磁轉子，因此轉子可以高速工作，但由于轉子采用細長結構，且限于導磁端環材料的磁飽和程度，超導勵磁對氣隙磁密的提升能力有限，并且轉子端部超導勵磁結構使超導電機的整體冷卻結構及裝配結構變得復雜。

2.3.2 超導單極發電機

超導單極電機磁路為復雜的三維空間結構，主要由超導勵磁繞組、實心轉子、定子結構和導磁結構組成，按照超導勵磁繞組的放置位置，可分為如圖13 所示的2 種方案。實心轉子為兩側空間錯位分布的凸極結構，在超導勵磁繞組的激勵下，左右兩端類似永磁體的N/S 極，同側極頭凹凸有致的布局使得氣隙磁密呈現峰谷差異，特殊的導磁結構將磁場旋轉一定角度后實現磁通路徑錯位閉合。

圖13 超導單極電機原理示意圖［31］Fig. 13 Schematic diagram of superconducting homopolar machine［31］

超導單極電機采用靜置的超導勵磁繞組，超導磁體免于受到離心力的作用，安裝和布置簡單，常溫實心轉子宜采用燃氣輪機直驅，實現高轉速以提高電機功率密度，可作為渦電動力航空備選方案。2008 年，美國通用電氣研制并成功測試了一臺1.3 MW、10.5 kr/min 樣機［31］，測試端電壓為266 V，線電流為1 460 A，頻率為525 Hz。2019 年，北航楊文將課題組進行了30 kW 級原理樣機研制，額定轉速10.2 kr/min，頻率為510 Hz 輸出端電壓為236～500 V。空載、負載試驗與理論設計較為一致，驗證了設計方法的合理性［32］。

2.3.3 超導爪極發電機

超導爪極電機同樣采用靜置的超導勵磁繞組，在其激勵下感應出2 個同極磁爪，區別在于2 個同極磁爪在空間交叉分布，2 個同極磁爪與阻磁結構共同組成了爪極電機的轉子，按照超導磁體的位置不同，2 種不同的超導爪極電機方案如圖14 所示［33］。同極磁爪與定子電樞的磁路仍是徑向磁通路徑，但是2 個同極磁爪之間磁通用阻磁結構隔斷，磁路通過導磁結構實現閉合。2012 年，英國愛丁堡大學對第2 種配置進行了探索性研究［34］。2015 年，莫斯科航空學院測試了一種的21.7 kW、9 kr/min 的小型原理樣機［33］，其端電壓為99 V，額定電流為125 A，頻率為450 Hz。

圖14 超導爪極電機原理示意圖［33］Fig. 14 Schematic diagram of superconducting clawpole machine［33］

2.3.4 超導磁通切換發電機

超導磁通切換電機將勵磁繞組與電樞繞組均布置在定子槽內，轉子由導磁與阻磁結構組成，當轉子轉過一定角度后，由于阻磁結構的阻隔，電樞繞組中的磁通量大小由正向最大變到負向最大，實現磁通變化感生出電壓，實現電磁與轉子動能的轉換，其原理圖如圖15 所示［35］。

圖15 超導磁通切換電機原理示意圖［35］Fig. 15 Schematic diagram of superconducting flux switching machine［35］

此種電機結構的轉子結構簡單，利于高速旋轉工作。若阻磁材料采用超導塊材會增大電磁轉矩，但也會引入低溫旋轉動密封等問題。由于定子槽內超導繞組呈現多層分布，導致較低的槽滿率，同時勵磁繞組與電樞繞組的同槽配置使得勵磁繞組的電磁屏蔽結構顯得尤為關鍵，間接增大了電機體積。2018 年，中國石油大學研制了使用分瓣轉子和跑道型杜瓦結構的6 kW、2 kr/min 超導磁通切換發電機［35］，其端電壓為100 V，頻率為100 Hz。

2.3.5 超導磁齒輪發電機

基于磁場調制原理，文獻［36］報道了一種面向風力發電應用的外轉子全超導磁齒輪電機。結合電動航空發電機高轉速、低噪音的特點，本作者提出一種內轉子超導磁齒輪發電機結構，如圖16 所示。該電機由外定子、外低速轉子、內調制定子和內高速轉子4 部分組成，通過磁極代替齒輪實現內外轉子無接觸傳遞扭矩，大幅降低噪音。內高速轉子因采用常規永磁轉子可以直接利用渦輪驅動高速旋轉，外低速轉子采用封閉式冷卻避免了接觸漏熱問題以及低速旋轉降低了超導帶材所受離心應力。此電機結構通過調制定子可以增大轉矩密度，但仍有很大的提升空間。磁齒輪結構增大了電機的體積和重量，同時，大量鐵芯及永磁體導致該電機運行效率較低。

圖16 超導磁齒輪電機原理示意圖［36］Fig. 16 Schematic of superconducting geared machine［36］

圖17 超導單元結構［42-43］Fig. 17 Superconducting cell structure［42-43］

上述各種超導電機的結構特點及優缺點匯總見表1，對應樣機的技術指標及性能參數見表2。

表1 不同類型超導電動機/發電機的技術特點匯總Table 1 Summary of technical features of different types of superconducting motors/generators

表2 典型超導電動機/發電機的性能參數匯總Table 2 Summary of parameters for typical superconducting motor/generator prototypes

2. 4 小 結

電動機是航空電推進系統的核心，目前地面運用的大功率超導同步電動機技術成熟度較高，應用在航空電推進中有更高的可靠性與穩定性。

發電機系統是電推進系統中供電系統的關鍵。針對航空電推進發電機高轉速的要求，需要從高轉速對電樞交流損耗和轉子結構強度2 方面的影響來分析。首先交流損耗只發生在超導電樞繞組中，但是現在超導電樞繞組技術研究尚不成熟，仍處于超導繞組線圈的單體研究階段，極少有應用超導電樞繞組的超導電機樣機。所以現階段使用轉子半超導電機作為航空電推進超導發電機，即提高了一定的功率密度，也避免了過高的交流損耗，是一種更加可靠穩定的優選方案。

此外，超導單極發電機和超導爪極發電機通過將超導勵磁線圈靜置的方式得以使超導發電機轉子高速工作，滿足渦輪高轉速、高效率工作要求。且該種類型電機的整體轉子結構具有更高的可靠性，是航空電推進超導發電機的優選方案。如表2 中美國通用公司研發的航空電推進用1.3 MW 轉子半超導單極發電機，額定轉速高達10 kr/min，在綜合考慮制冷系統重量和電機重量后的功率密度仍高達9.4 kW/kg，即保證了高轉速，也大幅提高了電機整體功率密度。綜上，針對航空電推進超導發電機的高轉速、高功率密度和高損耗之間的矛盾，在現階段做出了合適的權衡和選擇。

3 超導電機本體關鍵技術與特點

3. 1 超導技術

3.1.1 超導材料的發展與規模化

超導材料按照工作溫度分為低溫超導體與高溫超導體，相比于低溫超導體，高溫超導體在冷卻方面占有得天獨厚的優勢，因此，高溫超導體的研究受到了各國的青睞。截止目前，超過百余種高溫超導（HTS）材料已被發現，但實現了企業規模化生產及應用的以BSCCO 系列超導材料、ReBCO 系列超導帶材以及MgB2為主［37］。BSCCO 系列和ReBCO 系列超導材料的臨界溫度超過液氮沸點，使得冷卻難度降低。由于BSCCO 系列采用銀基底，且銀與超導材料的比例高達4：1，這導致BSCCO 系列超導體成本較高［38］。ReBCO 系列高溫帶材的臨界電流密度高于其他高溫超導帶材，其質地較硬且脆，在彎曲過程中臨界電流密度將會有一定程度的下降［39］。MgB2超導體工作溫度在35 K 以下且臨界電流略低于YBCO 的臨界電流，但其制造成本比其他高溫超導體低，在高強磁場有著出色的性能表現，但是穩定性以及物理性能仍有提升空間［40］。

3.1.2 超導單元與線纜的發展

超導材料雖具有承載大電流的能力，但因其對磁場表現出各向異性以及加工缺陷等原因，使得單根超導帶材的通流能力減弱甚至危害超導磁體穩定運行［41］。將多根超導帶材通過一定的工藝制成超導單元，可以大幅提升其臨界電流以及魯棒性，同時可以降低損耗。目前，主流的超導單元結構主要包括Rutherford、Roebel、TSTC、CORC、CICC 和 RSCCCT，如圖 17所示［42-43］。

Rutherford 超導單元一般采用圓形截面超導線繞制［44］，近幾年有關超導帶材繞制的Rutherford 超導單元見諸報道［45］。Roebel 超導單元通過較寬的超導帶材沖壓切割再堆疊制成，制造工藝復雜，并且通電時沖壓拐角易發生應力集中，影響載流能力。TSTC 與CORC 結構超導單元的各向異性，可有效降低外磁場對超導單元的影響。CICC 結構是目前核聚變磁體研究的重點［46］。此外，關于電能傳輸的線纜構型形成了三相獨立式、三芯式和三相同軸式電纜格局［47］。

3. 2 超導電樞繞組技術

超導電樞繞組憑借超導材料的高載流能力提高了電機線負荷，為實現大功率全超導電機輕質小型化提供了技術支撐。超導電樞繞組的結構設計同常規電機電樞繞組是基本類似的。但是，超導電樞繞組在交變磁場和交變電流下會產生嚴重的交流損耗，這成為了目前制約電機全超導化進程的障礙，因此，如何降低超導電樞繞組交流損耗和高效低溫冷卻成為了超導電機重點研究方向。受限于超導材料成本與抗彎機械特性限制，目前超導電樞繞組的研究以低轉速、小功率超導電機為載體致力于解決交流損耗關鍵難題［48］。

目前超導電樞繞組結構的研究分為集中繞組［18］、分布繞組［29］和環形繞組［28］3 種，如圖18 所示。因超導繞組的抗彎曲性能與其電性能密切相關，導致目前分布式超導繞組的槽滿率不高，性能提升無法最大化；環形超導繞組雖可以提高槽滿率但增加的超導用量使成本增加；而集中式超導電樞繞組因結構簡單受到更多的關注，如第3 節中提到的永磁轉子-定子電樞型定子半超導電機和全超導電機樣機的定子電樞均為此種結構。超導電樞繞組的交流損耗會導致超導線圈溫度升高，溫度升高又會加劇交流損耗現象，容易導致電樞繞組發生不可逆轉的損壞。因此，一方面通過高效的低溫冷卻技術來及時帶走熱量，確保電樞繞組正常工作；另一方面，主要通過降低超導電樞繞組交流損耗來滿足其工作需求。

圖18 超導電樞繞組構型Fig. 18 Configuration of superconducting winding

目前降低超導交流損耗的研究主要圍繞寬帶刻絲技術［49］、磁通分流鐵磁結構［50］和新型繞組工藝［51］等方面進行開展。通過激光刻劃技術將較寬超導帶切割成窄帶或多絲結構，使得超導帶中電流分布相對均勻以降低交流損耗。鐵磁性磁通分流器降低了超導繞組垂直場分量，改善了超導帶材性能退化程度降低交流損耗。在新型繞組結構方面通過增大電樞繞組層間間距或填充絕緣材料減少耦合損耗［52］；通過分布式繞組或雙層繞組有效降低諧波，進而降低交流損耗［53］；通過馬鞍形電樞繞組結構也可以明顯改善端部超導繞組的垂直場分布，進而降低交流損耗［51］，但此種結構加工有一定的難度。此外，文獻［54］報道用MgB2制作的CICC 線纜嘗試繞制三相分布式超導電樞繞組，并進行了交流損耗測試，結果比預期高一個數量級；文獻［55］報道了用CORC 線纜的初步彎曲試驗，機械應力對線纜的性能影響突出。部分新型電樞繞組工藝結構如圖19 所示。

圖19 新型超導電樞繞組工藝Fig. 19 New process of HTS armature winding

3. 3 超導轉子技術

轉子采用超導勵磁可以大幅提高電機的磁負荷。以典型徑向超導電機轉子為例，轉子的關鍵結構設計包括超導勵磁線圈、鐵磁及支撐結構和電磁屏蔽結構等，如圖20［56］所示。超導轉子的技術難點主要包括直流超導磁體、先進鐵磁材料、轉子勵磁方法等內容。此外，超導轉子中冷卻工質的旋轉密封方法主要采用了廣泛應用于回轉動密封裝置上的磁流體密封技術［57］，該技術本身應用較為成熟，后續不再展開論述。

圖20 徑向超導電機［56］Fig. 20 Radial superconducting machine［56］

3.3.1 直流超導磁體

全超導電機及轉子半超導電機的轉子勵磁繞組都是由直流超導磁體構成。直流超導磁體通常具有高載流、高磁場或大尺寸等特點，因此高溫超導帶伴隨著較大的橫縱向電磁應力，橫向電磁力易造成二代高溫超導帶材的多層復合結構層間分層，縱向電磁力超過帶材允許最大拉伸強度將不可逆轉地降低臨界電流，目前研究包括通過制造工藝增強帶材自身強度［58］、并行繞制高強度合金帶［59］、設計應力傳遞結構［60］、環氧或石蠟浸漬固化［61］和采用無絕緣繞制手段［62］來滿足勵磁繞組磁體中高溫超導帶材的機械性能要求。

由于高溫超導失超傳播的低速特點，給直流超導磁體的熱管理與失超保護帶來了挑戰，常規的低溫超導有源電路保護設計將無法保障磁體的安全，無絕緣繞制是目前比較有效地改善磁體熱分布的一種手段［63］，如何安全及時有效地實現對磁體的熱管理與保護［64］是目前研究的重點方向。

高溫超導材料在遭受較大法向磁場時，臨界電流密度將急劇衰減，并且在定子電樞繞組及定子齒槽結構所產生的高頻諧波磁場作用下，轉子超導線圈會產生磁滯損耗及動態損耗。一方面可以在超導線圈間設置磁通分流器減弱自場影響，另一方面采用銅或鋁制的電磁屏蔽層來隔離定子產生的諧波磁場對轉子超導繞組的影響［65］。

總之，對構成勵磁繞組的直流超導磁體的結構強度、電磁應力與機械應變、熱管理和失超保護、電磁屏蔽等關鍵技術的突破是保障超導勵磁繞組安全穩定工作及大幅推廣應用的前提。

3.3.2 先進鐵磁材料

轉子的鐵磁及支撐結構主要指轉子鐵芯結構，轉子采用無鐵芯設計，有助于低溫冷卻結構設計和避免鐵芯磁飽和問題，非金屬支撐結構可以減重同時減少渦流損耗，是目前主流超導電機樣機轉子采用的設計方案［14，66］。轉子采用鐵磁性鐵芯設計，降低了勵磁磁動勢的需求，節省超導材料用量降低了成本，同時使用鐵磁性鐵芯能夠改善氣隙磁場波形，采用高飽和磁性材料有利于提高氣隙磁密。表3 列出了超導電機中常用的導磁材料在常溫下的性能參數［67］。硅鋼是電機中最常用的導磁材料，在降低損耗與成本方面有著較大的優勢；鈷鐵合金是目前已知軟磁材料中具有最高飽和磁密和高強度的導磁材料，飽和磁密可達2.4 T，但成本較高；文獻［68］中報道了一種9%的鎳鋼材料，其具有較高飽和磁密和低熱膨脹系數，能夠更好地適配轉子低溫環境中的熱收縮問題，是一種理想的超導轉子鐵芯材料。

表3 導磁材料性能［67］Table 3 Properties of magnetic materials［67］

3.3.3 轉子勵磁方法

目前超導電機的轉子勵磁方法主要有電勵磁、混合勵磁、磁化勵磁3 種。

電勵磁是通過向固定在轉子上的超導勵磁線圈通入直流電流，從而產生穩定的氣隙磁場。電勵磁是現在超導電機中使用最廣泛的一種勵磁方式，通常應用在徑向間隙超導電機中轉子超導勵磁線圈本質是直流超導磁體，但因其隨轉子旋轉，增加了超導通流設計難題，目前主要采取滑環電刷為超導勵磁線圈供電。因為高溫超導帶材通流會表現出一定的磁滯現象，所以在對超導勵磁線圈進行電勵磁的過程中，屏蔽電流效應使得超導磁體無法達到設計要求，研究表明可以通過過沖電流［69］、多帶扭絞［70］等手段降低屏蔽電流效應。

混合勵磁是將電勵磁和永磁體結合的一種高效勵磁方式，可以有效彌補超導單極發電機轉子同側同極性造成漏磁嚴重的問題，同時降低超導電勵磁所需磁動勢進而節約經濟成本。通常電勵磁作為主要勵磁方式，永磁體作為輔助勵磁方式，混合勵磁超導單極的磁場分布較復雜，磁路呈現典型的三維特性［71］。

磁化勵磁是基于高溫超導體的磁通釘扎特性，通過將超導塊材放在強磁場中，使其俘獲磁通形成超導磁體，進而給超導電機進行勵磁。磁化勵磁相對于上述電勵磁，省去了提供勵磁電流的勵磁機和旋轉整流器等設備，電機整體結構更加簡單，可靠性更高，通常應用在塊材超導電機和軸向間隙超導電機中。但是由于超導磁化技術的限制，當前疊層導體或超導塊所俘獲磁場的磁感應強度僅和高性能永磁體相當，在低溫下的性能優勢并不顯著［8］。

3.3.4 特殊類型轉子

一些特殊結構的超導電機，如超導單極電機與超導爪極電機，將超導勵磁繞組與旋轉部件分離，避免了旋轉動密封、滑環電刷等問題，削弱了超導受力應變受損問題，這樣的結構布局使得電機轉子只需具備導磁功能，不僅利于提升電機工作轉速，同時增強了工作可靠性。對于此種電機，轉子可采用高導磁材料整體制造而成。

3. 4 低溫技術

低溫技術與超導電機密切關聯，高效的低溫技術可以將超導材料及其支撐結構產熱或外部環境導入的熱量及時帶走，維持超導電機正常工作。典型的超導電機低溫系統如圖21 所示，主要包括定/轉子制冷機、冷卻工質、超導勵磁繞組及其低溫結構以及磁流體密封。

圖21 低溫系統示意圖Fig. 21 Schematic diagram of cryogenic system

3.4.1 冷 源

低溫技術中常用的冷源是制冷機，市場上常見的制冷機有GM 制冷機、斯特林（Stirling）制冷機和布雷頓（Brayton）制冷機。GM 制冷機工作性能受重力影響較大，一般應用在地面固定方向使用；而斯特林制冷機和布雷頓制冷機具備不同方向工作的能力和極端壓力環境下耐受力，同時具有超高可靠性，能夠滿足航空器飛行中出現的過載或滾轉等極端環境下高性能工作要求。但斯特林制冷機和布雷頓制冷機的制冷功率較低，一般不超過150 W，在20～50 K 的制冷溫區具有較高的功重比［72］。

3.4.2 冷卻工質

多數高溫超導材料的臨界轉變溫度超過了液氮沸點77 K，在液氮溫區即可實現超導態，大幅降低制冷成本。但溫度越低超導材料性能越強，故采用氦、氖、氫等作為低溫冷卻工質可以節省超導材料用量或者設計更高的安全裕度以提高超導工作可靠性，但所需制冷成本又太高。表4 列出了常用冷卻工質的工作溫區及特點。

表4 冷卻工質工作溫區與特點Table 4 Working temperatures and characteristics of cooling media

受制冷成本的限制，目前超導電機樣機在地面測試時，大多采用液氮來進行冷卻。結合電動飛機和航空電推進系統的特點，固氮蓄冷和液氫冷卻將在機載超導電機的冷卻中有廣闊的應用前景。

3.4.3 低溫恒溫器

低溫恒溫器是維持超導繞組低溫的隔熱容器，即真空杜瓦結構，根據包絡空間不同分為整體式和分離式2 種，整體式低溫恒溫器置于電機外部，分離式低溫恒溫器置于氣隙間對轉子或定子超導分別進行絕熱。分離式低溫恒溫器起到定轉子間熱屏蔽的作用，可以有效減少定轉子間輻射漏熱，但卻增大了定轉子間氣隙長度，使用鋁質材料可以實現電磁屏蔽與熱屏蔽的雙重效果［73］。超導定子和轉子都經歷了低溫到高溫環境，減少定子和轉子內傳導漏熱是維持超導低溫的重要保障。并且轉子是扭矩傳遞的載體，常采用具有高強度和低傳熱系數的G10 玻璃鋼材料制作隔熱扭矩結構滿足轉子的低溫與轉矩傳遞要求［74］。

3.4.4 冷卻方式

轉子或定子本體常采用內置冷卻通道與回流低溫工質對流換熱冷卻，超導線圈通過導冷結構與冷卻工質或冷頭傳導換熱冷卻。超導線圈的二元電流引線作為連接室溫與低溫區的關鍵部件，兩端溫差大，通常延長低溫接線長度并在引線節點處增設冷屏或直接冷頭冷卻［75］。

按照冷源與超導材料接觸方式，將低溫系統冷卻方式分為直接冷卻和間接冷卻。一種直接冷卻方式是指超導材料直接與制冷機冷頭接觸進行熱量傳遞。歐盟的EcoSwing 超導發電機，其超導勵磁線圈通過導冷板與GM 制冷機冷頭直接相連傳導冷卻，其冷卻原理如圖22（a）所示。此種冷卻結構需要旋轉接頭組件將熱端壓縮機至冷頭前段高壓氦氣與冷頭后與熱端壓縮機間低壓氦氣連通，同時在冷頭與超導體間增加柔性銅結構連接以降低冷頭機械振動造成的干擾［76］。

圖22 直接冷卻［76］Fig. 22 Direct cooling［76］

另一種直接冷卻方式是將超導材料直接沉浸至冷源工質中，這樣保證了足夠大接觸面積以加強換熱，利用冷源工質較大的相變潛熱或汽化潛熱進行冷卻，載熱能力強，其冷卻原理如圖22（b）所示。液氮或過冷液氮作為冷卻工質成本低且能夠滿足大部分高溫超導材料的冷卻需求，是理想的地面高溫超導樣機試驗采取的制冷方案［77］。高能液氫燃料作為冷卻工質，常用作開放式冷卻系統設計，與超導部件換熱后的高焓值氣氫可以直接燃燒提高能量利用率，在超導電動航空領域引起了廣泛的關注，但氫密度低，需要大型低溫儲罐［78］。固態氮能夠達到冷氦氣的工作溫區，具有熱容大成本低等優勢，利用制冷機達到低溫穩態溫度后，可脫離制冷機單獨運行一段時間，常用在便攜式超導系統中［79］。

間接冷卻是指超導材料不直接與冷源接觸的冷卻方式，分為強迫對流冷卻和旋轉熱管冷卻2 種，間接冷卻的冷源常用制冷機。強迫對流冷卻采用迫流裝置使冷卻工質流經低溫系統內置的冷卻結構，通過強迫對流換熱將冷量導入到超導組件，之后回流到冷源處，達到循環制冷目的［80］。圖23（a）展示了一種內置冷卻結構示意圖，強迫對流冷卻常使用冷氦氣或其他液體作為冷卻工質，循環過程一般不發生相變，難點在于復雜的冷卻結構設計及其對系統可靠性的影響。

圖23 間接冷卻［57］Fig. 23 Indirect cooling［57］

旋轉熱管冷卻指超導電機運行時，位于轉子蒸發空間里的液體冷卻工質吸收轉子熱量汽化，經過內置氣路管道到達冷源處的冷凝器，在冷凝器液化后再經過內置傳輸管道在重力的作用下回到蒸發空間，吸熱蒸發冷凝回落實現自循環，如圖23（b）所示，其循環回路簡單，但冷卻工質與超導磁體間傳熱距離大，熱弛豫時間較長，常使用氦或氖作為冷卻工質［57］。

3. 5 絕緣技術

航空電推進用超導電機一般為大功率MW級，所以電壓等級普遍比較高，為超導高壓電機。而絕緣技術是超導高壓電機穩定運行的關鍵，超導高壓電機絕緣系統需承受較高的電應力、機械應力、熱應力等，并且不同的工作環境對電機運行穩定性及壽命提出了更高要求。典型的高壓電機絕緣問題主要有主絕緣擊穿、局部放電擊穿、絕緣受潮、絕緣老化等［81］。以下將從超導帶材及線圈絕緣、定子鐵心絕緣、定子繞組絕緣、定子繞組固定以及轉子繞組絕緣5 個方面來闡述超導高壓電機的絕緣問題。

3.5.1 超導線圈絕緣

相比于常規高壓電機，超導高壓電機本體上最顯著的特點及亮點就是使用了超導線圈來制作繞組，所以首先來闡述超導電樞繞組中超導導線及線圈的絕緣問題。這也是超導高壓電機在絕緣技術方面主要異于常規高壓電機之處。

根據超導帶材是否被主動絕緣，可以分為絕緣繞制和非絕緣繞制。其中絕緣繞制又分為2 種主動絕緣方法：一是直接對超導帶材進行絕緣處理，在超導帶材表面纏繞聚酰亞胺薄膜或施加聚合物皮層等［82-84］；二是通過在繞制超導線圈過程中共繞不銹鋼裸帶或其他經過絕緣化處理的帶子，由于其低電導率，也能提供匝與匝之間的電絕緣［85］。

而非絕緣繞制為直接用裸超導帶繞制超導線圈，盡管非絕緣線圈其匝間沒有絕緣材料，但由于超導帶材由復合材料構成，除超導層之外還有銅、銀、哈氏合金等金屬層，在適宜超導材料運行的液氮低溫下，這些金屬層的電阻率比超導層高出幾個數量級，因此超導帶材在穩定通流時，電流將集中在超導層中進行穩定流動。即在非絕緣繞制的超導線圈中，超導帶材內部的金屬層可以起到絕緣的作用。非絕緣繞制的超導線圈主要優點為，如果超導線圈上的某一部位出現局部失超現象，本應該流經超導層的電流可以避開處于電阻極大的常導態超導層，經過電阻相對較小的其他金屬層進行分流，繼而可以防止失超部位的進一步擴大［86］。從該種意義上來看，非絕緣繞制的超導線圈是自穩定的，不需要主動的失超保護措施。此外，非絕緣繞制的超導線圈沒有其他的絕緣材料占用線圈本身的空間，可以繞制更多匝數超導帶，從而提高超導線圈電流密度。

3.5.2 定子鐵心絕緣

超導高壓電機定子鐵心的絕緣方法和常規高壓電機一樣，通過在鐵心硅鋼片上涂絕緣漆，將構成鐵心的每一片硅鋼片隔離開，從而避免超導高壓電機產生的熱量對定子的壽命造成影響［87］。硅鋼片的絕緣厚度越薄越好，但是過薄的硅鋼片會降低電機的機械和介電性能，所以超導高壓電機定子鐵心絕緣的關鍵則是在于選擇一種合適的涂在硅鋼片上的絕緣漆。目前常用且已經成熟的絕緣漆有水溶劑型、有機型、半有機型和無機型硅鋼片絕緣漆［88］。并且驗證絕緣漆是否合格且達到高標準高性能的要求，還需通過美國通用電氣公司的耐受Franklin 燒損試驗［87］。

3.5.3 定子繞組絕緣

超導高壓電機的定子繞組絕緣主要包括絕緣材料和絕緣結構2 大類。首先絕緣材料需要根據超導電機的類型來分別考慮，因為轉子半超導電機是常規電樞繞組，所以其絕緣材料同常規高壓電機要求一樣，主要為環氧云母帶和常規電磁線，常規電磁線又包括漆包線和繞包線2 種，其應用已較為成熟［89］，在此不再贅述。而對于定子半超導電機和全超導電機而言，因為電樞繞組由超導線圈構成，所以使用的絕緣材料應滿足前文中敘述的超導線圈絕緣要求。

定子繞組的絕緣結構包括換位導線絕緣結構和主絕緣結構。目前換位導線絕緣結構存在絕緣厚度偏大和空間利用率較低的問題，應朝向薄絕緣厚度和高槽滿率方向進行深入優化［87］。主絕緣有多膠和少膠-真空壓力浸漬（VPI）2 種體系［90］，由于后者在絕緣處理方面的巨大優勢，目前超導高壓電機的主絕緣處理主要通過少膠VPI方法。此外，可以通過增大換位導體或定子線圈的圓角半徑、增加半導體墊條來減弱定子線圈角部電場［88］，從而降低主絕緣擊穿的可能性。

3.5.4 定子繞組固定

超導高壓電機的電樞繞組固定類似于常規高壓電機，著重對槽部和端部進行固定，目前通常使用注射硅膠、半導體槽襯、室溫硫化硅橡膠或半導體室溫硫化硅橡膠的方法對槽部進行固定，端箍方法則是端部固定的關鍵［87-88］。此外，由于超導電機中含有復雜的低溫系統且超導線圈只有在良好的低溫環境下才能穩定運行，所以超導高壓電機對定子繞組固定有更高的標準與要求。

3.5.5 轉子繞組絕緣

超導高壓電機的轉子繞組通常由超導線圈構成，所以其匝間絕緣方法既是超導線圈的絕緣方法。而轉子繞組的對地絕緣方法則和常規高壓電機相似，主要通過極身絕緣結構實現［88］。

4 超導電機在電動航空中的應用及展望

超導技術以高載流、低熱負載特性可以大幅提高機載功率密度，降低發動機振動噪聲和熱負載，在航空動力電氣化日益突出的背景下，超導電動航空已成為未來大型航空重要發展方向。目前報道的超導電動航空有通航飛機、高空長航時無人機及輕型支線客機的電推進系統，同時美國、俄羅斯、歐洲和澳大利亞等國家的高校和科研機構始終在開展將超導電機技術應用于大功率航空純/混合電力推進系統中的相關研究工作，為新興航空電推進的發展提供了可行性方案。大部分研究都是概念設計或者地面模擬測試，只有俄羅斯的Yak-40 混合動力飛機實現了首飛。

4. 1 應用現狀

4.1.1 美 國

美國國家航空航天局（NASA）長期致力于探索將超導技術應用于未來大功率航空電推進系統，與波音、航宇和羅羅等研究機構聯合開展航空電推進超導電動系統架構設計，主要方案有Boeing SUGAR Freeze［91］和NASA N3-X［92］，如圖24 所示。Boeing SUGAR Freeze 的尾部風扇由帶有超導電源管理系統的超導電動機驅動，NASA N3-X 由燃氣輪機驅動超導發電機發電，供給超導電動機驅動尾部風扇，根據基本技術假設2 種超導電動系統方案均可以不同程度減少燃油消耗。

圖24 NASA 探索的大功率航空超導電推進飛機Fig. 24 NASA’s quest for superconducting electric aircraft in high power aviation

NASA 格林研究中心在建的電推進飛機試驗臺可以測試全套航空電推進系統［12］，如圖25 所示［93］。試驗臺總功率可達到24 MW，母線電壓最高4.5 kV，模擬飛行高度可達12 000 ft （1 ft=304.8 mm），配套的冷卻低溫設施可以開展大功率超導電機系統試驗。

圖25 NASA 電推進飛機試驗臺-NEAT［93］Fig. 25 NASA electric aircraft testbed-NEAT［93］

美國HMA（HyperMach Aerospace）公司聚焦于Ma=6.65、載客200 人、航程19 630 km 的大型高超聲速客機概念［93］，將采用高超聲速混電超導沖壓磁流體發動機。圖26 為Hyscram 發動機結構圖，其中渦輪發動機由3 級超導電動風扇、13 級超導電動壓氣機、燃燒室、3 級超導發電渦輪和噴管組成，目前處于方案設計與計算仿真階段，技術成熟度有待提高［94］。

圖26 HMA 公司Hyscram 發動機結構圖［94］Fig. 26 Structure diagram of HMA’s Hyscram engine［94］

4.1.2 俄羅斯

俄羅斯中央航空發動機研究院開展了高溫超導平臺混合動力電驅總成的項目研究，并于2017 年莫斯科航展上展出其500 kW 超導混合電推進概念模型，該動力系統由燃氣渦輪發動機驅動發電機發電，同電池一起供電給超導電動機驅動六葉螺旋槳旋轉。為將三發噴氣支線原型飛機Yak-40 改裝為超導電驅混合動力驗證平臺，研究團隊將其中一臺發動機替換為一臺驅動發電機的燃氣渦輪發動機。

動力總成系統中發電機功率約為400 kW，轉速為12 kr/min，效率約為96%［95］；鋰電池在飛機起飛和爬升時提供輔助動力輸出，并在巡航飛行期間積累多余的能量。超導電機質量約100 kg，轉速為2.5 kr/min，可產生400~500 kW 的功率，采用溫度為77 K 的液氮冷卻，液氮流量為6 L/h以保持超導材料零電阻特性，如圖27（a）所示。2020 年12 月SuperOx 公司將超導電機安裝在Yak-40 試飛平臺上，超導電機、冷卻系統和螺旋槳安裝在機身頭部，并進行了螺旋槳試運行，2021 年2 月進行了地面臺架和地面滑行測試，如圖27（b）所示。采用高溫超導電機的Yak-40 混動電驅驗證機于2021 年7 月在莫斯科航展上展出，并完成了驗證機首飛。

圖27 俄羅斯超導混合動力電驅項目研究［95］Fig. 27 Superconducting hybrid electric drive project in Russia［95］

4.1.3 歐 盟

為實現“Flightpath 2050”節能減排目標，歐盟于2017 年5 月資助成立先進超導電機實驗演示項目，其主要目標是開發一種滿足未來大型民用飛機混合電力分布式推進的功率密度和效率需求的全超導電機。英國劍橋大學和德國卡爾斯魯理工學院先后開展全超導電機的設計及仿真研究［96-97］，荷蘭Demaco 團隊開發了電機低溫冷卻系統，并對機載應用的低溫制冷系統集成進行概念性研究［80］。

英國克蘭菲爾德大學早在2013 年受到NASA 的資助，探索在未來混合動力飛機中使用全超導分布式電力系統［98］，而后開展了分布式航空電推進系統DEAP 項目研究［99］，對采用以液氫為燃料的全電動飛機BW-11 進行概念設計，采用翼身融合布局配合渦輪超導發電分布式推進系統，為NASA 未來大型混動飛機N3-X 提供了參考［100］。

空客公司于2011 年巴黎航展上展出全電動大型客機概型VoltAir，由下一代鋰空氣電池為超導電機提供動力驅動飛機尾部螺旋槳，如圖28所示。之后同羅羅公司在DEAP 項目的牽引下提出一種混合電推進E-Thrust 概念［101］，將其設計成eConcept 飛機，探索使用超導技術來減小電力系統的尺寸。

圖28 空客探索的超導航空電推進飛機［101］Fig. 28 Airbus’ quest for superconducting electric propulsion aircraft［101］

2021 年空客成立先進超導和低溫動力總成系統演示器ASCEND（Advanced Superconducting & Cryogenic Experimental powertraiN Demonstrator）項目，計劃在3 年內研制一套500 kW通用的超導航空電驅動力總成驗證系統，結合液氫冷卻和超導技術演示純電/混合電推進，探索超導材料和低溫系統對飛機電力推進系統性能的影響［102］。如圖29 所示，ASCEND 動力總成系統主要包括：制冷系統、冷卻工質、超導電機、電機控制單元、超導直流線纜，故障限流器/斷路器。電機控制單元將直流電轉換為交流電，輸入至超導電機驅動涵道風扇/螺旋槳正常運轉。低溫冷卻系統為超導組件提供冷卻，冷卻工質為液氫［103］。相比于傳統推進技術，ASCEND 的目標是將動力總成重量和電氣損耗降低至少50%，并將效率提高5%~6%。ASCEND 項目的研究和短期應用集中于eVTOL、輕型和支線飛機，旨在證明超導電驅技術應用的可行性和潛力。

圖29 空客超導航空電驅動力系統基本架構［103］Fig. 29 Basic architecture of Airbus superconducting electric propulsion system［103］

4.1.4 澳大利亞

澳大利亞MagniX 公司采取傳統飛機電氣化和新型電動飛機動力超導化2 種發展路線［104］，同時瞄準電推進發展的未來，開展超導電動機的研究，如圖30 所示。MagniX 提出的Magni Alpha超導電動機概念，其設功率密度高達25 kW/kg，投入商業應用后，超導電動機將有效降低推進系統的體積和重量，大幅提高推進效率。

圖30 澳大利亞Magni Alpha 超導電動機示意圖［104］Fig. 30 Schematic diagram of Magni Alpha superconducting motor in Australia［104］

4. 2 技術發展與展望

應用超導電機技術的航空電推進系統是滿足未來大功率電力推進航空器動力需求的有效途徑，目前研究主要集中于高功率密度、高轉速的超導發電機和高功率密度、低轉速和大扭矩的超導電動機。與傳統推進系統相比，航空電推進超導電動系統將能源單元和推進單元分離解耦設計提高了航空器設計的靈活性，可以大幅降低系統重量、提升推進系統效率以降低飛機的燃料消耗和污染物排放。新型推進技術、系統架構和機體布局等是以超導電機為核心的航空電推進超導電動系統值得關注與重視的研究方向。

氫能推進技術同航空電推進超導電機技術相結合是實現航空工業污染物零排放、可持續發展目標的可行性方案之一，既能夠作為無碳燃料供前端燃氣渦輪發動機使用，也可以供給驅動超導電動機的燃料電池發電。在傳統航空發動機結構基礎上開展氫能雙燃料適用性改進，易于實現大功率，但同時也會面臨液氫燃料儲存、發動機能量利用率略低和有水蒸氣和氮氧化物排放等問題；采用氫燃料電池進行純電推進需要對飛機結構進行重新設計以適應氫燃料儲存和氫燃料電池動力系統，同時面臨功率密度低且無法實現大功率等一系列挑戰，都需要時間來發展成熟。

分布式推進系統同航空電推進超導電機技術相結合有著巨大的應用潛力，可以降低結構載荷和前端發動機安裝阻力、增加飛機結構自由度。將大功率航空電推進系統分解為多個小功率電推進系統后，系統的功率密度和效率基本不變，小直徑的推進風扇/螺旋槳還可以有效提高系統的涵道比。然而分布式飛機的空氣動力和推進系統的耦合是復雜的集成設計問題，需要設計者從概念設計階段開始考慮。推進單元的小型化也為邊界層攝入（BLI）、翼身融合（BWB）等新型機體布局形式提供便利條件。改善飛機氣動效率，實現翼身融合和超導電機技術及分布式電推進系統的有機融合，從而實現推進系統大功率、高效率和低排放的發展目標。

5 結 論

航空運輸電動化是綠色航空發展的必然趨勢，超導電機給大功率航空電動化發展提供了技術路徑。

1）受制于當前電池能量密度的限制，純電動大功率航空電推進系統目前不具有吸引力。超導混動推進系統是實現電動航空的重要途徑，并且大功率航空的電力需求在MW 級以上。

2）常規拓撲結構超導電機受到轉子冷卻、滑環電刷等制約，工作轉速較低，適合做超導電動機，展現出大扭矩、高效率等特點；特殊拓撲結構超導電機，尤其是超導單極電機和超導爪機電機，采用靜置的超導勵磁繞組，整體式轉子成型技術，有助于轉子高速工作，同時提高了工作可靠性，滿足大功率航空電推進發電機高轉速、高效率的需求。

3）從超導技術、電樞繞組技術、轉子技術低溫技術和絕緣技術5 方面闡述了超導電機的關鍵技術發展，5 方面相輔相成。直流超導磁體與交流超導電樞繞組的損耗控制與熱穩定分析是研制面向電動航空大功率超導電機的關鍵。而絕緣問題是使MW 大功率超導電機實現高電壓等級的關鍵。

4）航空電推進系統超導化已成為未來飛機動力系統的重要發展趨勢，液氫低溫高能燃料、翼身融合設計和分布式航空電推進超導電動系統是未來大型航空運輸業的重要特征。