超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

趙朝會(huì)，李進(jìn)才

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240)

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

趙朝會(huì)，李進(jìn)才

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240)

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)因高功率密度等優(yōu)點(diǎn)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。根據(jù)超導(dǎo)材料按照溫度進(jìn)行分類(lèi)的方法，把超導(dǎo)發(fā)電機(jī)分為低溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī);總結(jié)了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀，歸納了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，介紹了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)比研究了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)與超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，指出了現(xiàn)階段超導(dǎo)發(fā)電機(jī)研究遇到的瓶頸問(wèn)題；最后，對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的發(fā)展前景進(jìn)行了描述。

超導(dǎo)材料； 發(fā)電機(jī)； 拓?fù)?/p>

1911年，昂納斯(Onnes)發(fā)現(xiàn)在4.2K(-269℃)時(shí)汞的電阻降為零，這一現(xiàn)象之后被稱(chēng)為“超導(dǎo)”現(xiàn)象[1]。從此，早期研究金屬的超導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)總是運(yùn)行在4.2K左右，故這些具有超導(dǎo)現(xiàn)象的物體稱(chēng)為低溫超導(dǎo)體(Low Temperature Superconductor, LTS)。1962年，美國(guó)西屋(Westinghouse)公司研發(fā)出世界上第一個(gè)商用LTS，目前，典型的LTS包括鈮鈦NbTi(4K)、鈮錫Nb3Sn(4K)和硼化鎂MgB2(20K)。1986年，超導(dǎo)材料的研究取得了突破性的進(jìn)展，LBaCuO、LBCO等材料在77K時(shí)也具有超導(dǎo)現(xiàn)象，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)(High Temperature Superconductor, HTS)材料的誕生。伴隨著超導(dǎo)材料的誕生，各國(guó)學(xué)者展開(kāi)了對(duì)超導(dǎo)材料應(yīng)用的研究，其中，超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)是最具吸引力的一個(gè)研究方向。

本文對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，歸納了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，介紹了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)比研究了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)與超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，指出了現(xiàn)階段超導(dǎo)發(fā)電機(jī)研究遇到的瓶頸問(wèn)題；最后，對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的發(fā)展前景進(jìn)行了描述。

1 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一，國(guó)外研制超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的國(guó)家主要有美國(guó)、英國(guó)、日本、俄羅斯、德國(guó)等[2]。自20世紀(jì)60年代至今，已成功研制出超導(dǎo)單極盤(pán)式發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)雙極直流發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)透平發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)汽輪發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)水力發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)渦輪發(fā)電機(jī)等。但如果按超導(dǎo)材料的分類(lèi)，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)則可簡(jiǎn)單地分為L(zhǎng)TS和HTS發(fā)電機(jī)。

1.1LTS發(fā)電機(jī)

美國(guó)的超導(dǎo)電機(jī)研制工作始于1964年。1965年,美國(guó)AERL(Avco-Everett Research Laboratory)實(shí)驗(yàn)室成功研制出第1臺(tái)超導(dǎo)發(fā)電機(jī),這是1臺(tái)8kW、4極的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)[3]，定子用鈮鋯(NbZr)超導(dǎo)線制成，作為勵(lì)磁繞組；轉(zhuǎn)子使用普通銅導(dǎo)線，作為電樞繞組。

1970—1980年，美國(guó)又完成了基于鈮-鈦(NbTi)LTS線大功率同步超導(dǎo)發(fā)電機(jī)研制的一系列設(shè)計(jì)，電機(jī)的比功率分別達(dá)到22.2kW/kg(10MV·A級(jí))、35.7kW/kg(50MV·A級(jí))；美國(guó)海軍也在20世紀(jì)80年代研制了單極超導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)，其發(fā)電機(jī)功率為900kW、電壓為30V、轉(zhuǎn)速為2×104r/min;美國(guó)Westinghouse公司在1986年成功研制了10MV·A雙螺旋MgB2作繞組的全超導(dǎo)渦輪發(fā)電機(jī)[4]。

1969年，日本開(kāi)始啟動(dòng)超導(dǎo)電機(jī)的研制工作。在1980—1985年，先后成功研制了30MV·A、50MV·A超導(dǎo)發(fā)電機(jī)[5]；1987年，日本成立了超導(dǎo)發(fā)電相關(guān)裝置與材料技術(shù)研究聯(lián)合會(huì)。該研究聯(lián)合會(huì)的主攻方向?yàn)槌瑢?dǎo)發(fā)電機(jī)，開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)8年的70MW超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究；期間由于技術(shù)等問(wèn)題，延期了3年，直至1999年，歷時(shí)11年才成功地制成70MW超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，并完成了一系列試驗(yàn)，如1500h的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)等[6-7]。

前蘇聯(lián)在1970年就將發(fā)展超導(dǎo)汽輪機(jī)列入國(guó)家計(jì)劃。20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)致力于電力和航空工業(yè)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研制，制造并實(shí)驗(yàn)了20MV·A的超導(dǎo)透平發(fā)電機(jī)；莫斯科航院研究和實(shí)驗(yàn)了480kW、24V、10r/min的單極盤(pán)式發(fā)電機(jī)[8]；2005年，俄羅斯完成了大功率1200MW LTS汽輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，研制并實(shí)驗(yàn)了700kW的LTS同步發(fā)電機(jī)。

德國(guó)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究起步較晚，主要圍繞大型超導(dǎo)汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行原理性研究[9]，1991年，西門(mén)子(Simens)公司研制成功了400MV·A(僅轉(zhuǎn)子為超導(dǎo))的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。

英國(guó)的研制工作從1963年開(kāi)始，當(dāng)時(shí)的重點(diǎn)是研制超導(dǎo)單極直流發(fā)電機(jī)，后來(lái)轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)超導(dǎo)交流發(fā)電機(jī)，并完成了500kW發(fā)電機(jī)的概念性設(shè)計(jì)。1971年，法國(guó)電力局和A-A公司合作研究超導(dǎo)交流發(fā)電機(jī)[10-11]。

各研究機(jī)構(gòu)已研發(fā)的大于10MV·A的LTS同步發(fā)電機(jī)如表1所示。

表1 各研究機(jī)構(gòu)研發(fā)的LTS同步發(fā)電機(jī)(大于10MV·A)

1.2HTS發(fā)電機(jī)

由于LTS材料自身的性質(zhì)以及對(duì)液氦溫區(qū)工作環(huán)境的要求，使超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展在研究初期受到了一定的限制。1986年，HTS材料的發(fā)現(xiàn)再次激發(fā)了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)研究的熱潮[12-14]。

20世紀(jì)80年代初，由于技術(shù)和經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題，一些準(zhǔn)備或已在開(kāi)發(fā)大型超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的國(guó)家，如研制500MV·A超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的英國(guó)、研制300MV·A 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的美國(guó)、研制2500MV·A超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的法國(guó)、研制300MV·A超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的捷克等國(guó)家，都暫緩了對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研制，但上述超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究為后續(xù)工作打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，HTS線材技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及大型塊材技術(shù)的初步形成，為HTS發(fā)電機(jī)的研究帶來(lái)了動(dòng)力。

美國(guó)GE公司在完成1.5MW HTS發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試后，于2004年又基本完成了100MV·A HTS發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)分析和測(cè)試；美國(guó)超導(dǎo)公司(AMSC)開(kāi)發(fā)了10MW、10r/min、效率為94%(包括變頻器)的高溫全超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于海上風(fēng)場(chǎng)[15]。2002年，英國(guó)利用Bi22223帶材成功研制了100kW的HTS發(fā)電機(jī)。2003年，澳大利亞和新西蘭學(xué)者合作，利用HTS球形線圈成功研制了2MW、20r/min的HTS渦流發(fā)電機(jī)[16]。2006年，德國(guó)Siemens公司成功研制了4MV·A、3600r/min的HTS發(fā)電機(jī)[17]；2007年，英國(guó)學(xué)者提出了轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯的100kV·A HTS同步發(fā)電機(jī)[18]；文獻(xiàn)[19]中提出了用YBCO繞組的HTS發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究；2009年，丹麥學(xué)者完成了應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的10kW 的HTS發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究[20]；2012年，日本學(xué)者研制了10MW的HTS同步發(fā)電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電[21]；目前，印度也開(kāi)始關(guān)注用HTS材料制作超導(dǎo)發(fā)電機(jī)[22]。表2給出了已研制完成的HTS發(fā)電機(jī)情況。

2 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)可從以下方面改善電力系統(tǒng)：① 能夠極大地降低制造成本及其運(yùn)行成本；② 可以增加電網(wǎng)的穩(wěn)定性；③ 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)本身在高電壓下運(yùn)行，故可省去升壓變壓器；④ 與目前常用的交流短距離輸變電進(jìn)行對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)[23]，將超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)變成直流進(jìn)行輸變電也是有益的。

表2 已研制完成的HTS發(fā)電機(jī)情況

研究證實(shí),超導(dǎo)發(fā)電機(jī)具有以下特性[24]：負(fù)載范圍內(nèi)有較高的效率；體積、質(zhì)量小，有較高的功率密度；噪聲??；使用壽命長(zhǎng)；生產(chǎn)成本低；負(fù)序能力較強(qiáng)；可增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性；維護(hù)要求低。

3 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的拓?fù)?/h2>

根據(jù)磁通方向，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)可以分為徑向磁通電機(jī)和軸向磁通電機(jī)兩種?，F(xiàn)有的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中，徑向磁通電機(jī)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。雖然軸向磁通電機(jī)沒(méi)有得到很好的推廣，但其可通過(guò)增加轉(zhuǎn)子盤(pán)的數(shù)量和定子單位[25]而得進(jìn)一步優(yōu)化，故今后會(huì)越來(lái)越多地引起人們的重視。

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)成包括超導(dǎo)勵(lì)磁繞組、支架結(jié)構(gòu)、冷卻回路、低溫恒溫器、電磁屏蔽、電樞繞組、交流定子繞組、機(jī)座鐵心、定子繞組支架、軸承和機(jī)殼。圖1為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組使用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造[26]。該類(lèi)發(fā)電機(jī)稱(chēng)為半超導(dǎo)發(fā)電機(jī)；如果電樞繞組也采用超導(dǎo)體，則稱(chēng)為全超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。

圖1 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組使用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造Fig.1 The rotor using superconducting field coil

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的定子繞組有兩種選擇：① 傳統(tǒng)的銅繞組定子;② 超導(dǎo)電樞繞組;相對(duì)應(yīng)地，稱(chēng)之為半超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和全超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。目前，唯一的商用超導(dǎo)電樞繞組產(chǎn)品是以MgB2為材料的。

轉(zhuǎn)子是由機(jī)械強(qiáng)度高的非磁性鋼制成的輕制結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子總成包括電磁屏蔽、低溫恒溫器、冷卻回路、支架結(jié)構(gòu)和高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組。

在超導(dǎo)狀態(tài)下，由于超導(dǎo)勵(lì)磁繞組沒(méi)有勵(lì)磁損耗，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的氣隙磁密很高(可達(dá)到4T以上)，已經(jīng)進(jìn)入磁鐵的磁飽和區(qū)，故在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組磁路中不需要鐵芯作磁路。其優(yōu)點(diǎn)如下：① 省掉了笨重而昂貴的疊片鐵芯；② 在去掉鐵芯的位置放置電樞繞組，使其在增加磁負(fù)荷的同時(shí)提高電負(fù)荷。

但無(wú)鐵芯也帶來(lái)了以下問(wèn)題：① 電樞繞組不再受到鐵磁屏蔽，強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)直接作用在導(dǎo)體上，將產(chǎn)生很大的渦流。為降低渦流損耗，導(dǎo)線必須很細(xì)；且由于承受了比常規(guī)電機(jī)大得多的電動(dòng)力，故必須采取特殊方式固定電樞繞組。② 旋轉(zhuǎn)的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組必須有固定結(jié)構(gòu)，以抵抗電磁力、離心力和轉(zhuǎn)矩力。③ 為防止電樞內(nèi)的磁通向外泄漏，必須對(duì)磁通加以屏蔽。

超導(dǎo)勵(lì)磁繞組需要在深冷環(huán)境中才能維持其超導(dǎo)性，而定子電樞繞組是采用銅線繞制的常溫繞組，兩者溫差懸殊，必須在兩者之間設(shè)置熱屏蔽。

超導(dǎo)勵(lì)磁繞組不允許透入交變磁場(chǎng)，故在勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間必須有一定功率的阻尼屏蔽層。該阻尼屏蔽層除了要削弱正常的交變磁場(chǎng)外，還要保證超導(dǎo)勵(lì)磁繞組不受因電氣擾動(dòng)所引起的磁通變化的影響。

按照轉(zhuǎn)子的不同，目前的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)可分為熱(室溫)轉(zhuǎn)子超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、冷(低溫)轉(zhuǎn)子超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和空氣芯轉(zhuǎn)子超導(dǎo)發(fā)電機(jī)3種。

熱轉(zhuǎn)子超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該超導(dǎo)發(fā)電機(jī)用料較節(jié)省，冷卻時(shí)間短，渦流效應(yīng)小；由于支撐件要限制熱量從鐵芯向繞組傳播，且要傳遞由繞組到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，故其結(jié)構(gòu)復(fù)雜；此外，不同溫度的連接結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力[27]，故發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇都必須慎重。

圖2 熱轉(zhuǎn)子超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Warm rotor superconducting generators

冷轉(zhuǎn)子超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即發(fā)電機(jī)的質(zhì)量較大，故其冷卻系統(tǒng)必須有足夠大的功率，以便在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到工作溫度。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮渦流損耗對(duì)繞組和冷卻系統(tǒng)的影響。但這種設(shè)計(jì)也有其優(yōu)勢(shì)，即在不同溫度下，繞組不需要連接機(jī)構(gòu)，故發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[28]。

圖3 冷轉(zhuǎn)子超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Cool rotor superconducting generators

空氣芯超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示[29]。它需要較多的超導(dǎo)線材，繞組的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)要求。由于發(fā)電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的離心力很大，故其設(shè)計(jì)僅被應(yīng)用于低速情況。支撐結(jié)構(gòu)所用材料為玻璃纖維增強(qiáng)塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP)，其強(qiáng)度大，磁化特性與空氣類(lèi)似，但成本較高。

圖4 空氣芯超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structure of air core machines

為提供絕緣，繞組被密閉在真空中。電磁屏蔽屏保護(hù)繞組免受異步定子磁場(chǎng)、故障狀態(tài)下高的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的影響，并為低頻扭轉(zhuǎn)震蕩提供阻尼。與其他拓?fù)湎啾?，超?dǎo)發(fā)電機(jī)拓?fù)涞霓D(zhuǎn)動(dòng)慣量較低。由于沒(méi)有鐵芯，就沒(méi)有渦流損耗，磁通也可以增大并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的水平。但由于發(fā)電機(jī)的氣隙較大，故同步電抗較低，使得定子和轉(zhuǎn)子之間的磁耦合降低，使發(fā)電機(jī)有較好的穩(wěn)定性[30]。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)與超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的比較如表3所示。

4 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研究瓶頸

20世紀(jì)以來(lái)，對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的具體研究主要涉及以下內(nèi)容：① 對(duì)HTS同步發(fā)電機(jī)中混合轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子阻尼筒、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組、轉(zhuǎn)矩傳遞筒以及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及搭建效果，跑道型勵(lì)磁繞組伏安特性的研究[31]。② 對(duì)跑道型“煎餅式”勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)、各個(gè)線圈的伏安特性以及臨界電流等的研究[32]。③ 用實(shí)驗(yàn)方法研究5MW的艦船驅(qū)動(dòng)式HTS發(fā)電機(jī)的空載特性、空載損耗、短路特性、突然短路電流、電機(jī)效率、定子溫升等特性[33]。④ 對(duì)超導(dǎo)勵(lì)磁繞組交流損耗的研究。

表3 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)與超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的比較

由于發(fā)電機(jī)在起動(dòng)、突加突泄負(fù)載、突然短路等過(guò)渡過(guò)程中，定子電樞繞組中的瞬態(tài)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子不再是相對(duì)靜止的，這時(shí)勵(lì)磁繞組處在變化的磁場(chǎng)中，超導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生交流損耗，從而使勵(lì)磁繞組產(chǎn)生焦耳熱，增加了勵(lì)磁繞組冷卻的難度[34]。⑤ 對(duì)全超導(dǎo)發(fā)電機(jī)基本理論的研究[35]。

上述研究?jī)H考慮了單個(gè)因素，缺乏對(duì)綜合影響的考慮;因此,對(duì)于超導(dǎo)發(fā)電機(jī)還有很多研究要做。目前，在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)研究方面存在的技術(shù)瓶頸主要概括有以下方面。

4.1制造工藝

4.1.1 繞組的支撐 省去鐵芯后，繞組的支撐問(wèn)題是值得思考的問(wèn)題。

4.1.2 真空密封 旋轉(zhuǎn)輸液密封裝置是超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一。其性能的優(yōu)劣直接影響超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)能否安全可靠地運(yùn)行。為保證勵(lì)磁線圈的深冷狀態(tài)，液氦深冷裝置必須具有絕緣、隔熱、真空密封和較高強(qiáng)度等性能，故真空密封問(wèn)題是未來(lái)應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題。

4.1.3 繞組的制造 目前，可供有效替代的、同時(shí)具備電氣、機(jī)械性能的超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展緩慢，繞組的制造工藝變化也不大。不過(guò)，最近已有學(xué)者提出用雙電樞概念來(lái)解決超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中存在的問(wèn)題[36-39]。

4.1.4 線圈檢測(cè)及保護(hù) 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)基本工作在大功率情況下。大功率應(yīng)用喻示有較多匝數(shù)、大的線圈(尤其是電樞)，在系統(tǒng)中將導(dǎo)致大的阻抗和大量的能量?jī)?chǔ)存。當(dāng)危及線圈時(shí)，應(yīng)有線圈抑制，能量必須快速移除，以阻止形成的熱點(diǎn)。

4.1.5 可靠性驗(yàn)證 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)磁負(fù)荷較大(約5T)，但要達(dá)到實(shí)用、大容量，提高臨界送電能力和與常規(guī)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的能力，必須確保安全穩(wěn)定運(yùn)行，故對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)可靠性的要求較高。如何進(jìn)行可靠性驗(yàn)證是一個(gè)需要思考的問(wèn)題。

4.2制造的經(jīng)濟(jì)性

4.2.1 造價(jià) 超導(dǎo)體性能、良好的絕緣性、可靠性、制造工藝等問(wèn)題，對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的成本影響很大，應(yīng)充分考慮。

4.2.2 運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)確保冷卻裝置等輔助系統(tǒng)正常工作，故超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用是影響其經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)因素之一。

5 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的發(fā)展前景

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)因其體積與質(zhì)量小、功率密度高、靜態(tài)穩(wěn)定性高、無(wú)功電壓調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，有著良好的發(fā)展前景。

5.1研究和設(shè)計(jì)趨勢(shì)

(1) 最近幾年應(yīng)密切關(guān)注超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用研究。目前，許多國(guó)家都在該方面增加了投入，啟動(dòng)了較大的技術(shù)項(xiàng)目。

(2) 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在寬調(diào)速、大幅度轉(zhuǎn)矩變化等方面的應(yīng)用，如艦船及飛機(jī)用發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

(3) 超導(dǎo)材料研究(MgB2、BSCCO、YBCO、LTS)。

(4) 目前，HTS發(fā)電機(jī)的研究加速，一旦室溫超導(dǎo)材料進(jìn)入強(qiáng)電、強(qiáng)磁領(lǐng)域，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)的方法都將發(fā)生根本變化。

5.2主要應(yīng)用

5.2.1 工業(yè)應(yīng)用 隨著對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)研究的不斷深入以及超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)很可能成為軋鋼、風(fēng)機(jī)、微機(jī)械系統(tǒng)、化工、航天航空、采礦、石油與天然氣精煉以及其他重工業(yè)等領(lǐng)域的理想動(dòng)力。超導(dǎo)電力技術(shù)在超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛應(yīng)用。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用將主要圍繞風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電領(lǐng)域。

5.2.2 軍事應(yīng)用 未來(lái)，全電艦船上的電源、飛機(jī)上的電驅(qū)動(dòng)電源、主動(dòng)的空運(yùn)驅(qū)逐系統(tǒng)與自保護(hù)系統(tǒng)等都將出現(xiàn)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的身影；艦船及航空器上的激光束武器也將是超導(dǎo)發(fā)電機(jī)大顯身手的地方。

5.2.3 在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)方面的應(yīng)用 與傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的質(zhì)量和體積可以減少50%以上(5MW以上的傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)質(zhì)量太大)，具有更高的效率，并有可能省去齒輪變速箱，變?yōu)橹彬?qū)系統(tǒng)。

目前，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，但近年來(lái)，作為能源物資的稀土永磁體的價(jià)格不斷提高，并且成為了國(guó)家控制商品。而超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在性能上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)，從材料上也不受稀土永磁體的限制，因此，它將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

5.2.4 特殊應(yīng)用 隨著涂層超導(dǎo)體價(jià)格的不斷降低，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)也可能作為新的發(fā)電裝置，被用于新一代的火箭系統(tǒng)中，并在無(wú)損耗輸電、生物醫(yī)學(xué)、磁懸浮運(yùn)輸和航空航天等領(lǐng)域中大有作為。

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Current Status and Perspectives of Superconducting Generators

ZHAOChaohui,LIJincai

(School of Electric Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

Based on the classification of low temperature superconducting (LTS) and high temperature superconducting (HTS) materials, superconducting generators can be divided into LTS and HTS generators.This article surveys the current status superconducting generators and their characteristics.Several topological structures of superconducting generators are introduced.By comparing traditional rotating machines and superconducting rotating machines, the bottleneck in developing superconducting generators are pointed out.The prospects of superconducting generators are described.

superconducting material; generator; topology

2095-0020(2013)06 -0314-08

TM 37

A

2013-09-31

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助(13ZZ142)

趙朝會(huì)(1964-)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)，E-mail：zhoch@sdju.edu.cn