超导发电机的研究现状及发展前景

赵朝会，李进才

(上海电机学院 电气学院， 上海 200240)

超导发电机的研究现状及发展前景

赵朝会，李进才

(上海电机学院 电气学院， 上海 200240)

超导发电机因高功率密度等优点成为近年来的研究热点。根据超导材料按照温度进行分类的方法，把超导发电机分为低温超导发电机和高温超导发电机;总结了超导发电机的研究现状，归纳了超导发电机的特点，介绍了超导发电机的几种拓扑结构，并对比研究了传统旋转电机与超导旋转电机，指出了现阶段超导发电机研究遇到的瓶颈问题；最后，对超导发电机的发展前景进行了描述。

超导材料； 发电机； 拓扑

1911年，昂纳斯(Onnes)发现在4.2K(-269℃)时汞的电阻降为零，这一现象之后被称为“超导”现象[1]。从此，早期研究金属的超导现象时总是运行在4.2K左右，故这些具有超导现象的物体称为低温超导体(Low Temperature Superconductor, LTS)。1962年，美国西屋(Westinghouse)公司研发出世界上第一个商用LTS，目前，典型的LTS包括铌钛NbTi(4K)、铌锡Nb3Sn(4K)和硼化镁MgB2(20K)。1986年，超导材料的研究取得了突破性的进展，LBaCuO、LBCO等材料在77K时也具有超导现象，标志着高温超导(High Temperature Superconductor, HTS)材料的诞生。伴随着超导材料的诞生，各国学者展开了对超导材料应用的研究，其中，超导电动机是最具吸引力的一个研究方向。

本文对超导发电机的研究现状进行了综述，归纳了超导发电机的特点，介绍了超导发电机的几种拓扑结构，并对比研究了传统旋转电机与超导旋转电机，指出了现阶段超导发电机研究遇到的瓶颈问题；最后，对超导发电机的发展前景进行了描述。

1 超导发电机的研究现状

超导发电机一直是国内外学者研究的热点之一，国外研制超导发电机的国家主要有美国、英国、日本、俄罗斯、德国等[2]。自20世纪60年代至今，已成功研制出超导单极盘式发电机、超导双极直流发电机、超导透平发电机、超导汽轮发电机、超导水力发电机、超导同步发电机、超导涡轮发电机等。但如果按超导材料的分类，超导发电机则可简单地分为LTS和HTS发电机。

1.1LTS发电机

美国的超导电机研制工作始于1964年。1965年,美国AERL(Avco-Everett Research Laboratory)实验室成功研制出第1台超导发电机,这是1台8kW、4极的超导发电机[3]，定子用铌锆(NbZr)超导线制成，作为励磁绕组；转子使用普通铜导线，作为电枢绕组。

1970—1980年，美国又完成了基于铌-钛(NbTi)LTS线大功率同步超导发电机研制的一系列设计，电机的比功率分别达到22.2kW/kg(10MV·A级)、35.7kW/kg(50MV·A级)；美国海军也在20世纪80年代研制了单极超导电机系统，其发电机功率为900kW、电压为30V、转速为2×104r/min;美国Westinghouse公司在1986年成功研制了10MV·A双螺旋MgB2作绕组的全超导涡轮发电机[4]。

1969年，日本开始启动超导电机的研制工作。在1980—1985年，先后成功研制了30MV·A、50MV·A超导发电机[5]；1987年，日本成立了超导发电相关装置与材料技术研究联合会。该研究联合会的主攻方向为超导发电机，开始了长达8年的70MW超导发电机的研究；期间由于技术等问题，延期了3年，直至1999年，历时11年才成功地制成70MW超导发电机，并完成了一系列试验，如1500h的长时间运行试验等[6-7]。

前苏联在1970年就将发展超导汽轮机列入国家计划。20世纪80年代，前苏联致力于电力和航空工业超导发电机的研制，制造并实验了20MV·A的超导透平发电机；莫斯科航院研究和实验了480kW、24V、10r/min的单极盘式发电机[8]；2005年，俄罗斯完成了大功率1200MW LTS汽轮发电机的结构方案设计，研制并实验了700kW的LTS同步发电机。

德国超导发电机的研究起步较晚，主要围绕大型超导汽轮发电机进行原理性研究[9]，1991年，西门子(Simens)公司研制成功了400MV·A(仅转子为超导)的超导发电机。

英国的研制工作从1963年开始，当时的重点是研制超导单极直流发电机，后来转向开发超导交流发电机，并完成了500kW发电机的概念性设计。1971年，法国电力局和A-A公司合作研究超导交流发电机[10-11]。

各研究机构已研发的大于10MV·A的LTS同步发电机如表1所示。

表1 各研究机构研发的LTS同步发电机(大于10MV·A)

1.2HTS发电机

由于LTS材料自身的性质以及对液氦温区工作环境的要求，使超导材料的应用和发展在研究初期受到了一定的限制。1986年，HTS材料的发现再次激发了超导发电机研究的热潮[12-14]。

20世纪80年代初，由于技术和经费等问题，一些准备或已在开发大型超导发电机的国家，如研制500MV·A超导发电机的英国、研制300MV·A 超导发电机的美国、研制2500MV·A超导发电机的法国、研制300MV·A超导发电机的捷克等国家，都暂缓了对超导发电机的研制，但上述超导发电机的研究为后续工作打下了良好的基础。同时，HTS线材技术的进一步发展，以及大型块材技术的初步形成，为HTS发电机的研究带来了动力。

美国GE公司在完成1.5MW HTS发电机的设计、制造和测试后，于2004年又基本完成了100MV·A HTS发电机的设计、稳态、瞬态分析和测试；美国超导公司(AMSC)开发了10MW、10r/min、效率为94%(包括变频器)的高温全超导风力发电机用于海上风场[15]。2002年，英国利用Bi22223带材成功研制了100kW的HTS发电机。2003年，澳大利亚和新西兰学者合作，利用HTS球形线圈成功研制了2MW、20r/min的HTS涡流发电机[16]。2006年，德国Siemens公司成功研制了4MV·A、3600r/min的HTS发电机[17]；2007年，英国学者提出了转子无铁芯的100kV·A HTS同步发电机[18]；文献[19]中提出了用YBCO绕组的HTS发电机的设计研究；2009年，丹麦学者完成了应用于风力发电的10kW 的HTS发电机的设计研究[20]；2012年，日本学者研制了10MW的HTS同步发电机用于风力发电[21]；目前，印度也开始关注用HTS材料制作超导发电机[22]。表2给出了已研制完成的HTS发电机情况。

2 超导发电机的特点

超导发电机可从以下方面改善电力系统：① 能够极大地降低制造成本及其运行成本；② 可以增加电网的稳定性；③ 超导发电机本身在高电压下运行，故可省去升压变压器；④ 与目前常用的交流短距离输变电进行对比研究后发现[23]，将超导发电机的输出转变成直流进行输变电也是有益的。

表2 已研制完成的HTS发电机情况

研究证实,超导发电机具有以下特性[24]：负载范围内有较高的效率；体积、质量小，有较高的功率密度；噪声小；使用寿命长；生产成本低；负序能力较强；可增强电网的稳定性；维护要求低。

3 超导发电机的拓扑

根据磁通方向，超导发电机可以分为径向磁通电机和轴向磁通电机两种。现有的超导发电机中，径向磁通电机占有绝对优势。虽然轴向磁通电机没有得到很好的推广，但其可通过增加转子盘的数量和定子单位[25]而得进一步优化，故今后会越来越多地引起人们的重视。

超导发电机的基本构成包括超导励磁绕组、支架结构、冷却回路、低温恒温器、电磁屏蔽、电枢绕组、交流定子绕组、机座铁心、定子绕组支架、轴承和机壳。图1为转子励磁绕组使用超导材料的超导发电机的基本构造[26]。该类发电机称为半超导发电机；如果电枢绕组也采用超导体，则称为全超导发电机。

图1 转子励磁绕组使用超导材料的超导发电机的基本构造Fig.1 The rotor using superconducting field coil

超导发电机的定子绕组有两种选择：① 传统的铜绕组定子;② 超导电枢绕组;相对应地，称之为半超导发电机和全超导发电机。目前，唯一的商用超导电枢绕组产品是以MgB2为材料的。

转子是由机械强度高的非磁性钢制成的轻制结构。转子总成包括电磁屏蔽、低温恒温器、冷却回路、支架结构和高温超导励磁绕组。

在超导状态下，由于超导励磁绕组没有励磁损耗，超导发电机的气隙磁密很高(可达到4T以上)，已经进入磁铁的磁饱和区，故在超导发电机的定子和转子绕组磁路中不需要铁芯作磁路。其优点如下：① 省掉了笨重而昂贵的叠片铁芯；② 在去掉铁芯的位置放置电枢绕组，使其在增加磁负荷的同时提高电负荷。

但无铁芯也带来了以下问题：① 电枢绕组不再受到铁磁屏蔽，强大的旋转磁场直接作用在导体上，将产生很大的涡流。为降低涡流损耗，导线必须很细；且由于承受了比常规电机大得多的电动力，故必须采取特殊方式固定电枢绕组。② 旋转的超导励磁绕组必须有固定结构，以抵抗电磁力、离心力和转矩力。③ 为防止电枢内的磁通向外泄漏，必须对磁通加以屏蔽。

超导励磁绕组需要在深冷环境中才能维持其超导性，而定子电枢绕组是采用铜线绕制的常温绕组，两者温差悬殊，必须在两者之间设置热屏蔽。

超导励磁绕组不允许透入交变磁场，故在励磁绕组和电枢绕组之间必须有一定功率的阻尼屏蔽层。该阻尼屏蔽层除了要削弱正常的交变磁场外，还要保证超导励磁绕组不受因电气扰动所引起的磁通变化的影响。

按照转子的不同，目前的超导发电机可分为热(室温)转子超导发电机、冷(低温)转子超导发电机和空气芯转子超导发电机3种。

热转子超导发电机的结构如图2所示。该超导发电机用料较节省，冷却时间短，涡流效应小；由于支撑件要限制热量从铁芯向绕组传播，且要传递由绕组到转子的转矩，故其结构复杂；此外，不同温度的连接结构会产生较大的温度应力[27]，故发电机结构设计及材料选择都必须慎重。

图2 热转子超导发电机的结构Fig.2 Warm rotor superconducting generators

冷转子超导发电机的结构如图3所示。其有一个明显的缺点，即发电机的质量较大，故其冷却系统必须有足够大的功率，以便在规定的时间内达到工作温度。在设计时，应考虑涡流损耗对绕组和冷却系统的影响。但这种设计也有其优势，即在不同温度下，绕组不需要连接机构，故发电机结构简单[28]。

图3 冷转子超导发电机的结构Fig.3 Cool rotor superconducting generators

空气芯超导发电机的结构如图4所示[29]。它需要较多的超导线材，绕组的支撑结构应能满足发电机转矩的设计要求。由于发电机在高速运行时的离心力很大，故其设计仅被应用于低速情况。支撑结构所用材料为玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP)，其强度大，磁化特性与空气类似，但成本较高。

图4 空气芯超导发电机的结构Fig.4 Basic structure of air core machines

为提供绝缘，绕组被密闭在真空中。电磁屏蔽屏保护绕组免受异步定子磁场、故障状态下高的瞬态转矩的影响，并为低频扭转震荡提供阻尼。与其他拓扑相比，超导发电机拓扑的转动惯量较低。由于没有铁芯，就没有涡流损耗，磁通也可以增大并远远超过传统发电机的水平。但由于发电机的气隙较大，故同步电抗较低，使得定子和转子之间的磁耦合降低，使发电机有较好的稳定性[30]。传统旋转发电机与超导旋转发电机的比较如表3所示。

4 超导发电机的研究瓶颈

20世纪以来，对超导发电机设计的具体研究主要涉及以下内容：① 对HTS同步发电机中混合转子、转子阻尼筒、高温超导励磁绕组、转矩传递筒以及冷却系统的设计及搭建效果，跑道型励磁绕组伏安特性的研究[31]。② 对跑道型“煎饼式”励磁绕组结构、各个线圈的伏安特性以及临界电流等的研究[32]。③ 用实验方法研究5MW的舰船驱动式HTS发电机的空载特性、空载损耗、短路特性、突然短路电流、电机效率、定子温升等特性[33]。④ 对超导励磁绕组交流损耗的研究。

表3 传统旋转发电机与超导旋转发电机的比较

由于发电机在起动、突加突泄负载、突然短路等过渡过程中，定子电枢绕组中的瞬态电流产生的磁场与转子不再是相对静止的，这时励磁绕组处在变化的磁场中，超导体就会产生交流损耗，从而使励磁绕组产生焦耳热，增加了励磁绕组冷却的难度[34]。⑤ 对全超导发电机基本理论的研究[35]。

上述研究仅考虑了单个因素，缺乏对综合影响的考虑;因此,对于超导发电机还有很多研究要做。目前，在超导发电机研究方面存在的技术瓶颈主要概括有以下方面。

4.1制造工艺

4.1.1 绕组的支撑 省去铁芯后，绕组的支撑问题是值得思考的问题。

4.1.2 真空密封 旋转输液密封装置是超导同步发电机的关键部件之一。其性能的优劣直接影响超导同步发电机能否安全可靠地运行。为保证励磁线圈的深冷状态，液氦深冷装置必须具有绝缘、隔热、真空密封和较高强度等性能，故真空密封问题是未来应关注的问题。

4.1.3 绕组的制造 目前，可供有效替代的、同时具备电气、机械性能的超导材料的研究进展缓慢，绕组的制造工艺变化也不大。不过，最近已有学者提出用双电枢概念来解决超导发电机中存在的问题[36-39]。

4.1.4 线圈检测及保护 超导发电机基本工作在大功率情况下。大功率应用喻示有较多匝数、大的线圈(尤其是电枢)，在系统中将导致大的阻抗和大量的能量储存。当危及线圈时，应有线圈抑制，能量必须快速移除，以阻止形成的热点。

4.1.5 可靠性验证 超导发电机磁负荷较大(约5T)，但要达到实用、大容量，提高临界送电能力和与常规发电机并列运行的能力，必须确保安全稳定运行，故对超导发电机可靠性的要求较高。如何进行可靠性验证是一个需要思考的问题。

4.2制造的经济性

4.2.1 造价 超导体性能、良好的绝缘性、可靠性、制造工艺等问题，对超导发电机的成本影响很大，应充分考虑。

4.2.2 运行和维护费用 超导发电机在运行时，应确保冷却装置等辅助系统正常工作，故超导发电机的运行与维护费用是影响其经济效益的一个因素之一。

5 超导发电机的发展前景

超导发电机因其体积与质量小、功率密度高、静态稳定性高、无功电压调节能力强、效率高等优点，有着良好的发展前景。

5.1研究和设计趋势

(1) 最近几年应密切关注超导发电机在风力发电机中的应用研究。目前，许多国家都在该方面增加了投入，启动了较大的技术项目。

(2) 超导发电机在宽调速、大幅度转矩变化等方面的应用，如舰船及飞机用发电机等领域的应用。

(3) 超导材料研究(MgB2、BSCCO、YBCO、LTS)。

(4) 目前，HTS发电机的研究加速，一旦室温超导材料进入强电、强磁领域，发电机结构及设计的方法都将发生根本变化。

5.2主要应用

5.2.1 工业应用 随着对超导发电机研究的不断深入以及超导技术的不断发展，超导发电机很可能成为轧钢、风机、微机械系统、化工、航天航空、采矿、石油与天然气精炼以及其他重工业等领域的理想动力。超导电力技术在超导电缆、超导变压器、超导储能、超导电动机等领域将有广泛应用。超导发电机在工业上的应用将主要围绕风力发电和水力发电领域。

5.2.2 军事应用 未来，全电舰船上的电源、飞机上的电驱动电源、主动的空运驱逐系统与自保护系统等都将出现超导发电机的身影；舰船及航空器上的激光束武器也将是超导发电机大显身手的地方。

5.2.3 在大功率风力发电机方面的应用 与传统的风力发电机相比，超导发电机的质量和体积可以减少50%以上(5MW以上的传统风力发电机质量太大)，具有更高的效率，并有可能省去齿轮变速箱，变为直驱系统。

目前，永磁直驱风力发电机是一个研究热点，但近年来，作为能源物资的稀土永磁体的价格不断提高，并且成为了国家控制商品。而超导发电机在性能上已远远优于永磁直驱发电机，从材料上也不受稀土永磁体的限制，因此，它将具有非常广阔的应用前景。

5.2.4 特殊应用 随着涂层超导体价格的不断降低，超导发电机也可能作为新的发电装置，被用于新一代的火箭系统中，并在无损耗输电、生物医学、磁悬浮运输和航空航天等领域中大有作为。

[1] 申 林.超导感应电机的建模与分析[D].杭州：浙江大学，2007：3-7.

[2] 宋美红.超导发电机励磁磁场的三维有限元计算研究[D].北京：华北电力大学，2012：2-8.

[3] Stekly Z,Woodson H H,Hatch A M,et al.A study of alternators with superconducting field windings: II-experiment[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1966,85(3): 274-280.

[4] Singlh S K,Mole C J.Future development of large superconducting generators[J].IEEE Transactions on Magnetics,1989,25(2): 1783-1786.

[5] Ueda K,Shimizu K,Sunada M.Current situation of Ramp;D on superconducting generator[J].Cryogenics Engineering,1990,25(4): 234-243.

[6] Ohara T,Fukuda H,Ogawa T,et al.Development of 70MW class superconducting generators[J].IEEE Transactions on Magnetics,1991,27(2): 2232-2239.

[7] Yamaguchi K,Takahashi M,Shiobara R,et al.70MW class superconducting generator test[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,1999,9(2): 1209-1212.

[8] Glebov I A,Chubraeva L I.Investigations and developments in the field of superconductive turbo generators[J].Cryogenics,1991,31(6): 450-452.

[9] Bischof H,Engl W,Groter H P,et al.Practical experience on the operation of a 320 kVA synchronous generator with a superconducting field winding[J].IEEE Transactions on Magnetics,1989,25(2): 1791-1794.

[10] 戴庆忠.超导电机的现状及展望[J].机械工程,1987(6): 35-37,32.

[11] Tixador P,Brunet Y,Vedrine P,et al.Electrical tests on a fully superconducting synchronous machine[J].IEEE Transactions on Magnetics,1991,27(2): 2256-2259.

[12] Rodenbush A J,Young S J.Performance of high temperature superconducting coils for implementation into megawatt class generators[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,1999,9(2): 1233-1236.

[13] Singh S K,Scherbarth D W,Ortoli E S,et al.Conceptual design of a high temperature superconducting generator[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,1999,9(2): 1237-1240.

[14] Rabinowitz M.Superconducting power generation[J].IEEE Power Engineering Review,2000,20(5): 8-11.

[15] Amsc,Windtec sea titan brochure[EB/OL].(2012-03-10)[2013-12-12].http:∥www.amsc.com.

[16] 伊 然.轴径向磁通超导同步电动机电磁场与温度场的分析计算[D].哈尔滨: 哈尔滨理工大学,2012：1-5.

[17] Nick W,Frank M,Klaus G,et al.Operational experience with the world’s first 3600rpm 4MVA genereator at Siemens[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2007,17(2): 2030-2033.

[18] Al-Mosawi M K,Goddard K,Beduz C,et al.Coreless HTS synchronous generator operating at liquid nitrogen temperatures[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2007,17(2): 1599-1602.

[19] Goddard K F,Lukasik B,Rotaru M,et al.Design Study of a high temperature superconducting generator with YBCO windings[C]∥ISEF 2009-XIVth International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics,Electrical and Electronic Engineering.Arras,France: [s.n.],2009: 1-8.

[20] Abrahamsen A B,Mijatovic N,Seiler E,et al.Design study of 10kW superconducting generator for wind turbine applications[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2009,19(3): 1678-1682.

[21] Terao Y,Sekino M,Ohsaki H.Electromagnetic design of 10 MW class fully superconducting wind turbine generators[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2012,22(3): 2240.

[22] NEDO.Report on Applying Superconducting Technology into Electrical Engineering[R].Japan: [s.n.],1998：41-47.

[23] Rabinowitz M.Superconducting power generation[J].IEEE Power Engineering Review,2000,20(5): 8-11.

[24] Gieras J F.Advancements in Electric Machines[M].[S.L.]: Springer,2010：171-209.

[25] Miki M,Felder B,Kimura Y,et al.Applied HTs bulks and wires in rotating machines for marine propulsion [J].Transactions of the Cryogenic Engineering Conference,2010,1218: 254-260.

[26] 唐跃进,李敬东,潘 坦,等.超导旋转电机——发电机和电动机的研究现状[J].电力系统自动化,2001,25(4): 72-76.

[27] Goddard K F,Lukasik B,Sykulski J K.Alternative designs of a superconducting synchronous generator: the Southampton approach[C]∥18th International Conference on Electrical Machines.Vilamoura: IEEE,2008: 1-6.

[28] Klaus G,Wilke M,Fraunhofer J,et al.Design challenges and benefits of HTS synchronous machines[C]∥IEEE Power Engineering Society General Meeting.Tampa FL: IEEE,2007: 1-8.

[29] Gamble B,Snitchler G,Kalsi S S.HTS generator topologies[C]∥IEEE Power Engineering Society General Meeting.Montred,Que: IEEE,2006: 1-8.

[30] Wilke M,Schleicher K,Klaus G,et al.Numerical calculations for high-temperature superconducting electrical machinesp[C]∥18th International Conference on Electrical Machines.Vilamoura: IEEE,2008: 1-6.

[31] Al-Mosawi M K,Beduz C,Yang Y.Construction of a 100kVA high temperature superconducting synchronous generator[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2005,15(2): 2182-2185.

[32] Sohn M H,Baik S K,Jo Y S,et al.Performance of high temperature superconducting field coils for a 100HP generator[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2004,14(2): 912-915.

[33] Snitchler G,Gamble B,Kalsi S.The Performance of a 5MW high temperature superconductor ship propulsion generator[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2005,15(2): 2206-2209.

[34] Sivasubramaniam K,Huang X,Ryan D,et al.AC losses in a high temperature superconducting generator[J].IEEE Transactions Oil Applied Superconductivity,2005,15(2): 2162-2165.

[35] Carr W J.Basic theory of an all-superconducting generator[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2007,17(2): 1568-1570.

[36] Chai Feng,Cui Shumei,Cheng Shukang.Study of a novel double-stator permanent-magnet electric machine[C]∥IEEE International Electric Machines and Drives Conference.[S.L.]: IEEE,2003: 1375-1378.

[37] Chai Feng,Xia Jing,Gong Hailong,et al.Torque analysis of a double-stator permanent magnet synchronous for hybrid electric vehicle [C]∥IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.Harbin,China: IEEE,2008: 1-5.

[38] Norhisam M,Norafiza M,Sia C Y.Double stator type permanent magnet generator[C]∥2009 IEEE Student Conference on Research and Development.UPM Serdang: IEEE,2009: 316-319.

[39] Zhang Dong,Niu S,Chau K T,et al.Design and analysis of a double-stator cup-rotor directly driven permanent magnet wind power generator[C]∥CES/IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference.Shanghai: IEEE,2006: 1-5.

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

上海市教育委员会科研创新项目资助(13ZZ142)

赵朝会(1964-)，男，教授，博士，主要研究方向为电机设计及控制技术，E-mail：zhoch@sdju.edu.cn