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摘要：在高溫粉料螺旋輸送機超導材料發(fā)現(xiàn)和研究近20年的時間里，高溫超導技術的應用取得了令人矚目的成就。尤其在艦船電力推進領域，兆瓦級甚至數(shù)十兆瓦級高溫超導同步交流電動機已經(jīng)或即將交付海軍使用。新型的高溫超導發(fā)電機正在研發(fā)之中。可以展望，在不久的將來，高溫超導全電力艦船將出現(xiàn)在人們的視野中。
關鍵詞：船舶 電力推進 高溫超導電動機 高溫超清理篩導發(fā)電機

1 高溫超導旋對輥粉碎機轉(zhuǎn)電動機的發(fā)展現(xiàn)狀

因必須維持低溫超導材濕料粉碎機料在超低溫環(huán)境工作所遇到的能量消耗和制冷系統(tǒng)的復雜性等問題，低溫超導技術對其在船舶推進領域中的應用，始終沒有樂觀的評估。

提高超導材料臨界溫度是超導技術廣泛應用的必由之路。目前，新一代超導材料不僅遠遠超越了77K液氮禁區(qū)，而且電性能和機械性能等特性都得到極大的提升，使用SH系列回轉(zhuǎn)篩高溫超導材料而要考慮的制冷功率額定值要比低溫超導材料低得多。與此同時，相對簡單、費用較低、更高效率的制冷系統(tǒng)的研發(fā)也獲得重大進展。因此，這些因素使高溫超導線材在電機商業(yè)開發(fā)和應用中，無論在技術上，或者在經(jīng)濟上都呈現(xiàn)出其適用性與可行性。

長期以來，許多國家對高溫超導技術的研究一直給予極大的關注和支持。早在1987年，美國能源部就委托Rockwel螺旋給料機l自動化/Reliance電氣公司就高溫超導技術在工業(yè)電機領域應用的可能性進行研究。其目標鎖定在研發(fā)1000馬力以上的超導交流同步電動機系統(tǒng)技術，并使之商品化。

依據(jù)美國能源部的評估，1000馬力電動機功率等級是工業(yè)應用最普遍的功率等級，這種功率等級的電動機耗能占了全美電能消耗的30%以上。從技術上看，這些電動機中的70%非常適合使用高溫超導技術。如果由超導電動機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電動機，估計每年將節(jié)約6億多美圓。對于全球，這種功率等級的高溫超導電動機市場份額估每年計高達提升機3億美圓以上。

因此，1000馬力的高溫超導電動機就成了高溫超導電動機市場化應用的里程碑。而且從技術層面上看，獲得1000馬力的高溫超導電動機設計的技術經(jīng)驗，將預示著掌握了進入大功率高溫超導電動機設計大門鏈斗式輸送機的金鑰匙。

在美國能源部的支持下，Rockwell/Reliance公司的高溫超導電動機項目迅速進入經(jīng)濟可行性顎式破碎研究階段。1993年，建造了世界第一臺2馬力和5馬力使用高溫超導線圈的交流同步電動機演示機。

1996年，美國能源部正式組建SPI項目組，研發(fā)1000馬力以上的大型高溫超導電動機。當年3月，SPI完成125馬力旋轉(zhuǎn)高溫超導勵磁繞組交流同步電動機的制造和演示。該電動機輸出功率達到200馬力，比設計指標高出60%。2000年5月，SPI項目組完成了首臺1000馬力高溫超導電動機的研制、工廠試驗，以及技術論證工作。最近獲悉，通用電氣公司已獲得了一個為DoE-SPI設皮帶運輸機計和開發(fā)100MVA高溫超導發(fā)電機的合同。

從1996年到2001年，SPI項目總投資達2050萬美圓，私人和政府投資各占一半。從SPI125馬力和1000馬力電動機的制造和運行試驗分析，高溫超導電動機與當前工業(yè)界使用的td75皮帶輸送機同額定功率等級的高效感應電動機相比，損耗僅為50%，尺寸上也要小得多，適用于任何需要大功率電動機連續(xù)運行的場合的使用。

ZG系列慣性振動器美能源部的SPI開發(fā)工作使人們清楚地看到了高溫超導電動機的應用前景。隨后，美國超導體公司與美國海軍合作，開始船用推進高溫超導電動機的研發(fā)。2003年，由該公司設計、用于船舶推進的5MW/230rpm高溫超導電動機（模型）建造完畢，并成功地進行了無負載工廠試驗。該電動機是為了論證用于建造25MW/120rpm高溫超導全尺寸船用推進電動機的技術工藝而進行的中間論證環(huán)節(jié)。在此之前，美國超導體公司已建造了用于工業(yè)領域的5000HP/1800rpm工業(yè)電動機。當前，美國超導體公司已進入36.5MW/180RPM高溫超導電動機和50MW/3600rpm高溫超導發(fā)電機的設計開發(fā)工作。其中前者將于2006年年中交付海軍使用。

西門子公司對高溫超導電動機的應用方向是多方面的，并于2001年成功建造了一臺550HP/1800rpm電動機試驗樣機。目前，西門子公司已經(jīng)就開發(fā)4MW船用高溫超導電動機展開了全面的工作。韓國國家科學技術部“21世紀前沿研發(fā)計劃”組織數(shù)所大學和實驗室承擔國家高溫超導電動機的研發(fā)工作，其高溫超導同步電動機的理論研究和概念設計依托建造一臺100HP/1800R埋刮板輸送機PM高溫超導電動機，已于2003年完成。韓國的最終目的是研發(fā)3000HP的高溫超導同步電動機。法國和日本的研發(fā)工作也在各自的計劃框架內(nèi)進行，其目標都是將高溫超導旋轉(zhuǎn)電動機做為常規(guī)船用電動機推進替代產(chǎn)品來研發(fā)的。

2 高溫超導螺旋輸送器電動機技術

2．振動臺1 高溫超導旋轉(zhuǎn)電動機拓撲

圖1為一臺個6極（3對）高溫超導船用推進電動機的拓撲結構圖。它使用空心電樞繞組和第一代HTS線材（BSCCO-2223）勵磁繞組。

圖1 典型6極高溫超導船用推進電動機拓撲

高溫超導電動機的轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)子完全不同，其勵磁繞組由高溫超導材料制成，運行在封閉的低溫（35-40K）環(huán)境中。轉(zhuǎn)子總成包括高溫超導勵磁繞組、支架結構、冷卻回路、低溫恒溫器和電磁屏蔽。該低溫制冷裝置模塊設置在一個固定的構架上，氦氣用來冷卻轉(zhuǎn)子上的部件。

定子繞組是經(jīng)過改進的銅質(zhì)導線繞組。定子總成包括交流定子繞組、機座鐵芯、定子繞組支架、軸承和機殼。定子繞組不放在常規(guī)的鐵心齒中，因為它們由高溫超導繞組產(chǎn)生的強磁場而處于飽和狀態(tài)。定子由淡水冷卻。

2．2 能量轉(zhuǎn)換效率和功率密度

高溫超導電性的出現(xiàn)為大型電機的技術進步創(chuàng)造了先機，戲劇性地改變了旋轉(zhuǎn)電機的運行效率。

眾所周知，機械/電力能量轉(zhuǎn)換效率是一個被公認的變量函數(shù)，變量包括電機的幾何結構、鐵心在轉(zhuǎn)子中出現(xiàn)與否、轉(zhuǎn)子繞組的線材成分等等。而諸多因數(shù)中，影響最大的變量是轉(zhuǎn)子繞組的材料。

高溫超導電機之所以如此高效，是因為高溫超導線材可承載比相同尺寸和重量的銅導線高140倍的電流。更大的電流意味著更大的磁通密度和更強大的磁場，這直接地增加了電動機的磁剪切應力（σ=電樞周圍電流載荷A×中間氣隙磁通密度峰值B），它意味著單位質(zhì)量能提供更大的轉(zhuǎn)矩（Ta）。盡管超導材料在維持低溫環(huán)境時需要消耗能量，但低溫冷卻系統(tǒng)所需的功率卻相當?shù)?，大約為常規(guī)轉(zhuǎn)子銅損的10%左右。

船用推進高溫超導電動機的轉(zhuǎn)矩可參考下式得出：

Ta=σD/2Kh

式中，D為中間氣隙直徑，K和h則為材料的重量密度和徑向高度的乘積。由此可見磁剪切力對低速推進電動機所起的作用。

重要的是，高溫超導電動機在其整個運行的功率范圍內(nèi)，都始終保持極高的效率。大型高溫超導電機在全負載工況運行時的效率高達99%以上。圖2為一臺典型的高溫超導同步船用電機效率/輸出功率曲線。該計算結果包含了高溫超導電機的冷卻系統(tǒng)的功率損耗。曲線顯示高溫超導電機幾乎有效地接近于最大值工況運行，而完全不用顧及船舶的航速。研究還顯示，在一些假定情形下，高溫超導電力推進系統(tǒng)甚至可以達到與柴油機直接推進船舶一樣的燃料和滑油消耗水平。

圖2 典型的船用HTS電機運行效率

2．3 技術先進性

新穎的高溫超導體轉(zhuǎn)子

高溫超導電機的新穎之處在于它使用高溫超導材料的轉(zhuǎn)子部分，這也是高溫超導電機的優(yōu)勢所在。

首先，緊湊的HTS勵磁繞組具有較高的B磁場，使電樞繞組區(qū)域的磁通密度達到2倍于常規(guī)永磁體的磁通密度，強度接近2.0特斯拉。它使電動機具有較高的電流密度。電機所產(chǎn)生的高氣隙磁通密度將直接轉(zhuǎn)換成剪切力（σ）。

另外，轉(zhuǎn)子周圍由非磁性低熱導材料組建構成，最大限度地阻隔了傳向HTS線材的熱，基于高溫超導線材電機幾乎無轉(zhuǎn)子I2R損耗。

電樞繞組與噪聲

高溫超導電動機電樞繞組是一個改良空心電樞繞組，雖然有限地增加了電樞繞組里銅的使用量，但它由此提高了定子電流載荷（A），增加了磁剪切力。

高溫超導電機沒有磁齒，不存在在常規(guī)電機上因此而引起的主要電機損耗和振動噪聲源。由于在電機的磁路里沒有或只有很小的鐵芯，所以電源畸變很小，且來自電動機的噪聲反饋亦很小。這些優(yōu)點可簡化對供電系統(tǒng)的要求，并使電機做得格外安靜（電學和聲學兩方面），較輕的電機轉(zhuǎn)子也使噪聲變得很小。因此，高溫超導電機是一種相當安靜的電力終端設備。

低功率因數(shù) 與常規(guī)電機相比，高溫超導電機可在較低的功率因數(shù)下運行。這種特性可以提供超前或滯后VAR一直到其額定負載值。高溫超導電機具有低同步電抗(0.32-0.53)的特點，瞬態(tài)和次瞬態(tài)電抗類似于傳統(tǒng)電機。這種較低的同步電抗使高溫超導電動機非常適合于在較低負載角工作，給電機并網(wǎng)運行提供了較大的同步空間。電機在滿負荷和無負荷運行之間轉(zhuǎn)換，不會出現(xiàn)較大的電壓差，使控制變得極為簡單。

控制

高溫超導電機對驅(qū)動和控制裝置沒有特別的要求。高溫超導電機可使用現(xiàn)有的同步變頻器、周波變頻器或者PWM變換器，雖然為了獲得較低畸變的優(yōu)點，有可能的對這些系統(tǒng)做一些簡化。

2．4 經(jīng)濟性

降低能源費用

高溫超導電機可以較高效率方式和低功率因數(shù)方式運行（超前功率因數(shù)和滯后功率因數(shù)）。與常規(guī)電機相比，一臺100MVA的高溫超導電機因效率因素，年節(jié)約費用就可能高達
近百萬美圓，因此，高溫超導電機的運行成本相對比常規(guī)電機低，從而在其生命周期中節(jié)約了能源費用。

降低制造和安裝費用

由于高溫超導電機的功率密度大，可以做得非常緊湊（僅為常規(guī)電機的1/3左右），因此，降低了建造費用安裝費用。如在艦船上應用，則可縮短造船周期，節(jié)約建造費用。同樣，小尺寸也降低了運輸成本。

降低維護維修修費用

高溫超導電機采用全新的轉(zhuǎn)子和輸出軸設計、制造概念，在其運行中，幾乎不需要進行日常的維修。

“伊麗莎白女王2號”豪華郵輪是一個典型的例子。該船的電力推進系統(tǒng)使用兩臺44MW常規(guī)電動機，電動機重400多噸/臺。她的姊妹船“瑪麗女王2號”于2004年完成了她的處女航，“瑪麗女王2號”的推進功率為84MW。如果這樣的郵輪使用現(xiàn)在正在建造的36.5MW電動機作為推進電動機的話，兩臺電動機的功率正好滿足她對動力的要求，而重量卻只有常規(guī)電動機的1/5。僅僅推進電動機一項，高溫超導電動機將會給船舶運營商帶來多大的經(jīng)濟效益！

美國海軍估計，使用高溫超導推進電動機，美國海軍DDG-51型電力船在正常運行狀態(tài)下每年每船可節(jié)約450 000美圓的運行。

3 超導電動機與常規(guī)電動機技術比較

比較美國超導體公司的5MW高溫超導電動機和其它等值功率的大型電動機，可以發(fā)現(xiàn)高溫超導電動機的系統(tǒng)效率高于常規(guī)同步電動機和先進感應電動機。尤其是在低功率輸出時，其效率依然很高，幾乎沒有什么變化（圖4）。高溫超導電動機的這種特性，恰恰滿足了艦船推進系統(tǒng)的運行工況需求。

圖4 不同類型船用推進電動機功率與效率關系曲線

圖5反映了高溫超導電動機與目前常規(guī)電動機的重量/功率關系比較。圖6反映了高溫超導電動機與目前常規(guī)電動機體積/功率關系比較，在這個比較中，還包含了維護的量值?；谠O備本身的外型尺寸和其工作狀態(tài)，高溫超導電動機只需向外延伸1米，而常規(guī)電動機則必須向外延伸2米。

圖5 高溫超導電動機與常規(guī)電動機重量/功率關系比較

推進電動機的體積和重量對于船舶設計和建造具有重要影響。如果一臺新型電機具有與常規(guī)電動機相同的功率，而其重量或體積僅為后者的一半或三分之一，對與軍船來說，它就意味著更快的速度，更長的續(xù)航力和更加強大的火力，乃至可靠的生命保障。而對于民船而言，則意味著更大有效艙容量和更大的經(jīng)濟利益。

高溫超導電動機所具有的重量輕、體積小這樣的優(yōu)點，極有利于船舶吊艙推進應用。假如一艘500噸的輕量的集裝箱船可裝載40多個集裝箱，如果使用高溫超導吊艙推進器，那么這個同樣大小的集裝箱船就可以多裝載2.5%到4%的集裝箱。

圖6 高溫超導電動機與常規(guī)電動機體積/功率關系比較

4 未來船舶電力系統(tǒng)配置

在船用推進領域，高溫超導電動機所具備的輕重量，小尺寸，更大的功率密度，以及較高的部分負載效率等特性，對商船和軍船來說是非常重要的，符合這些船舶運行工況特點。

另外，高溫超導電動機勵磁繞組的內(nèi)在設計柔性直接惠及到船舶推進系統(tǒng)的配置，船舶使命和運行的各個方面。具體地說，高溫超導電動機既可以安裝在艙內(nèi)，也可以作為吊艙推進系統(tǒng)配置。

根據(jù)美國超導體公司方案，未來的船舶電力系統(tǒng)，以及電力推進系統(tǒng)不僅僅是一個全電力系統(tǒng)，更是一個全高溫超導電力推進系統(tǒng)。整個電力系統(tǒng)由高溫超導發(fā)電機供電模塊，通用高溫超導工業(yè)電動機用戶模塊和高溫超導電動機推進系統(tǒng)模塊構成（圖7）。

圖7 全高溫超導電力船動力系統(tǒng)拓撲

高溫超導發(fā)電機與高溫超導電動機具有類同的特性，各種損耗極小，包括冷卻系統(tǒng)的功率損耗，整個系統(tǒng)的損耗只是常規(guī)發(fā)電機的一半。這使超導發(fā)電機的效率提高0.5%～0.8%（超導發(fā)電機的效率高達99%）。超導發(fā)電機的同步電抗也很小，穩(wěn)定性好。由于省去了鐵芯，降低了電樞繞組對地絕緣的要求，因此可采取電樞繞組，省去升壓變壓器，可直接投入現(xiàn)有電網(wǎng)運行。權威人士認為，超導同步發(fā)電機是未來電站的主力。繼5000HP高溫超導工業(yè)電動機和5MW高溫超導船用推進電動機之后，美國超導體公司目前正在設計開發(fā)高溫超導同步發(fā)電機，旨在全電力船上得到應用。

在船上，高溫超導電動機和發(fā)電機能與現(xiàn)有的軍船高電壓、低電流體系結構相兼容。電動機的控制完全可以利用現(xiàn)有的同步/循環(huán)，或PWM變頻器技術，而無須進行新的研發(fā)工作。整個電力系統(tǒng)也非常安靜。

高溫超導發(fā)電機可以作為船上電網(wǎng)無損效率峰化機組來使用。在未來的大型水面艦艇上，可能裝備各種電磁武器（電磁彈射、電磁炮等）設備，高溫超導發(fā)電機必定會發(fā)揮極為重要的作用。

4 高溫超導電動機應用前景及建議

業(yè)內(nèi)專家稱，2002年用于船舶電力推進系統(tǒng)裝備的電動機和發(fā)電機的全球市場總價值為四億美圓，而這個市場還會在今后十年中上升到20億美圓。從近十來年商業(yè)游輪、貨輪和軍船建造情況來看，人們更趨向于使用電力推進方式。

根據(jù)超導電動機的工作特性，其最初應用可能會出現(xiàn)在驅(qū)動等運輸領域，尤其會被用于大型軍船、商船或海洋工程等的電力推進系統(tǒng)。這是因為高溫超導電動機在尺寸和重量和效率等方面固有的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢為提高船舶設計柔性提供顯著的成效，最能有效地體現(xiàn)各種艦船的運行使命要求，也為船舶的生命周期費用產(chǎn)生了深遠的影響。

隨著高溫超導材料工業(yè)的進一步發(fā)展，價格進一步下降，高溫超導電動機也將成為泵、風機、壓縮機、增壓機，以及皮帶驅(qū)動等應用途徑的理想動力，特別是那些有連續(xù)工作需要的應用領域，如軋鋼、制漿、造紙、化工、石油和天然氣精煉、采礦，以及其他重工業(yè)應用。

由此可見，無論是國防工業(yè)的急迫需要，還是籍于長遠的能源考慮，高溫超導電機的研究開發(fā)工作都應該上升到國家能源戰(zhàn)略，以及21世紀先進技術儲備的高度來考慮，統(tǒng)籌計劃，力爭早日獲得關鍵技術的突破。

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作者單位：中船重工集團公司武漢船用電力推進裝置研究所 (