■ 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 王維華

在接近于4K的深冷低溫狀態(tài)下，有的金屬電阻幾乎等于零，被稱(chēng)為超導(dǎo)現(xiàn)象。1911年荷蘭的教授發(fā)現(xiàn)“NbTi” 類(lèi)金屬的低溫超導(dǎo)現(xiàn)象；1986年瑞士的兩位博士又發(fā)現(xiàn)了“LaBaCuO”類(lèi)金屬氧化物的高溫（＞23 K ）超導(dǎo)現(xiàn)象，一年以后，比斯頓大學(xué)的博士發(fā)現(xiàn)了Y 氧化物的高溫（90 K）超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)科技涉及到物理學(xué)、材料學(xué)、電氣工程、低溫工程及自動(dòng)控制技術(shù)等多門(mén)學(xué)科，它是當(dāng)代國(guó)際科技發(fā)展的一個(gè)重要的前沿課題。一百年來(lái)，具有這種超電導(dǎo)性能的導(dǎo)體及其在電力工業(yè)的應(yīng)用，都取得重大進(jìn)展。它在變壓器、電力電纜、限流器、超導(dǎo)蓄能等方面的應(yīng)用比較普遍，取得的重大科技成果也很多。然而在電機(jī)工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)展卻不如人意，關(guān)鍵問(wèn)題在于電機(jī)是旋轉(zhuǎn)的，特別是高轉(zhuǎn)速電機(jī)，難度更大。

1 低溫超導(dǎo)體

與銅線相比，在電機(jī)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用超導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是：（1）電流密度可提高10倍；（2）勵(lì)磁繞組的安匝數(shù)也可提高10倍；（3）電機(jī)的有效部分（鐵心—銅線）的利用率可提高3倍；（4）電機(jī)容量可提高5~10倍；（5）體積可減小一半；（6）重量可減小1/3；（7）效率可提高到99.7%；（8）成本大幅度降低。

超導(dǎo)電機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，被國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議公認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)領(lǐng)域的“四大進(jìn)展”之一。世界最早開(kāi)發(fā)超導(dǎo)電機(jī)的是美國(guó)（1965年），直到80年代，已擴(kuò)大到英、法、日、德、俄、瑞士、捷、意、奧、中等10多個(gè)國(guó)家。比較集中的戰(zhàn)略目標(biāo)是1000 MVA以上的超大型電機(jī)。雖然各自取得不同的進(jìn)展，但還是紛紛停止了研制（只有日本堅(jiān)持不懈，由超導(dǎo)委統(tǒng)籌東芝、日立、三菱3個(gè)最大公司合作開(kāi)發(fā)成功70 MVA的同步電機(jī)）。其主要原因如下：（1）全球市場(chǎng)需求發(fā)生重大變化，高效節(jié)能環(huán)保的聯(lián)合循環(huán)電站中小型和性?xún)r(jià)比更高的機(jī)組很受用戶(hù)歡迎，而不是大型機(jī)組。（2）低溫超導(dǎo)體的液氦深冷裝置費(fèi)用昂貴、技術(shù)復(fù)雜、難度較大、需時(shí)較長(zhǎng)，而且容易發(fā)生“失超”（失去超導(dǎo)性能，導(dǎo)體電阻不再接近于零）現(xiàn)象。

在旋轉(zhuǎn)電機(jī)領(lǐng)域，容量最大的和結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的就是同步發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)代透平發(fā)電機(jī)的尺寸受到太多的挑戰(zhàn)。額定轉(zhuǎn)速已經(jīng)高達(dá)3600 r/min (60Hz) ，還要經(jīng)受1.2倍的過(guò)速考驗(yàn)。即便如此，設(shè)計(jì)壽命高達(dá)40年的這種電機(jī)還是通過(guò)了高可靠性運(yùn)行的考驗(yàn)。西門(mén)子公司于1970年開(kāi)始低溫超導(dǎo)材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。80年代末期，研制的采用液態(tài)氦來(lái)深冷勵(lì)磁繞組的低溫超導(dǎo)電機(jī)容易發(fā)生“失超”現(xiàn)象，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低下，影響市場(chǎng)銷(xiāo)售，所以暫停研發(fā)。

低溫超導(dǎo)體是在“深冷”狀態(tài)下的超導(dǎo)體，其直流電阻幾乎接近于零，沒(méi)有銅損，可以極大地提高電流密度、安匝數(shù)、磁通密度。由于磁通密度很大，可以不再需要導(dǎo)磁的轉(zhuǎn)子鐵心，而采用非磁性材料來(lái)支撐、固定超導(dǎo)勵(lì)磁繞組，構(gòu)成無(wú)鐵心的轉(zhuǎn)子；至于定子電樞繞組，承載的是高幅值交流電，只能沿用銅線。而-定子鐵心，同轉(zhuǎn)子一樣可以采用非磁性材料來(lái)支撐、固定，構(gòu)成無(wú)鐵心的定子。采用這種非導(dǎo)磁鐵心材料（金屬或非金屬均可）的超導(dǎo)電機(jī)磁通密度很大，功率密度也很大。但應(yīng)注意：由于取消了導(dǎo)磁鐵心及其齒部，磁通的徑向分量將不再經(jīng)由“齒部”的引導(dǎo)而沿徑向流入。此時(shí)，電磁力的作用既有徑向的變化，還有切向的變化。為了減小這種高功率密度超導(dǎo)電機(jī)的渦流損耗，必須采用股線的完全換位。

2 高溫超導(dǎo)體

與低溫超導(dǎo)體相比，應(yīng)用高溫超導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是：（1）低溫超導(dǎo)體的溫度必須采用液氦來(lái)制冷(可達(dá)4 K)，費(fèi)用昂貴；而高溫超導(dǎo)體則可采用廉價(jià)（價(jià)格降低到1/30）的液氮來(lái)冷卻（可達(dá)77K）；（2）在致冷裝置的冷卻能力方面，液氮的輸入功率與冷卻功率之比為10，而液氦為500，由此可見(jiàn)液氮的深冷效率可提高50倍，而致冷裝置的造價(jià)卻降低到1/15；（3）與液氦比，液氮的排熱、散熱能力提高到62倍，而蒸發(fā)熱量的價(jià)格卻減小到1/1900；（4）超導(dǎo)線圈所需致冷能量可減少到3%。

高溫超導(dǎo)體可以通過(guò)燒結(jié)陶瓷材料很容易得到。將其成分中的 氧化物和碳酸鹽粉末混合后壓制在一起，并在純氧中加熱到900 ℃～1000 ℃時(shí)燒結(jié)而成。它的電阻消失并具有超導(dǎo)性能時(shí)的臨界溫度約為90K，臨界磁場(chǎng)約為150T，臨界電流密度可達(dá)105A/cm2(77K)。它的晶體結(jié)構(gòu)為層狀，具有各向異性。它的臨界溫度對(duì)氧的含量非常敏感。它的最佳組成為YBa2Cu3O7。

3 高溫超導(dǎo)電機(jī)

高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，帶動(dòng)了超導(dǎo)電機(jī)開(kāi)發(fā)的新高潮。此時(shí)，發(fā)展目標(biāo)有了重大轉(zhuǎn)折，不再是巨型電機(jī)，而是220 MVA左右的中小型電機(jī)，以適應(yīng)聯(lián)合循環(huán)電站的需求。特別是俄國(guó)，不僅是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，就連定子電樞繞組也采用了高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組，被稱(chēng)為全超導(dǎo)電機(jī)。雖然成本要高，但電樞重量卻可減輕一半。

雖然高溫超導(dǎo)體已在電力工業(yè)領(lǐng)域的變壓器、電力電纜、限流器、超導(dǎo)蓄能等方面比較普遍應(yīng)用，但是要在電機(jī)、特別是高轉(zhuǎn)速同步電機(jī)上應(yīng)用就難度很大， 因?yàn)樗切D(zhuǎn)機(jī)械，為了驗(yàn)證高溫超導(dǎo)電機(jī)的可行性，近年來(lái)德國(guó)西門(mén)子 公司研制了一臺(tái)400KW（50Hz）的4極 1500r/min高溫超導(dǎo)同步電機(jī)， 其高溫超導(dǎo)線圈通過(guò)液氮的熱虹吸冷卻過(guò)程被制冷到其工作溫度（25K）,并保持這個(gè)溫度。制冷壓縮機(jī)功率為6kW。電機(jī)效率為96.8%。

在這臺(tái)中間機(jī)組所取得的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，又針對(duì)大型海軍艦船制成了燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的“2極”高速高溫超導(dǎo)透平發(fā)電機(jī)，它是世界上容量最大的這種電機(jī)。其高溫超導(dǎo)扁平繞組采用Bi2223帶制作，額定功率4MVA， 頻率60Hz，轉(zhuǎn)速3600 r/min。轉(zhuǎn)子致冷系統(tǒng)包括3個(gè)冷卻器，冷卻功率各為45W。正常運(yùn)行時(shí)，只需2個(gè)即可，第3個(gè)冷卻器會(huì)使“裕度”增加2/3. 轉(zhuǎn)子采用旋轉(zhuǎn)的低溫屏蔽罩，以便將轉(zhuǎn)子2極鐵心(轉(zhuǎn)子仍用鐵磁性材料)上的高溫超導(dǎo)體勵(lì)磁繞組與外界隔離。作為冷卻劑的液態(tài)氮，應(yīng)用熱虹吸原理來(lái)完成冷卻過(guò)程，并將轉(zhuǎn)子降溫到高工作溫度（25K）,然后保持這個(gè)溫度。由于致冷而散發(fā)的熱量，則由能夠承受力矩的“傳輸管”來(lái)輸出。定子電樞繞組采用空心結(jié)構(gòu)和空氣冷卻方式。導(dǎo)磁的定子鐵心齒已被非金屬材料制成的支撐結(jié)構(gòu)所代替。電樞繞組采用小直徑股線和完全換位的結(jié)構(gòu)工藝，以便減小渦流。這臺(tái)高溫超導(dǎo)同步電機(jī)，在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)2種運(yùn)行模式下都通過(guò)了考驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果表明，電機(jī)效率達(dá)到98.7%，比常規(guī)電機(jī)高出2%。此外，電機(jī)的噪聲和振動(dòng)也非常小。

這臺(tái)高溫超導(dǎo)同步電機(jī)之所以被用于大型艦船，是因?yàn)樗哂休^高的功率密度、較小的體積和較大的無(wú)功功率輸出能力。由于艦船屬于脫離大型電網(wǎng)系統(tǒng)的獨(dú)立電網(wǎng)，就必須考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。作為發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其有功功率與頻率之間以及無(wú)關(guān)功功率與電壓之間都必須達(dá)到和保持平衡和匹配。為了保持頻率和 電壓恒定，必須提供足夠大的控制裕量，才能允許波動(dòng)。無(wú)論是作為艦船上的推進(jìn)驅(qū)動(dòng)、噴水驅(qū)動(dòng)，還是作為艦船上的導(dǎo)彈、魚(yú)雷等的發(fā)射器驅(qū)動(dòng)，這種電機(jī)因?yàn)轶w積減小而獲得許多好處：艦船可以節(jié)省占地空間、增加燃料、延長(zhǎng)航程、利于環(huán)保。與常規(guī)的柴油發(fā)電機(jī)組相比，采用燃?xì)馔钙綑C(jī)驅(qū)動(dòng)的高轉(zhuǎn)速的這種高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的重量可以減小到1/4～1/8 。此外，大功率透平機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，透平機(jī)發(fā)出的有功功率往往會(huì)超出發(fā)電機(jī)的容量，為了利用這部分超出的功率，發(fā)電機(jī)也可以在允許范圍內(nèi)提高有功功率運(yùn)行，然而在“過(guò)勵(lì)”工況下，卻不能保證需要的功率因數(shù)。此時(shí)高溫超導(dǎo)同步電機(jī)可以提供無(wú)功功率。與常規(guī)空冷轉(zhuǎn)子不同，由于采用超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，沒(méi)有冷卻空氣把熱量從轉(zhuǎn)子帶進(jìn)氣隙，大幅度減小了氣隙中的風(fēng)損，從而也有助于發(fā)電機(jī)有功功率的提高。

與早期開(kāi)發(fā)的低溫超導(dǎo)電機(jī)相比，高溫超導(dǎo)電機(jī)只需極小的冷卻功率，因而能使冷卻系統(tǒng)變得體積更小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率更高。此外，還由于高溫超導(dǎo)體的工作溫度較高，因受熱干擾而發(fā)生“失超”的可能性也大為減小，所以其運(yùn)行穩(wěn)定性很高。

4 標(biāo)準(zhǔn)化系列化

研制成功這臺(tái)“2極”高速高溫超導(dǎo)透平發(fā)電機(jī)以后，便開(kāi)始實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì)。此時(shí)，只需驗(yàn)證一種裝有高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子即可，與其配套的定子則可以是新設(shè)計(jì)的，也可以是已經(jīng)成型的常規(guī)設(shè)計(jì)的各種定子，其容量范圍可達(dá)150～900（MVA）。如果容量更大，只是瞬變電抗和超瞬變電抗稍有不同。只要改變轉(zhuǎn)子的有效長(zhǎng)度和高溫超導(dǎo)體的體積，便可調(diào)整轉(zhuǎn)子來(lái)滿(mǎn)足各種電機(jī)容量的要求。雖然轉(zhuǎn)子采用常溫鍛造鐵心，但卻沒(méi)有齒/槽，與透平發(fā)電機(jī)的隱極轉(zhuǎn)子表面不同，反而與凸極轉(zhuǎn)子表面相似。

高溫超導(dǎo)電機(jī)的關(guān)鍵部件是高溫超導(dǎo)繞組，然而高溫超導(dǎo)體線材已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，原材料來(lái)源不是問(wèn)題。需要注意的是：勵(lì)磁機(jī)的電壓不僅受到勵(lì)磁機(jī)本身的限制，還受到集電環(huán)、電刷等部件能夠傳遞電壓的最大值和高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組絕緣強(qiáng)度的限制。因?yàn)槌瑢?dǎo)勵(lì)磁繞組電阻接近于零，“銅損”可以忽略不計(jì)，此時(shí)的勵(lì)磁電壓等于“電感”與“勵(lì)磁電流相對(duì)于時(shí)間的變化率”之積。對(duì)于大容量電機(jī)勵(lì)磁繞組匝數(shù)很多，電感很大（電感與匝數(shù)的平方成正比），當(dāng)勵(lì)磁電壓受到限制時(shí)，只有限制“勵(lì)磁電流相對(duì)于時(shí)間的變化率”，這就不能很快地達(dá)到所需要的勵(lì)磁電流。這是勵(lì)磁系統(tǒng)方面今后的課題。

如果在常規(guī)電機(jī)上進(jìn)行改造以便采用超導(dǎo)勵(lì)磁繞組，還要注意到：不能應(yīng)用單根超導(dǎo)線繞制，因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)線可承載的電流最大為250～350安培（是77K溫度下的2倍），而常規(guī)電機(jī)高達(dá)幾千安培。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用組合的超導(dǎo)線進(jìn)行并聯(lián)，實(shí)施羅貝爾換位，并用樹(shù)脂澆鑄，使每股導(dǎo)線的電磁感應(yīng)都相等，避免導(dǎo)線間電流的不均勻性而引起的性能下降。同時(shí)還使電感大為減小，可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。

5 結(jié)論

最近的國(guó)際超導(dǎo)工業(yè)高峰會(huì)議指出，作為21世紀(jì)具有重大戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，超導(dǎo)電力科技將會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用高潮。高溫超導(dǎo)體的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化普遍應(yīng)用，推動(dòng)了超導(dǎo)電機(jī)、特別是高轉(zhuǎn)速燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)的發(fā)展。在滿(mǎn)足當(dāng)今世界熱門(mén)的聯(lián)合循環(huán)電站的需要，以及海軍大型艦船的需要方面，它都發(fā)揮了重大作用。