呂　桐，許　昕，彭柏文

（沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，沈陽 110136）

提高發(fā)電機(jī)的工作效率，降低發(fā)電機(jī)的運(yùn)行損耗，一直是發(fā)電機(jī)研發(fā)的重要指標(biāo)。近年來，科技的日新月異帶動(dòng)了超導(dǎo)技術(shù)的日益進(jìn)步和超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的應(yīng)用化研究也隨之興起。目前研發(fā)并初步運(yùn)行的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)有效提高了發(fā)電功率，大大降低了發(fā)電機(jī)的質(zhì)量，減小了發(fā)電機(jī)的鐵磁材料消耗，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)小型化，使其工作性能更加穩(wěn)定，為超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的降噪和軍事化應(yīng)用提供了可能，同時(shí)也節(jié)省了成本，而且環(huán)保無污染，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。從理論方面分析，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)與常規(guī)發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上沒有太大差別，用超導(dǎo)體繞組來替換原來的銅線繞組即可改造成基礎(chǔ)的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。但是，憑借超導(dǎo)材料制成的導(dǎo)體本身具有電流密度高這一優(yōu)勢(shì)，在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)上可以增大磁場(chǎng)強(qiáng)度、提高功率密度，從而具有更加優(yōu)良的性能。

1　國(guó)內(nèi)外超導(dǎo)發(fā)電機(jī)研究歷程及現(xiàn)狀

美國(guó)最早從事超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的相關(guān)研發(fā)。1969年，位于美國(guó)波士頓的麻省理工學(xué)院研制成功一臺(tái)容量為0.45 MW的旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁場(chǎng)繞組的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，這是世界上第一臺(tái)真正意義上的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。1973年，美國(guó)西屋公司研制出一臺(tái)5.00 MW的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。1978年，在美國(guó)電力研究所的投資與扶持下，美國(guó)西屋公司開始進(jìn)行一臺(tái)300.00 MW低電壓超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研制計(jì)劃，后來由于當(dāng)時(shí)市場(chǎng)需求及經(jīng)費(fèi)不足，該計(jì)劃被中止，但仍然積累了很多寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。之后，美國(guó)西屋公司和通用電氣公司完成了1 200.00 MW超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的概念設(shè)計(jì)。德國(guó)在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研發(fā)上采取“小步快跑”原則，先進(jìn)行基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)的研究，并在小型電機(jī)的建造上積累經(jīng)驗(yàn)，然后直接進(jìn)行大容量機(jī)組的研發(fā)。1991年，德國(guó)西門子公司成功完成了機(jī)組容量為400.00 MW的高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研制。前蘇聯(lián)在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)領(lǐng)域研究也較早，技術(shù)較為先進(jìn)。20世紀(jì)80年代，全蘇電機(jī)研究所研制成一臺(tái)20.00 MW的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，隨后展開了300.00 MW超導(dǎo)機(jī)組的研發(fā)工作。2005年，俄羅斯完成了1 200.00 MW超導(dǎo)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制成700.00 MW的超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)。此外，日本、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)家在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)領(lǐng)域也頗有建樹。近年來，我國(guó)也加快了在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)工作，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化上取得了重大突破。

2　超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與優(yōu)化

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)由阻尼筒、真空外殼、超導(dǎo)勵(lì)磁繞組、熱輻射屏蔽筒、定子繞組、力矩傳導(dǎo)筒、密封軸承、電磁屏蔽、真空層等部分組成（如圖1所示）。超導(dǎo)勵(lì)磁繞組發(fā)電機(jī)為半超導(dǎo)發(fā)電機(jī)；如果電機(jī)的電樞繞組也采用超導(dǎo)材料，則為全超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。

圖1　超導(dǎo)勵(lì)磁繞組發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)Figure 1　Basic structure of superconductive field w inding generator

經(jīng)參考有關(guān)文獻(xiàn)和進(jìn)一步試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的氣隙磁密波形的正弦度數(shù)與輸出電壓質(zhì)量有著密切聯(lián)系，且影響較大。與傳統(tǒng)的凸極同步發(fā)電機(jī)不同，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)由于缺少極靴和極身這兩個(gè)具有鐵磁性部分，當(dāng)選擇勵(lì)磁繞組超導(dǎo)材料的使用量不變時(shí)，氣隙磁密的幅值和正弦度數(shù)取決于勵(lì)磁繞組的張角度數(shù)。如圖2所示。

圖2　勵(lì)磁繞組張角為30°時(shí)氣隙磁密及各次諧波波形Figure 2　Air gap flux density and the various harmonic wave form when field w inding angle of 30°

此外，環(huán)境屏和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分為超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)提供了磁場(chǎng)回路，有效減少了漏磁情況，從而達(dá)到磁場(chǎng)屏蔽的效果。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境屏與轉(zhuǎn)子厚度和磁導(dǎo)率對(duì)電機(jī)氣隙磁密幅值產(chǎn)生影響，也對(duì)電機(jī)輸出功率產(chǎn)生影響。當(dāng)環(huán)境屏與轉(zhuǎn)子厚度和磁導(dǎo)率增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氣隙磁密幅值增大，輸出功率也增大；同時(shí)，也存在不能忽略的負(fù)面影響，即當(dāng)環(huán)境屏與轉(zhuǎn)子厚度增加時(shí)，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的體積與質(zhì)量也增大；并且，磁導(dǎo)率受到超導(dǎo)材料本身屬性的限制，不能無限提高。

基于有限元的方法，對(duì)改變環(huán)境屏與轉(zhuǎn)子厚度會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)發(fā)電機(jī)氣隙磁密幅值和輸出功率大小變化這一規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究。試驗(yàn)過程中通過控制環(huán)境屏的內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子的外徑不改變，并根據(jù)超導(dǎo)材料所具有的非線性性質(zhì)再次修正環(huán)境屏的外徑和轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，得出結(jié)論：為得到超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的最大功率密度，應(yīng)取環(huán)境屏外徑為最小值、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為最大值；缺點(diǎn)是這種條件下電機(jī)輸出功率較低。在設(shè)計(jì)制作超導(dǎo)發(fā)電機(jī)時(shí)，應(yīng)按照所需的電機(jī)功率等級(jí)，在環(huán)境屏與轉(zhuǎn)子厚度和磁導(dǎo)率的選擇上不斷改變得到合適的數(shù)值，進(jìn)而得到超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在此功率等級(jí)下的最大功率密度。

3　結(jié)論與展望

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)因其工作效率高、損耗低、功率大等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛關(guān)注，各國(guó)均對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用給予了大量的投資。我國(guó)在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化上取得了重大成果，無論在理論研究還是試驗(yàn)研發(fā)方面都有突破性進(jìn)展，解決了關(guān)鍵的技術(shù)問題。在不久的將來，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)有望得到廣泛應(yīng)用。

［1］張宏杰，孫建峰.高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用前景［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2008（5）：55.

［2］宋美紅.超導(dǎo)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)的三維有限元計(jì)算研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2012.

［3］戴慶忠.超導(dǎo)電機(jī)的現(xiàn)狀及展望［J］.機(jī)械工程，1987（6）：35-37，32.

［4］唐躍進(jìn)，李敬東，潘坦，等.超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)——發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25（4）：72-76.

［5］張文峰，夏東，張東，等.基于解析法的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，2014，36（3）：218-222.