高温超导交流同步电动机

高温超导交流同步电动机

高温超导交流同步电动机——一种理想的舰船推进动力设备

作者：admin 发表时间：2010-01-28 14:35:44

唐绍栋（中船重工集团公司712研究所武汉430064）

1引言

超导技术在众多领域中的应用具有极为突出的优点或是具有不可取代的作用。它在军事上的潜在重要性更是令人向往。正是这样，各国对发展超导技术都极为重视，日本认为超导技术是21世纪国家间竞争中保持尖端优势的关键所在，美国认为超导技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备。

1986年，高温超导材料出现，目前已经实现商品化，使得超导设备结构更为简单、热力学特性更佳、成本降低和运行可靠性提高，大大拓宽其应用领域。尤其是在海军装备上，突破了一些体积、重量、能源、精度等方面的障碍，实现在舰船有限空间，复杂环境条件下，武器装备性能的大幅度提高。

早在1989年，美国海军就在一项称之为“海上革命”的研究与发展计划中，把舰船电力推进作为21世纪美军主力战舰的推进方式，并已提出超导电力推进的方案。多年来，美、英等国就已将性能优越的超导电机作为舰船电力推进的理想动力设备，投入大量人力、物力进行开发、研究。美、英两国早已分别成功地进行2200kW和1000kW超导单极电机组成的超导直流电力推进系统的实船实验，同时还分别进行过30MW和50MW大容量超导单极电机的研究和试制以及为分别应用在大型驱逐舰和破冰船等舰船上作出详细的总体设计[1]。近几年高温超导技术得到进一步发展，大功率电力电子器件和电机交流调速技术的成熟，使得超导交流电力推进也得到人们的青睐，本文主要讲述的就是高温超导材料、高温超导交流同步电机特性以及国外最新的为发展超导交流电力推进所开展的推进电动机及其他设备研究概况。

2高温超导材料

目前，高温超导材料已经形成了YBCO、BSCCO、TBCCO、HBCCO等四类，它们的转变温度分别为95K、110K、125K和135K，其线材的制备工艺亦有多种方法。但是，最成熟的已经商品化和在超导装置使用的线材主要是BSCCO材料。美国超导体公司ASC）具有最强的实力，该公司持有BSCCO短导线实验室临界电流的世界纪录，年产量已达250km，正在建立一个新的年产量为10000km的生产基地。

日本住友公司（SEI）是首先在世界上主导BSCCO导线发展的公司之一。此外还有丹麦北欧超导公司、德国真空冶炼公司（VAC）等。表1是国外高温超导线材料研究进展简表。高温超导线材在许多方面比低温超导材料更优越。因此目前研究的主流大多是指向高温超导应用研究。

表2是其中的部分物理参数比较。

各种超导装置对线材都有一些基本的要求，表3是美国能源部（DOE）提出的一些超导装置对线材要求的目标。

对于研制电动机而言。目前的线材基本能满足要求，只是个别项目还有差距，其中超导线价格目标则还有较大差距。随着线材的批量生产和工艺改进以及大量超导产品的开发应用，这一矛盾就会得以缓解。尽管这样，使用超导装置因会带来巨大的经济效益和社会效益而为人们所渴望。而且，美国超导体公司还声称正在研制第二代高温超导线，希望在2005年进行大批量生产。它最大的优点是成本低，可能只有目前的五分之一。

高温超导交流同步电动机

3 高温超导交流同步电机的优点

目前的超导同步电机仍然是一种半超导电机，将超导磁体安置在旋转的转子上，用铜线绕制的主回路绕组放在静止的定子上，其基本的总体方案与常规的同步电机相类似。但电机的转子部分要复杂得多，主要是由下列部件构成：超导励磁绕组，低温力矩管，旋转密封装置，对超导进行电磁屏蔽的护罩等，定子主要由允许高的磁通密度的空气隙电枢绕组和定子机座组成。此外，为了冷却超导励磁绕而设置了制冷机和对超导励磁绕组供给直流电

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的励磁装置。同时，为了防止热浸入，将力矩管和护罩做圆筒结构，并在其间设置为真空层。电机结构示意图如图1所示。

作为舰船推进用的高温超导同步电动机与普通感应电机相比具有极为突出的优越性，主要有：1）提高功率密度，减小电机重量，这是最突出的优点之一。图2是两种电机在不同输出功率情况下的重量比较，可以看出在5~90MW的范围内超导电机的重量都比普通电机减少许多，而且在大功率的情况下，其优势更为明显[2]。美国已经试制成功的3.7MW、1800r/min高温超导电动机与同一规格的感应式普通电机的参数比较见表4所示，可见其重量与体积也都减少一半。超导电机所减轻的重量的优点在吊舱式结构中更有价值。据估算，舰船每减轻500t的重量，就可以多装载大约40多箱集装箱。

因此，对大功率集装箱船，当使用超导电机吊舱时，将能够多装载（2.5~4）%集装箱。对于军船，减轻的重量可以多装武器装备或其他战略物资，提高舰船的战斗力。

2）体积以及占用空间大大缩小。图3是表示体积与功率的关系[2]，这一体积也包括了它们维护的空间，它是按环绕超导电机（不包括底座）周围1m和环绕更大型传统电机（不包括底座）周围2m处所占的维护的空间来计算的。

3）在整个功率范围内都具有不变的高效率。图4列出了高温超导电动机与同等功率的传统舰船推进同步电机和感应电机的计算效率比较。这种计算包括了冷却系统的损耗值。图中可以看出高温超导电动机可以在任何转速下都能在接近最大效率下运行，尤其可贵的是在低速下运行，其效率比普通电机高出许多。而这种工况又是舰船经常运行的工况，即使在30%额定航速（2.7%功率）下，其效率也会超过94%。

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4）还有很多优点，例如：高温超导电机定子采用空芯结构，因而只有很低的同步阻抗；磁场线圈几乎是在恒定的温度下运行，而普通电机磁场线圈通常因高、低温的周期变化而产生热疲劳；电机发出的电压不含谐波；电机具有很低的噪声；维护也简单，不需要通常的检查、返修或者重新绝缘等。

4超导电力推进是舰船推进的发展方向

造船的历史表明，关键的问题往往是如何围绕给定的推进系统来建造相应的舰船，而无法做到根据需要的舰船来建造相应的推进系统。因此，推进系统的性能是决定舰船发展方向的主要因素之一。传统机械推进方式的弊端是明显的，冗长的机械轴系，不但安装困难也影响了有效空间的利用；推进机械的体积和位置减少了可利用的装货和容纳旅客的空间并干扰有效的货物装卸。较少的有效空间也影响军舰的战斗力和战略物质的装载；柴油机直

接推进的长期和低速运行使推进系统维护成本增加。由于低速下以较低效率运行，使得短途航线上成本过

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高并导致取消在某些港口的停靠。巨大的噪声也影响旅客和船员的舒适性，影响战斗舰艇的隐蔽性和安全性，等等。

电力推进克服了许多由机械推进所带来的问题，而且形成很多新的特点，例如：容易实现集中控制、自动控制；允许一些柴油机切出使用和维修且能维持某些推进功率，增加舰船适应性、安全性和延长设备使用寿命；装置的电力还用于港口卸货。对于全尺寸综合电力系统其电力还可能用作某些聚能武器的能源，等等。世界上有许多国家海军都采用现代电力推进船，其中最突出的是美国海军在2000年宣布，它们下一代水面舰艇将采用电力推进系统。但一般的电力推进系统，当舰船功率很大的情况下，舰船推进 …… 此处隐藏：3428字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……