轴向感应子式高温超导电机及其低温系统研究--优秀毕业论文.pdf

工学硕士学位论文 轴向感应子式高温超导电机 及其低温系统研究 吴健 哈尔滨工业大学 2008 年 7 月 国内图书分类号：tb66 国际图书分类号: 621.51.514 工学硕士学位论文 轴向感应子式高温超导电机 及其低温系统研究 硕 士 研 究 生： 吴健 导师： 陈安斌副教授 申请学位级别： 工学硕士 学 科 、 专 业： 制冷与低温工程 所 在 单 位： 能源科学与工程学院 答 辩 日 期： 20008 年 7 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: tb66 u.d.c.: 621.51.514 dissertation for the master degree in engineering research on axial flux and inductor type flux control high temperature superconducting motor and its cryogenic system candidate: supervisor: academic degree applied for: speciality: affiliation: date of defence: degree-conferring-institution: wu jian associate prof. chen anbin master of engineering refrigeration and cryogenic engineering school of energy science and engineering july, 2008 harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘要摘要 超导电机是利用超导技术及超导材料研制的一种高性能电机。由于用超 导线圈代替了常规铜绕组，提高了绕组的载流能力，可以产生很大的磁场而 又几乎无焦耳热损耗，因而具有一系列的先进的技术和经济特性。随着高温 超导材料技术的发展，材料的临界温度、电性能和机械性能都得到极大提 升，使采用高温超导材料的电机要考虑的制冷功率比低温材料低的多。因 此，高温超导电机已经成为电机研究的一个重要方向。 对于传统结构的高温超导电机，尽管采用超导材料对电机性能上有很大 提升，但是也带来一系列问题：超导绕组的绕制受限于超导材料的机械性 能、超导绕组的低温冷却、旋转密封、复合力矩管等等。这些问题成为高温 超导电机发展的重要限制。 考虑到低速、大转矩电机在船舶推进和风力发电方面的应用，同时考虑 传统电机结构产生的技术难点，基于先进高温超导材料的性能特性提出了一 种新型高温超导电机的设计方案轴向感应子式高温超导电机。该类电机 在结构上有一些典型特点，如全超导结构、轴向气隙、超导绕组静止、液氮 冷却等等。 与高温超导电机发展对应的是低温系统的发展。相对简单、费用较低、 更高效率、稳定性高的低温系统的研制是高温超导电机进一步商业化的基 础。轴向感应子式高温超导电机由于感应子的结构特点，可以采用过冷氮冷 却。本文将归纳分析各种过冷氮低温系统的结构流程、工作原理和初步设 计，提出了一种新型过冷氮低温冷却系统。新型低温系统采用热虹吸子系统 联接了正常工作模式和备份运行模式，避免了开式系统的运行成本高和闭式 系统稳定性低的缺点。 高温超导电机的设计都是基于超导材料的性能和由材料组成的绕组的性 能来进行的。对于低温系统研究，更为关注的是超导绕组在给定的冷却方式 和磁体所处磁场环境等条件下的热稳定性，即给定的冷却方式能否满足磁体 温度裕度的要求。以磁体精确模型为分析对象，把磁滞损耗作为内热源加 载，边界上采用温度稳定边界条件，进行 hts 磁体稳态运行时热稳定型分 析，得到稳态时磁体温度分布。最大温度点温度为 66.13k，位置为靠近端 部，磁体温度稳定性良好。 另一方面，从低温系统功耗的角度，对高温超导磁体运行温度进行优 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - 化。从分析中得，当交流磁体和直流磁体工作温度在 6070k 之间时，对 应的低温系统具有较低的功耗。直流磁体工作温度的最优值为 65k，此时系 统功耗低至 85w。交流磁体最优工作温度为 70k，此时功耗值为 245w，高 达直流磁体最优功耗的两倍多。即过冷氮低温系统用于冷却 hts 磁体系统 功耗较小。 最后根据 12.5kw 轴向感应子式样高温超导电机热负荷要求，给出了 300w/66k 开式过冷氮低温系统的初步设计。 关键词关键词 感应子式高温超导电机；轴向气隙；磁体损耗；热稳定性；过冷 氮低温系统 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - abstract superconducting motor is a new kind high performance motor which utilizes superconducting technology and material. as using superconducting coils instead of routine copper windings, the current carrying capacity of motor windings is improved greatly. higher magnetic field and almost no ac loss make the superconducting motor have series of advanced technology and economy characteristics. with the development of high temperature superconducting (hts) material, critical temperature, electrical properties and mechanical properties are promoted greatly. the cooling power of superconducting motor using hts material is much less than using lts material. therefore, hts motor becomes an important research direction of motor research. as to conventional hts motor, though there is great improvement of motor performance, it also bring up some problems, such as superconducting winding making method, cryogenic cooling of superconducting windings, rotary sealing, and composite torque tube etc. these problems have become key restrictions of hts motors development. considering the application in the field of ship propulsion and wind power generation of the low speed, large torque motor and simultaneously considering technical difficulties brought by conventional hts motor structure, we proposed a new design scheme, axial flux and inductor type flux control high temperature superconducting motor. this kind motor has some typical structure characteristics, such as fully superconducting, axial direction air gap, static superconducting winding and liquid nitrogen cooling etc. corresponding with hts motor development, cryogenic system gained rapid development. simple, low cost, higher efficiency and stability cooling system is the base of commercialization of hts motor. as axial flux and inductor type flux control high temperature superconducting motor can be cooled by sub- cooled liquid nitrogen, sub-cooled liquid nitrogen cryogenic system becomes a hot research point. this paper will conclude and analyze different kinds of sub- cooled liquid nitrogen cryogenic system, including structure process, working principle and preliminary design. at last, a new structure for sub-cooled liquid 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - nitrogen cryogenic system is proposed. the new system uses thermosyphon subsystem to connect the normal operation and back-up operation that avoid the high cost of open-cycle system and low stability of closed-cycle system. hts motor is designed basing on properties of superconducting material and windings. as to cryogenic system, there is a growing concern about the thermal stability under given cooling method and magnet surrounding environment condition. that is the given cooling method can satisfy the temperature margin demand. considering the accurate magnet model as analysis object, the thermal stability of hts magnet was analysed to get the temperature distribution. the highest point of temperature is 66.13k and the positon is near the end region of the magnet. this means the thermal stability of hts is high. on the other hand, this paper did the optimum design of hts magnets operating temperature at the angle of system power dissipation. from analysis result, the cooling system has low power dissipation when the operating temperature between 6070k. the optimal temperature for dc magnet is 65k while the power dissipation is as low as 65w. the optimal temperature for ac magnet is 70k while the power dissipation is as low as 245w. that is to say it is good to use sub-cooled nitrogen to cool the hts magnet from power dissipation point. lastly, the paper did the preliminary design of a 300w/66k sub-cooled nitrogen crygogenic system for the thermal load requirement of 12.5 kw inductor type flux control high temperature superconducting motor. keywords inductor type flux control high temperature superconducting motor; axial flux type; magnet loss; thermal stability; sub-cooled liquid nitrogen cryogenic system 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 目录目录 摘要 . i abstract iii 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 高温超导电机简介 1 1.1.2 高温超导电机冷却技术概述 2 1.2 高温超导电机国内外研究现状 . 4 1.3 高温超导电机低温系统国内外研究现状 . 6 1.4 本文主要研究内容 . 9 第 2 章 轴向感应子式高温超导电机结构及超导材料的确定 11 2.1 引言 . 11 2.2 传统高温超导同步电机结构 . 12 2.3 轴向感应子式高温超导电机 . 13 2.3.1 轴向气隙结构 14 2.3.2 全超导结构 15 2.3.3 感应子和铁心结构 16 2.3.4 轴向感应子式高温超导电机总体结构 17 2.4 工作原理及工作状态分析 . 19 2.5 高温材料及超导磁体结构 . 20 2.5.1 高温超导材料 20 2.5.2 高温超导磁体 24 2.6 本章小结 . 25 第 3 章 高温超导磁体热稳定性分析 26 3.1 前言 . 26 3.2 高温超导磁体热稳定性分析 . 27 3.2.1 分析模型和方法 27 3.2.2 物性参数 28 3.3 高温超导磁体磁场计算和模拟 . 31 3.4 高温超导磁体工作电流确定 . 34 3.4.1 高温超导带材场角依赖理论模型 35 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vi - 3.4.2 高温超导带材的“应力应变”的不可逆性 36 3.4.3 高温超导磁体临界电流退化 37 3.4.4 ( , ) c ib t和( , ) c jb t的获得 . 39 3.5 高温超导线圈损耗计算 . 41 3.5.1 电阻损耗 41 3.5.2 指数损耗 42 3.5.3 交流损耗 43 3.6 高温超导线圈热稳定性分析结果 . 48 3.7 铁磁材料对高温超导线圈的影响 . 49 3.8 本章小结 . 54 第 4 章 过冷氮低温系统设计 55 4.1 前言 . 55 4.2 高温超导磁体工作温度优化 . 55 4.3 过冷氮低温系统 . 59 4.3.1 开式低温系统 60 4.3.2 闭式低温系统 61 4.4 新型过冷氮低温系统 . 61 4.4.1 过冷氮循环 61 4.4.2 热虹吸子系统：正常运行 62 4.4.3 热虹吸子系统：备份运行 63 4.5 300w/66k 过冷氮低温系统设计 . 64 4.5.1 总体结构及特点 64 4.5.2 工作原理 65 4.5.3 设计计算 66 4.6 本章小结 . 71 结论 72 参考文献 73 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 81 致谢 83 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第第1章章 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 本课题来源于哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所与哈尔滨工业大学电 磁与电子技术研究所的一个合作项目。 超导电力技术被美国能源部的专家誉为 21 世纪电力工业唯一的高技术储 备；日本专家也认为“发展超导电力技术是在 21 世纪保持尖端优势的关键所 在” 1。对电力系统而言，包括超导发电机和电动机，超导电缆，超导储能系 统等一系列超导技术产品，必将给电力工业的发展带来极其深远的影响2。 轴向感应子式高温超导电机是基于船舶推动、风力发电应用而提出的新型 低速、大转矩电机。哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究所将负责电机原理性 基础研究和电机整体结构设计工作。哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所将 负责电机低温系统和超导线圈研制及测试工作。 1.1.1 高温超导电机高温超导电机简介简介 从 1831 年 barlow 发明世界上第一台电机开始，改进电机的技术、经济特 性是电机制造者不断追求的目标。从 1986 年发现高温超导（hts）现象以 来，经过人们十余年的潜心研究和摸索，无论是 hts 成材工艺的研究，还是 性能的改善及应用都取得了长足的进步，种种迹象表明 hts 材料的出现为电 机经济、技术性能的提高提供了可能3。 超导电机是利用超导技术及超导材料研制的一种高性能电机。超导线在临 界条件下具有超导性，这将使超导电机绕组的电阻损耗降为零，既解决了电枢 绕组发热、温升问题，又使电机效率大为提高。更重要的是超导线的临界磁场 强度和临界电流密度都很高，使超导电机的气隙磁通密度和绕组的电流密度可 比传统常规电机提高数倍乃至数十倍4。因此用超导线圈取代常规铜绕组，提 高了绕组的截流能力，使电机比常规电机相比，具有显著的优点57。 （1）体积小，重量轻：由于 hts 励磁绕组要比常规电机铜绕组产生更高 的磁场，因而 hts 电机的功率密度更高些、体积更小、质量更轻。 （2）效率高：一台 4mw 的 hts 电机的效率高达 98.7，比同级别的常 规电机高出约 2.0；尤其是在低功率输出时，其效率依然很高，几乎不变。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - （3）同步电抗小：hts 电机一般采用空心定子，因而同步电抗小，仅为 常规电机的 1/51/2；这使得 hts 电机可以在更小的负载角下工作，提高其瞬 时和速度波动条件下的运行刚度。 （4）其他优点：hts 励磁线圈几乎是在恒定的温度下运行，转子的寿命 更长；在过励和欠励条件下都能改善无功功率；噪音低；出力范围大；电机输 出不含谐波；维护也简单，不需要通常的检查、返修或者重新绝缘。 超导电机有不同的分类方式，根据使用的超导材料可以分为低温超导电机 和高温超导电机；根据超导电机气隙结构可以分为轴向电机和径向电机；根据 结构及工作原理分为异步电机和同步电机，其中同步电机还可分为永磁同步电 机、磁阻同步和磁滞同步电机，异步电机可分为感应电机和交流换向电机；根 据工作电源分为直流电机和交流电机；根据定子和转子线圈所采用的材料可以 分为全超导型电机（定子和转子线圈都采用超导材料）和半超导型电机（转子 励磁线圈采用超导体，定子是常规材料） 。 1.1.2 高温高温超导电机冷却技超导电机冷却技术概述术概述 低温系统是超导电机最基本的系统之一，其直接关系到超导电机设备的效 率和安全可靠性，是超导电机能否实际应用的关键之一。超导电机冷却问题的 实质为特殊运行状态下（磁场环境、传输电流、低温容器形式、电机旋转情况 等）的超导磁体的冷却。 对于低温超导（lts）电机，由于其采用的超导材料的工作温度的限制 （nbti 为 6k、nb3sn 为 14k） ，必须采用氦作为低温冷却介质，采取的冷却方 式一般有液氦浸泡、管道冷却和气氦强迫冷却三种方式。由于采用低温氦为冷 却介质，超导电机的经济性受到严重影响。 对于高温超导（hts）电机，由于其采用的超导材料（ybco 或 bi2223） 的工作温度较高（可以高达 90k） ，冷却介质和冷却方式选择相对灵活。 高温超导电机的冷却系统包括转子的冷却系统和定子的冷却系统。目前高 温超导电机（半超导型）大多数采用传统电机的定子冷却方式，故重点考虑转 子超导线圈的冷却系统。转子冷却系统是为了及时的把超导线圈和其他磁性材 料在电机工作时产生的损耗和外界环境传输到转子里的热量带走，保持线圈超 导状态，保证电机持续正常运行。超导部分旋转的超导电机的冷却系统主要包 括三部分：制冷系统、传输耦合器和转子里的冷却回路。其中，传输耦合器是 把气态或者液态的制冷工质输入和输出转子的部件，主要的技术难点是低温介 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 质的旋转密封问题。虽然，目前已有高温超导样机的传导耦合器采用磁流体密 封技术来完成制冷介质的传输任务，但是旋转密封仍然是大多数超导电机项目 的技术难点之一8。 通过分析高温超导转子的传热冷却过程，把它分为两个阶段：第一阶段是 转子和其他导磁的材料产生的热损耗和外界环境的漏热通过传导给与它们接触 的支撑结构，导磁机构或是转子铁心，第二阶段是冷却介质通过相变传热、对 流传热或制冷机直接冷却把传导过来的热量带出转子，如图 1 所示。 图 1-1 高温超导转子的冷却过程示意图 fig.1-1 skeleton of heat transfer process of hts rotating rotor 转子超导线圈冷却回路的设计和制冷工质的选择关系到整个冷却系统以至 于电机成败的关键问题。因此，研究高效合理的冷却方式是高温超导电机的热 点和难点。另外，低温系统的设计过程中需要考虑的问题很多，比如系统效 率、绕组和转子等具体部件的冷却技术、真空和冷却介质的密封、侵入热的抑 制、转矩传导部分的热屏蔽、低温绝缘技术（包括电流引线相关方面） 、冷却 系统的安全性和可靠性等。 根据各种冷却方式采用的低温冷却介质的物性、冷却效果和系统成本，总 结出各种冷却方式的优缺点，如表 1 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 各种已经运行或者在测试的高温超导电机低温系统列表如表 2 所示914。 表 1-1 各种冷却方式的优缺点总结 table 1-1 sum-up cooling methods of hts machines 冷却方式 优点 缺点 液氦相变传热 冷却效果好，线圈载流能力强， 换热迅速，磁体稳定性好 需要液氦温区制冷机，循环流 量大，成本高 旋转热管（液氖） 冷却效果好，线圈载流能力强， 磁体稳定性好，自循环自调节 集中换热，热传距离较长，反 应时间较长 冷氦气对流换热 冷却效果好，线圈载流能力强， 磁体稳定性好 流量大，循环需要低温泵 液氮对流换热 冷却效果一般，成本较低 载流能力较弱，稳定裕度小， 循环阻力大 冷氦气固态氮 冷却效果好，线圈载流能力强， 磁体稳定性好 系统结构复杂，成本较高 表 1-2 高温超导电机采用的冷却方式总结 table 1-1 sum-up cooling systems of hts rotating machines 序号 冷却方式 样机 1 旋转热管道 （以氖为工质） 5000hp（2001，美国） ，100mva（在研，美国） ，380kw （2001，德国） ，4mw（2004，德国） ，100hp（2004，韩国） 2 液氦对流传导 100kva（2001，英国） 3 冷氦气对流传导 1.5mva（2002，美国） ，5mw（2003，美国） ，36.5mw （2007，美国） ，100wma（在研，美国） 4 液氦相变传热 30kva（2000，韩国） 5 固氮冷氦气传导 对流 3kva（2002，韩国） 1.2 高温超导电机国内外研究现状高温超导电机国内外研究现状 早在 1987 年，美国电力研究院（electric power research institute）就委任 reliance electric 公司就高温超导技术在工业电机领域应用的可能性进行研究。 20 世纪 90 年代初，它们就先后研制了 25kw 的小型 hts 直流电动机和 1.5kw、3.7kw 的 hts 同步电动机。到目前为止，美国已经先后成功研制了 5mw 的 hts 同步电动机和 100mw 的 hts 同步发电机，36.5mw 的 hts 同 步电动机正在测试中。与此同时，德国西门子也先后研制出 400kw 和 4mw 的 hts 同步电动机/发电机。近年来，澳大利亚和新西兰合作开发了一台 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 2mw，20r/min 的低转速 hts 涡流发电机。韩国则测试研制了一些小型的 hts 同步电动机和发电机。此外，其他类型的 hts 电动机也获得了不同程度 的发展。俄罗斯和德国从上世纪 90 年代中期开始合作，先后开发出了一系列 的 hts 磁阻、磁滞和永磁电动机。同时，hts 直线电机在日本、美国等国家 也得到一定的发展。 hts 直流电动机，尤其是用于船舶推进的单极直流电动机是早前 hts 电 机研究重点。hts 单极直流电机用于船舶推进系统时，既有常规电力推进船舶 的优点，又能做到大功率、重量轻和尺寸小。表 1-3 为已经研制出的 hts 同步 电动机列表1425。 表 1-3 已经研制出的 hts 同步电动机 table 1-3 sum-up cooling methods of hts machines 国家 额定功率 基本参数 hts 材料 研制年份 美国 1.5kw 2 极，3600r/min 多芯复合 bscco 线圈 1993 3.7kw 4 极，1800r/min 多芯复合 bscco 线圈 1993 92kw 4 极，1800r/min 多芯复合 bscco 线圈 1995 735kw 4 极，1800r/min 多芯复合 bscco 带 2000 3.7mw 4 极，1800r/min 多芯复合 bscco 线 2001 5mw 6 极，230r/min 多芯复合 bscco 带 2003 德国 400kw 4 极，1800r/min bi-2223/ag 带 2001 4mw 2 极，3600r/min bi2223 带 2005 韩国 3kw 4 极，1800r/min bi-2223/ag 带 2001 73.5kw 4 极，1800r/min 不锈钢加强 bi2223 带 2002 日本 3.1kw 8 极，720r/min gd-ba-cu-o 块磁体 2005 芬兰 1.5kw 4 极，1500r/min bi-2223/ag 线圈 1997 根据各国的主要科研机构完成的超导电机研究，可以把超导电机分为三 类：第一类是超导绕组的直流电机；第二类是超导绕组的交流电机；第三类是 由钇类（ybco）高温超导块制成的电机和铋类（bscco）高温超导复合薄片 制成的电机。 第一类超导电机的优点是：平均磁感应强度高（b1t3t)，超导线圈的 电流负荷值大，相电压高、功率损耗小，气隙大，感抗水平低。 第二类超导电机的优点是：提高了定子电流负荷值，感抗水平相对较低， 定子绕组中的损耗小。 第三类超导电机的特点是：结构简单，质量动能指标好，电流负荷值高， 定子和转子间的气隙小。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 在超导复合线制成的超导电机中，利用了复合材料超导线的高水平临界电 流密度（103a/mm2104a/mm2） ，确保了电机感应线圈极高的电流负荷。其基 本类型为：超导同步电机、超导单极电机和超导双级电机。 htsc 块元件和 htsc 复合薄片制成的超导电机的工作原理是基于以下物 理现象： （1）htsc 块元件中的磁滞现象； （2）由 htsc 和铁磁元件组成的复 合薄片中，高的磁各向异性现象。htsc 块元件和复合薄片元件均具有“抓 取”强磁场的能力，在 t20k 时，达到 8t12t；在 t77k 时为 23t。这 一现象可以冻结磁通的 htsc 电动机特殊结构中。 现在的欧洲、俄罗斯、日本和美国的各主要科研中心已研制出了 htsc 块 元件和复合薄片组成的各种高温超导电动机结构型式。 由住友电气工业株式会社，日立，富士电机等企业和院校组成的日本产学 联合小组，在世界上首次开发了用液氮冷却铋系列超导带材的全超导电机（直 径：600mm,长度：0.6m,额定功率：12.5kw/100rpm，工作温度：66k） ，并利 用该种全超导电机成功完成了荚式推进系统的制造：此种新型超导马达在性能 上取得了革命性突破，尺寸小，高效率，低能量损耗2630。 从 1974 年至 1977 年，中国上海发电设备成套设计研究所与上海电机厂等 单位合作，成功地开发了 400kva（最大容量 428kva）采用动态真空密封的超 导发电机，并在短时间内还投入电网作 10mva 同步调相机运行；接着试制了 400800kva 采用静态真空密封的模型机。中国船舶总公司 712 所、中科院电 工所和浙江大学等单位于 1983 年研制的 300kw 超导单级电机是我国第一个超 导电动机31。电机的定子是一对 nbti 超导螺线管，中心磁场达到了 4.78t， 电枢区域的磁场达到 0.75t。为了研究超导电机用于船舶和轧钢厂的可能性， 西安交通大学研制了作为雏形的 17kw、4 极的超导直流电机。2000 年底，中 国科学院电工研究所研制成功了一台小型二极 hts 永磁电动机32。2004 年， 中国科学院电工研究所又研制了额定功率为 150w 的内反应式 hts 磁阻电动 机，引入了 ybco 块材作为磁阻电动机转子交轴的磁阻介质，获得了更大的 输出转矩、更高的效率和功率因素33。目前，国内高温超导电机的研究刚刚起 步，并且主要为小型特殊原理的实验电机，应用更为广泛的同步电机研究还没 有正式开始。 1.3 高温超导电机低温系统国内外研究现状高温超导电机低温系统国内外研究现状 每台研制的超导电机都有其配套的低温系统。由于大部分超导电机超导部 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 分都是随着电机进行旋转，所以低温系统的基本要求有两点：第一，低温系统 不允许影响电机的高速旋转；第二，高速旋转的电机不会或者很大程度上不会 影响制冷系统的性能。根据超导磁体的布置、可靠性及运行性能要求不同，可 以采取的冷却方式一般有液体浸泡、管道冷却和气体强迫冷却等。超导电机的 冷却由于受到超导材料临界温度的限制，在早期高温超导材料还未开发出来的 时候，都是利用液氦冷却。在确定冷却容器大小时，需要根据电机结构要求和 磁体截面并保证有足够的存留液氦的容积来确定。随着高温超导电机的工作温 度不断的提高，目前已经可以达到 66k77k 水平（随着高温超导材料技术的 发展，该温度还将继续提高） ，液氦冷却逐渐被放弃。目前，对于 hts 电机典 型的冷却方案有两类：直接（浸泡）冷却方案和通过冷却介质间接冷却方案。 另外，为了避免旋转密封这一个技术难题，提出了许多新的技术方案。其中有 代表性的是固氮冷却技术和制冷机直接冷却技术。 （1）直接冷却方案 这种方法中低温氦气在转子和静止的制冷系统之间进行循环。氦气在在超 导电机转子部分吸收热量，然后返回到冷却系统，将其热量释放到环境中。这 种方法概念上很简单，同时也是一种直接冷却方法，因为低温氦气既是冷却介 质，同时也是制冷循环（如逆向布雷顿循环）的工质。 图 1-2 高温超导电机转子的直接冷却方案程示意图 fig.1-2 schematic diagrams of external cooling method with circulating cryogen of stationary refrigeration of hts rotating rotor 美国 1000 hp 高温超导电机采用的就是这类低温系统，氦气通过一对有真 空外套的输送管路经过旋转输冷管接头送到转子低温容器的冷端。一对低温连 接卡口可以快速连接氦制冷机和转子低温容器。氦气进入低温容器内部后，在 嵌入在转子支撑结构中的热交换器冷却回路内循环，并在此处吸走寄生漏热， 然后回到氦制冷机。实际的制冷机为反向 brayton 循环氦制冷机。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - （2）通过冷却介质间接冷却 这种方法中，低温气体流入超导电机转子部分，吸收由转子产生的热，然 后返回到制冷系统，由制冷系统冷却后循环使用。常用的冷却气体有氦气和氖 气。制冷系统往往使用商业化制冷机，尤其是 g-m 型制冷机得到广泛应用。 图 1-3 高温超导电机转子间接冷却方案程示意图 fig.1-3 schematic diagrams of external cooling method by heat transfer medium and stationary refrigeration of hts rotating rotor 美国 asc-5mw 高温超导电机采用的即是这类方法。在电机运行时冷氦气 在泵的作用下通过传输耦合器进入转子，然后经过特定的路径吹过超导线圈及 其他发热体，通过强迫对流带走热量，升温后的氦气又经由传输耦合器回到冷 凝器把热量传递给制冷机冷头后下降到工作温度，完成一个循环。 （3）制冷机直接冷却方案 这种方法是近些年才提出的一种为了避免转动部分和静止低温系统部分旋 转密封问题而提出的新的方法。把低温制冷机的冷头与超导电机直接连接，让 制冷机冷头随着电机进行旋转34。 图 1- 4 高温超导转子间接冷却方案程示意图 fig.1-4 schematic diagrams of external cooling method by on-board refrigeration system of hts rotating rotor 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 目前该方法针对低温转子已经有一些详细的研究，不过还没有进行相关的 实验研究。针对高温超导电机情况，已经有一些简单的实验，不过效果并不理 想35。 （4）固氮冷却方案 韩国电工研究所应用超导组和韩国 changwon 国立大学电气工程系等研究 机构在 2002 年设计出了用固氮保护的高温超导同步旋转电机，其中转子用固 氮进行保护36。利用固氮保护可以获得比液氮降温更低的温度来提高电机的临 界电流, 而且减小了在用液氮降温时投入和退出液氮时对磁体造成的机械扰动, 有利于电机的稳定运行。不过，采用固氮冷却方案的电机持续运行将是一个问 题。随着超导电机的工作时间的持续，固氮会逐渐液化温度上升，到一定水 平，必须重新连接外部冷源进行液氮的固化。 对于超导部分静止的高温超导电机，其超导部分的冷却与传统磁体冷却实 质一样，除了上述的多种冷却方案，制冷机传导冷却方案也获得了较快的发 展，如文献37中涉及的航空推进用高温超导电机采用的即是制冷机传导冷却 技术。传导冷却方案核心的问题是磁体温度分布的评估和导冷结构的设计。 实际上，本文所研究的轴向磁通感应子式高温超导电机并不存在转动部分 与静止冷却系统冷却问题，所以低温系统设计本质上为高温超导磁体的冷却。 关于静止的高温超导磁体冷却技术，资料比较多，而且技术也相对比较成熟 3840。 1.4 本文主要研究内容本文主要研究内容 本文围绕“轴向感应子式高温超导电机及其低温系统的研制”项目，针对 高温超导电机的低温冷却系统开展了以下的研究工作： 1）轴向感应子式高温超导电机结构及超导材料的确定 对比了传统直流同步电机的结构和技术特点，提出轴向感应子式高温超导 电机的基本结构和介绍该类型电机工作原理和工作状态。同时，重点介绍了轴 向感应子式高温超导电机超导材料的选择和磁体结构的选择。 2）高温超导磁体热稳定性分析 根据计算空心圆柱线圈磁场的快速计算法，开发了磁场计算程序。给出了 高温超导磁体工作电流确定方法，并根据该方法给出了设计实验线圈的工作电 流。根据高温超导磁体损耗的计算方法进行了实验线圈的磁体损耗计算，并把 计算结果作为负载进行热稳定分析。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 高温超导磁体周围布置铁磁材料，磁体的磁场分布将发生变化，这会导致 磁体临界电流和损耗分布发生变化。本文简单分析了这种变化，并指出变化的 几个影响因素。 3）过冷氮低温系统设计 从低温系统功耗角度对高温超导磁体工作温度进行了优化分析。对过冷氮 低温系统进行了总结，并重点分析了一种混合式过冷氮低温系统。最后，以开 式低温系统为基础进行了 300w /66k 低温系统的常规设计。 本文的研究结果将为国内第一个高温超导同步电机轴向感应子式样高 温超导电机设计和实验提供部分技术理论依据。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 第第2章章 轴向感应子式高温超导电机轴向感应子式高温超导电机结构结构 及超导材料的确定及超导材料的确定 2.1 引言引言 目前，大部分超导电机都采用与传统电机类似的结构，只是把励磁绕组或 者电枢绕组换成 hts 材料，同时为了配合 hts 材料的使用增加一些特殊的结 构和设计。虽然采用了 hts 材料，电机的性能上有一定的提升，但是由于 hts 材料的使用，电机设计方面出现一些技术难题。 为了避免一些技术难题，并考虑到低速大转矩电机的应用，本文在传统同 步电机的基础上提出了一种新型高温超导电机轴向感应子式超导电机。 轴向感应子式超导电机除了一般超导电机的优点之外，还具有低速大转 矩、控制性能好的特点，特别适用于全电力舰船的直接驱动系统。该类型电机 要求感应子的材料和形状最大限度地使磁通从其中通过，且感应子轴向方向 上，各处径向截面面积相等。电机的磁路由背轭、感应子、电枢铁心构成。直 流励磁绕组产生恒定磁场作用于转子上的感应子。电枢绕组通入三相低频交流 电产生合成旋转磁场，从而使带有感应子的转子旋转。 基于超导技术的轴向感应子式电动机的结构和设计计算方法与普通电机相 差很大，必须针对该电机的自身特点，结合具体应用中的限制因素，制定适用 于该电机的设计方案。此外，由于运用超导绕组技术，绕组的制作工艺，低温 容器的设计都将是影响电机性能的因素。采用液氮冷却是轴向磁通感应子式超 导电动机的一个优势。 高温超导材料的特性是高温超导电机的设计基础。轴向感应子式高温超导 电机由于采用过冷氮冷却，对材料在液氮温区的性能要求更高，需要从已有高 温超导材料中进行选择。 本章首先介绍了传统径向超导电机的结构，并指出其主要的技术特点和难 点。根据应用对象要求和传统径向超导电机技术难点提出新型电机的设计思 想，并给出了轴向感应子式高温超导电机的基本结构和工作原理。最后，对此 种类型电机所使用的 hts 材料进行调研和分析，确定了电机设计用 hts 材 料，比较了两种常见形式 hts 绕组的优缺点。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - 2.2 传统传统高温超导高温超导同步同步电机电机结构结构 下图是典型的 hts 同步电机的主要结构和组成部件图4143。 图 2- 1 传统高温超导同步电机结构图 fig.2-1 schematic diagrams of conventional high temperature superconductivity synchronous motor (htsm) 典型的 hts 电动机结构是在转子上安装超导线圈，由制冷剂冷却。制冷 剂是由旋转送冷管接头输送给转子。转子低温容器的空间与外界真空绝热。力 矩通过一端与低温区相连的力矩管传递到电动机转轴上。定子绕组是由非磁、 非导体芯支撑的铜绕组，支撑芯外的叠片磁钢框架和磁屏蔽作用高温超导体与 电枢绕组产生的磁路。该框架也可以用传统电机用磁钢碟片材料制造。框架之 内所有的材料都是非磁性的（相对磁导率为 1） ，这样磁场分布就像在空气中一 样。 该类电机有几个关键结构和技术，简要介绍如下： （1） hts 线圈 由于径向气隙结构，传统 hts 电机每一 hts 线圈呈轨道状，封装在铝合金 结构中，图 2-2 和图 2-3 为 hts 线圈的装配图和实物图44。 （2） 力矩管 背铁 定子线圈 轴 机壳 hts 绕组 电流引线 冷却器模块 低温回路 电磁屏 真空腔 多层绝缘 励磁器 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 13 - 固定 hts 磁场绕组的主支撑结构两端各有两只力矩管支撑。力矩管一方 面起着传递力矩的作用，另一方面起着转子低温容器冷空间和环境热空间的桥 接作用。因此，力矩管经受着转子低温容器冷端和热轴端之间的大温差。要求 力矩管材料的热导率低以限制通过力矩管传导的热漏，同时要求有很高的机械 性能。 （3） 低温冷却系统 基于 hts 材料的性能和设计功率输出要求，传统 hts 电动机磁场绕组线 圈运行环境温度设定为 30k 左右。一般采用闭式循环低温制冷系统。低温制冷 由冷氦气实现。氦气通一对有真空外套的输送管路经过旋转输冷管接头送到转 子低温容器的冷端。一对低温连接卡口可以快速连接氦制冷机和转子低温容 器。氦气进入低温容器内部后，在嵌入在转子支撑结构中的热交换器冷却回路 内吸热。然后回到氦制冷机。 hts 电动机的旋转输冷管接头是一个关键部件。正是通过输冷管接头，将 低温制冷机和 hts 电动机的转子低温容器连接起来，并提供氦气进出低温容器 的通道。为实现从静态的低温制冷机系统到旋转的转子低温容器的输冷，要求 有旋转密封。 2.3 轴向感应子式高温超导电机轴向感应子式高温超导电机 传统结构的高温超导电机的开发过程中面临三个主要难题： （1）如果使用以往用作超导冷却介质的氦气和氖气，就必须配备隔断冷 图 2-2 hts 绕组（装配图） fig.2-2 assembly drawing of hts coils 图 2-3 hts 绕组（实物图） fig.2-3 the photo of hts coils 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 14 - 媒热量的机构。该机构大型且复杂，无法实现电机的小型轻量化。 （2）