超导发电机的现状与结构优化研究

吕　桐，许　昕，彭柏文

（沈阳工程学院 电力学院，沈阳 110136）

提高发电机的工作效率，降低发电机的运行损耗，一直是发电机研发的重要指标。近年来，科技的日新月异带动了超导技术的日益进步和超导材料的不断发展，超导发电机的应用化研究也随之兴起。目前研发并初步运行的超导发电机有效提高了发电功率，大大降低了发电机的质量，减小了发电机的铁磁材料消耗，实现了发电机小型化，使其工作性能更加稳定，为超导发电机的降噪和军事化应用提供了可能，同时也节省了成本，而且环保无污染，具有重要的现实意义与应用价值。从理论方面分析，超导发电机与常规发电机在结构上没有太大差别，用超导体绕组来替换原来的铜线绕组即可改造成基础的超导发电机。但是，凭借超导材料制成的导体本身具有电流密度高这一优势，在超导发电机的设计上可以增大磁场强度、提高功率密度，从而具有更加优良的性能。

1　国内外超导发电机研究历程及现状

美国最早从事超导发电机的相关研发。1969年，位于美国波士顿的麻省理工学院研制成功一台容量为0.45 MW的旋转超导磁场绕组的超导发电机，这是世界上第一台真正意义上的超导发电机。1973年，美国西屋公司研制出一台5.00 MW的超导发电机。1978年，在美国电力研究所的投资与扶持下，美国西屋公司开始进行一台300.00 MW低电压超导发电机的研制计划，后来由于当时市场需求及经费不足，该计划被中止，但仍然积累了很多宝贵的设计经验。之后，美国西屋公司和通用电气公司完成了1 200.00 MW超导发电机的概念设计。德国在超导发电机的研发上采取“小步快跑”原则，先进行基础和关键技术的研究，并在小型电机的建造上积累经验，然后直接进行大容量机组的研发。1991年，德国西门子公司成功完成了机组容量为400.00 MW的高温超导发电机的研制。前苏联在超导发电机领域研究也较早，技术较为先进。20世纪80年代，全苏电机研究所研制成一台20.00 MW的超导发电机，随后展开了300.00 MW超导机组的研发工作。2005年，俄罗斯完成了1 200.00 MW超导汽轮机的结构设计，研制成700.00 MW的超导同步发电机。此外，日本、法国、英国等国家在超导发电机领域也颇有建树。近年来，我国也加快了在超导发电机领域的研发工作，国内科研机构在超导发电机的磁场分析与结构优化上取得了重大突破。

2　超导发电机的基本结构与优化

超导发电机由阻尼筒、真空外壳、超导励磁绕组、热辐射屏蔽筒、定子绕组、力矩传导筒、密封轴承、电磁屏蔽、真空层等部分组成（如图1所示）。超导励磁绕组发电机为半超导发电机；如果电机的电枢绕组也采用超导材料，则为全超导发电机。

图1　超导励磁绕组发电机基本结构Figure 1　Basic structure of superconductive field w inding generator

经参考有关文献和进一步试验分析发现，电机的气隙磁密波形的正弦度数与输出电压质量有着密切联系，且影响较大。与传统的凸极同步发电机不同，超导发电机由于缺少极靴和极身这两个具有铁磁性部分，当选择励磁绕组超导材料的使用量不变时，气隙磁密的幅值和正弦度数取决于励磁绕组的张角度数。如图2所示。

图2　励磁绕组张角为30°时气隙磁密及各次谐波波形Figure 2　Air gap flux density and the various harmonic wave form when field w inding angle of 30°

此外，环境屏和转子两个部分为超导发电机的磁场提供了磁场回路，有效减少了漏磁情况，从而达到磁场屏蔽的效果。研究发现，环境屏与转子厚度和磁导率对电机气隙磁密幅值产生影响，也对电机输出功率产生影响。当环境屏与转子厚度和磁导率增加时，会导致气隙磁密幅值增大，输出功率也增大；同时，也存在不能忽略的负面影响，即当环境屏与转子厚度增加时，超导发电机的体积与质量也增大；并且，磁导率受到超导材料本身属性的限制，不能无限提高。

基于有限元的方法，对改变环境屏与转子厚度会导致超导发电机气隙磁密幅值和输出功率大小变化这一规律进行进一步研究。试验过程中通过控制环境屏的内径和转子的外径不改变，并根据超导材料所具有的非线性性质再次修正环境屏的外径和转子的内径，得出结论：为得到超导发电机的最大功率密度，应取环境屏外径为最小值、转子内径为最大值；缺点是这种条件下电机输出功率较低。在设计制作超导发电机时，应按照所需的电机功率等级，在环境屏与转子厚度和磁导率的选择上不断改变得到合适的数值，进而得到超导发电机在此功率等级下的最大功率密度。

3　结论与展望

超导发电机因其工作效率高、损耗低、功率大等优点而引起广泛关注，各国均对超导发电机的研发与应用给予了大量的投资。我国在超导发电机的磁场分析与结构优化上取得了重大成果，无论在理论研究还是试验研发方面都有突破性进展，解决了关键的技术问题。在不久的将来，超导发电机有望得到广泛应用。

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