第 27 卷 第 1 期 低温与超导 V o l. 27N o. 1 1999 年 2 月 CR YO GEN IC S AN D SU P ER CON DU CT IV IT Y F eb. 1999 高能超导发电机和电动机 邓隐北 (郑州大学机电工程系, 450052) 【摘要】阐述了超导交流同步发电机与电动机的基本结构和原理, 并对早期的低温超导(L T S) 及最 近的高温超导(H T S) 电机进行了讨论。评定了电机结构中采用 H T S 磁场绕组的优点。随着H T S 材料的不断发展, 高能超导电机具有愈益广阔的应用前景。 关键词: 超导体同步电机制冷系统功率损耗 1前言 在大型发电机或电动机中, 一旦由超导体取代铜材, 则可望实现电阻损耗极小的大功 率传输。在高强度磁场下, 超导体的电流密度应超过铜的电流密度。早期的超导体容易满 足这一要求, 故从 80 年代开始推出了许多发电机、电动机的原型样机以及贮能的磁体。但 是接近绝对零度冷却的昂贵费用应与超导体的优越性折衷考虑。人们的热情有所缓解。直 至 1986 年发现相对的高温超导体以后, 才重新激发对超导电机的研制兴趣。此时, 液氦制 冷已问世, 液氮系统也受青睐。 1986 年以后, 全世界在开发高温超导用于大型发电机和电动机方面取得了进展。事 实上, 在同步发电机中应用所谓的零电阻、大电流密度的导线, 可能是电力领域内最重要 的应用超导技术之一。 2超导同步电机 历史上, 早期采用超导绕阻的电动机, 集中于直流同极型设计。图 1所示为利用铌 锡合金( 3 n ) 超导螺管线圈励磁的直流电机, 螺管线圈的磁轴与热绝缘的金属真空瓶轴 N b S 线相垂直。但现在的热点是针对装入了超导磁场绕组的交流同步发电机或电动机。 构成新有旋转电机的基本原理, 均涉及到转换机械能为电磁能量的法拉弟定律。在旋 转电机中, 相互连接的一组线圈 电枢绕组, 经过交变的磁场, 使与线圈相链的磁通产 生一变化的速率, 因而在线圈中感应出交变的电压; 磁场的建立是藉直流激磁线圈- 磁场 绕组。如电枢是固定的, 称之为定子, 旋转的磁场则称为转子。 在同步电动机中, 交流电馈送到电枢后产生一磁通分量, 与由旋转磁场绕组产生的另 一磁通分量同步转动, 转子被锁定于同步转速。平衡负荷下, 这本质上可视为电枢产生的 直流磁场。但电枢通常是与电力系统连接的, 无论在稳态或瞬态工况下, 均将受到与负荷 有关的干扰, 这些干扰回到电枢就会出现不利的、非同步的交流感应。同样, 这一交流感应 本文于 1998 年 11 月 20 日收到。 [ ]低温与超导 1999 年第 1 期 52 也影响到转子中的直流。主要的电枢 干扰来 自三相交流的不平衡负荷, 这 可导致与负荷及其不平衡程度成正比 的负序 电流的增加, 它以 2 倍的同步 速度反向旋转。 对转子的非同步交流感应另一主 要原因是由于系统故障产生的瞬态过 程。电枢中这些随时间变化的非同步 频率的磁场, 在转子中感应出附加的 电流, 使直流超导绕组及结构上的支 撑件发热。因此, 在超导电机的电枢和 图 1超导直流电机的励磁回路 磁场绕组之间插入热冷的电磁屏蔽, 1. 金属线. N b Sn 合金线 则可削弱这一交流感应。同时, 热屏蔽 还能缓冲转子的机械振荡。 对于低温超导(L T S) , 若采用液氦冷却, 热的容限小, 介于铌钛的 6K 与铌锡的 14K 之间。故屏蔽的设计更需周密考虑, 以使得磁场绕组的交流发热最小, 也防止了超导临界 电流和磁场强度的下降。并在极端的瞬态过程中能确保初定的标准值。 图2超导线为用L T S 和H T S 制造的线圈各自不同的电流磁场- 温度特性。铌锡L T S 线圈 ( ) ( ) 左图 与氧化物H T S 线圈 右图 均表示了电流和磁感强度坐标下预定的超导线 年麻省理工学院( ) 首次制成并试验了装有旋转超导绕组的真空绝缘低温 M IT 转子。当时, 立即引起了全世界的关注。在美国、欧州、日本和前苏联的大型工业实验室中 成了重要的热门研究对象。几年之内, 在法国的阿尔斯托姆、瑞士的勃朗 ·保费利、美国通 电( ) - 西屋( ) 、日本的松下- 富士、德国西门子等各大电气公司以及前苏联的两 GE W H 个研究所, 均在进行超导同步电机的开发。例如, 由美国西屋公司制造并试验的 12000rpm 总第 95 期邓隐北: 高能超导发电机和电动机[ ] 53 四极超导转子, 电机直径较大, 作用在超 导绕组上 的离心力极高, 额 定功率接近 1000 , 可在液氦冷却下运转。 M V A ) 在此期间, 交流超导发电机技术可达到的主要性能及系统设计特点是: 1 效率提高约 1% , 导致燃料成本较低及总的经济效益提高; 2) 在相同的容量定额下, 尺寸和重量减小; 3) 具有比常规技术所能达到的尺寸更大、电压更高的制造能力; 4) 稳态和暂态系统的性能 改进; 5) 寿命- 周期成本更低, 保证了现有设备的可靠性和维护量的匹配。 与普通的铜绕线转子比较, 励磁回路中采用超导体可大大提高励磁绕组的电流密度, 从而显著增大了电机中的磁感应强度, 因为电机的体积的一次近似值与气隙中的磁通密 度成反比, 故加大磁场强度则可减小电机的尺寸和重量。超导体无“欧姆”损耗, 因而可提 ( ) 高电机的效率。但一旦发现超导电枢 定子 中的交流损耗很大时, 便暂时放弃了定、转子 图3定子、转子均采用超导绕组的全超导电机结构示意图 同时采用超导绕组的全超导电机的设想。图3为全超导电机的结构示意图。 常规电机与低温超导电机的损耗 对 比示于图 4。图中所示损耗为定额 300 电机的典型数据。 发电 M V A L T S ( ) 机的总损耗 包括制冷功率 约 2 , MW 这与常规电机中单独的转子电阻损耗 几乎相等。 发电机的励磁损耗减 L T S 小了, 这一减小的功率基本补偿了附 加的制冷功率。假定, 液氦制冷器容量 约 50 , 排热至 4. 2 ( )

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