超導發(fā)電機的現狀與結構優(yōu)化研究

呂　桐，許　昕，彭柏文

（沈陽工程學院 電力學院，沈陽 110136）

提高發(fā)電機的工作效率，降低發(fā)電機的運行損耗，一直是發(fā)電機研發(fā)的重要指標。近年來，科技的日新月異帶動了超導技術的日益進步和超導材料的不斷發(fā)展，超導發(fā)電機的應用化研究也隨之興起。目前研發(fā)并初步運行的超導發(fā)電機有效提高了發(fā)電功率，大大降低了發(fā)電機的質量，減小了發(fā)電機的鐵磁材料消耗，實現了發(fā)電機小型化，使其工作性能更加穩(wěn)定，為超導發(fā)電機的降噪和軍事化應用提供了可能，同時也節(jié)省了成本，而且環(huán)保無污染，具有重要的現實意義與應用價值。從理論方面分析，超導發(fā)電機與常規(guī)發(fā)電機在結構上沒有太大差別，用超導體繞組來替換原來的銅線繞組即可改造成基礎的超導發(fā)電機。但是，憑借超導材料制成的導體本身具有電流密度高這一優(yōu)勢，在超導發(fā)電機的設計上可以增大磁場強度、提高功率密度，從而具有更加優(yōu)良的性能。

1　國內外超導發(fā)電機研究歷程及現狀

美國最早從事超導發(fā)電機的相關研發(fā)。1969年，位于美國波士頓的麻省理工學院研制成功一臺容量為0.45 MW的旋轉超導磁場繞組的超導發(fā)電機，這是世界上第一臺真正意義上的超導發(fā)電機。1973年，美國西屋公司研制出一臺5.00 MW的超導發(fā)電機。1978年，在美國電力研究所的投資與扶持下，美國西屋公司開始進行一臺300.00 MW低電壓超導發(fā)電機的研制計劃，后來由于當時市場需求及經費不足，該計劃被中止，但仍然積累了很多寶貴的設計經驗。之后，美國西屋公司和通用電氣公司完成了1 200.00 MW超導發(fā)電機的概念設計。德國在超導發(fā)電機的研發(fā)上采取“小步快跑”原則，先進行基礎和關鍵技術的研究，并在小型電機的建造上積累經驗，然后直接進行大容量機組的研發(fā)。1991年，德國西門子公司成功完成了機組容量為400.00 MW的高溫超導發(fā)電機的研制。前蘇聯在超導發(fā)電機領域研究也較早，技術較為先進。20世紀80年代，全蘇電機研究所研制成一臺20.00 MW的超導發(fā)電機，隨后展開了300.00 MW超導機組的研發(fā)工作。2005年，俄羅斯完成了1 200.00 MW超導汽輪機的結構設計，研制成700.00 MW的超導同步發(fā)電機。此外，日本、法國、英國等國家在超導發(fā)電機領域也頗有建樹。近年來，我國也加快了在超導發(fā)電機領域的研發(fā)工作，國內科研機構在超導發(fā)電機的磁場分析與結構優(yōu)化上取得了重大突破。

2　超導發(fā)電機的基本結構與優(yōu)化

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

圖1　超導勵磁繞組發(fā)電機基本結構Figure 1　Basic structure of superconductive field w inding generator

經參考有關文獻和進一步試驗分析發(fā)現，電機的氣隙磁密波形的正弦度數與輸出電壓質量有著密切聯系，且影響較大。與傳統(tǒng)的凸極同步發(fā)電機不同，超導發(fā)電機由于缺少極靴和極身這兩個具有鐵磁性部分，當選擇勵磁繞組超導材料的使用量不變時，氣隙磁密的幅值和正弦度數取決于勵磁繞組的張角度數。如圖2所示。

圖2　勵磁繞組張角為30°時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)境屏和轉子兩個部分為超導發(fā)電機的磁場提供了磁場回路，有效減少了漏磁情況，從而達到磁場屏蔽的效果。研究發(fā)現，環(huán)境屏與轉子厚度和磁導率對電機氣隙磁密幅值產生影響，也對電機輸出功率產生影響。當環(huán)境屏與轉子厚度和磁導率增加時，會導致氣隙磁密幅值增大，輸出功率也增大；同時，也存在不能忽略的負面影響，即當環(huán)境屏與轉子厚度增加時，超導發(fā)電機的體積與質量也增大；并且，磁導率受到超導材料本身屬性的限制，不能無限提高。

基于有限元的方法，對改變環(huán)境屏與轉子厚度會導致超導發(fā)電機氣隙磁密幅值和輸出功率大小變化這一規(guī)律進行進一步研究。試驗過程中通過控制環(huán)境屏的內徑和轉子的外徑不改變，并根據超導材料所具有的非線性性質再次修正環(huán)境屏的外徑和轉子的內徑，得出結論：為得到超導發(fā)電機的最大功率密度，應取環(huán)境屏外徑為最小值、轉子內徑為最大值；缺點是這種條件下電機輸出功率較低。在設計制作超導發(fā)電機時，應按照所需的電機功率等級，在環(huán)境屏與轉子厚度和磁導率的選擇上不斷改變得到合適的數值，進而得到超導發(fā)電機在此功率等級下的最大功率密度。

3　結論與展望

超導發(fā)電機因其工作效率高、損耗低、功率大等優(yōu)點而引起廣泛關注，各國均對超導發(fā)電機的研發(fā)與應用給予了大量的投資。我國在超導發(fā)電機的磁場分析與結構優(yōu)化上取得了重大成果，無論在理論研究還是試驗研發(fā)方面都有突破性進展，解決了關鍵的技術問題。在不久的將來，超導發(fā)電機有望得到廣泛應用。

［1］張宏杰，孫建峰.高溫超導發(fā)電機在風力發(fā)電技術中的應用前景［J］.新材料產業(yè)，2008（5）：55.

［2］宋美紅.超導發(fā)電機勵磁磁場的三維有限元計算研究［D］.北京：華北電力大學，2012.

［3］戴慶忠.超導電機的現狀及展望［J］.機械工程，1987（6）：35-37，32.

［4］唐躍進，李敬東，潘坦，等.超導旋轉電機——發(fā)電機和電動機的研究現狀［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25（4）：72-76.

［5］張文峰，夏東，張東，等.基于解析法的超導發(fā)電機磁場分析與結構優(yōu)化［J］.低溫物理學報，2014，36（3）：218-222.