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1、第27卷第1期低温与超导Vol.27No.11999年2月CRYOGENICSANDSUPERCONDUCTIVITYFeb.1999X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(LTS)及最近的高温超导(HTS)电机进行了讨论。评定了电机结构中采用HTS磁场绕组的优点。随着HTS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
2、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(Nb3Sn)
3、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
4、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X本文于1998年11月20日收到。[52]低温与超导1999年第1期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ö
5、冷的电磁屏蔽,1.金属真空瓶2.Nb3Sn合金线圈3.液态氦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(LTS),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超导线圈的特性曲线图2为用LTS和HTS制造的线圈各自不同的电流磁场-温度特性。铌锡LTS线圈(左图)与氧化物HTS线圈(右图)均表示了电流和磁感强度坐标下预定的超导线圈设计性能。1971年麻省理工学院(MIT)首次制成并试验了装有旋转超导绕组的
6、真空绝缘低温转子。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(GE)-西屋(WH)、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1000MVA,可在液氦冷却下运转。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
7、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
