船用高温超导推进电动机技术与应用前景

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:23

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摘要：在高温超导材料发现和研究近20年的时间里，高温超导技术的应用取得了令人瞩目的成就。尤其在舰船电力推进领域，兆瓦级甚至数十兆瓦级高温超导同步交流电动机已经或即将交付海军使用。新型的高温超导发电机正在研发之中。可以展望，在不久的将来，高温超导全电力舰船将出现在人们的视野中。
关键词：船舶电力推进高温超导电动机高温超导发电机

1 高温超导旋转电动机的发展现状

因必须维持低温超导材料在超低温环境工作所遇到的能量消耗和制冷系统的复杂性等问题，低温超导技术对其在船舶推进领域中的应用，始终没有乐观的评估。

提高超导材料临界温度是超导技术广泛应用的必由之路。目前，新一代超导材料不仅远远超越了77K液氮禁区，而且电性能和机械性能等特性都得到极大的提升，使用高温超导材料而要考虑的制冷功率额定值要比低温超导材料低得多。与此同时，相对简单、费用较低、更高效率的制冷系统的研发也获得重大进展。因此，这些因素使高温超导线材在电机商业开发和应用中，无论在技术上，或者在经济上都呈现出其适用性与可行性。

长期以来，许多国家对高温超导技术的研究一直给予极大的关注和支持。早在1987年，美国能源部就委托Rockwell自动化/Reliance电气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。其目标锁定在研发1000马力以上的超导交流同步电动机系统技术，并使之商品化。

依据美国能源部的评估，1000马力电动机功率等级是工业应用最普遍的功率等级，这种功率等级的电动机耗能占了全美电能消耗的30%以上。从技术上看，这些电动机中的70%非常适合使用高温超导技术。如果由超导电动机代替传统的电动机，估计每年将节约6亿多美圆。对于全球，这种功率等级的高温超导电动机市场份额估每年计高达3亿美圆以上。

因此，1000马力的高温超导电动机就成了高温超导电动机市场化应用的里程碑。而且从技术层面上看，获得1000马力的高温超导电动机设计的技术经验，将预示着掌握了进入大功率高温超导电动机设计大门的金钥匙。

在美国能源部的支持下，Rockwell/Reliance公司的高温超导电动机项目迅速进入经济可行性研究阶段。1993年，建造了世界第一台2马力和5马力使用高温超导线圈的交流同步电动机演示机。

1996年，美国能源部正式组建SPI项目组，研发1000马力以上的大型高温超导电动机。当年3月，SPI完成125马力旋转高温超导励磁绕组交流同步电动机的制造和演示。该电动机输出功率达到200马力，比设计指标高出60%。2000年5月，SPI项目组完成了首台1000马力高温超导电动机的研制、工厂试验，以及技术论证工作。最近获悉，通用电气公司已获得了一个为DoE-SPI设计和开发100MVA高温超导发电机的合同。

从1996年到2001年，SPI项目总投资达2050万美圆，私人和政府投资各占一半。从SPI125马力和1000马力电动机的制造和运行试验分析，高温超导电动机与当前工业界使用的同额定功率等级的高效感应电动机相比，损耗仅为50%，尺寸上也要小得多，适用于任何需要大功率电动机连续运行的场合的使用。

美能源部的SPI开发工作使人们清楚地看到了高温超导电动机的应用前景。随后，美国超导体公司与美国海军合作，开始船用推进高温超导电动机的研发。2003年，由该公司设计、用于船舶推进的5MW/230rpm高温超导电动机（模型）建造完毕，并成功地进行了无负载工厂试验。该电动机是为了论证用于建造25MW/120rpm高温超导全尺寸船用推进电动机的技术工艺而进行的中间论证环节。在此之前，美国超导体公司已建造了用于工业领域的5000HP/1800rpm工业电动机。当前，美国超导体公司已进入36.5MW/180RPM高温超导电动机和50MW/3600rpm高温超导发电机的设计开发工作。其中前者将于2006年年中交付海军使用。

西门子公司对高温超导电动机的应用方向是多方面的，并于2001年成功建造了一台550HP/1800rpm电动机试验样机。目前，西门子公司已经就开发4MW船用高温超导电动机展开了全面的工作。韩国国家科学技术部“21世纪前沿研发计划”组织数所大学和实验室承担国家高温超导电动机的研发工作，其高温超导同步电动机的理论研究和概念设计依托建造一台100HP/1800RPM高温超导电动机，已于2003年完成。韩国的最终目的是研发3000HP的高温超导同步电动机。法国和日本的研发工作也在各自的计划框架内进行，其目标都是将高温超导旋转电动机做为常规船用电动机推进替代产品来研发的。

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