高温超导线材的性能和商业化水平自2000年以后取得重大进展，相对低温超导线材其超导转变温度和载流能力大幅提高，使高温超导应用技术取得突破，成为新世纪重大高新技术。高温超导电机作为前沿技术已被列入我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，加快高温超导电机的研究具有十分重要的战略意义。高温超导电机中用高温超导线圈取代常规铜线圈，低温下具有零电阻特性，载流能力远大于铜导线，在给定空间内能产生很强的磁场，通过先进的设计可以使大容量高温超导电机体积和质量为常规电机的约1/2和1/3，具有高功率密度、高效率、低振动噪声、过载能力强、无周期热负载等优点。

在船舶电力推进、直驱风力发电、大功率电气传动、工业发电、航天发射等许多大中型电机应用领域，特别是对电机体积、质量有严格要求的船舶电力推进和直驱风力发电领域有着十分诱人的应用前景。

一、高温超导电机技术国内外研究现状

1.国外研究现状

国外对高温超导电机的研究十分重视，美、德、日、韩等国采取一系列措施，完善体制，增加研究经费，制定研发计划，并取得了重大的突破。美国早在1987年就开始研究高温超导材料在电机领域应用的可能性，主要单位有美国超导公司（AMSC）、Rockwell Automation公司、Reliance Electric公司、电力研究所（EPRI）等，美国高温超导电机研发的历程如图1所示。

2000年7月，1 000hp、3 600r/min高温超导电机研制成功。该电机被认为是高温超导电机商业化应用的里程碑，其获得的设计经验预示着已掌握了进入大功率高温超导电机设计大门的金钥匙。2004年，5MW、230r/min的高温超导电机的满负荷试验顺利完成。该电机是为了建造全尺寸船用推进电机，摸索技术工艺而进行中间认证的环节。2009年，美国超导公司36.5MW、120r/min高温超导电机（如图2所示）通过海军验收试验，该电机作为美国海军新一代电力战舰DDG1000推进电机侯选电机之一，标志着高温超导电机的发展已接近工程应用阶段。

德国在2001年研制成功400kVA、1 800r/min高温超导电动机后，在2006年成功研制4MW、3 600r/min发电机，2011年又研制成功4MW、120r/min高溫超导电动机。韩国为超导技术的发展制定了DAPAS计划，在2003年研制成功75kW、1 800r/min高温超导电动机后，2007年3月宣布完成了一台1 000kW、3 600r/min高温超导电动机的研制，目前正在研制5MW、210r/min高温超导推进电机。日本川崎重工于2013年6月宣布完成船舶电力推进用3MW高温超导电机。

美国能源部2008年制定的风电开发计划，未来开发的重点集中在大功率海上风机上。直驱式发电机不需要配置成本昂贵的齿轮箱，这将有利于进一步加快海上或陆上风场的发展。为了满足将来大容量风力发电的技术需求，目前美国、英国和德国正在制定和实施大容量高温超导风力发电的研究计划。2009年2月，美国超导公司与国家可再生能源实验室（ N R E L ）、国家风能技术中心（NWTC）和美国东元西屋（TWMC）签署了共同合作研发协议，共同合作设计和论证先进海上风力发电机的关键技术，此发电机为大型高温超导直驱式发电机。2007年3月，科孚德（Converteam）公司和Zenergy公司宣布合作为全球风力发电和小型水力发电市场开发、制造、销售高温超导发电机。Converteam正在开展一项为期4年的由英国商业工业部资助的8MW、12rpm直驱式高温超导风力发电机的设计开发，该发电机体积明显小于常规电机，且质量只有常规电机的1/4，发电成本可节约1/4，现已完成了该发电机的高温超导线圈的制造和测试工作。

2.国内研究现状

2004年之前，我国在高温超导推进电机方面的研究还处于空白。中船重工集团第712研究所（以下简称“712所”）是最早致力于高温超导推进电机研究的机构，在20世纪60年代中期开始以舰船电力推进为目标开展超导应用技术研究工作，在20世纪90年代成功研制了一台300kW的低温超导单极电机。

2007年4月，国家科技部“863”计划创新项目共同支持的“100kW高温超导同步电机”在712所研制成功，完成了一台100kW高温超导电机原理样机，如图3所示，并进行了多次性能研究试验，电机运行平稳，低温系统工作正常。填补国内高温超导电机研究的技术空白，突破部分关键技术，验证了高温超导电机的应用可行性，翻开了我国高温超导电机研究新的一页。

2012年4月，712所再次成功研制国家“863”重点项目“1 000kW高温超导电动机”样机，如图4所示。通过1 000kW高温超导电动机样机的研制，建立高温超导电机设计与分析方法，突破了多项关键技术，解决将来实际应用可能遇到的部分工程技术问题。该电机的研制成功，标志着我国已成为世界上少数几个具备兆瓦级高温超导电机研制能力的国家，为后续大容量高温超导电机的研究奠定了坚实的基础，在我国高温超导电机技术的战略发展史上具有里程碑意义。

3.国内外技术对比

目前国内外研制的代表性高温超导电机主要技术参数如表1所示。虽然我国1 000kW高温超导电机研制成功，技术水平和技术能力得到长足进步，但是高温超导电机是一项应用新材料、新方法、新工艺的多学科高新技术，技术难度大，而且国内高温超导电机的研究起步较晚、研究经费少，研究的深度和广度还不够，基础研究、技术水平与技术手段与美国和德国相比还存在明显差距。我国更大容量高温超导电机的研究任重道远，需要解决大容量高温超导电机及系统设计技术，形成完整的具有独立知识产权的大容量高温超导设计技术和研制能力。712所已经完成了前期技术资料调研和整理消化，针对大容量高温超导电机技术方案开展了大量的论证工作。

二、高温超导电机的技术内涵

高温超导电机采用超导励磁绕组（超导磁体）代替常规铜质绕组，主要由定子、转子、低温冷却系统和失超保护系统等组成，如图5所示。其中定子主要由电枢、机座、轴承组成，转子由冷媒传输装置、高温超导磁体、磁体支撑系统、转轴、外转子真空屏等部件组成。高温超导磁体工作温度为30～40K，由外部低温冷却系统提供低温冷媒介质，通过冷媒传输装置输入转子内对超导磁体进行冷却，以维持超导磁体的超导状态。高温超导磁体在低温下具有载流密度大、产生磁场强、无损耗等特点，其强磁场特性降低了电机的体积和质量，提高电机功率密度和电机效率。

三、高温超导电机的应用前景浅析

1.高温超导电机是大容量高转矩密度推进电机的理想解决方案近

20年来，电力推进技术已经成为高性能船舶推进系统的主流技术方向，在世界范围内，不论是战斗舰船还是商船都广泛采用和配置电力推进系统，电力推进技术的综合优势已经得到实践检验。船舶电力推进系统主要由变频器、推进电机和螺旋桨组成，其中推进电机直接驱动螺旋桨，转速低、扭矩大，其体积、质量、效率和振动噪声对舰船动力系统性能和总体性能具有重要影响，是核心动力设备。发展各种新型大容量高转矩密度、低特征信号舰船推进电机，备受世界各国关注，成为新的技术制高点和竞争焦点。未来舰船不断向大型化发展，推进功率和需要的转矩将越来越高。高转矩和体积质量的关联和制约更加突出，转矩密度成为衡量推进电机技术水平的重要指标。尽管已经采用或准备应用的先进感应电机、永磁电机等在一定程度上解决了推进电机及系统的体积和质量大的矛盾，但对高转矩密度新型推进电机的研究一直在做不懈努力。高温超导推进电机采用高温超导磁体进行励磁，由于超导材料具有零电阻特性，使得高温超导线圈在低温下（30K左右）载流能力远大于铜线圈，进而在给定空间内能产生很强的磁场，使其具有高功率密度、高效率、质量轻、噪声低、过载能力强、无周期热负载等优点，随着高温超导线材性能的不断进步，其技术优势将越来越显著。在許多大中型电机应用场合，特别是对电机体积、质量有严格要求的船舶电力推进领域，高温超导推进电机具有十分广阔的应用前景。以美国的36.5MW高温超导电机为例，电机包括低温冷却系统的总质量为75t（其中低温冷却系统等辅助设备5t），而常规感应电机质量约200t，高温超导电机的质量约为感应电机的1/3，效率高出近1%，是理想的解决方案。在船舶推进方面，大容量高温超导推进电机具有以下显著优势：①提高船舶总体布置的灵活性，减小推进电机布置空间和质量，增加配备武器装备的类型和数量；②提高推进系统运行效率，增强续航能力，降低运行成本；③降低推进系统振动噪声，提高舒适性。

2.高温超导电机是大功率直驱风力发电机的理想选择

海上风能总量大、利用率高，是一种可再生、无污染的绿色能源。在国内外风电装机容量快速增长的同时，单机大容量成为风力发电特别是海上风力发电的发展趋势和技术需求，未来风力发电单机容量将提升至8～10MW，甚至更大容量。单机容量的增大，将导致包括常规风力发电机、吊仓、轮毂、齿轮箱等在内的塔上质量很大，给机组的吊装、设计、制造，以及塔基的设计建造带来很大的困难。高温超导风力发电机具有体积小、质量轻和效率高的优势，目前国外大型企业高度重视，被认为是同时解决以上困难的未来大型风力发电的最佳解决途径。结合美国超导公司（AMSC）的技术资料，将高温超导风力发电机组与其他类型发电机组塔上质量（桨叶+轮毂+吊仓）进行对比（如图6所示），可以看出当电机功率大于5MW时，高温超导直驱风力发电机组塔上质量已具备优势，并且随着容量增大，质量轻体积小的优势越明显。据分析，10MW、12r/min高温超导直驱风力发电机的质量约为120t，相当于常规发电机质量的1/3。

高温超导风力发电机具有显著的体积、质量和效率优势，可大幅降低塔上质量，降低机组运输、吊装、设计和建造的难度，具有很好的应用价值：①降低塔上设备和塔基的建造难度和成本；②降低设备运输和安装难度和成本；③单机大容量大大降低电缆连接线、机组维护、环境处理等系统运行成本；④高效率（特别是低速低功率运行时），提高运行经济性。因此，大容量高温超导风力发电是大容量风力发电特别是海上风力发电的理想选择，具有很好的应用前景。

3.高温超导同步调相机是特高压直流输电系统动态无功补偿的优选方式

随着大规模新能源集中接入西北部地区电网，通过大容量的特高压直流输电系统将新能源送往中东部负荷中心，是促进新能源消纳和实现资源优化配置的较好方式。但是，特高压直流输电系统接人电网后，电网“强直弱交”的问题凸显。新能源的间歇性、随机性出力特性和低抗扰性除了给系统调峰增加压力和困难外，也给系统的安全稳定运行增加了风险：系统的频率稳定性下降，电压控制难度增大。尤其是采用特高压直流输送时，问题更为突出，这也成为现阶段特高压直流无法充分发挥其输送能力的主要原因之一。