1、高温超导交流同步电动机一种理想的舰船推进动力设备 作者：admin 发表时间：2010-01-28 14:35:44 唐绍栋（中船重工集团公司 712研究所武汉 430064）1引言超导技术在众多领域中的应用具有极为突出的优点或是具有不可取代的作用。它在军事上的潜在重要性更是令人向往。正是这样，各国对发展超导技术都极为重视，日本认为超导技术是 21世纪国家间竞争中保持尖端优势的关键所在，美国认为超导技术是 21世纪电力工业唯一的高技术储备。1986年，高温超导材料出现，目前已经实现商品化，使得超导设备结构更为简单、热力学特性更佳、成本降低和运行可靠性提高，大大拓宽其应用领域。尤其是在海军装备上
2、，突破了一些体积、重量、能源、精度等方面的障碍，实现在舰船有限空间，复杂环境条件下，武器装备性能的大幅度提高。早在 1989年，美国海军就在一项称之为“海上革命”的研究与发展计划中，把舰船电力推进作为 21世纪美军主力战舰的推进方式，并已提出超导电力推进的方案。多年来，美、英等国就已将性能优越的超导电机作为舰船电力推进的理想动力设备，投入大量人力、物力进行开发、研究。美、英两国早已分别成功地进行 2200kW和 1000kW超导单极电机组成的超导直流电力推进系统的实船实验，同时还分别进行过 30MW和 50MW大容量超导单极电机的研究和试制以及为分别应用在大型驱逐舰和破冰船等舰船上作出详细的总
3、体设计1。近几年高温超导技术得到进一步发展，大功率电力电子器件和电机交流调速技术的成熟，使得超导交流电力推进也得到人们的青睐，本文主要讲述的就是高温超导材料、高温超导交流同步电机特性以及国外最新的为发展超导交流电力推进所开展的推进电动机及其他设备研究概况。2高温超导材料目前，高温超导材料已经形成了 YBCO、BSCCO、TBCCO、HBCCO 等四类，它们的转变温度分别为95K、110K、125K 和 135K，其线材的制备工艺亦有多种方法。但是，最成熟的已经商品化和在超导装置使用的线材主要是 BSCCO材料。美国超导体公司 ASC）具有最强的实力，该公司持有 BSCCO短导线实验室临界电流的
4、世界纪录，年产量已达 250km，正在建立一个新的年产量为 10000km的生产基地。日本住友公司（SEI）是首先在世界上主导 BSCCO导线发展的公司之一。此外还有丹麦北欧超导公司、德国真空冶炼公司（VAC）等。表 1是国外高温超导线材料研究进展简表。高温超导线材在许多方面比低温超导材料更优越。因此目前研究的主流大多是指向高温超导应用研究。表 2是其中的部分物理参数比较。各种超导装置对线材都有一些基本的要求，表 3是美国能源部（DOE）提出的一些超导装置对线材要求的目标。对于研制电动机而言。目前的线材基本能满足要求，只是个别项目还有差距，其中超导线价格目标则还有较大差距。随着线材的批量生产和
5、工艺改进以及大量超导产品的开发应用，这一矛盾就会得以缓解。尽管这样，使用超导装置因会带来巨大的经济效益和社会效益而为人们所渴望。而且，美国超导体公司还声称正在研制第二代高温超导线，希望在 2005年进行大批量生产。它最大的优点是成本低，可能只有目前的五分之一。3 高温超导交流同步电机的优点目前的超导同步电机仍然是一种半超导电机，将超导磁体安置在旋转的转子上，用铜线绕制的主回路绕组放在静止的定子上，其基本的总体方案与常规的同步电机相类似。但电机的转子部分要复杂得多，主要是由下列部件构成：超导励磁绕组，低温力矩管，旋转密封装置，对超导进行电磁屏蔽的护罩等，定子主要由允许高的磁通密度的空气隙电枢绕组
6、和定子机座组成。此外，为了冷却超导励磁绕而设置了制冷机和对超导励磁绕组供给直流电的励磁装置。同时，为了防止热浸入，将力矩管和护罩做圆筒结构，并在其间设置为真空层。电机结构示意图如图 1所示。作为舰船推进用的高温超导同步电动机与普通感应电机相比具有极为突出的优越性，主要有：1）提高功率密度，减小电机重量，这是最突出的优点之一。图 2是两种电机在不同输出功率情况下的重量比较，可以看出在 590MW的范围内超导电机的重量都比普通电机减少许多，而且在大功率的情况下，其优势更为明显2。美国已经试制成功的 3.7MW、1800r/min 高温超导电动机与同一规格的感应式普通电机的参数比较见表 4所示，可见
7、其重量与体积也都减少一半。超导电机所减轻的重量的优点在吊舱式结构中更有价值。据估算，舰船每减轻 500t的重量，就可以多装载大约 40多箱集装箱。因此，对大功率集装箱船，当使用超导电机吊舱时，将能够多装载（2.54）%集装箱。对于军船，减轻的重量可以多装武器装备或其他战略物资，提高舰船的战斗力。2）体积以及占用空间大大缩小。图 3是表示体积与功率的关系2，这一体积也包括了它们维护的空间，它是按环绕超导电机（不包括底座）周围 1m和环绕更大型传统电机（不包括底座）周围 2m处所占的维护的空间来计算的。3）在整个功率范围内都具有不变的高效率。图 4列出了高温超导电动机与同等功率的传统舰船推进同步电
8、机和感应电机的计算效率比较。这种计算包括了冷却系统的损耗值。图中可以看出高温超导电动机可以在任何转速下都能在接近最大效率下运行，尤其可贵的是在低速下运行，其效率比普通电机高出许多。而这种工况又是舰船经常运行的工况，即使在 30%额定航速（2.7%功率）下，其效率也会超过 94%。4）还有很多优点，例如：高温超导电机定子采用空芯结构，因而只有很低的同步阻抗；磁场线圈几乎是在恒定的温度下运行，而普通电机磁场线圈通常因高、低温的周期变化而产生热疲劳；电机发出的电压不含谐波；电机具有很低的噪声；维护也简单，不需要通常的检查、返修或者重新绝缘等。4超导电力推进是舰船推进的发展方向造船的历史表明，关键的问
9、题往往是如何围绕给定的推进系统来建造相应的舰船，而无法做到根据需要的舰船来建造相应的推进系统。因此，推进系统的性能是决定舰船发展方向的主要因素之一。传统机械推进方式的弊端是明显的，冗长的机械轴系，不但安装困难也影响了有效空间的利用；推进机械的体积和位置减少了可利用的装货和容纳旅客的空间并干扰有效的货物装卸。较少的有效空间也影响军舰的战斗力和战略物质的装载；柴油机直接推进的长期和低速运行使推进系统维护成本增加。由于低速下以较低效率运行，使得短途航线上成本过高并导致取消在某些港口的停靠。巨大的噪声也影响旅客和船员的舒适性，影响战斗舰艇的隐蔽性和安全性，等等。电力推进克服了许多由机械推进所带来的问题
10、，而且形成很多新的特点，例如：容易实现集中控制、自动控制；允许一些柴油机切出使用和维修且能维持某些推进功率，增加舰船适应性、安全性和延长设备使用寿命；装置的电力还用于港口卸货。对于全尺寸综合电力系统其电力还可能用作某些聚能武器的能源，等等。世界上有许多国家海军都采用现代电力推进船，其中最突出的是美国海军在 2000年宣布，它们下一代水面舰艇将采用电力推进系统。但一般的电力推进系统，当舰船功率很大的情况下，舰船推进电动机可能是体积巨大和十分笨重，这影响了它的进一步推广和应用。另一方面舰船中的吊舱式推进得到普遍认可，这种外部安装电动机使舰船的动力学效率和它的内部有效空间达到最大化。但普通电动机因尺
11、寸重量使吊舱结构应用受到限制，而上述超导电动机的特性表明不存在这种顾虑。在很宽的功率范围内都可以是优选的方案。此外，目前一般的推进电动机舰船低速下航行，其效益会明显降低，从而增加运行成本。舰艇巡航又很少在全速和满负荷下进行，因此部分负载的电动机效率是海军应用中最感兴趣的，这样超导电机在低速下运行的高效率特性无疑是受欢迎的。总之，由超导电机组成的超导电力推进比一般的电力推进具有更多的优点而为人们所青睐，它将代表着舰船推进的发展方向。5国外发展超导电力推进最新概况美、英、德、法等国的海军水面舰艇综合全电力推进系统的研制已取得重大进展。美国海军自 1988年开始进行研制以来，已经取得阶段性成果，完成
12、小尺寸的预研。全尺寸预研的第一阶段已于 1999年 7月完成，第二阶段也已开始，还发展了许多适应于诸多水面舰艇的各种综合电力推进系统模块。图 5是美国海军在未来战舰上的综合电力推进系统计划3。据此美国海军于 2003年开始了一个全尺寸的高温超导技术舰船应用目次，其目标是在下一代舰船上建立起以下高温超导系统：推进用电动机，2530MW，100200r/min；推进用发电机，2530MW，3600r/min；武器用能源发电机，35MW，3600r/min；武器用磁场储能装置，400MJ，150MW。姑且不谈超导发电机，仅以推进用超导电动机的研发来讲，美国在循序渐进地进行着，而近几年又是飞速地发展。
13、2001 年 7月，美国超导公司和 Rock-Well Automation宣布：世界上第一台 735kW高温超导交流同步电动机运行试验获得成功。2002 年 7月，美国超导公司又宣布世界上第一台 3.7MW,1800r/min高温超导同步电动机已完成研究开发和试制,其应用对象是海军舰船和商业船舶。2002 年 2月美国海军 ONR(US Navys Office of Naval Research)与超导公司签定合同，研制低转速、高转矩的 5MW、230r/min 高温超导舰船推进电动机，合同要求从设计方案、制造安装直至与推进系统集成将在 2003年 7月完成，年底进行海试。该电机是更大的实
14、船使用的万 kW级超导电动机模型机。该电机全部组装后，长 3m，宽 1.5m，重 26t大约为普通船舶推进电动机尺寸和重量的 1/4。图 6是 5MW超导舰船推进电动机的转子部件，图中近端可见的部分是励磁装置。最近美国超导公司又与美国海军签定研制 36.5MW实用全尺寸高温超导舰船推进电动机，包括线路的断路器、开关装置等总价额为 7000万美元。这是一种标志，它意味着大容量高温超导舰船推进电动机即将走向实用化。这台电机研制时间规定为 37个月。2006 年上半年将完成试制。表 5为美国超导公司与海军在近几年签订的研制合同。此外，其它一些国家也在研制高温超导同步电动机。德国研制成 400kW电机
15、韩国从 1996年就开始研制220V、25A、1800r/min 电机，其特点是转子部分为液氮杜瓦，工作温度为 7785K，功率为 450W。另外，日本与韩国联合研制超导电动机也在进行。6结束语高温超导的产业化，使得超导同步电动机也像其它超导应用项目一样得到迅速发展。作为舰船推进动力机械的应用，它具有许多突出的优点：具有很高的功率密度，体积、重量仅为常规电机的 1/21/4；部分负载下具有很高效率；电机具有低噪声、低的同步阻抗、没有谐波；维护简单、寿命长等特性。从而使得超导同步电动机成为理想的舰船动力机械，尤其是适合于人们所青睐的吊舱式结构的舰船。超导电力推进将是舰船推进发展方向。美国海军全力
16、支持超导舰船电力推进技术研究，与有关厂家签订了一系列合同。现已研制成功 3.7MW高温超导同步电动机，正准备研制其他几种型式，在近期共同推向市场；2003 年底进行 5MW低速高转矩电机的海上试验；2006 年将完成全尺寸的 36.5MW舰船推进用高温超导同步电动机研制用在军船上。后者是一个重要标志：它表明三年内，万kW级高温超导同步电动机将达实用化,使海军舰船实现高层次综合全电力推进迈出了坚实的一步。参考文献：1唐绍栋,阳开升.舰艇超导电力推进系统.论证与研究-舰船电力推进专辑.中国造船工程学会军船学术委员会.2000.11.2Compact Light Weight Ship Propulsion Motor.Presented atthe Ship Propulsion Systems Conference London,UK2002.2,21-22.3D.V.Gubser etal.Superconducting Motor&Generators forNaval Application.ISS2002 Yokohama,11.11-13.11 2002
