超導電機，superconducting electricmachine，是指勵磁繞組用超導性材料制 造的、能在強磁場下承載高密度電流的導線繞製成的一 種電機。利用超導性材料在低溫環境下電阻變為零的特 點，在不很粗的導線上能通過很強的電流，以產生很強磁 場，即形成超導磁體。由於此勵磁繞組中無功率損耗，從 而使電機體積顯著縮小，功率密度大，效率高。可分超導 直流電機和超導交流電機兩種。
基本介紹
- 中文名：超導電機
- 外文名：superconducting electricmachine
- 性質：電機
- 類型：圓盤式和折入式
- 學科：電學
- 優點：消耗低、提高載流能力
研究發展,基本結構,定子,轉子,優點,常見類型,
研究發展
迄今為止超導電機的研究主要是超導同步發電機和超導單極電機，而超導同步發電機主要還只是轉子勵磁繞組採用超導線圈。電機的定子繞組由於是在50Hz工頻下工作，超導材料交流損耗較大，因此在20世紀80年代前研製的超導電機，定子繞組仍然採用常規銅繞組。在80年代中期後，人們研究出極細絲交流超導複合線，其交流損耗已降低到可接受的程度，因此目前已開始研究定子繞組和轉子繞組全部採用超導材料的全超導電機。
這樣超導電機的定、轉子處於同一的溫度空間，消除了室溫氣隙，亦無需單獨的轉子旋轉容器，這不僅簡化了電機結構，也簡化了低溫系統結構，提高了電機運行的可靠性。如果能進一步提高電機轉子勵磁繞組的磁通密度，並採用高溫超導體作為磁禁止，還有可能免去鐵芯和鐵軛，將大大減輕電機的重量。超導單極電機是一種沒有換向器的低壓大電流直流電機，其靜止的勵磁線圈是超導的，而旋轉電樞仍然是常規銅線圈。
由於超導單極電機的功率大、重量輕，如比功率可達746W/kg以上，因此有廣泛套用前景，如套用於船舶電力推進。當前人們還開始研究用高溫超導塊材料取代永磁電機中的永磁材料做成超導永磁電機，法、美等國已研製出500～1000W的超導永磁電機原理樣機，並計畫研製更大功率的超導永磁電機。
基本結構
圖為轉子用超導勵磁繞組的超導發電機的基本結構，由定子和轉子兩部分組成。
定子
常規發電機中，電樞繞組嵌於貼心之中，鐵心是繞組的支撐件。由於電樞電流是交流電流，鐵心要選用鐵耗低的矽鋼片。超導發電機中，由於磁通密度高，採用非磁性高強度材料支撐繞組。但是，為了構成電樞繞組的磁迴路和防止磁場泄露，在定子外層需要採用鐵磁材料禁止。
轉子
用超導體製成的勵磁繞組要運行在低溫環境，超導發電機的轉子一般採用多重圓筒結構，轉子內筒為冷卻介質儲槽，然後是超導勵磁繞組及其支撐筒、熱輻射禁止筒，以及阻尼筒、真空外殼。
（1）冷卻介質儲槽及輸送、回收系統。超導體必須運行在臨界溫度以下才能維持穩定的超導態。支撐超導繞組的內筒兼做冷卻介質儲槽。低溫超導發電機中的冷卻介質為液氦，高溫超導發電機則可用液氮或溫度在30K左右的低溫氦氣作為冷卻介質。冷卻介質從冷卻系統輸入到轉子內部冷卻超導線圈，蒸發的冷卻介質通過回流通道排出，並和外部冷卻系統形成循環。冷卻介質儲槽外為真空層，以抑制熱量的侵入。
（2）轉子勵磁繞組。常規發電機中，由於導線的電流密度受到限制，僅靠繞組難以產生很強的磁場，必須將繞組嵌入鐵心中，鐵磁材料的飽和磁通密度小於2T，因此，常規發電機中的磁通密度小於2T。實用低溫超導材料的允許電流密度比銅線高出兩個數量級以上，臨界磁場大於10T。所以，使用超導技術不僅可以省去鐵心，而且可以運行在遠高於鐵心磁飽和的磁通密度(目前一般設計為5～7T)。
（3）熱輻射禁止筒。繞組筒外為真空空間，其中設有熱輻射禁止筒，其作用是降低從常溫向低溫的熱傳導，提高冷卻效率。真空層抑制通過空氣的熱傳導，熱輻射禁止筒抑制從常溫外筒來的熱輻射。
（4）阻尼筒。超導發電機中的阻尼筒既具有常規發電機中阻尼繞組的功能——在電磁動態過程中抑制轉子的非同期振盪，又具有緩解動態過程中定子的交流磁場對超導繞組影響的作用，以提高超導穩定性。為了提高阻尼性能，可採用多重阻尼筒。熱輻射禁止筒也可兼有阻尼筒作用。
（5）力矩傳導筒。在發電機中，電樞繞組切割磁力線產生感應電動勢，向負載輸出電能，原動機向轉子提供驅動轉矩。常規發電機中，轉矩通過軸直接傳給轉子鐵心，鐵心帶動勵磁繞組旋轉。但在超導發電機中，必須儘量抑制進入超導低溫環境的熱量，所以不能用傳熱量大的實心軸傳遞轉矩，而要採用可抑制熱量傳導、壁厚較薄（傳熱量和傳熱截面積成正比）的力矩傳導筒。
優點
超導線在臨界溫度T、臨界磁場強度H及臨界電流密度J值以內時具有超導性，其電阻為零。這將使超導電機繞組的電阻損耗降為零，既解決了電樞繞組發熱、溫升問題，又使電機效率大為提高。更重要的是超導線的臨界磁場強度和臨界電流密度都很高，使超導電機的氣隙磁通密度和繞組的電流密度可比傳統常規電機提高數倍乃至數十倍。這就大大提高電機的功率密度，降低電機的重量、體積和材料消耗。
由於採用超導線圈，使繞組提高了載流能力，產生比常規線圈大數倍的磁場而又幾乎無焦耳熱損耗，因而具有一系列先進的技術經濟特性。如用於同步發電機可以提高電機效率，大約比常規電機提高0.5%～0.8%；體積小、重量輕，整機重量可減小1/3～1/2；電機電抗可減少到1/4，從而提高電機運行穩定性。它還可以省鐵芯，使電機的電樞繞組對地絕緣水平大大提高，同時由於氣隙磁通密度可比常規電機大4～5倍，單機容量可達百萬千伏安以上。
常見類型
超導汽輪發電機
勵磁繞組用超導線(鈮鈦Nb-Ti合金線或鈮三錫Nb3Sn)繞制。選用的電流密度高達傳統常規繞組的幾十倍。電機的磁通氣隙密度取得很高，大大超過了鐵磁材料（矽鋼片等）的飽和點。因而發電機重量大幅度下降，提高了發電機的電磁功率的最大值，使電機可以應付更大的功率突變，這有利於電機併網運行時的穩定性。目前因強磁場、大電流密度的交流超導材料尚未過關,所以只能在直流勵磁繞組中採用超導線,而交流電樞繞組則仍用常規導線（銅線）。 轉子超導勵磁繞組浸於旋轉的低溫液氦容器中，由多層轉軸的內層輸送液態氦，以冷卻勵磁繞組。蒸發後的氣態氦從多層轉軸的夾層流出。為了避免外界熱量的侵入，在旋轉低溫容器的外殼以及多層轉軸的層間均設有真空隔熱夾層。整套低溫系統嚴格密封。在轉子外層還裝有用金屬材料製成的電阻尼屏，以禁止定子諧波磁場及發電機在三相不對稱運行時的負序磁場進入超導勵磁繞組，避免超導材料失去超導性。
超導單極直流電機
