独家:超导电机:第二代高温超导线促进发展

罗克韦尔自动化实验室助理Ben Hothem正在冷却2马力HTS电机(外壳内部)的转子，为测试做准备。扭矩传感器和发电机的测功机显示在右边。

崇高的目标仍然没有改变:开发用于大型工业电机的高温超导(HTS)技术。然而，一个新的方向就在眼前。第二代(2G)高温超导电线和线圈有望使这些超级高效的机器具有成本效益，并在不久的将来可用。HTS技术的前提是几乎消除电机绕组中的电流阻力，与当今最好的传统电机相比，HTS电机可以减少50%的功率损耗。2005年6月初，罗克韦尔自动化与美国能源部(DOE)的“超导工业伙伴关系”(SPI)项目合作，成功地首次在2马力的信实电气(Reliance Electric)高温超导电机中使用了2G高温超导电线。高温超导电线仍然是使这项技术实用的关键。
罗克韦尔自动化在高温超导领域有着丰富的经验。十多年来，它一直与美国能源部的SPI项目和合作伙伴供应商公司合作，进行了一系列的高温超导电机演示，取得了令人印象深刻的进展，2001年达到了1600马力的输出，所有这些都使用了第一代(1G)高温超导电线。(2001年7月，另一家开发公司美国超导公司(American Superconductor Corp .)用同样使用1G导线的5000马力高温超导电机演示了更高的输出功率。)然而，第一代电线的每台电机的成本预计将超过现有电机的总成本;罗克韦尔自动化负责信实电机先进技术的主管里奇·希弗尔博士表示，需要一些新的东西。他说:“第一代高温超导电线技术太昂贵，无法成功应用于电机。控制工程．
2马力马达，温度角度

Rich Schiferl博士比较了传统的400安培铜线(右)和第二代(2G) 400安培超导线的尺寸。

用于2马力演示的高温超导电机是一台具有超导磁场绕组(转子)和传统定子的同步电机。高温超导线圈的冷却来自液氮引入转子中心，并通过电机框架排出(仅用于演示目的，见图)。它提供了转子内部约- 321°F(-196°C)的温度。在实际的发动机中，冷却剂会再循环。“在大型工业高温超导电机中，超导线圈冷却剂将从转子中回收，并在闭环冷却系统中重新冷却，这样就不会有冷空气或液体从电机中逸出，”Schiferl说。
高温超导是一个非常相关的术语。“高”是指材料在高于接近绝对零度(0 K)的温度下显示超导性能的能力。对于2G高温超导电线，它指的是一个仍然非常冷的区域，大约在- 321°F (77 K)，但这个“更温暖”的温度也允许使用更常见的(更便宜的)液氮作为冷却介质。前面提到的1G高温超导电线的开发需要进一步冷却到30k左右才能产生超导性。Schiferl解释说，这也使得1G电线的电机更加昂贵，因为需要更多的特殊冷却，比如氦气或液态氖气。“冷却成本代表了高温超导电机的能量损失，”他说。
以千米为单位

2马力电机中使用的2G高温超导线圈(左)比同等额定功率的老式1G高温超导线圈小得多，性能更高。

2马力的演示电机使用了14米(46英尺)的陶瓷涂层导体2G HTS线，绕成两个旋转磁场线圈超级大国的公司该公司是Intermagnetics General Corp.的子公司。第二代高温超导电线的性能优于上一代，预计具有成本效益。

SuperPower目前生产的2G电线连续长度可达100米，据报道，这种能力正在迅速增长。实际上，对于5000马力左右的电机来说，需要将目前连续电线长度的10倍左右，这样才能实现人们所希望的大幅节能。拼接会增加电线的总长度。“大型高温超导电机需要数公里长的电线，”Schiferl解释说。

制造这种金属丝是一项重大成就。它依赖于SuperPower专有的MOCVD(金属有机化学气相沉积)工艺，据说该工艺比早期的脉冲激光沉积(PLD)工艺具有更高的生产率(吞吐量)和性能均匀性。MOCVD技术已经用于半导体晶圆生产，但该公司认为，它是第一个将该工艺“应用到这种程度”的2G线制造。

有多快呢?

我们什么时候能看到高温超导发动机的工作?Schiferl回答说，他相信在大约五年内，高温超导电机将少量应用于工业。这种发动机的广泛使用将在稍后进行。“预计最小的单位尺寸将在1000马力左右，大多数将在5000马力及以上。此外，在未来五年内，2G HTS线可能会满足必要的成本和长度要求。”电力生产和船舶推进可能是第一个应用。

五年似乎并不遥远。虽然高铁发展的关键任务还有待完成，但我们期待在此过程中取得重大进展。

为其他控制工程有关此主题的报道，请参阅:

• "罗克韦尔与超级大国合作研发高效电机，发电机"

• “西门子在欧洲率先运行高温超导电机”

• “超导电机更新”

——frank J. Bartos，《控制工程》执行主编，fbartos@reedbusiness.com

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