面向电动航空的高温超导电机技术研究发展

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27469

综述

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面向电动航空的高温超导电机技术研究发展

宋东彬¹, 闫炬壮¹, 杨文将¹^,²(), 白明亮¹, 刘汝婧³, 王少鹏¹, 刘宇¹, 田爱梅¹

^1.北京航空航天大学宇航学院，北京 100191
^2.北京航空航天大学宁波创新研究院，宁波 315800
^3.北京航天仪器控制研究所，北京 100854

收稿日期:2022-05-19 修回日期:2022-06-02 接受日期:2022-07-04 出版日期:2023-05-15 发布日期:2022-07-08
通讯作者: 杨文将 E-mail:yangwjbuaa@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11772025)

Technology development of high temperature superconducting machine for electric aviation

Dongbin SONG¹, Juzhuang YAN¹, Wenjiang YANG¹^,²(), Mingliang BAI¹, Rujing LIU³, Shaopeng WANG¹, Yu LIU¹, Aimei TIAN¹

^1.School of Astronautics，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Ningbo Institute of Technology，Beihang University，Ningbo 315800，China
^3.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100854，China

Received:2022-05-19 Revised:2022-06-02 Accepted:2022-07-04 Online:2023-05-15 Published:2022-07-08
Contact: Wenjiang YANG E-mail:yangwjbuaa@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11772025)

摘要/Abstract

摘要：

超导电机因体积小、功率密度高和效率高等优势，在航空电推进中展现出重大的应用前景。对比分析了纯电力超导电动系统和混合动力超导电动系统的方案特点，突出超导电机对于大功率航空电推进的重要性。针对航空电推进超导电动系统对电动机和发电机的不同需求，对过去研究的高温超导样机的运行原理及结构拓扑进行归类综述，并总结分析了各自利弊。在此基础上，从超导技术、电枢绕组技术、转子技术、低温技术和绝缘技术这5方面对超导电机本体关键技术分别进行回顾总结。最后，梳理了当前超导电机在航空电推进中应用的研究进展，并对未来超导电动航空发展进行了展望。

关键词: 航空电推进, 超导电动系统, 超导电机, 直流超导磁体, 交流超导电枢, 超导转子技术, 低温技术, 绝缘技术, 新兴航空

Abstract:

The superconducting machine has prospects of a wide range of applications in aviation electric propulsion due to its advantages such as small size， high power density， and high efficiency. The characteristics and current situation of the superconducting pure/hybrid electric drive systems are compared， showing the importance of the superconducting machine for high power aviation electric propulsion. In view of different requirements for motors and generators for the superconducting electric drive system for high power aviation electric propulsion， the operating principles and structural topologies of those prototypes of High Temperature Superconducting （HTS） machines studied in the past are reviewed and classified， and the advantages and disadvantages are summarized and analyzed. On this basis， the key technologies of superconducting machine are outlined in terms of superconducting technology， AC superconducting armature， rotor technology， cryogenic technology and insulation technology. Under the background of aviation electrification， the progress in the application of superconducting electric drive system in aviation electric propulsion is outlined， and future development of superconducting electric aviation is also discussed.

Key words: aviation electric propulsion, superconducting electric drive system, superconducting machine, DC superconducting magnet, AC superconducting armature, superconducting rotor technology, cryogenic technology, insulation technology, emerging aviation

中图分类号:

宋东彬, 闫炬壮, 杨文将, 白明亮, 刘汝婧, 王少鹏, 刘宇, 田爱梅. 面向电动航空的高温超导电机技术研究发展[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 27469-027469.

Dongbin SONG, Juzhuang YAN, Wenjiang YANG, Mingliang BAI, Rujing LIU, Shaopeng WANG, Yu LIU, Aimei TIAN. Technology development of high temperature superconducting machine for electric aviation[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(9): 27469-027469.

图/表 34

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表 1

不同类型超导电动机/发电机的技术特点汇总

超导电机类型			结构特点	优点	缺点	技术成熟度
超导电动机	径向间隙超导同步电动机	转子半超导	静置的铜电枢绕组，旋转的超导励磁绕组	提升气隙磁密，进而提高电机功率密度	滑环电刷磨损，超导引线漏热，转轴动密封以及转矩传递漏热，严重限制工作转速	已应用在混合电动飞机样机中
		第1类定子半超导	旋转的铜电枢绕组，静置的超导励磁绕组	大幅降低了超导冷却系统复杂程度	滑环电刷磨损严重，铜损耗增大	实验室研制阶段
		第2类定子半超导	静置的超导电枢绕组，旋转的永磁励磁体	高载流密度，低温系统结构简单，无需考虑低温动密封	电枢产生交流损耗对低温冷却要求极高，限制工作转速	实验室研制阶段
		全超导	静置的超导电枢绕组，旋转的超导励磁绕组	高载流密度，大气隙磁密，小型化、轻质化	包含以上半超导电机所有缺点	实验室研制阶段
	轴向间隙超导同步电动机		整体结构扁平，转子为盘式结构	可以通过模块化设计增大电机容量	边缘离心力较大，受滑环电刷限制，工作转速不高	实验室研制阶段
	超导异步电动机		转子采用超导导条与端环实现自短路结构	调速能力强，输出转矩高	低温旋转动密封受限，超导-正常-超导的转变过程	实验室研制阶段
超导发电机	轴-径向间隙超导同步发电机		在转子端部增加轴向超导励磁结构	无低温旋转动密封问题、增大功率密度、可以高速工作	电机整体冷却结构更加复杂	实验室研制阶段
	超导单极发电机		静置的超导励磁绕组，常温实心整体转子	高转速、高功率密度，超导磁体不受离心力	漏磁较为严重，需不断优化	实验室研制阶段
	超导爪极发电机		静置的超导励磁绕组同极磁爪转子	定子铁芯结构紧凑	转子结构复杂，会产生力学和电磁不稳定性	实验室研制阶段
	超导磁通切换发电机		励磁绕组与电枢绕组均布置在定子槽内	转子结构简单，利于高转速工作	槽满率较低、电机体积大，低温旋转动密封问题	实验室研制阶段
	超导磁齿轮发电机		磁极代替齿轮使内外转子无接触传递扭矩	降低噪声、受离心力较小、转矩密度可控	电机体积和重量大，运行效率低	实验室研制阶段

表 1

表 2

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表 4

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

性能参数	硅钢	非晶合金	镍铁合金	钴铁合金
饱和磁密/T	1.95	1.56	1.6	2.4
相对磁导率/10³	8	> 4.5	80
电阻率/（μΩ·cm）	45	130	48	40
密度/（kg·m^-3）	7 650	7 180	8 166	8 200
杨氏模量/GPa	197	105	150	216
屈服强度/MPa	343	2 000	750	1 323
热膨胀系数/（10^-6·K^-1）	12		0.9	9.6

冷却工质	工作温区/K	主要特点
液氦（冷氦气）	4.2 （15~25 ）	适用于绝大部分超导材料，技术较为成熟、储量少、价格高
液氖	24~27	可达冷氦气温区，储量少，价格昂贵
液氢	20	低温冷却剂兼燃料，应用前景广，热值高，但密度低，需要大存储空间
液氮（过冷液氮）	77 （65~67 ）	价格便宜，满足大部分高温超导材料的制冷需求，过冷液氮可提高电绝缘性能
固氮	10~35	制备简单、价格便宜、重量轻、电绝缘性能好、且在低温下有很高的热容

面向电动航空的高温超导电机技术研究发展

Technology development of high temperature superconducting machine for electric aviation

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超导电机类型			国家	年份	容量 /kW	转速 /（r·min^-1）	端电压 /V	额定电流 /A	频率 /Hz	超导材料	冷却方式	工作温度 /K	效率 /%
超导电动机	径向间隙超导同步电动机	转子半超导	美国	2008	36 500	120	7 200	1 400	60	Bi2223/Ag	气氦	30	97.5
			德国	2010	4 000	120	6 600	357	60	Bi2223/Ag	气氦	25	94.6
			日本	2014	3 000	160	1 000	200	80	Bi2223/Ag	气氦	30	98
			韩国	2016	5 000	213	6 600	460	10.6	GdBCO	气氖	<30	98
			英国	2010	100	3 000			300	Bi2223/Ag	过冷液氮	<77
			欧盟	2020	3 600	15	710	280		GdBCO	制冷机	<25	92
			俄罗斯	2014	200	1 500	450	165	75	YBCO	过冷液氮	65~77	96.3
			俄罗斯	2017	1 000	600	690	500	50	YBCO	过冷液氮	65~77	>97
			中国	2021	300	3 000			50	GdBCO	气氦	30
			中国	2020	500	1 500	550		75	YBCO	液氮	77	96.33
		第1类定子半超导	法国	2010	25	750	230	40	50	YBCO	液氦	25
		第2类定子半超导	中国	2012	400	250	690		20.8	YBCO	过冷液氮	70	93.5
		第2类定子半超导	中国	2014	2.5	300	41.7	20	10	Bi2223/Ag	液氮	82
		全超导	英国	2008	8.4	1 500	115	35	75	YBCO	液氮	77	94.5
		全超导	日本	2021	1	625	25	100	10.4	YBCO	过冷液氮	65~77
	轴向间隙超导同步电动机		日本	2006	400	250	618		16.7	Bi2223/Ag	过冷液氮	66~70
	超导异步电动机		日本	2020	50	1 500	400		50	Bi2223/Ag	液氮	77	94
超导发电机	超导单极发电机		美国	2008	1300	10 500	266	1 460	525	Bi2223/Ag	制冷机	30	97
	超导单极发电机		中国	2018	30	10 200	510	32	510	YBCO	过冷液氮	65~77
	超导爪极发电机		俄罗斯	2016	21.7	9 000	99	125	450	YBCO	液氮	77
	超导磁通切换发电机		中国	2018	6	2 000	100		100	Bi2223/Ag	液氮	77