基于“磁通泵”的高温超导同步电机无刷励磁技术原理及应用研究

The project applies the high temperature superconducting (HTS) flux pump technology to excite the HTS rotors coils without slip-ring and brush, meanwhile, proves its feasibility and reliability in the established “HTS synchronous rotating electric machine” experimental platform. The aims of the project are to reveal the mechanism of the internal resistance Rd in the HTS flux pump stator, providing methods to effectively reduce internal resistant Rd and increasing induced superconducting DC voltage Voc, solving the “saturation” problem of the induced current; meanwhile, to test the work characteristics of the HTS flux pump in cryogenic temperature from 20 K to 77 K, providing the optimization plans for HTS flux pump working in different cryogenic temperatures; at last, to design and manufacture the brushless excitation rigs for HTS electric machine based on “flux pump”, installing in the “HTS synchronous rotating electric machine” experimental platform and testing as a whole machine. This project providing a high-efficient brushless excitation technology for HTS electric machines applied in high power rate wind power generator, large scale ship propulsion electric machines, and aircraft electric machines, etc.

本课题研究的中心内容是采用高温超导“磁通泵”技术实现对高温超导同步电机超导转子线圈的无刷励磁，并在“高温超导同步旋转电机”测试平台上测试，验证该无刷励磁技术的可行性和可靠性。本课题研究目标将揭示超导磁通泵定子内部电阻Rd产生的过程，提供有效减小内部电阻Rd和有效提高直流感应电压Voc的“磁通泵”结构优化方案，解决“磁通泵”直流饱和电流的技术难点；同时，获得在不同工作温度下（20 K-77 K），“磁通泵”充磁的工作特性，并提出在不同工作温度下，最优化的“磁通泵”方案；最终，将设计制造基于“磁通泵”技术的高温超导电机无刷励磁设备，并与现有的“高温超导同步旋转电机”测试平台进行整体测试。本课题研究为高温超导电机在大功率风力发电、大型船舶推进电机、航空发动机等方向的应用提供一种高效的无刷励磁技术方案。

高温超导电机的励磁线圈能够产生比普通电机更强的励磁磁场，从而大幅提高电机功率，并大幅降低电机体积和重量，在大功率海上风力发电、大型船舶推进、航空发动机等方向具有重要的应用前景。课题针对高温超导同步电机的无刷励磁技术展开了研究。在四年研究期间，对基于“直线电机式”磁通泵的无刷励磁设备开展了大量的研究，实现了目前国际上最小型的200 A量级磁通泵设备、实现了输出电流>1610 A的千安培“直线电机式”磁通泵，指标均达到国际最好水平，相比传统接触式电源在成本、能耗、体积上减少一个数量级以上，具有重要的应用前景。同时，基于宏观“超导磁通量子耦合效应”，提出了磁通泵“四象限”控制理论和方法，实现了目前国际最高精度的行波磁通泵双向电流控制，具有重要的应用价值。提出了磁通泵隔杜瓦壁励磁的技术方案，在实现了远距离导磁的同时，完全隔绝了磁通泵的发热，以此实现了基于磁通泵的30 K真空杜瓦环境下的高温超导YBCO磁体的闭环运行，完全消除了传统YBCO磁体的电流引线，具有广阔的应用前景。开展了对高温超导无刷同步电机的全面研究，开发了基于直线电机式磁通泵的无刷励磁设备，对YBCO跑道型励磁线圈开展了励磁实验，对高温超导无刷同步电机的研发具有重要意义。基于该课题资助，共计发表论文15篇（第一标注11篇），其中SCI论文14篇，受邀在Elsevier期刊《Superconductivity》作“磁通泵”特邀综述论文1篇。申请中国发明专利7项，其中已授权2项，PCT国际检索1项。课题培养博士研究生1人，硕士研究生13人。课题期间多次参加国内外学术会议，于2020年受邀在“IEEE应用超导和电磁装备国际会议”上作Keynote发言，获得Best Lecture奖；于2021年受邀在“全国超导学术研讨会”上邀请报告；于2021年受邀在“中国磁悬浮技术学术会议”作邀请报告，获得“优秀报告”奖等。该项目的研究结果能够有效推动磁通泵技术在高温超导磁体领域的应用，实现YBCO磁体在“持续电流模式”下的运行，有效消除电流引线及其漏热，为高温超导同步电机提供一种有效的无刷励磁技术，提升超导系统的整体性能。