船舶超导电力推进的应用.docx

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1、船舶高温超导电力推进的应用与发展前景王XX船电19XX班2019210240XX摘要21世纪初，高温超材料的发现和研究取得了较为瞩目的成就，尤其在舰船电力推进领域，经过四十多年的发展历程，超导电力推进不仅完成了超导材料从低温超导向高温超导的转变，还在从直流到交流系统，以及从设备研究向系统开发等方面都取得了重大进展，包括超导推进电动机在内的船舶超导电力推进装置研究已接近实用化程度。关键词超导；电力推进：高温超导电动机：高温超导发电机O引言超导材料分为低温超导材料和高温超导材料，低温超导是指临界温度低的超导材料，只能运行在液氮温区，使用沸点4.2K的液氮冷却。高温超导概念是相对于低温超导而言，其冷

2、却温度仍然极低，但相对与低温超导而言，临界温度已经是巨大的提升，可以使用沸点温度77K的液氮冷却，运行在液氮温区。1船舶超导电力推进装置的发展维持低温超导材料所工作环境过于复杂，但用于就消耗了巨大的能量，所以对于低温超导材料的研究仍然没有光明的前景。提高超导材料临界温度是超导技术广泛应用的必由之路。目前，很多超导材料的临界温度较高，很多都达到了IooK以上，机械性能和电性能等特性也大幅提升,使用高温超导材料要考虑的制冷功率要比低温超导材料低得多。与此同时，相对简单、费用较低、更富效率的制冷系统的研发也获得重大进展。因此，这些因素使高温超导线材在电机商业开发和应用中，无论在技术上，或者在经济上都

3、呈现出其适用性与可行性。超导电力推进装置的核心是超导推进电机，主要有超导单极电动机、超导同步电机，超导异极电机、特种超导电机、目前超导单极电机、超导同步电机的应用研究相对成熟、超导同步交流电动机的发展前景较为广阔。直流超导电力推进系统采用的是超导单极电动机，到目前为止,世界上已经研制成功二十多台功率不等、型式各异的低温超导单极电动机,220OkW和100Okw超导单极发电机和电动机已进行推进系统实船试验。2007年美国完成36.5MW,120rmin全尺寸舰船超导直流单极推进电动机和相关的支持设备的设计、制造和工厂验收测试。另外,在高温超导(HTS)材料出现后,HTS单极电动机的研究也取得相应

4、的进展，已经完成多台百千瓦级电动机研制。交流超导电力推进系统采用的是超导同步电动机，美国已连需要研制成功220kW、735kM3.7MHr(1800rmin)和5MW(230r/Inin)HTS同步电动机。2007年3月又成功通过海军验收试验，完成了36.5MW,120rminHIS同步电动机研制，拟用于DDG-IOOO驱逐舰上。此外，还计划用四套40MWHTS推进发电机和电动机作为下一代CVXT3A航母电力推进动力备选方案之-。德国、韩国、日本、法国、英国等国都在进行对HTS同步电动机的研制工作，中国也完成百千瓦级样机的研制工作。普通电动机通常因为尺寸重量使得吊舱结构应用受到限制,超导电动机

5、则不存在这类问题，拥有很宽的功率选择范围，极其优秀的低速运行特性，以及友好的人机工程，实现高温超导是未来舰艇船舶光明的发展方向。2.高温超导电动机技术2.1 高温超导旋转电动机拓扑技术图1为一台各6极(3对)高温超导船用推进电动机的拓扑结构图。它使用空心电枢绕组和第一代HTS线材励磁绕组。传统电动机与高温超导电动机的区别在于高温超导电动机的励磁绕组是由富温超导材料制成，运行在封闭低温环境之下(35K-40K)o它又超导励磁绕组、支架结构、冷却回路、低温恒温器和电磁屏蔽组成。该低温制冷装置模块设置在一个固定的构架上，氮气或液敏用来冷却转子上的部件。定子绕组是经过改进的铜质导线绕组。定子总成包括交

6、流定子绕组、机座铁心、定子绕组支架、轴承和机壳。定子绕组不放在常规的铁心齿中，因为它们由高温超导绕组产生的强磁场而处于饱和状态，使用淡水冷却。定子冷却水殖头图27典型6极高温超导船用推进电动机2. 2能量转换效率和功率密度机械/电力能量转换效率是一个变量函数，变量包括了转子铁心、转子绕组组成材料、电机几何结构等等，其中影响最大的是转子绕组的组成材料。高温超导电机高效的原因在于高温超导线材可以比相同尺寸重量的铜导线承载更大的电流，可高达140倍。更大的电流意味着更大的磁通密度和更强大的磁场，这直接地增加了电动机的磁剪切应力（二电枢周围电流载荷AX中间气隙磁通密度峰值ZO它意味着单位质量能提供更大

7、的转矩（窗）o尽管超导材料在维持低温环境时需要消耗能量，但低温冷却系统所需的功率却相当低，在一定容量以上大约为常规转子铜损的10%左右。船用推进高温超导电动机的转矩可参考下式得出：Ta=D2Kh（公式2-1）式中，妫中间气隙直径，加则为材料的重量密度和径向高度的乘积。由此可见磁剪切力对低速推进电动机所起的作用。重要的是，高温超导电动机在其整个运行的功率范围内,都始终保持极高的效率。大型富温超导电机在全负载工况运行时的效率高达99%以上。3超导电动机与常规电动机技术比较2.1 功效区别高温超导电机对比其它相同功率的大型电机，如图3-1所示其系统效率高于常规电机，在低功率输出的优势最为明显，在较高

8、的功率范围内效率恒定，且其体积，尺寸，重量明显缩小，有利于提高船舶空间利用率。推进电动机的体积和重量对于船舶设计和建造具有重要影响。如果一台新型电机具有与常规电动机相同的功率，而其重量或体积仅为后者的一半或三分之一，对于军船来说，它就意味着更快的速度，更长的续航力和更加强大的火力，更可靠的生命保障。而对于民船而言，则意味着更大有效舱容量和更大的经济利益。高温超导电动机所具有的重量轻、体积小这样的优点，极有利于船舶吊舱推进应用。一艘500吨的轻量的集装箱船可装载40多个集装箱，如果使用高温超导吊舱推进器，那么这个同样大小的集装箱船就可以多装载2.5%到4%的集装箱三线表1以美国研制成功的3.7M

9、W,1800rmin高温超导电动机与统一规格普通感应电机参数比较，其体积重量减少一半，证明的超导电动机减轻重量在吊舱式结构中的价值表13.7MW1800rmin高温超导电动机与普通感应电机参数比较参数ASC公司超导电动机普通感应电动机功率/MW3.73.7转速/(rmin)18001800极数44电压kV6.66.6满负载效率（）97.795.9机座形式A1pha-I86095重量/t6.812.3体积7.4715.762.2 高温超导的技术先进性2.2.1 高温超导体转子特点高温超导电机的最普遍形式为超导同步电动机，其新颖之处在于它使用高温超导材料的转子部分，这也是高温超导电机的优势所在。首

10、先，紧凑的HTS励磁绕组具有较高的B磁场，使电枢绕组区域的磁通密度达到2倍于常规永磁体的磁通密度，强度接近2.0特斯拉。它使电动机具有较高的电流密度。电机所产生的高气隙磁通密度将直接转换成剪切力（。另外，转子周围由非磁性低热导材料组建构成，最大限度地阻隔了传向HTS线材的热，基于高温超导线材电机几乎无转子I2R损耗。3. 2.2电枢绕组与噪声高温超导电动机电枢绕组是一个改良空心电枢绕组，虽然有限地增加了电枢绕组里铜的使用量，但它由此提高了定子电流载荷（A）,增加了磁剪切力。高温超导电机没有磁齿，不存在在常规电机上因此而引起的主要电机铁损耗和振动噪声源。由于在电机的磁路里没有或只有很小的铁心，所

11、以电源畸变很小，且来自电动机的噪声反馈亦很小。这些优点可简化对供电系统的要求，并使电机做得格外安静（电学和声学两方面），较轻的电机转子也使噪声变得很小。因此，高温超导电机是一种相当安静的电力终端设备。3.2.3 功率因数调节特性与常规电机相比，高温超导电机可在较低的功率因数下运行。这种特性可以提供超前或滞后VAR一直到其额定负载值。高温超导电机具有低同步电抗(0.32-0.53)的特点，瞬态和次瞬态电抗类似于传统电机。这种较低的同步电抗使高温超导电动机非常适合于在较低负载角工作，给电机并网运行提供了较大的同步空间。电机在满负荷和无负荷运行之间转换，不会出现较大的电压差，使控制变得极为简单。3.

12、2.4 控制高温超导电机对驱动和控制装置没有特别的要求。高温超导电机可使用现有的同步变频器、周波变频器或者PWM变换器，虽然为了获得较低畸变的优点，有可能的对这些系统做一些简化。3.3高温超导电机的经济性3. 3.1降低能源费用高温超导电机可以较高效率方式和低功率因数方式运行(超前功率因数和滞后功率因数)。与常规电机相比，一台IoOMVA的高温超导电机因效率因素，年节约费用就可能高达近百万美圆，因此，高温超导电机的运行成本比常规电机低，从而在其生命周期中节约了能源费用。4. 3.2降低制造和安装费用由于高温超导电机的功率密度大,可以做得非常紧凑,因此降低了建造费用和安装费用。如在舰船上应用，则

13、可缩短造船周期，节约建造费用。同样，小尺寸也降低了运输成本。3.3.3降低维护维修费用高温超导电机采用全新的转子和输出轴设计、制造概念，在其运行中，几乎不需要进行日常的维修。“伊丽莎白女王2号豪华邮轮是一个典型的例子。该船的电力推进系统使用两台44MW常规电动机，电动机重400多吨/台。她的姊妹船玛丽女王2号”推进功率为84MW。如果这样的邮轮使用现在正在建造的36.5MW电动机作为推进电动机的话，两台电动机的功率正好满足她对动力的要求，而重量却只有常规电动机的1/5。美国海军估计，使用高温超导推进电动机，美国海军DDG-51型电力船在正常运行状态下每年每船可节约450000美元的运行。4未来

14、船舶电力系统配置在船用推进领域，高温超导电动机所具备的轻重量，小尺寸，更大的功率密度，以及较高的部分负载效率等特性，对商船和军船来说是非常重要的，符合这些船舶运行工况特点。另外，高温超导电动机的内在设计柔性直接惠及到船舶推进系统的配置，船舶使命和运行的各个方面。具体地说，高温超导电动机既可以安装在舱内，也可以作为吊舱推进系统配置。高温超导发电机与高温超导电动机具有类同的特性，各种损耗极小，包括冷却系统的功率损耗，整个系统的损耗只是常规发电机的一半。这使超导发电机的效率提高0.5%0.8%（超导发电机的效率高达99%）。超导发电机的同步电抗也很小，稳定性好。由于省去了铁心，降低了电枢绕组对地绝缘

15、的要求,因此可省去变压器,采取电枢绕组,直接投入现有电网运行。超导同步发电机是未来电站的主力。继500OHP高温超导工业电动机和5MW高温超导船用推进电动机之后，美国超导体公司目前正在设计开发高温超导同步发电机，旨在全电力船上得到应用。在船上，而温超导电动机和发电机能与现有的军船高电压、低电流体系结构相兼容。电动机的控制完全可以利用现有的同步/循环,或PWM变频器技术,而无须进行新的研发工作。整个电力系统也非常安静。5高温超导电动机应用前景及建议本世纪以来，越来越多船舶趋向于使用电力推进。根据超导电动机的工作特性，其最初应用可能会出现在驱动等运输领域，尤其会被用于大型军船、商船或海洋工程等的电

16、力推进系统。这是因为高温超导电动机在尺寸、重量和效率等方面固有的优势，这些优势为提高船舶设计柔性提供显著的成效，最能有效地体现各种舰船的运行使命要求，也为船舶的生命周期费用产生了深远的影响。随着高温超导材料工业的进一步发展，价格进一步下降，高温超导电动机不单单局限于船舶领域，化工、采矿、制药、石油天然气等重工业领域都可以应用高温超导电动机，希望我国将高温超导电动机置于能源战略发展的重要位置，早日开发出成熟的高温超导电动机。参考文献1乔鸣忠，于飞，张晓峰.船舶电力推进技术M.北京：北京机械工业出版社，2013.2郭国才，何锡武，周平.船用高温超导推进电动机技术与应用前景J.船电技术，2005(5)：1-5.3伍赛特.船舶电力推进系统