從專利角度分析超導電機技術發展路線

石佳

摘 要 作為一種新型電機，超導電機具有功率密度高、重量輕、體積小等優點。本文對超導電機的相關專利文獻進行了檢索，對各技術分支的專利申請進行了統計，梳理出超導電機的技術演進路線，并對超導電機的研究現狀進行總結。

關鍵詞 超導電機；冷卻方式；冷卻回路；超導材料；技術演進

中圖分類號 TM37 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0173-02

超導電機由于采用了超導繞組，與常規電機相比，既解決了電樞繞組發熱、溫升問題，又能夠承載更大的電流從而產生更強的磁場，降低電機的重量、體積和材料消耗，提高電機效率，具有廣闊的應用前景。隨著高溫超導電機的設計、裝配及系統結構都較容易實現，高溫超導電機制冷系統的結構大大簡化，運行成本降低，超導電機受到更廣泛的關注。

1 專利技術概況

由于超導電機與常規電機的差異主要體現在超導繞組的設置、冷卻系統的構成和材料制備3個方面，因此，超導電機的技術分支主要分為以下幾個部分。

基本構造。主要指超導電機的整體結構，僅體現其與常規電機結構的差異以及所衍生的特定結構。主要包括：繞組結構，如超導勵磁繞組、超導電樞繞組、全超導繞組以及支撐結構，其具體結構取決于無芯結構帶來的勵磁繞組和電樞繞組的固定需求。

冷卻系統。冷卻系統是超導電機的核心部件，超導電機必須通過冷卻系統保證超導繞組的超導性。主要包括3個部分，制冷機，常采用G-M制冷機，技術已經比較成熟，不對該部分做進一步研究；傳輸耦合器，技術難點在于低溫介質的旋轉密封問題；冷卻方式，對應不同的冷卻液具有不同的冷卻回路和冷卻效果。

材料制備。主要針對超導材料在超導電機領域的應用和發展，各種超導材料的制備方法。

1.1 申請量年度分布

超導電機的專利申請趨勢如圖1所示。超導電機領域的專利申請量從1965年至1985年處于緩速增長階段，到1987年呈爆發式增長，此后跌落到一個較高值，保持較平穩地持續增長。造成這個趨勢的原因在于，在20世紀70年代，隨著低溫超導體加工技術逐漸成熟，各個國家分別投入低溫超導電機的研發與制造中，但是低溫超導體的極低工作溫度要求極大地制約了低溫超導電機的發展與應用，低溫超導電機發展的態勢緩慢，研究人員一直在尋求具備較高臨界溫度的超導體材料。

隨著1986年高溫超導材料的發現，超導電機的工作溫度得以提高，同時高溫超導材料包括了線材、帶材以及塊材等多種形式，突破了低溫超導電機的瓶頸，極大地促進了高溫超導電機的發展，專利申請量也隨之高速增長，并在1987年達到頂峰，超導電機領域處于高速發展階段。隨著超導電機的專利布局基本形成，已有高溫超導材料的發展放緩，相關專利申請數量有了一定的回落，步入了1987年至1991年的回落發展階段。之后隨著各種高臨界溫度的超導材料的發現與制備工藝的不斷成熟，專利申請數量在一個較高數值的基礎上保持較平穩地持續增長。

1.2 各技術分支的專利申請

超導電機各技術分支的申請量如圖2所示。對于超導電機繞組結構、材料制備和冷卻方式的改進占據了該領域專利申請的較大份額，超過了總額的80%；支撐結構的改進相對前三者而言較少，這是因為支撐結構本身取決于繞組結構的固有結構以及設置方式，技術革新與突破相對較少所致；而傳輸耦合器的申請量最少，約占總申請量的5%，原因在于，傳輸耦合器主要的技術難點是低溫介質的旋轉密封問題，密封問題與繞組結構的設置方式和冷卻方式的具體選擇密不可分，各大申請人對傳輸耦合器的研發基本是對現有的基本密封結構進行改進，如采用動密封與靜密封相結合、磁流體密封技

術等。

2 技術演進路線

超導電機各技術分支的專利技術演進如圖3所示。超導電機經歷了從低溫超導電機發展到高溫超導電機的過程，由于支撐結構和傳輸耦合器很大程度上取決于繞組結構的具體結構，不同結構間沒有明顯的優劣性，因此在此不做進一步發展演進分析。

繞組結構的專利技術經歷了轉子超導繞組的低溫同步超導發電機、高溫轉子超導勵磁線圈的超導電機、電勵磁超導同步電機到無芯轉子繞組超導同步電機。而基于無芯轉子繞組超導同步電機存在的需要提高高溫超導線圈的載流能力來使高溫超導電機具有高功率密度、超導電機的效率難以持續提高等問題，發展出了超導塊材電機、單極型超導電機和軸向磁通超導同步電機等超導電機結構。由于上述超導電機結構的定子電樞依然采用銅繞組，定子銅耗制約了超導電機的效率提升，在此基礎上，進一步發展出全超導電機，有效解決了超導電機的效率問題。

超導電機的冷卻方式經歷了低溫超導電機時期的液氦浸泡冷卻、氣氦強制冷卻、液氦管道冷卻到高溫超導電機時期的液氮對流傳導、液氦相變傳熱，基于液氮對流傳導和液氦相變傳熱的基本冷卻方式，演變出了溫差環流冷卻、冷氦氣對流傳熱、液氖旋轉熱管、制冷機傳導式制冷和氦氖混合式相變傳熱。其中，液氮對流傳導的冷卻效果一般，但成本較低；氦氖混合式相變傳熱冷卻效果最好，線圈載流能力強，磁體穩定性好，但系統結構復雜，成本較高。綜合考慮采用的冷卻介質的物性、冷卻效果和系統成本，對超導電機的冷卻方式的改進主要集中在固氮對流傳熱、過冷液氮冷卻以及對上述冷卻方式的冷卻回路的優化上。

低溫超導電機的材料制備經歷了從NbTi超導繞組到Nb3Sn超導繞組的發展，高溫超導電機的材料制備經歷了BSCCO線材、YBCO線材、汞系超導材料、RBCO線材、MgB2線材到鐵基超導材料的發展。其中，NbTi和Nb3Sn是目前應用最廣泛的兩種低溫超導材料，臨界溫度都在20k以下，一般工作在液氦溫區。MgB2的臨界溫度可達39K，鐵基超導材料的臨界溫度可達55K，YBCO的臨界溫度可達92K，RBCO的臨界溫度可達96K，BSCCO的臨界溫度可達110K，汞系超導材料的臨界溫度可達135K。BSCCO線材和YBCO線材是最常用且實現批量生產的高溫超導體材料，BSCCO線材通常采用粉末套管法來生產，而YBCO線材通常采用多層結構的制備方法；MgB2和鐵基超導材料由于臨界溫度較低，目前只作為研究；汞系超導材料由于劇毒且易揮發，近年來研究減少。

3 結論

綜上所述，超導電機領域的專利申請量趨于穩定，并涵蓋了該領域的各個技術分支，其中繞組結構、冷卻方式、材料制備是研究的重點，占據了該領域的主要申請量。而基于技術需求，提高超導電機效率、改進冷卻回路、優化超導材料、降低成本將是今后超導電機的研發方向。

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