从专利角度分析超导电机技术发展路线
摘 要 作为一种新型电机，超导电机具有功率密度高、重量轻、体积小等优点。本文对超导电机的相关专利文献进行了检索，对各技术分支的专利申请进行了统计，梳理出超导电机的技术演进路线，并对超导电机的研究现状进行总结。
关键词 超导电机；冷却方式；冷却回路；超导材料；技术演进
中图分类号 TM37 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）15-0173-02
超导电机由于采用了超导绕组，与常规电机相比，既解决了电枢绕组发热、温升问题，又能够承载更大的电流从而产生更强的磁场，降低电机的重量、体积和材料消耗，提高电机效率，具有广阔的应用前景。随着高温超导电机的设计、装配及系统结构都较容易实现，高温超导电机制冷系统的结构大大简化，运行成本降低，超导电机受到更广泛的关注。
1 专利技术概况
由于超导电机与常规电机的差异主要体现在超导绕组的设置、冷却系统的构成和材料制备3个方面，因此，超导电机的技术分支主要分为以下几个部分。
基本构造。主要指超导电机的整体结构，仅体现其与常规电机结构的差异以及所衍生的特定结构。主要包括：绕组结构，如超导励磁绕组、超导电枢绕组、全超导绕组以及支撑结构，其具体结构取决于无芯结构带来的励磁绕组和电枢绕组的固定需求。
冷却系统。冷却系统是超导电机的核心部件，超导电机必须通过冷却系统保证超导绕组的超导性。主要包括3个部分，制冷机，常采用G-M制冷机，技术已经比较成熟，不对该部分做进一步研究；传输耦合器，技术难点在于低温介质的旋转密封问题；冷却方式，对应不同的冷却液具有不同的冷却回路和冷卻效果。
材料制备。主要针对超导材料在超导电机领域的应用和发展，各种超导材料的制备方法。
1.1 申请量年度分布
超导电机的专利申请趋势如图1所示。超导电机领域的专利申请量从1965年至1985年处于缓速增长阶段，到1987年呈爆发式增长，此后跌落到一个较高值，保持较平稳地持续增长。造成这个趋势的原因在于，在20世纪70年代，随着低温超导体加工技术逐渐成熟，各个国家分别投入低温超导电机的研发与制造中，但是低温超导体的极低工作温度要求极大地制约了低温超导电机的发展与应用，低温超导电机发展的态势缓慢，研究人员一直在寻求具备较高临界温度的超导体材料。
随着1986年高温超导材料的发现，超导电机的工作温度得以提高，同时高温超导材料包括了线材、带材以及块材等多种形式，突破了低温超导电机的瓶颈，极大地促进了高温超导电机的发展，专利申请量也随之高速增长，并在1987年达到顶峰，超导电机领域处于高速发展阶段。随着超导电机的专利布局基本形成，已有高温超导材料的发展放缓，相关专利申请数量有了一定的回落，步入了1987年至1991年的回落发展阶段。之后随着各种高临界温度的超导材料的发现与制备工艺的不断成熟，专利申请数量在一个较高数值的基础上保持较平稳地持续增长。
1.2 各技术分支的专利申请
超导电机各技术分支的申请量如图2所示。对于超导电机绕组结构、材料制备和冷却方式的改进占据了该领域专利申请的较大份额，超过了总额的80%；支撑结构的改进相对前三者而言较少，这是因为支撑结构本身取决于绕组结构的固有结构以及设置方式，技术革新与突破相对较少所致；而传输耦合器的申请量最少，约占总申请量的5%，原因在于，传输耦合器主要的技术难点是低温介质的旋转密封问题，密封问题与绕组结构的设置方式和冷却方式的具体选择密不可分，各大申请人对传输耦合器的研发基本是对现有的基本密封结构进行改进，如采用动密封与静密封相结合、磁流体密封技
术等。
2 技术演进路线
超导电机各技术分支的专利技术演进如图3所示。超导电机经历了从低温超导电机发展到高温超导电机的过程，由于支撑结构和传输耦合器很大程度上取决于绕组结构的具体结构，不同结构间没有明显的优劣性，因此在此不做进一步发展演进分析。
绕组结构的专利技术经历了转子超导绕组的低温同步超导发电机、高温转子超导励磁线圈的超导电机、电励磁超导同步电机到无芯转子绕组超导同步电机。而基于无芯转子绕组超导同步电机存在的需要提高高温超导线圈的载流能力来使高温超导电机具有高功率密度、超导电机的效率难以持续提高等问题，发展出了超导块材电机、单极型超导电机和轴向磁通超导同步电机等超导电机结构。由于上述超导电机结构的定子电枢依然采用铜绕组，定子铜耗制约了超导电机的效率提升，在此基础上，进一步发展出全超导电机，有效解决了超导电机的效率问题。
超导电机的冷却方式经历了低温超导电机时期的液氦浸泡冷却、气氦强制冷却、液氦管道冷却到高温超导电机时期的液氮对流传导、液氦相变传热，基于液氮对流传导和液氦相变传热的基本冷却方式，演变出了温差环流冷却、冷氦气对流传热、液氖旋转热管、制冷机传导式制冷和氦氖混合式相变传热。其中，液氮对流传导的冷却效果一般，但成本较低；氦氖混合式相变传热冷却效果最好，线圈载流能力强，磁体稳定性好，但系统结构复杂，成本较高。综合考虑采用的冷却介质的物性、冷却效果和系统成本，对超导电机的冷却方式的改进主要集中在固氮对流传热、过冷液氮冷却以及对上述冷却方式的冷却回路的优化上。
低温超导电机的材料制备经历了从NbTi超导绕组到Nb3Sn超导绕组的发展，高温超导电机的材料制备经历了BSCCO线材、YBCO线材、汞系超导材料、RBCO线材、MgB2线材到铁基超导材料的发展。其中，NbTi和Nb3Sn是目前应用最广泛的两种低温超导材料，临界温度都在20k以下，一般工作在液氦温区。MgB2的临界温度可达39K，铁基超导材料的临界温度可达55K，YBCO的临界温度可达92K，RBCO的临界温度可达96K，BSCCO的临界温度可达110K，汞系超导材料的临界温度可达135K。BSCCO线材和YBCO线材是最常用且实现批量生产的高温超导体材料，BSCCO线材通常采用粉末套管法来生产，而YBCO线材通常采用多层结构的制备方法；MgB2和铁基超导材料由于临界温度较低，目前只作为研究；汞系超导材料由于剧毒且易挥发，近年来研究减少。
3 结论
综上所述，超导电机领域的专利申请量趋于稳定，并涵盖了该领域的各个技术分支，其中绕组结构、冷却方式、材料制备是研究的重点，占据了该领域的主要申请量。而基于技术需求，提高超导电机效率、改进冷却回路、优化超导材料、降低成本将是今后超导电机的研发方向。
参考文献
[1]M.Noe，Superconductivity for power applications is getting more and more attractive，Applied Superconductivity Conference of 2010，2010.
[2]Pascal Tixador，Development of superconducting power devices in Europe， Superconductivity，2010，470（20）：971-979.
[3]F.Feng，T.M.Qu.C，Comparative study on the critical current performance of Bi-2223/Ag and YBCO wires in low magnetic fields at liquid nitrogen temperature， Physica C：Superconductivity，2011，471（9）：293-296.
[4]蔡传兵，刘志勇，鲁玉明.用超导材料的发展演变及其前景展望[J].中国材料进展，2011，30（3）：1-8.
上一篇：盛典“诺贝尔”