面向电动航空的高温超导电机技术研究发展

在全球各国政府主导的碳交易政策约束下，交通运输电气化有目共见，特别是在混合动力/电动汽车电气化的驱动下，储能和机电技术得以快速发展。虽然电池技术正在稳步改进提升，但目前的锂离子600kJ/kg的能量密度仍无法与航空喷气燃料46MJ/kg相提并论。因此，在大型航空器只使用电池作为能量目前是不现实的。当今大型运输机主要是由高涵道比的涡扇航空发动机作为驱动力，这种发动机特点是核心发动机产生的大部分功率经由机械连接的低压涡轮机驱动涵道风扇产生推力，功率范围为3~8kW/kg。涵道比（BypassRatio，BPR）越大，产生排气速度和温度越低，可以提高能量利用率以降低燃料消耗，同时有助于降低噪音，目前最大的涵道风扇发动机GE90X的BPR=10.0，风扇叶尖直径达到了3.4m。但增加涵道比需要核心机所有部件重新匹配设计，并且尺寸增大，尤其是热力循环机制与推力运行机制的内在耦合使得BPR存在上限。

传统航空涡扇发动机中的涡轮直驱风扇配置，涡轮转速越高，发动机效率越高并且功率密度越大，但涵道风扇若出现超声速气流会产生激波导致气流分离反而降低风扇效率。因此，将涡轮与风扇解耦，高速涡轮机连接高速发电机提升核心机功率密度，高温燃烧室提高燃油能量利用率，高效率电动机驱动风扇实现大涵道比推动，三者共同促进燃油消耗大幅降低。此外，这样的电力驱动架构有利于分布式推进飞机的设计和电驱动系统取代传统气动、液压驱动系统，从而实现航空全电气化。该架构最大的挑战之一就是研制高功重比和高效率的驱动电机

为了实现商用飞机的理想性能，驱动电机需要MW级甚至高达50MW的功率水平。而目前常规技术MW级电机的功率密度通常在0.5~2.5kW/kg，与涡轮核心机相比太小，不具有吸引力。高温超导材料凭借其通直流可以无阻的特性用作电机励磁绕组，可大幅提高气隙磁密以增大磁负荷，降低铜损耗以提高电机效率，同时大幅缩减铁磁材料用量以达到减重提升功率密度的效果。目前已被研究的高温超导发电机在连接到高转速工作的燃气轮机时，具备实现>10kW/kg的功率密度的能力，已经优于涡轮机的功率密度，超导电机技术为实现大功率航空电推进带来了希望。

一种理想的航空电推进超导电动系统方案首先通过涡轮机驱动超导发电机发电，经由超导电缆传输到超导电动机驱动风扇工作产生飞行推力。超导电机旨在解决大功率传统电机功重比低、效率低的现状，但超导的引入使得超导电机工作需要保持低温，给超导电机的电磁与低温结构设计带来了挑战。同时，超导线圈工作在复杂的旋转磁场中，会产生损耗危害超导电机的安全运行。

本文内容首先对比并分析了3种航空电推进超导电动系统方案特点，突出了超导电机对于超导电动系统的重要性。其次，从电机运行原理及结构拓扑等方面入手，对目前研究的高温超导样机进行归类并总结分析。接着，对超导电机面临的4大关键技术进行归纳分析。最后，梳理了航空电推进中超导电动的应用与发展以及对未来超导电动航空的展望。

纯电力超导电动推进系统包括发电系统和电推进系统，电推进系统由超导电动机和螺旋桨叶或涵道风扇（简称桨扇）组成，发电系统发电供给超导电动机驱动桨扇产生推力，其基本架构如图1所示。锂电池、太阳能电池和氢燃料电池是当前发电系统的主要电源，因其能量密度低、功率密度小等特点，限制了飞机起飞重量、飞行速度和续航时间等，仅能满足小功率电动飞机推进系统的电力需求。

混合动力超导电动系统包括航空发动机、超导发电机、储能系统、超导电动机和桨扇等，其中发动机驱动超导发电机提供主动力输出，锂电池027469-2航空学报提供辅助动力，根据航空发动机轴是否直接和超导电动机相连可分为并联式和串联式混合动力超导电动系统。

并联式混合动力超导电动系统中航空发动机与超导电机通过机械齿轮联动装置耦合共同驱动桨扇工作，可实现超导电机或航空发动机单独工作的模态，其基本架构如图2所示。当飞机需求功率低于航空发动机输出功率时，超导电机作为超导发电机吸收航空发动机富余能量，供给储能系统充电，但由于机械齿轮联动装置的存在使得此系统架构较为复杂，限制了系统效率的提高。混合动力飞机BoeingSugarVolt采用了通用公司研发的并联混合动力装置“hfan”，探索使用了5.3MW高功率水平的超导电机，与1.3MW低功率水平的传统电机相比，超导电机可以提供足够的动力，并延长了前端涡轮发动机的使用寿命，有效降低了飞机燃油消耗和污染物排放。

串联式混合动力超导电动系统中航空发动机直接驱动超导发电机产生电能，与储能系统一起供给超导电动机驱动桨扇产生推力，其基本架构如图3所示。航空发动机与超导电动机的分离设计实现了两者解耦，利于航空发动机始终在最佳工作点稳定运行，提高了航空发动机热力效率以降低燃油消耗。航空发动机和超导发电机功率范围必须满足飞机巡航飞行时的动力需求，储能系统需要提供飞机峰值功率大于超导发电机发电功率的部分，而该系统架构中超导电动机功率应覆盖飞机所有的飞行状态，所需功率较大。

涡轮发电超导电动系统是目前实现大功率航空电推进飞机动力需求最有前景的一种方案，如图3所示。该方案采用燃气涡轮发动机直接驱动超导发电机高效发电，经过超导电动机驱动尾部桨扇。此外，该电力推进架构利于飞机实现分布式推进设计，分布式推进单元在降低风扇直径的同时可以提高推进效率。NASAN3-X概念机采用涡轴发电超导分布式推进系统，通过机翼尖端的燃气涡轮发动机驱动多台超导发电机发电，总发电功率约50MW，每台发电机为一组超导推进单元供电，总推进功率约35MW。

超导电动系统中的低温冷却问题亦是关键技术，一种液氢能源制冷一体化的串联式混合动力超导电动系统如图4所示，图中的箭头指示线表示液氢的流动顺序及方向。首先液氢流向超导发电机和超导电动机中，对各自含有的超导结构进行低温冷却。冷却后的液氢携带着大量热量流向涡轮发动机中，作为无碳燃料对其做功，从而使整个超导电动系统的冷却系统形成了闭环。液氢能源在整个系统中即是冷却工质，又是燃料，实现了多重利用，更有利于绿色航空。

大功率航空电推进飞机对电机的功率需求路线如图5所示，随着飞机总推进功率的增加，动力系统对于电机的需求功率越来越大。相比于常规电机，超导电机拥有的高功率密度优势，越是在大功率条件下，越显著，从而为实现大型航空器的紧凑型设计和经济性运营提供了技术支持，因此开展超导电机拓扑结构和关键技术的研究十分重要。

2.1超导电机基本分类

超导材料具有卓越的载流能力及直流无阻传磁体，便构成了超导电机（SuperconductingMachine，SM），有望使电机功重比及效率提高。超导电机的分类方法有多种，如图6所示。根据所选取的超导材料类型，分为线材超导电机、带材超导电机和块材超导电机；根据超导材料所处位置，分为定子半超导电机（PSM-S）、转子半超导电机（PSM-R）和全超导电机（FSM）；根据励磁源不同，分为电励磁超导电机、永磁励磁超导电机和混合励磁超导电机；根据转子结构不同，分为超导同步电机和超导异步电机；根据定转子间隙方向及磁通路径复杂程度，分为常规结构超导电机和特殊结构超导电机，常规结构超导电机又分为径向间隙超导电机和轴向间隙超导电机，特殊结构超导电机包括轴-径向间隙超导电机、单极超导电机、爪极超导电机、磁通切换超导电机和磁齿轮超导电机等。

目前对于航空电推进系统而言，常规结构超导电机的工作转速均受到不同程度的限制，更适宜充分利用其低速、大扭矩、高效率的特点，作为电动机来驱动风扇或桨叶。而特殊结构超导电机凭借其特殊的结构特点，可以在高转速下工作，较适合作为航空电推进系统中的发电机。

下面将依据定转子间隙方向及磁通路径的分类方法，分别阐述超导电动机和超导发电机的拓扑结构特点及相关原理样机的研究进展。

2.2超导电动机拓扑结构

2.2.1径向间隙超导同步电动机

定转子间隙方向沿转子半径方向，并且磁通路径闭合面垂直于转轴的超导电机称为径向间隙超导电机，如图7所示。根据超导所处位置不同，又可细分为径向间隙转子半超导电机、径向间隙定子半超导电机和径向间隙全超导电机。径向间隙转子半超导电机的定子绕组由铜线绕制，在转子上采用超导磁体进行励磁。径向间隙转子半超导电机转子需要低温冷却系统、隔热转矩结构、超导供电滑环结构以及电磁屏蔽结构等维持超导磁体正常工作，如图8所示。相同尺寸的超导磁体可以产生更高的气隙磁密，励磁绕组可采用无铁芯结构减轻转子结构重量，大幅提升电机功率密度。但转子励磁无铁芯结构使得超导材料的用量以及漏磁增加。同时，超导励磁绕组随转子旋转，带来了大电流滑环电刷磨损，超导二元引线漏热，转轴冷却通道动密封以及通过转矩传递漏热等问题，严重限制了转子半超导电机的工作转，工作转速均低于5kr/min。

相比于转子半超导电机，径向间隙定子半超导电机的低温冷却系统相对简单，技术上更容易实现。同时，由于超导的高载流密度特性，可使超导电机趋向小型化和轻质化。为简化冷却系统和缓解转子超导励磁半超导电机低温旋转动密封的矛盾。出现了一种定子超导励磁-旋转电枢型的第1类径向间隙定子半超导电机，该电机采用静置的超导励磁绕组和旋转的铜电枢绕组，静置的超导励磁结构大幅降低了超导冷却系统复杂程度，但旋转电枢结构仍摆脱不了滑环电刷的制约，同时使铜损耗增加。美国和法国分别就内旋转电枢和外旋转电枢的第1类径向间隙半超导电机开展了相应的研究工作。

如果将电机的电枢绕组用超导绕组替代，转子采用常规励磁，便形成了转子常规励磁-超导电枢型的第2类径向间隙定子半超导电机。但超导电枢绕组在交变电流或交变磁场工作条件下，会产生一定的交流损耗。相对于旋转励磁型电机而言，该种结构电机的超导电枢低温冷却系统是静置的，相对简单，但是超导电枢绕组结构往往需要相对庞大的低温冷却系统。

径向间隙全超导电机可以同时拥有高载流密度和高气隙磁密，且重量较小，具有半超导电机所有的优点，也面临着半超导电机的所有难题。世界各国目前主要以全超导电机概念设计为主，图9展示了面向航空电推进的全超导电机概念设计的功率-功率密度-转速分布情况。如图9所示，在理论上，考虑制冷系统重量后的全超导电机功率密度可以高达25.6kW/kg，性能远高于常规同类电机，可以满足大型电动飞机推进系统要求。全超导电机的研制主要围绕小功率样机开展，目前报道的有英国剑桥大学、中国清华大学、俄罗斯莫斯科航空学院和日本九州大学。

2.2轴向间隙超导同步电动机

定转子间隙方向沿转轴方向，并且磁通路径闭合面平行于转轴的超导电机称为轴向间隙超导电机，如图10所示。轴向间隙超导同步电机图10轴向间隙超导电机以盘式转子为主，转子或定子采用超导绕组替代常规绕组，或者采用超导叠层导体或块材进行励磁，以提高电机的功率密度与效率，此种结构的电机优点是在保证外径不变的情况下，可以通过模块化设计来增大电机容量。但是，由于盘式转子的转动惯量相对细长转子较大，盘式转子在高速运转时边缘受力严重，同时转子励磁或电枢绕组的供输电仍受到滑环电刷的限制，导致盘式转子的转速不宜过高。

文献分别研究了400kW单转子盘与双转子盘轴向间隙超导电机，其端电压为618V，频率为16.7Hz。截止目前，超导叠层导体与块材在实验室分别可以俘获高达17.7T和17.6T的磁场，但是对于电机中作为励磁磁体使用时，如何高效磁化是亟待解决的问题。

2.2.3超导异步电动机

相对于同步电机，异步电机由于可靠性高、成本低和宽泛的调速能力，在工业中应用更加广泛。因此，超导异步电机也是超导电机研究的热点。最常见的异步电机为鼠笼型转子电机。鼠笼型超导转子从起动至稳定工作过程中，由于超导正常工作时无阻的特性，超导导条与端环会经历超导态-正常态-超导态的过程，鼠笼型超导异步电机会表现出同步电机特性，即鼠笼型超导异/同步电机，其转子结构如图11所示。

鼠笼型超导异/同步电机，转子采用超导导条与端环实现自短路结构，虽然免去了励磁电源，但低温旋转密封仍是目前研究重点，该类型的电机主要由日本京都大学研制，冷却方式采用液氮直接浸泡式冷却，因此工作转速受到限制，优点是相对于同等常规电机可以输出高达10倍的转矩。由于端环与导条通过焊接连接，仍有微小电阻存在，故电机会在异步-同步状态之间切换工作，因此高效的低温冷却结构是实现鼠笼型超导异/同步电机稳定工作的前提保障。文献研究了50kW/400V/50Hz的超导异步电机在12kW下的转矩和转速对电机性能的影响。随着转矩的增大，超导异步电机的效率逐渐增大，最终效率稳定在82%。而增大转速则增大了定子损耗和转子损耗，使电机效率减小。

2.3超导发电机拓扑结构

由于常规结构超导电机不宜工作在高转速条件下，因此功率密度提升能力有限。对于航空电推进系统的需求，涡电动力是一种极具前景的全电航空实现途径。涡轮发电机的突出特点是高功率、高转速以及高效率，因此，多种适宜高速工作的超导发电机结构被加以报道。

2.3.1轴径向间隙超导同步发电机

为避免转子超导励磁动密封难题以及超导体励磁磁密不足的现状，在第2类径向间隙定子半超导电机的基础上，在转子端部增加轴向超导励磁结构，得到一种新型的轴-径向间隙超导电机。轴-径向间隙超导电机的定子电枢绕组与径向间隙超导电机相同，区别在于前者在转子端部增加了静置的超导励磁磁体与闭磁环，转子端部增加了N极导磁端环和S极导磁端环，导磁端环与转子连成一个整体，闭磁环与导磁端环留有轴向间隙，因此电机内部同时存在径向和轴向磁通路径，其局部结构如图12所示。

轴-径向间隙超导电机综合了径向气隙超导电机和轴向气隙超导电机结构特点，采用此新型结构有效地解决了超导电机的低温容器旋转动密封和轴的冷却收缩补偿问题，克服了系统可靠性低的缺点，通过超导轴向励磁增加径向气隙磁密，进而增加空载反电势和电磁转矩，提高电机功率并增大电机功率密度。此种电机转子采用常规永磁转子，因此转子可以高速工作，但由于转子采用细长结构，且限于导磁端环材料的磁饱和程度，超导励磁对气隙磁密的提升能力有限，并且转子端部超导励磁结构使超导电机的整体冷却结构及装配结构变得复杂。

2.3.2超导单极发电机

超导单极电机磁路为复杂的三维空间结构，主要由超导励磁绕组、实心转子、定子结构和导磁结构组成，按照超导励磁绕组的放置位置，可分为如图13所示的2种方案。实心转子为两侧空间错位分布的凸极结构，在超导励磁绕组的激励下，左右两端类似永磁体的N/S极，同侧极头凹凸有致的布局使得气隙磁密呈现峰谷差异，特殊的导磁结构将磁场旋转一定角度后实现磁通路径错位闭合。

超导单极电机采用静置的超导励磁绕组，超导磁体免于受到离心力的作用，安装和布置简单，常温实心转子宜采用燃气轮机直驱，实现高转速以提高电机功率密度，可作为涡电动力航空备选方案。2008年，美国通用电气研制并成功测试了一台1.3MW、10.5kr/min样机，测试端电压为266V，线电流为1460A，频率为525Hz。2019年，北航杨文将课题组进行了30kW级原理样机研制，额定转速10.2kr/min，频率为510Hz输出端电压为236~500V。空载、负载试验与理论设计较为一致，验证了设计方法的合理性。

2.3.3超导爪极发电机

超导爪极电机同样采用静置的超导励磁绕组，在其激励下感应出2个同极磁爪，区别在于2个同极磁爪在空间交叉分布，2个同极磁爪与阻磁结构共同组成了爪极电机的转子，按照超导磁体的位置不同，2种不同的超导爪极电机方案如图14所示。同极磁爪与定子电枢的磁路仍是径向磁通路径，但是2个同极磁爪之间磁通用阻磁结构隔断，磁路通过导磁结构实现闭合。2012年，英国爱丁堡大学对第2种配置进行了探索性研究。2015年，莫斯科航空学院测试了一种的21.7kW、9kr/min的小型原理样机，其端电压为99V，额定电流为125A，频率为450Hz。

2.3.4超导磁通切换发电机

超导磁通切换电机将励磁绕组与电枢绕组均布置在定子槽内，转子由导磁与阻磁结构组成，当转子转过一定角度后，由于阻磁结构的阻隔，电枢绕组中的磁通量大小由正向最大变到负向最大，实现磁通变化感生出电压，实现电磁与转子动能的转换，其原理图如图15所示。

此种电机结构的转子结构简单，利于高速旋转工作。若阻磁材料采用超导块材会增大电磁转矩，但也会引入低温旋转动密封等问题。由于定子槽内超导绕组呈现多层分布，导致较低的槽满率，同时励磁绕组与电枢绕组的同槽配置使得励磁绕组的电磁屏蔽结构显得尤为关键，间接增大了电机体积。2018年，中国石油大学研制了使用分瓣转子和跑道型杜瓦结构的6kW、2kr/min超导磁通切换发电机，其端电压为100V，频率为100Hz。

2.3.5超导磁齿轮发电机

基于磁场调制原理，文献报道了一种面向风力发电应用的外转子全超导磁齿轮电机。结合电动航空发电机高转速、低噪音的特点，本作者提出一种内转子超导磁齿轮发电机结构，如图16所示。该电机由外定子、外低速转子、内调制定子和内高速转子4部分组成，通过磁极代替齿轮实现内外转子无接触传递扭矩，大幅降低噪音。内高速转子因采用常规永磁转子可以直接利用涡轮驱动高速旋转，外低速转子采用封闭式冷却避免了接触漏热问题以及低速旋转降低了超导带材所受离心应力。此电机结构通过调制定子可以增大转矩密度，但仍有很大的提升空间。磁齿轮结构增大了电机的体积和重量，同时，大量铁芯及永磁体导致该电机运行效率较低。

上述各种超导电机的结构特点及优缺点汇总见表1，对应样机的技术指标及性能参数见表2。

2.4小结

电动机是航空电推进系统的核心，目前地面运用的大功率超导同步电动机技术成熟度较高，应用在航空电推进中有更高的可靠性与稳定性。发电机系统是电推进系统中供电系统的关键。针对航空电推进发电机高转速的要求，需要从高转速对电枢交流损耗和转子结构强度2方面的影响来分析。首先交流损耗只发生在超导电枢绕组中，但是现在超导电枢绕组技术研究尚不成熟，仍处于超导绕组线圈的单体研究阶段，极少有应用超导电枢绕组的超导电机样机。所以现阶段使用转子半超导电机作为航空电推进超导发电机，即提高了一定的功率密度，也避免了过高的交流损耗，是一种更加可靠稳定的优选方案。此外，超导单极发电机和超导爪极发电机通过将超导励磁线圈静置的方式得以使超导发电机转子高速工作，满足涡轮高转速、高效率工作要求。且该种类型电机的整体转子结构具有更高的可靠性，是航空电推进超导发电机的优选方案。如表2中美国通用公司研发的航空电推进用1.3MW转子半超导单极发电机，额定转速高达10kr/min，在综合考虑制冷系统重量和电机重量后的功率密度仍高达9.4kW/kg，即保证了高转速，也大幅提高了电机整体功率密度。综上，针对航空电推进超导发电机的高转速、高功率密度和高损耗之间的矛盾，在现阶段做出了合适的权衡和选择。

3.1超导技术

3.1.1超导材料的发展与规模化

超导材料按照工作温度分为低温超导体与高温超导体，相比于低温超导体，高温超导体在冷却方面占有得天独厚的优势，因此，高温超导体的研究受到了各国的青睐。截止目前，超过百余种高温超导（HTS）材料已被发现，但实现了企业规模化生产及应用的以BSCCO系列超导材料、ReBCO系列超导带材以及MgB2为主。BSCCO系列和ReBCO系列超导材料的临界温度超过液氮沸点，使得冷却难度降低。由于BSCCO系列采用银基底，且银与超导材料的比例高达4：1，这导致BSCCO系列超导体成本较高。ReBCO系列高温带材的临界电流密度高于其他高温超导带材，其质地较硬且脆，在弯曲过程中临界电流密度将会有一定程度的下降。MgB2超导体工作温度在35K以下且临界电流略低于YBCO的临界电流，但其制造成本比其他高温超导体低，在高强磁场有着出色的性能表现，但是稳定性以及物理性能仍有提升空间。

3.1.2超导单元与线缆的发展

超导材料虽具有承载大电流的能力，但因其对磁场表现出各向异性以及加工缺陷等原因，使得单根超导带材的通流能力减弱甚至危害超导磁体稳定运行。将多根超导带材通过一定的工艺制成超导单元，可以大幅提升其临界电流以及鲁棒性，同时可以降低损耗。目前，主流的超导单元结构主要包括Rutherford、Roebel、TSTC、CORC、CICC和RSCCCT，如图17所示。

Rutherford超导单元一般采用圆形截面超导线绕制，近几年有关超导带材绕制的Rutherford超导单元见诸报道。Roebel超导单元通过较宽的超导带材冲压切割再堆叠制成，制造工艺复杂，并且通电时冲压拐角易发生应力集中，影响载流能力。TSTC与CORC结构超导单元的各向异性，可有效降低外磁场对超导单元的影响。CICC结构是目前核聚变磁体研究的重点。此外，关于电能传输的线缆构型形成了三相同轴式电缆格局。

3.2超导电枢绕组技术

超导电枢绕组凭借超导材料的高载流能力提高了电机线负荷，为实现大功率全超导电机轻质小型化提供了技术支撑。超导电枢绕组的结构设计同常规电机电枢绕组是基本类似的。但是，超导电枢绕组在交变磁场和交变电流下会产生严重的交流损耗，这成为了目前制约电机全超导化进程的障碍，因此，如何降低超导电枢绕组交流损耗和高效低温冷却成为了超导电机重点研究方向。受限于超导材料成本与抗弯机械特性限制，目前超导电枢绕组的研究以低转速、小功率超导电机为载体致力于解决交流损耗关键难题。

目前超导电枢绕组结构的研究分为集中绕组、分布绕组和环形绕组3种，如图18所示。因超导绕组的抗弯曲性能与其电性能密切相关，导致目前分布式超导绕组的槽满率不高，性能提升无法最大化；环形超导绕组虽可以提高槽满率但增加的超导用量使成本增加；而集中式超导电枢绕组因结构简单受到更多的关注，如第3节中提到的永磁转子-定子电枢型定子半超导电机和全超导电机样机的定子电枢均为此种结构。超导电枢绕组的交流损耗会导致超导线圈温度升高，温度升高又会加剧交流损耗现象，容易导致电枢绕组发生不可逆转的损坏。因此，一方面通过高效的低温冷却技术来及时带走热量，确保电枢绕组正常工作；另一方面，主要通过降低超导电枢绕组交流损耗来满足其工作需求。

目前降低超导交流损耗的研究主要围绕宽带刻丝技术、磁通分流铁磁结构和新型绕组工艺等方面进行开展。通过激光刻划技术将较宽超导带切割成窄带或多丝结构，使得超导带中电流分布相对均匀以降低交流损耗。铁磁性磁通分流器降低了超导绕组垂直场分量，改善了超导带材性能退化程度降低交流损耗。在新型绕组结构方面通过增大电枢绕组层间间距或填充绝缘材料减少耦合损耗；通过分布式绕组或双层绕组有效降低谐波，进而降低交流损耗；通过马鞍形电枢绕组结构也可以明显改善端部超导绕组的垂直场分布，进而降低交流损耗，但此种结构加工有一定的难度。此外，文献报道用MgB2制作的CICC线缆尝试绕制三相分布式超导电枢绕组，并进行了交流损耗测试，结果比预期高一个数量级；文献报道了用CORC线缆的初步弯曲试验，机械应力对线缆的性能影响突出。部分新型电枢绕组工艺结构如图19所示。

3.3超导转子技术

转子采用超导励磁可以大幅提高电机的磁负荷。以典型径向超导电机转子为例，转子的关键结构设计包括超导励磁线圈、铁磁及支撑结构和电磁屏蔽结构等，如图20所示。超导转子的技术难点主要包括直流超导磁体、先进铁磁材料、转子励磁方法等内容。此外，超导转子中冷却工质的旋转密封方法主要采用了广泛应用于回转动密封装置上的磁流体密封技术，该技术本身应用较为成熟，后续不再展开论述。

3.3.1直流超导磁体

全超导电机及转子半超导电机的转子励磁绕组都是由直流超导磁体构成。直流超导磁体通常具有高载流、高磁场或大尺寸等特点，因此高温超导带伴随着较大的横纵向电磁应力，横向电磁力易造成二代高温超导带材的多层复合结构层间分层，纵向电磁力超过带材允许最大拉伸强度将不可逆转地降低临界电流，目前研究包括通过制造工艺增强带材自身强度、并行绕制高强度合金带、设计应力传递结构、环氧或石蜡浸渍固化和采用无绝缘绕制手段来满足励磁绕组磁体中高温超导带材的机械性能要求。

由于高温超导失超传播的低速特点，给直流超导磁体的热管理与失超保护带来了挑战，常规的低温超导有源电路保护设计将无法保障磁体的安全，无绝缘绕制是目前比较有效地改善磁体热分布的一种手段，如何安全及时有效地实现对磁体的热管理与保护是目前研究的重点方向。

高温超导材料在遭受较大法向磁场时，临界电流密度将急剧衰减，并且在定子电枢绕组及定子齿槽结构所产生的高频谐波磁场作用下，转子超导线圈会产生磁滞损耗及动态损耗。一方面可以在超导线圈间设置磁通分流器减弱自场影响，另一方面采用铜或铝制的电磁屏蔽层来隔离定子产生的谐波磁场对转子超导绕组的影响。

总之，对构成励磁绕组的直流超导磁体的结构强度、电磁应力与机械应变、热管理和失超保护、电磁屏蔽等关键技术的突破是保障超导励磁绕组安全稳定工作及大幅推广应用的前提。

3.3.2先进铁磁材料

转子的铁磁及支撑结构主要指转子铁芯结构，转子采用无铁芯设计，有助于低温冷却结构设计和避免铁芯磁饱和问题，非金属支撑结构可以减重同时减少涡流损耗，是目前主流超导电机样机转子采用的设计方案。转子采用铁磁性铁芯设计，降低了励磁磁动势的需求，节省超导材料用量降低了成本，同时使用铁磁性铁芯能够改善气隙磁场波形，采用高饱和磁性材料有利于提高气隙磁密。表3列出了超导电机中常用的导磁材料在常温下的性能参数。硅钢是电机中最常用的导磁材料，在降低损耗与成本方面有着较大的优势；钴铁合金是目前已知软磁材料中具有最高饱和磁密和高强度的导磁材料，饱和磁密可达2.4T，但成本较高；文献中报道了一种9%的镍钢材料，其具有较高饱和磁密和低热膨胀系数，能够更好地适配转子低温环境中的热收缩问题，是一种理想的超导转子铁芯材料。

3.3.3转子励磁方法

目前超导电机的转子励磁方法主要有电励磁、混合励磁、磁化励磁3种。

电励磁是通过向固定在转子上的超导励磁线圈通入直流电流，从而产生稳定的气隙磁场。电励磁是现在超导电机中使用最广泛的一种励磁方式，通常应用在径向间隙超导电机中转子超导励磁线圈本质是直流超导磁体，但因其随转子旋转，增加了超导通流设计难题，目前主要采取滑环电刷为超导励磁线圈供电。因为高温超导带材通流会表现出一定的磁滞现象，所以在对超导励磁线圈进行电励磁的过程中，屏蔽电流效应使得超导磁体无法达到设计要求，研究表明可以通过过冲电流、多带扭绞等手段降低屏蔽电流效应。

混合励磁是将电励磁和永磁体结合的一种高效励磁方式，可以有效弥补超导单极发电机转子同侧同极性造成漏磁严重的问题，同时降低超导电励磁所需磁动势进而节约经济成本。通常电励磁作为主要励磁方式，永磁体作为辅助励磁方式，混合励磁超导单极的磁场分布较复杂，磁路呈现典型的三维特性。磁化励磁是基于高温超导体的磁通钉扎特性，通过将超导块材放在强磁场中，使其俘获磁通形成超导磁体，进而给超导电机进行励磁。磁化励磁相对于上述电励磁，省去了提供励磁电流的励磁机和旋转整流器等设备，电机整体结构更加简单，可靠性更高，通常应用在块材超导电机和轴向间隙超导电机中。但是由于超导磁化技术的限制，当前叠层导体或超导块所俘获磁场的磁感应强度仅和高性能永磁体相当，在低温下的性能优势并不显著。

3.3.4特殊类型转子

一些特殊结构的超导电机，如超导单极电机与超导爪极电机，将超导励磁绕组与旋转部件分离，避免了旋转动密封、滑环电刷等问题，削弱了超导受力应变受损问题，这样的结构布局使得电机转子只需具备导磁功能，不仅利于提升电机工作转速，同时增强了工作可靠性。对于此种电机，转子可采用高导磁材料整体制造而成。

3.4低温技术

低温技术与超导电机密切关联，高效的低温技术可以将超导材料及其支撑结构产热或外部环境导入的热量及时带走，维持超导电机正常工作。典型的超导电机低温系统如图21所示，主要包括定/转子制冷机、冷却工质、超导励磁绕组及其低温结构以及磁流体密封。

3.4.1冷源

低温技术中常用的冷源是制冷机，市场上常见的制冷机有GM制冷机、斯特林（Stirling）制冷机和布雷顿（Brayton）制冷机。GM制冷机工作性能受重力影响较大，一般应用在地面固定方向使用；而斯特林制冷机和布雷顿制冷机具备不同方向工作的能力和极端压力环境下耐受力，同时具有超高可靠性，能够满足航空器飞行中出现的过载或滚转等极端环境下高性能工作要求。但斯特林制冷机和布雷顿制冷机的制冷功率较低，一般不超过150W，在20~50K的制冷温区具有较高的功重比。

3.4.2冷却工质

多数高温超导材料的临界转变温度超过了液氮沸点77K，在液氮温区即可实现超导态，大幅降低制冷成本。但温度越低超导材料性能越强，故采用氦、氖、氢等作为低温冷却工质可以节省超导材料用量或者设计更高的安全裕度以提高超导工作可靠性，但所需制冷成本又太高。表4列出了常用冷却工质的工作温区及特点。表4冷却工质工作温区与特点。

受制冷成本的限制，目前超导电机样机在地面测试时，大多采用液氮来进行冷却。结合电动飞机和航空电推进系统的特点，固氮蓄冷和液氢冷却将在机载超导电机的冷却中有广阔的应用前景。

3.4.3低温恒温器

低温恒温器是维持超导绕组低温的隔热容器，即真空杜瓦结构，根据包络空间不同分为整体式和分离式2种，整体式低温恒温器置于电机外部，分离式低温恒温器置于气隙间对转子或定子超导分别进行绝热。分离式低温恒温器起到定转子间热屏蔽的作用，可以有效减少定转子间辐射漏热，但却增大了定转子间气隙长度，使用铝质材料可以实现电磁屏蔽与热屏蔽的双重效果。超导定子和转子都经历了低温到高温环境，减少定子和转子内传导漏热是维持超导低温的重要保障。并且转子是扭矩传递的载体，常采用具有高强度和低传热系数的G10玻璃钢材料制作隔热扭矩结构满足转子的低温与转矩传递要求。

3.4.4冷却方式

转子或定子本体常采用内置冷却通道与回流低温工质对流换热冷却，超导线圈通过导冷结构与冷却工质或冷头传导换热冷却。超导线圈的二元电流引线作为连接室温与低温区的关键部件，两端温差大，通常延长低温接线长度并在引线节点处增设冷屏或直接冷头冷却。

按照冷源与超导材料接触方式，将低温系统冷却方式分为直接冷却和间接冷却。一种直接冷却方式是指超导材料直接与制冷机冷头接触进行热量传递。欧盟的EcoSwing超导发电机，其超导励磁线圈通过导冷板与GM制冷机冷头直接相连传导冷却，其冷却原理如图22（a）所示。此种冷却结构需要旋转接头组件将热端压缩机至冷头前段高压氦气与冷头后与热端压缩机间低压氦气连通，同时在冷头与超导体间增加柔性铜结构连接以降低冷头机械振动造成的干扰。

另一种直接冷却方式是将超导材料直接沉浸至冷源工质中，这样保证了足够大接触面积以加强换热，利用冷源工质较大的相变潜热或汽化潜热进行冷却，载热能力强，其冷却原理如图22（b）所示。液氮或过冷液氮作为冷却工质成本低且能够满足大部分高温超导材料的冷却需求，是理想的地面高温超导样机试验采取的制冷方案。高能液氢燃料作为冷却工质，常用作开放式冷却系统设计，与超导部件换热后的高焓值气氢可以直接燃烧提高能量利用率，在超导电动航空领域引起了广泛的关注，但氢密度低，需要大型低温储罐。固态氮能够达到冷氦气的工作温区，具有热容大成本低等优势，利用制冷机达到低温稳态温度后，可脱离制冷机单独运行一段时间，常用在便携式超导系统中。

间接冷却是指超导材料不直接与冷源接触的冷却方式，分为强迫对流冷却和旋转热管冷却2种，间接冷却的冷源常用制冷机。强迫对流冷却采用迫流装置使冷却工质流经低温系统内置的冷却结构，通过强迫对流换热将冷量导入到超导组件，之后回流到冷源处，达到循环制冷目的。图23（a）展示了一种内置冷却结构示意图，强迫对流冷却常使用冷氦气或其他液体作为冷却工质，循环过程一般不发生相变，难点在于复杂的冷却结构设计及其对系统可靠性的影响。

旋转热管冷却指超导电机运行时，位于转子蒸发空间里的液体冷却工质吸收转子热量汽化，经过内置气路管道到达冷源处的冷凝器，在冷凝器液化后再经过内置传输管道在重力的作用下回到蒸发空间，吸热蒸发冷凝回落实现自循环，如图23（b）所示，其循环回路简单，但冷却工质与超导磁体间传热距离大，热弛豫时间较长，常使用氦或氖作为冷却工质。

3.5绝缘技术

航空电推进用超导电机一般为大功率MW级，所以电压等级普遍比较高，为超导高压电机。而绝缘技术是超导高压电机稳定运行的关键，超导高压电机绝缘系统需承受较高的电应力、机械应力、热应力等，并且不同的工作环境对电机运行稳定性及寿命提出了更高要求。典型的高压电机绝缘问题主要有主绝缘击穿、局部放电击穿、绝缘受潮、绝缘老化等。以下将从超导带材及线圈绝缘、定子铁心绝缘、定子绕组绝缘、定子绕组固定以及转子绕组绝缘5个方面来阐述超导高压电机的绝缘问题。

3.5.1超导线圈绝缘

相比于常规高压电机，超导高压电机本体上最显著的特点及亮点就是使用了超导线圈来制作绕组，所以首先来阐述超导电枢绕组中超导导线及线圈的绝缘问题。这也是超导高压电机在绝缘技术方面主要异于常规高压电机之处。

根据超导带材是否被主动绝缘，可以分为绝缘绕制和非绝缘绕制。其中绝缘绕制又分为2种主动绝缘方法：一是直接对超导带材进行绝缘处理，在超导带材表面缠绕聚酰亚胺薄膜或施加聚合物皮层等；二是通过在绕制超导线圈过程中共绕不锈钢裸带或其他经过绝缘化处理的带子，由于其低电导率，也能提供匝与匝之间的电绝缘。而非绝缘绕制为直接用裸超导带绕制超导线圈，尽管非绝缘线圈其匝间没有绝缘材料，但由于超导带材由复合材料构成，除超导层之外还有铜、银、哈氏合金等金属层，在适宜超导材料运行的液氮低温下，这些金属层的电阻率比超导层高出几个数量级，因此超导带材在稳定通流时，电流将集中在超导层中进行稳定流动。即在非绝缘绕制的超导线圈中，超导带材内部的金属层可以起到绝缘的作用。非绝缘绕制的超导线圈主要优点为，如果超导线圈上的某一部位出现局部失超现象，本应该流经超导层的电流可以避开处于电阻极大的常导态超导层，经过电阻相对较小的其他金属层进行分流，继而可以防止失超部位的进一步扩大。从该种意义上来看，非绝缘绕制的超导线圈是自稳定的，不需要主动的失超保护措施。此外，非绝缘绕制的超导线圈没有其他的绝缘材料占用线圈本身的空间，可以绕制更多匝数超导带，从而提高超导线圈电流密度。

3.5.2定子铁心绝缘

超导高压电机定子铁心的绝缘方法和常规高压电机一样，通过在铁心硅钢片上涂绝缘漆，将构成铁心的每一片硅钢片隔离开，从而避免超导高压电机产生的热量对定子的寿命造成影响。硅钢片的绝缘厚度越薄越好，但是过薄的硅钢片会降低电机的机械和介电性能，所以超导高压电机定子铁心绝缘的关键则是在于选择一种合适的涂在硅钢片上的绝缘漆。目前常用且已经成熟的绝缘漆有水溶剂型、有机型、半有机型和无机型硅钢片绝缘漆。并且验证绝缘漆是否合格且达到高标准高性能的要求，还需通过美国通用电气公司的耐受Franklin烧损试验。

3.5.3定子绕组绝缘

超导高压电机的定子绕组绝缘主要包括绝缘材料和绝缘结构2大类。首先绝缘材料需要根据超导电机的类型来分别考虑，因为转子半超导电机是常规电枢绕组，所以其绝缘材料同常规高压电机要求一样，主要为环氧云母带和常规电磁线，常规电磁线又包括漆包线和绕包线2种，其应用已较为成熟，在此不再赘述。而对于定子半超导电机和全超导电机而言，因为电枢绕组由超导线圈构成，所以使用的绝缘材料应满足前文中叙述的超导线圈绝缘要求。定子绕组的绝缘结构包括换位导线绝缘结构和主绝缘结构。目前换位导线绝缘结构存在绝缘厚度偏大和空间利用率较低的问题，应朝向薄绝缘厚度和高槽满率方向进行深入优化。主绝缘有多胶和少胶-真空压力浸渍（VPI）2种体系，由于后者在绝缘处理方面的巨大优势，目前超导高压电机的主绝缘处理主要通过少胶VPI方法。此外，可以通过增大换位导体或定子线圈的圆角半径、增加半导体垫条来减弱定子线圈角部电场，从而降低主绝缘击穿的可能性。

3.5.4定子绕组固定

超导高压电机的电枢绕组固定类似于常规高压电机，着重对槽部和端部进行固定，目前通常使用注射硅胶、半导体槽衬、室温硫化硅橡胶或半导体室温硫化硅橡胶的方法对槽部进行固定，端箍方法则是端部固定的关键。此外，由于超导电机中含有复杂的低温系统且超导线圈只有在良好的低温环境下才能稳定运行，所以超导高压电机对定子绕组固定有更高的标准与要求。

3.5.5转子绕组绝缘

超导高压电机的转子绕组通常由超导线圈构成，所以其匝间绝缘方法既是超导线圈的绝缘方法。而转子绕组的对地绝缘方法则和常规高压电机相似，主要通过极身绝缘结构实现。

超导技术以高载流、低热负载特性可以大幅提高机载功率密度，降低发动机振动噪声和热负载，在航空动力电气化日益突出的背景下，超导电动航空已成为未来大型航空重要发展方向。目前报道的超导电动航空有通航飞机、高空长航时无人机及轻型支线客机的电推进系统，同时美国、俄罗斯、欧洲和澳大利亚等国家的高校和科研机构始终在开展将超导电机技术应用于大功率航空纯/混合电力推进系统中的相关研究工作，为新兴航空电推进的发展提供了可行性方案。大部分研究都是概念设计或者地面模拟测试，只有俄罗斯的Yak-40混合动力飞机实现了首飞。

4.1应用现状

4.1.1美国

美国国家航空航天局（NASA）长期致力于探索将超导技术应用于未来大功率航空电推进系统，与波音、航宇和罗罗等研究机构联合开展航空电推进超导电动系统架构设计，主要方案有BoeingSUGARFreeze和NASAN3-X，如图24所示。BoeingSUGARFreeze的尾部风扇由带有超导电源管理系统的超导电动机驱动，NASAN3-X由燃气轮机驱动超导发电机发电，供给超导电动机驱动尾部风扇，根据基本技术假设2种超导电动系统方案均可以不同程度减少燃油消耗。

NASA格林研究中心在建的电推进飞机试验台可以测试全套航空电推进系统，如图25所示。试验台总功率可达到24MW，母线电压最高4.5kV，模拟飞行高度可达12000ft（1ft=304.8mm），配套的冷却低温设施可以开展大功率超导电机系统试验。美国HMA（HyperMachAerospace）公司聚焦于Ma=6.65、载客200人、航程19630km的大型高超声速客机概念，将采用高超声速混电超导冲压磁流体发动机。图26为Hyscram发动机结构图，其中涡轮发动机由3级超导电动风扇、13级超导电动压气机、燃烧室、3级超导发电涡轮和喷管组成，目前处于方案设计与计算仿真阶段，技术成熟度有待提高。

4.1.2俄罗斯

俄罗斯中央航空发动机研究院开展了高温超导平台混合动力电驱总成的项目研究，并于2017年莫斯科航展上展出其500kW超导混合电推进概念模型，该动力系统由燃气涡轮发动机驱动发电机发电，同电池一起供电给超导电动机驱动六叶螺旋桨旋转。为将三发喷气支线原型飞机Yak-40改装为超导电驱混合动力验证平台，研究团队将其中一台发动机替换为一台驱动发电机的燃气涡轮发动机。

动力总成系统中发电机功率约为400kW，转速为12kr/min，效率约为96%；锂电池在飞机起飞和爬升时提供辅助动力输出，并在巡航飞行期间积累多余的能量。超导电机质量约100kg，转速为2.5kr/min，可产生400~500kW的功率，采用温度为77K的液氮冷却，液氮流量为6L/h以保持超导材料零电阻特性，如图27（a）所示。2020年12月SuperOx公司将超导电机安装在Yak-40试飞平台上，超导电机、冷却系统和螺旋桨安装在机身头部，并进行了螺旋桨试运行，2021年2月进行了地面台架和地面滑行测试，如图27（b）所示。采用高温超导电机的Yak-40混动电驱验证机于2021年7月在莫斯科航展上展出，并完成了验证机首飞。

4.1.3欧盟

为实现“Flightpath2050”节能减排目标，欧盟于2017年5月资助成立先进超导电机实验示项目，其主要目标是开发一种满足未来大型民用飞机混合电力分布式推进的功率密度和效率需求的全超导电机。英国剑桥大学和德国卡尔斯鲁理工学院先后开展全超导电机的设计及仿真研究，荷兰Demaco团队开发了电机低温冷却系统，并对机载应用的低温制冷系统集成进行概念性研究。

英国克兰菲尔德大学早在2013年受到NASA的资助，探索在未来混合动力飞机中使用全超导分布式电力系统，而后开展了分布式航空电推进系统DEAP项目研究，对采用以液氢为燃料的全电动飞机BW-11进行概念设计，采用翼身融合布局配合涡轮超导发电分布式推进系统，为NASA未来大型混动飞机N3-X提供了参考。

空客公司于2011年巴黎航展上展出全电动大型客机概型VoltAir，由下一代锂空气电池为超导电机提供动力驱动飞机尾部螺旋桨，如图28所示。之后同罗罗公司在DEAP项目的牵引下提出一种混合电推进E-Thrust概念，将其设计成eConcept飞机，探索使用超导技术来减小电力系统的尺寸。

2021年空客成立先进超导和低温动力总成系统演示器ASCEND（AdvancedSuperconducting&CryogenicExperimentalpowertraiNDemonstrator）项目，计划在3年内研制一套500kW通用的超导航空电驱动力总成验证系统，结合液氢冷却和超导技术演示纯电/混合电推进，探索超导材料和低温系统对飞机电力推进系统性能的影响。如图29所示，ASCEND动力总成系统主要包括：制冷系统、冷却工质、超导电机、电机控制单元、超导直流线缆，故障限流器/断路器。电机控制单元将直流电转换为交流电，输入至超导电机驱动涵道风扇/螺旋桨正常运转。低温冷却系统为超导组件提供冷却，冷却工质为液氢。相比于传统推进技术，ASCEND的目标是将动力总成重量和电气损耗降低至少50%，并将效率提高5%~6%。ASCEND项目的研究和短期应用集中于eVTOL、轻型和支线飞机，旨在证明超导电驱技术应用的可行性和潜力。

4.1.4澳大利亚

澳大利亚MagniX公司采取传统飞机电气化和新型电动飞机动力超导化2种发展路线，同时瞄准电推进发展的未来，开展超导电动机的研究，如图30所示。MagniX提出的MagniAlpha超导电动机概念，其设功率密度高达25kW/kg，投入商业应用后，超导电动机将有效降低推进系统的体积和重量，大幅提高推进效率。

4.2技术发展与展望

应用超导电机技术的航空电推进系统是满足未来大功率电力推进航空器动力需求的有效途径，目前研究主要集中于高功率密度、高转速的超导发电机和高功率密度、低转速和大扭矩的超导电动机。与传统推进系统相比，航空电推进超导电动系统将能源单元和推进单元分离解耦设计提高了航空器设计的灵活性，可以大幅降低系统重量、提升推进系统效率以降低飞机的燃料消耗和污染物排放。新型推进技术、系统架构和机体布局等是以超导电机为核心的航空电推进超导电动系统值得关注与重视的研究方向。

氢能推进技术同航空电推进超导电机技术相结合是实现航空工业污染物零排放、可持续发展目标的可行性方案之一，既能够作为无碳燃料供前端燃气涡轮发动机使用，也可以供给驱动超导电动机的燃料电池发电。在传统航空发动机结构基础上开展氢能双燃料适用性改进，易于实现大功率，但同时也会面临液氢燃料储存、发动机能量利用率略低和有水蒸气和氮氧化物排放等问题；采用氢燃料电池进行纯电推进需要对飞机结构进行重新设计以适应氢燃料储存和氢燃料电池动力系统，同时面临功率密度低且无法实现大功率等一系列挑战，都需要时间来发展成熟。

分布式推进系统同航空电推进超导电机技术相结合有着巨大的应用潜力，可以降低结构载荷和前端发动机安装阻力、增加飞机结构自由度。将大功率航空电推进系统分解为多个小功率电推进系统后，系统的功率密度和效率基本不变，小直径的推进风扇/螺旋桨还可以有效提高系统的涵道比。然而分布式飞机的空气动力和推进系统的耦合是复杂的集成设计问题，需要设计者从概念设计阶段开始考虑。推进单元的小型化也为边界层摄入（BLI）、翼身融合（BWB）等新型机体布局形式提供便利条件。改善飞机气动效率，实现翼身融合和超导电机技术及分布式电推进系统的有机融合，从而实现推进系统大功率、高效率和低排放的发展目标。

航空运输电动化是绿色航空发展的必然趋势，超导电机给大功率航空电动化发展提供了技术路径。

1）受制于当前电池能量密度的限制，纯电动大功率航空电推进系统目前不具有吸引力。超导混动推进系统是实现电动航空的重要途径，并且大功率航空的电力需求在MW级以上。

2）常规拓扑结构超导电机受到转子冷却、滑环电刷等制约，工作转速较低，适合做超导电动机，展现出大扭矩、高效率等特点；特殊拓扑结构超导电机，尤其是超导单极电机和超导爪机电机，采用静置的超导励磁绕组，整体式转子成型技术，有助于转子高速工作，同时提高了工作可靠性，满足大功率航空电推进发电机高转速、高效率的需求。

3）从超导技术、电枢绕组技术、转子技术低温技术和绝缘技术5方面阐述了超导电机的关键技术发展，5方面相辅相成。直流超导磁体与交流超导电枢绕组的损耗控制与热稳定分析是研制面向电动航空大功率超导电机的关键。而绝缘问题是使MW大功率超导电机实现高电压等级的关键。

4）航空电推进系统超导化已成为未来飞机动力系统的重要发展趋势，液氢低温高能燃料、翼身融合设计和分布式航空电推进超导电动系统是未来大型航空运输业的重要特征。