航空超导电驱动力系统发展研究 .pdfVIP

基于超导电驱的航空电推进系统具有高功率密度、高转换效率和低损耗等优

势，是大功率航空动力系统的重要发展方向。俄罗斯、美国和欧洲的相关研究团

队对于超导电驱动力系统纷纷开展技术探索和方案预研，为超导技术在下一代飞

行器的应用提供理论基础。

面向航空业节能减排、绿色低碳的发展目标，美国和欧盟对于下一代飞行器

在噪声、燃油消耗和污染物排放等方面分别提出了量化指标，而飞机动力系统技

术的进步与革新是进一步提升燃油利用率、降低排放的必要保证。电推进技术是

航空技术发展的重要方向，已成为下一代飞行器的一种可行的选择。将电推进系

统应用于大型飞行器的主要挑战为功重比，当前涡轮发动机的功率密度在3～

8kW/kg之间，而传统工业电动机的功率密度通常低于2.5kW/kg，难以满足大功

率电动飞机的动力需求。超导材料在一定低温环境下可以体现超导特性，能够以

几乎为零的电阻传导非常大的电流，能量损耗非常低。超导电机使用超导材料替

换传统电机的绕组材料，可以大幅提高导体电流密度并且减小损耗，从而提高电

磁负荷、提升电机效率及功重比，成为传统发电机和电动机的有利替代者。因此，

超导航空电驱动力系统应运而生，成为解决大功率航空电推进系统已有问题的很

有前景的方案。

超导电机发展与特点分析

自1976年美国应用超导大会上首次提出机载超导电机以来，超导电机已经

发展出低温超导电机与高温超导电机等不同超导材料的类型，以及半超导电机和

全超导电机等不同结构的类型。目前高温超导电机的功率密度已超过10kW/kg，

大幅超过传统机载电机，甚至优于涡轮发动机的功率密度，而且高温超导体的临

界温度高于液氮沸点，制冷成本较低，逐渐成为超导电机的主流研究方向。

半超导电机是指使用超导材料替代励磁绕组或电枢绕组的电机，通常可分为

定子型和转子型，但定子半超导型电机因交流损耗较大导致电机转速受限、效率

较低，因此转子超导型是半超导电机的主要研究对象。转子半超导电机仅使用超

导材料替代常规的转子线圈，利用超导励磁绕组中的直流电场产生高强气隙磁场，

没有交流损耗，电机效率很高。通常需要将转子超导电机的转轴设计为中空无铁

芯结构，如图1（a）所示，以通入冷却介质、避免铁芯磁饱和同时减轻质量，

而且需要对定转子进行热隔离，该型超导电机的主要技术难点在于旋转密封及冷

却系统。典型样机如韩国电工技术研究所设计的1MW半超导电机，如图1（c）

所示，用BSCCO超导线材制造的跑道型线圈绕制成双极转子，空心转轴内的液

氖热虹吸冷却系统维持低温环境，定子电枢采用常规铜绕组并用非磁性材料固定。

图1半超导电机与全超导电机结构及典型样机

全超导电机是励磁绕组与电枢绕组同时采用超导材料的电机，理想状况下全

超导电机可以在利用超导励磁绕组提高磁负荷的同时利用超导电枢绕组提高线

负荷，进而达到最高的功率密度，结构如图1（b）所示。但超导电枢绕组的交

流损耗问题难以解决，尤其是在超导强励磁场作用下尤为明显，因此现有的全超

导样机多处于较低转速的验证阶段，尚不能完全开发出全超导电机的潜力。莫斯

科航空学院于2017年在多电飞机会议中展示的一台1MW全超导电机，功率密

度约为12kW/kg，如图1（d）所示，利用跑道型超导线圈分别作为定转子的电

枢绕组和励磁绕组，改进为无铁芯结构后，又能够避免铁芯磁饱和并有效减轻质

量，达到20kW/kg的功率密度。

全超导电机是最具有发展前景的超导电机，理论上其功率密度可达20kW/kg

以上，但是由于目前超导线材的交流损耗问题难以解决，转子半超导电机可能将

率先应用于实际的机载项目中。

航空超导电驱动力总成系统发展态势

在航空动力总成系统中应用超导技术，理论上可以减轻系统质量、减小损耗

并提高系统的效率。目前，航空超导电驱动力系统视为未来飞机电推进的重要突

破点，是实现航空脱碳目标至关重要的解决方案。相关科研单位和研究机构已开

展超导电推进技术预研和验证，探索其应用于大功率支线飞机动力系统的可能性。

俄罗斯

俄罗斯中央航空发动机研究院（CIAM）于2017年莫斯科航展上宣布其首个

混合电推进系统研究计划，并展出了500kW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。由于超导材料的使用将其项目命名为高温超导平台（HTSP）混合动力总成，

参研单位包括负责试验平台研制和飞行试验的西伯利亚航空研究所