超導電機可以推動電動飛機

在過去半個世紀發(fā)明的無數(shù)技術中，高溫超導體是最有前途但也是最令人沮喪的技術之一。數(shù)十年的研究已經(jīng)產(chǎn)生了各種材料，這些材料可以在環(huán)境壓力下高達 -140 °C（133 開爾文）的溫度下進行超導。然而，商業(yè)應用一直難以捉摸。

不過，現(xiàn)在，一些發(fā)展最終可能將高溫超導體推向商業(yè)用途。一個是以相對適中的成本獲得基于氧化銅的超導帶，少數(shù)公司正在為從事托卡馬克聚變反應堆的初創(chuàng)公司生產(chǎn)這種帶材。這些反應堆在強大的電磁體中使用超導帶，該帶通常由釔鋇銅氧化物制成。另一項發(fā)展涉及另一組初創(chuàng)公司，他們正在使用這種膠帶制造具有非常高功率重量比的電動機，主要用于電動飛機。

Hinetics 是后一組初創(chuàng)公司之一，該公司成立于 2017 年，旨在將伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校 （University of Illinois Urbana-Champaign） 的 Kiruba Haran 領導的研究商業(yè)化。今年 4 月，該公司測試了一款配備超導轉子磁體的原型電機。據(jù) Haran 稱，這些測試包括在實驗室設置中旋轉螺旋槳，驗證了該公司超導電機設計的關鍵組件，這些電機將在 5 和 10 兆瓦的功率水平下運行。這樣的水平足以為具有多個發(fā)動機的支線客機提供動力。這項工作的部分資金來自高級研究計劃署 - 能源 （ARPA-E） 的贈款。

“HTS [高溫超導體] 正在迎來一個時刻，因為在所有聚變工作的推動下，成本正在迅速下降，”Haran 說。“很多人都在提高產(chǎn)量，新的初創(chuàng)公司和新功能正在進入市場?！?/p>

Hinetics 是十幾家大大小小的公司之一，他們試圖使用高溫超導體來制造具有非常高功率密度的極其高效的電機。其中包括航空航天巨頭空中客車公司（Airbus），該公司正在一項名為 ZEROe 的計劃下開發(fā)超導客機，以及東芝、雷神公司和英國初創(chuàng)公司 HyFlux。然而，Hinetics 正在采取一種不同尋常的方法。

制造超導機器的常見方法使用超導材料制造轉子和/或定子線圈。通常，盤管通過外部低溫冷卻系統(tǒng)用保持在足夠低溫的液體或氣體進行冷卻。流體通過對流冷卻超導線圈，通過物理流動通過與線圈接觸的熱交換器并在這樣做時帶走熱量。該系統(tǒng)已成功用于一些實驗性電機和發(fā)電機，但它存在幾個基本問題。一個很大的問題是需要使冷卻液通過轉子線圈循環(huán)，轉子線圈嵌入到以每分鐘數(shù)千轉的速度旋轉的轉子組件中。另一個問題是這種方法需要一個復雜的低溫冷卻系統(tǒng)，其中包括泵、密封件、墊圈、管道、絕緣材料、將制冷劑移入和移出轉子的旋轉聯(lián)軸器，以及其他可能發(fā)生故障并增加相當重量的組件。

實驗性 Hinetics 電動機中的轉子線圈由高溫超導體制成。它們由沿電機中心軸向運行的低溫冷卻器冷卻。轉子組件和低溫冷卻器封閉在真空容器中。海因特斯

Hinetics 的革命性理念：旋轉低溫冷卻器

另一方面，Hinetics 的系統(tǒng)使用一個獨立的低溫冷卻器，該低溫冷卻器足夠小，可以連接到轉子上，并與轉子一起旋轉，無需將流體傳入和傳出旋轉容器。通過這種安排，“您不必將超導體浸入流體中，”ARPA-E 技術副總監(jiān) Laurent Pilon 指出。相反，“有一個低溫冷卻器和一個冷連接，您將熱量從超導磁線圈抽到低溫冷卻器，執(zhí)行制冷循環(huán)。這里的美妙之處在于它簡化了一切，因為現(xiàn)在你只有與軸一起旋轉的低溫冷卻器。

在這種配置中，轉子組件（包括線圈）通過傳導而不是對流冷卻。轉子安裝在真空室內(nèi)。來自超導磁體組件的熱量通過“熱總線”傳遞，“熱總線”基本上只是一個盤狀銅結構，將熱量傳導到低溫冷卻器，低溫冷卻器連接到銅盤的另一側。

Haran 說，挑戰(zhàn)之一是找到一種足夠小、足夠輕的低溫冷卻器，以高速旋轉并在這樣做時保持運行。對于其概念驗證裝置，Hinetics 團隊使用了 Sunpower 的現(xiàn)成斯特林循環(huán)冷卻器。Haran 說，它只能從轉子組件中帶走 10 瓦的熱量，但在這種配置中，這就是保持轉子線圈超導所需的全部熱量。

該系統(tǒng)的一個潛在缺點是，由于散熱能力相對較低，低溫冷卻器需要幾個小時才能充分冷卻超導磁體以開始運行。據(jù) Haran 稱，未來的版本將縮短所需的時間。從好的方面來說，低散熱率意味著高效率，因為冷卻器的功率剛好足以維持運行期間所需的低溫，并且沒有太多的過剩容量。

為了給旋轉的低溫恒溫器和轉子磁鐵提供電力，原型使用了滑環(huán)。但 Haran 說，未來版本的電機將使用無線系統(tǒng)，可能基于感應耦合。

今年 4 月對 Hinetics 的超導電機進行了測試，驗證了基本設計，并為建造更強大的裝置掃清了道路。海因特斯

也可以在船上應用

他選擇不讓定子超導，因為在典型配置中，定子由交流 （AC） 波形供電。超導體僅對直流電完全無損。因此，將交流電應用于定子中的超導線圈將導致功率損失，需要另一個冷卻系統(tǒng)來帶走定子的熱量。

Haran 認為沒有必要。由于超導體僅在轉子線圈中，電機將實現(xiàn) 98% 到 99.5% 的效率，這比永磁同步電機的實際效率高出約 4 到 5 個百分點。Haran 還堅持認為，超導設計將在不降低功率密度的情況下實現(xiàn)這種高效率，這種組合在傳統(tǒng)電機中很難實現(xiàn)。

Pilon 說，四到五個百分點可能看起來并不多，但在典型的航空應用中，這很重要，尤其是當與更高的功率密度相結合時。Hinetics 在其網(wǎng)站上聲稱其電機具有每公斤 10 千瓦的連續(xù)比功率，這將使該機器成為可用功率密度最高的裝置之一，以連續(xù)功率為基礎。據(jù) Haran 稱，下一代超導電機將達到 40 kW/kg，這將遠遠高于任何市售產(chǎn)品。

盡管航空是最初的目標，但 Haran 看到了船舶推進的潛在應用，其中電機的高體積功率密度將是一個吸引人的地方。“真正令人興奮的是，我們看到一項變革性的新技術變得實用，”他說?！耙坏┠氵_到兆瓦級和低速，只要你需要高扭矩，這可能會非常有趣。”