超导电机可以推动电动飞机

在过去半个世纪发明的无数技术中，高温超导体是最有前途但也是最令人沮丧的技术之一。数十年的研究已经产生了各种材料，这些材料可以在环境压力下高达 -140 °C（133 开尔文）的温度下进行超导。然而，商业应用一直难以捉摸。

不过，现在，一些发展最终可能将高温超导体推向商业用途。一个是以相对适中的成本获得基于氧化铜的超导带，少数公司正在为从事托卡马克聚变反应堆的初创公司生产这种带材。这些反应堆在强大的电磁体中使用超导带，该带通常由钇钡铜氧化物制成。另一项发展涉及另一组初创公司，他们正在使用这种胶带制造具有非常高功率重量比的电动机，主要用于电动飞机。

Hinetics 是后一组初创公司之一，该公司成立于 2017 年，旨在将伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 （University of Illinois Urbana-Champaign） 的 Kiruba Haran 领导的研究商业化。今年 4 月，该公司测试了一款配备超导转子磁体的原型电机。据 Haran 称，这些测试包括在实验室设置中旋转螺旋桨，验证了该公司超导电机设计的关键组件，这些电机将在 5 和 10 兆瓦的功率水平下运行。这样的水平足以为具有多个发动机的支线客机提供动力。这项工作的部分资金来自高级研究计划署 - 能源 （ARPA-E） 的赠款。

“HTS [高温超导体] 正在迎来一个时刻，因为在所有聚变工作的推动下，成本正在迅速下降，”Haran 说。“很多人都在提高产量，新的初创公司和新功能正在进入市场。”

Hinetics 是十几家大大小小的公司之一，他们试图使用高温超导体来制造具有非常高功率密度的极其高效的电机。其中包括航空航天巨头空中客车公司（Airbus），该公司正在一项名为 ZEROe 的计划下开发超导客机，以及东芝、雷神公司和英国初创公司 HyFlux。然而，Hinetics 正在采取一种不同寻常的方法。

制造超导机器的常见方法使用超导材料制造转子和/或定子线圈。通常，盘管通过外部低温冷却系统用保持在足够低温的液体或气体进行冷却。流体通过对流冷却超导线圈，通过物理流动通过与线圈接触的热交换器并在这样做时带走热量。该系统已成功用于一些实验性电机和发电机，但它存在几个基本问题。一个很大的问题是需要使冷却液通过转子线圈循环，转子线圈嵌入到以每分钟数千转的速度旋转的转子组件中。另一个问题是这种方法需要一个复杂的低温冷却系统，其中包括泵、密封件、垫圈、管道、绝缘材料、将制冷剂移入和移出转子的旋转联轴器，以及其他可能发生故障并增加相当重量的组件。

实验性 Hinetics 电动机中的转子线圈由高温超导体制成。它们由沿电机中心轴向运行的低温冷却器冷却。转子组件和低温冷却器封闭在真空容器中。海因特斯

Hinetics 的革命性理念：旋转低温冷却器

另一方面，Hinetics 的系统使用一个独立的低温冷却器，该低温冷却器足够小，可以连接到转子上，并与转子一起旋转，无需将流体传入和传出旋转容器。通过这种安排，“您不必将超导体浸入流体中，”ARPA-E 技术副总监 Laurent Pilon 指出。相反，“有一个低温冷却器和一个冷连接，您将热量从超导磁线圈抽到低温冷却器，执行制冷循环。这里的美妙之处在于它简化了一切，因为现在你只有与轴一起旋转的低温冷却器。

在这种配置中，转子组件（包括线圈）通过传导而不是对流冷却。转子安装在真空室内。来自超导磁体组件的热量通过“热总线”传递，“热总线”基本上只是一个盘状铜结构，将热量传导到低温冷却器，低温冷却器连接到铜盘的另一侧。

Haran 说，挑战之一是找到一种足够小、足够轻的低温冷却器，以高速旋转并在这样做时保持运行。对于其概念验证装置，Hinetics 团队使用了 Sunpower 的现成斯特林循环冷却器。Haran 说，它只能从转子组件中带走 10 瓦的热量，但在这种配置中，这就是保持转子线圈超导所需的全部热量。

该系统的一个潜在缺点是，由于散热能力相对较低，低温冷却器需要几个小时才能充分冷却超导磁体以开始运行。据 Haran 称，未来的版本将缩短所需的时间。从好的方面来说，低散热率意味着高效率，因为冷却器的功率刚好足以维持运行期间所需的低温，并且没有太多的过剩容量。

为了给旋转的低温恒温器和转子磁铁提供电力，原型使用了滑环。但 Haran 说，未来版本的电机将使用无线系统，可能基于感应耦合。

今年 4 月对 Hinetics 的超导电机进行了测试，验证了基本设计，并为建造更强大的装置扫清了道路。海因特斯

也可以在船上应用

他选择不让定子超导，因为在典型配置中，定子由交流 （AC） 波形供电。超导体仅对直流电完全无损。因此，将交流电应用于定子中的超导线圈将导致功率损失，需要另一个冷却系统来带走定子的热量。

Haran 认为没有必要。由于超导体仅在转子线圈中，电机将实现 98% 到 99.5% 的效率，这比永磁同步电机的实际效率高出约 4 到 5 个百分点。Haran 还坚持认为，超导设计将在不降低功率密度的情况下实现这种高效率，这种组合在传统电机中很难实现。

Pilon 说，四到五个百分点可能看起来并不多，但在典型的航空应用中，这很重要，尤其是当与更高的功率密度相结合时。Hinetics 在其网站上声称其电机具有每公斤 10 千瓦的连续比功率，这将使该机器成为可用功率密度最高的装置之一，以连续功率为基础。据 Haran 称，下一代超导电机将达到 40 kW/kg，这将远远高于任何市售产品。

尽管航空是最初的目标，但 Haran 看到了船舶推进的潜在应用，其中电机的高体积功率密度将是一个吸引人的地方。“真正令人兴奋的是，我们看到一项变革性的新技术变得实用，”他说。“一旦你达到兆瓦级和低速，只要你需要高扭矩，这可能会非常有趣。”