制造技术成熟度划分为几级(超导电力机械技术，成熟度等级的综述以及分析)

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文|洁说圈

编辑|洁说圈

超导电机(SEMs)在未来几年内具有商业化的潜力。这种商业化依赖于大规模生产的高温超导体(HTS)的可用性。高温超导具有高电流密度和低损耗的特点,使其成为未来轻型和紧凑型高功率密度超导旋转电机的主导技术选择,特别适合于低频高转矩的应用。

SEM在其全超导设计或混合构型(常规定子,超导转子)上的优势继承了超导体材料的特性。因此,它们可以在更高的功率密度和更轻的框架下显示出比传统的同类更高的效率。在电动飞机、海军推进和风力涡轮机等应用中,如果额定功率必须提高到传统技术所能达到的水平,则可能使用SEM。

超导电机的发展

自20世纪60年代以来，人们一直在研究超导体在电机中的应用。其根源在于超导材料的优势。它们在直流中电阻率为零，在交流中电阻率可以忽略不计;它们在特定条件下表现出完美的抗磁性;它们可以捕获大磁场。所有这些方面都可以通过提高预期额定功率或增加功率重量比来提高机器性能，使它们比相同额定功率的传统机器更轻和/或更小。

到目前为止，已经提出和发表了许多超导电机(SEM)项目。其中许多项目涉及学术界、政府、公司，甚至军队。有些已经获得了专利。在能源可持续性的背景下，人们对探索这种机器的能力有着浓厚的兴趣。例如，sme被认为是实现飞机电气化的关键技术之一。

这些项目都没有产生商业产品。超导材料于20世纪初被发现，在20世纪60年代至21世纪初，随着具有适合大规模电力应用的特性的材料被发现，超导材料得到了蓬勃发展。这些特性包括温度、电流和磁场限制。超导体通常在100k左右工作。这意味着依靠超导体的设备需要非常特殊的冷却系统才能运行。

除了成本之外，这些冷却系统还降低了设备的整体效率。还需要正确地理解和建模它们的电磁特性。电磁建模、仿真和实验技术是非常活跃的研究领域。关于超导设备的项目开发，有很多地方要覆盖，有多少是SEM的问题。

解决这个问题的一种方法是对中小企业进行标准化技术评估。由美国国家航空航天局(NASA)开发的技术准备水平评估是完成这项任务的一个好方法。这是一个标准的过程，用来评估一项给定的技术是否准备好应用于航天器。准备阶段分为9个trl。trl1到3侧重于概念和概念证明。trl4到6侧重于原型开发和评估。trl7到9侧重于目标环境中的验证以及系统的完成和成熟。

sem中的超导材料

第一台旋转电机的发展可以追溯到20世纪60年代中期，随着混合同步电机和直流单极电机的发展。这种机器有一个nbti绕的转子。转子在4K液氦冷却，常规定子在室温下运行。NbTi是在1962年被发现的。这种材料很快被制成稳定导线，用于各种应用。直到20世纪90年代，利用氦冷却系统建造超导电力装置的主要技术仍然受益于低交流损耗导体的发展。

除了NbTi，还有Nb3Sn被开发出来了。一些初步工作显示了该方法的适用性。然而，尽管它具有较好的超导特性，但它缺乏NbTi的可操作性，是一种脆性材料。与NbTi相比，它在更大的电流余量下具有更好的现场性能，但这并没有抵消使用风反应或反应风(方法制造超导器件的麻烦。

随着20世纪80年代中期高温超导的发现，超导体在高于4K温度下的应用出现了新的可能性。一个新的温度范围可以从20k到77.3K以上，后者是液氮在大气压下的温度。因此，新制造的商用hts通过避免处理液氦的复杂性，显示出比LTSs明显的优势。

在2000年代，被称为第二代(2G)的YBCO还没有竞争力，但由于其生产成本低于BSCCO技术的前景，它已经获得了HTS制造商的大量关注，尽管当时它的电流密度很低。

经过不断的努力和投入，它是目前SEM]设计中使用的主要材料。YBCO现在已经被REBCO(稀土)所取代，因为来自镧系元素家族的其他元素可以在陶瓷材料的制造中取代钇(Y)。这些元素可能是钆(Gd)或铕(Eu)，其中包括。元件的选择取决于制造商。

2001年，一种已知的化合物(在20世纪50年代合成)MgB2，是一种临界温度约为39k的超导体。由于材料成本低，它的制造成本比任何HTS都要低。仍有一些问题需要克服，例如可靠的电接头的制造和一些与Nb3相关的实际问题。

按其工作原理和材料划分的中小板类型

市场上商业生产的传统电机有几种类型。就超导电机而言，目前还没有商业化。这些超导机械的分类和命名多年来一直在变化。

根据用于结构的超导体的形式，扫描电镜可以分为以下几种:基于线和带的设计，高通量超导体设计和高通量超导堆叠带设计。

在速度和转矩方面，微型电机与传统电机具有相同的分类:要么是同步的，要么是异步的。通常，同步电机是超导磁场绕组直接输入直流电流的电机。该机利用了超导混合态的零电阻率特性。同步扫描电镜也可以设计超导线圈和永磁体。

另一方面，异步本质上是以异步方式运行的，即使它们可能暂时作为同步机器运行。例如，超导感应电机在同步运行时会产生扭矩。滞回机和困磁机也是如此。在这些情况下，它们利用低电阻率和磁通捕获来运行。

低电阻率有助于在异步操作期间保持低损耗，磁通捕获允许这些机器同步操作。由于磁场被捕获，几乎有一个恒定的磁化可用来与产生转矩的电枢磁场相互作用。如果机器失去同步，它继续运行，尽管有交流损耗。

sem也可以像传统的磁通量机一样分为径向磁通量机和轴向磁通量机。两者都已经研究过，而径向磁通机更常见，轴向磁通机是高扭矩应用的兴趣。

一种特定的sem分类分析集中在机器中超导体的定位上。如果超导体位于电枢绕组或磁场绕组中，则认为是部分超导或有时是混合超导机械。

这意味着，对于这些机器，超导体与普通导体的绕组(磁场或电枢)或永磁体相互作用。然而，如果所有的绕组都是超导的，则认为机器是完全超导的。

一种常见的扫描电镜利用高通量超导体或2G磁带堆中的捕获磁通量。它被命名为陷磁机，作为同步或磁滞机运行。在同步电动机中，施加在定子上的多相交流电流产生旋转磁场。这种旋转磁场吸引由超导体中捕获场产生的转子场，从而产生转矩。

如果负载转矩在超导体特性给出的最大限制下，转子跟随旋转磁场而不打滑，两者速度相同。如果负载转矩超过这个极限，固定在超导体中的磁通就会小于洛伦兹力，使高温超导进入一个迟滞循环。表2的前五行是应用于这种扫描电镜的典型转子。

技术准备等级的作用

技术准备等级是评估技术成熟度的有用工具。美国国家航空和宇宙航行局在20世纪80年代提出了它，以评估用于航空航天工业的技术状态。它是NASA系统工程技术评估过程的一部分。

系统工程是一种多学科的方法，用于开发、管理、操作和退出系统bbb。系统可以用多种方式定义，但总的来说，它可以被认为是一组设备、人员和软件，它们一起工作，满足一定的需求。技术评价或评估对系统工程方法至关重要，因为它提供了系统设计和操作所需的所有信息。

TRL评估涉及整个技术开发过程。评估从基础研究开始，然后进行原型开发、系统开发和发射操作。有九个技术准备等级，前三个层次侧重于基础研究。当基本原则得到遵守和公布时，TRL1就实现了。trl2包括技术的定义和为其提出的应用。第三个TRL,TRL3，侧重于通过分析和实验进行的概念验证。

中小企业技术发展的未来展望

通过对扫描电镜的未来发展趋势进行了很好的概述，指出了扫描电镜研究和开发领域的一些趋势。第一个方向是完全超导机器，它可能比部分超导机器更有效。

在这种情况下，主要的挑战是电枢绕组中的交流损耗。另一个有趣的趋势是试图通过避免在机器的运动部分使用超导体来降低系统的复杂性。

另一个趋势涉及径向和轴向磁通机械，而径向磁通机械更常见，正如文章所指出的，轴向磁通拓扑对于需要高扭矩密度的应用可能更有趣。因此，轴向磁通机有望在不久的将来在扫描电镜研究领域占据主导地位。

从TRLs3到TRLs4的移动可能非常快，因为它们可以在实验室环境中使用相同的小规模原型和实验来达到。trl3是在关键功能得到验证的情况下实现的，而trl4是在通过实验对所有可能的运行状态进行彻底分析后实现的，包括对所有机器部件的电磁、机械和热分析。

迁移到TRL5可能具有挑战性，因为这需要在相关环境中进行实验。这可能意味着增加更多的资源，以建立或改造实验室和实验场地。

对自2017年以来发布的超导电机(SEM)项目所取得的技术就绪水平(trl)进行了审查。首先概述了超导体及其在电机中的应用。然后，介绍了TRL评估体系及其对超导机器评估的适应性，以及对当前项目所达到水平的审查。

大多数项目落入TRL3-4范围，这意味着原型已经在实验室环境中进行了测试。有两个项目超过了这个范围。第一个项目由东京海洋科技大学领导的同步超导电机项目达到了TRL5，并在一个重现真实负载条件的特殊设施中对原型进行了测试。

第二个项目，欧盟2020EcoSwing，涉及同步发电机，属于TRL6-7范围。在这个项目中，全尺寸的原型机经过了彻底的测试，甚至为丹麦电网发电。中小企业有潜力成为陆上和海上电力系统技术改进的驱动力。

中小企业可能有一个光明的未来。学术界、政府和工业界之间的合作似乎是改善针对特定应用的trl的关键驱动因素之一。这些应用导致了新拓扑结构的发展，这些拓扑结构被制成原型，最终将在现场进行测试。