超導(dǎo)電機(jī)可以推動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)

在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)發(fā)明的無(wú)數(shù)技術(shù)中，高溫超導(dǎo)體是最有前途但也是最令人沮喪的技術(shù)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(dá) -140 °C（133 開(kāi)爾文）的溫度下進(jìn)行超導(dǎo)。然而，商業(yè)應(yīng)用一直難以捉摸。

不過(guò)，現(xiàn)在，一些發(fā)展最終可能將高溫超導(dǎo)體推向商業(yè)用途。一個(gè)是以相對(duì)適中的成本獲得基于氧化銅的超導(dǎo)帶，少數(shù)公司正在為從事托卡馬克聚變反應(yīng)堆的初創(chuàng)公司生產(chǎn)這種帶材。這些反應(yīng)堆在強(qiáng)大的電磁體中使用超導(dǎo)帶，該帶通常由釔鋇銅氧化物制成。另一項(xiàng)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(dòng)機(jī)，主要用于電動(dòng)飛機(jī)。

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(xué)厄巴納-香檳分校 （University of Illinois Urbana-Champaign） 的 Kiruba Haran 領(lǐng)導(dǎo)的研究商業(yè)化。今年 4 月，該公司測(cè)試了一款配備超導(dǎo)轉(zhuǎn)子磁體的原型電機(jī)。據(jù) Haran 稱，這些測(cè)試包括在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中旋轉(zhuǎn)螺旋槳，驗(yàn)證了該公司超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組件，這些電機(jī)將在 5 和 10 兆瓦的功率水平下運(yùn)行。這樣的水平足以為具有多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的支線客機(jī)提供動(dòng)力。這項(xiàng)工作的部分資金來(lái)自高級(jí)研究計(jì)劃署 - 能源 （ARPA-E） 的贈(zèng)款。

“HTS [高溫超導(dǎo)體] 正在迎來(lái)一個(gè)時(shí)刻，因?yàn)樵谒芯圩児ぷ鞯耐苿?dòng)下，成本正在迅速下降，”Haran 說(shuō)。“很多人都在提高產(chǎn)量，新的初創(chuàng)公司和新功能正在進(jìn)入市場(chǎng)。”

Hinetics 是十幾家大大小小的公司之一，他們?cè)噲D使用高溫超導(dǎo)體來(lái)制造具有非常高功率密度的極其高效的電機(jī)。其中包括航空航天巨頭空中客車公司（Airbus），該公司正在一項(xiàng)名為 ZEROe 的計(jì)劃下開(kāi)發(fā)超導(dǎo)客機(jī)，以及東芝、雷神公司和英國(guó)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(dǎo)機(jī)器的常見(jiàn)方法使用超導(dǎo)材料制造轉(zhuǎn)子和/或定子線圈。通常，盤(pán)管通過(guò)外部低溫冷卻系統(tǒng)用保持在足夠低溫的液體或氣體進(jìn)行冷卻。流體通過(guò)對(duì)流冷卻超導(dǎo)線圈，通過(guò)物理流動(dòng)通過(guò)與線圈接觸的熱交換器并在這樣做時(shí)帶走熱量。該系統(tǒng)已成功用于一些實(shí)驗(yàn)性電機(jī)和發(fā)電機(jī)，但它存在幾個(gè)基本問(wèn)題。一個(gè)很大的問(wèn)題是需要使冷卻液通過(guò)轉(zhuǎn)子線圈循環(huán)，轉(zhuǎn)子線圈嵌入到以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組件中。另一個(gè)問(wèn)題是這種方法需要一個(gè)復(fù)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(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器，以及其他可能發(fā)生故障并增加相當(dāng)重量的組件。

實(shí)驗(yàn)性 Hinetics 電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子線圈由高溫超導(dǎo)體制成。它們由沿電機(jī)中心軸向運(yùn)行的低溫冷卻器冷卻。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)低溫冷卻器

另一方面，Hinetics 的系統(tǒng)使用一個(gè)獨(dú)立的低溫冷卻器，該低溫冷卻器足夠小，可以連接到轉(zhuǎn)子上，并與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，無(wú)需將流體傳入和傳出旋轉(zhuǎn)容器。通過(guò)這種安排，“您不必將超導(dǎo)體浸入流體中，”ARPA-E 技術(shù)副總監(jiān) Laurent Pilon 指出。相反，“有一個(gè)低溫冷卻器和一個(gè)冷連接，您將熱量從超導(dǎo)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(jiǎn)化了一切，因?yàn)楝F(xiàn)在你只有與軸一起旋轉(zhuǎn)的低溫冷卻器。

在這種配置中，轉(zhuǎn)子組件（包括線圈）通過(guò)傳導(dǎo)而不是對(duì)流冷卻。轉(zhuǎn)子安裝在真空室內(nèi)。來(lái)自超導(dǎo)磁體組件的熱量通過(guò)“熱總線”傳遞，“熱總線”基本上只是一個(gè)盤(pán)狀銅結(jié)構(gòu)，將熱量傳導(dǎo)到低溫冷卻器，低溫冷卻器連接到銅盤(pán)的另一側(cè)。

Haran 說(shuō)，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(zhuǎn)并在這樣做時(shí)保持運(yùn)行。對(duì)于其概念驗(yàn)證裝置，Hinetics 團(tuán)隊(duì)使用了 Sunpower 的現(xiàn)成斯特林循環(huán)冷卻器。Haran 說(shuō)，它只能從轉(zhuǎn)子組件中帶走 10 瓦的熱量，但在這種配置中，這就是保持轉(zhuǎn)子線圈超導(dǎo)所需的全部熱量。

該系統(tǒng)的一個(gè)潛在缺點(diǎn)是，由于散熱能力相對(duì)較低，低溫冷卻器需要幾個(gè)小時(shí)才能充分冷卻超導(dǎo)磁體以開(kāi)始運(yùn)行。據(jù) Haran 稱，未來(lái)的版本將縮短所需的時(shí)間。從好的方面來(lái)說(shuō)，低散熱率意味著高效率，因?yàn)槔鋮s器的功率剛好足以維持運(yùn)行期間所需的低溫，并且沒(méi)有太多的過(guò)剩容量。

為了給旋轉(zhuǎn)的低溫恒溫器和轉(zhuǎn)子磁鐵提供電力，原型使用了滑環(huán)。但 Haran 說(shuō)，未來(lái)版本的電機(jī)將使用無(wú)線系統(tǒng)，可能基于感應(yīng)耦合。

今年 4 月對(duì) Hinetics 的超導(dǎo)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了基本設(shè)計(jì)，并為建造更強(qiáng)大的裝置掃清了道路。海因特斯

也可以在船上應(yīng)用

他選擇不讓定子超導(dǎo)，因?yàn)樵诘湫团渲弥校ㄗ佑山涣?（AC） 波形供電。超導(dǎo)體僅對(duì)直流電完全無(wú)損。因此，將交流電應(yīng)用于定子中的超導(dǎo)線圈將導(dǎo)致功率損失，需要另一個(gè)冷卻系統(tǒng)來(lái)帶走定子的熱量。

Haran 認(rèn)為沒(méi)有必要。由于超導(dǎo)體僅在轉(zhuǎn)子線圈中，電機(jī)將實(shí)現(xiàn) 98% 到 99.5% 的效率，這比永磁同步電機(jī)的實(shí)際效率高出約 4 到 5 個(gè)百分點(diǎn)。Haran 還堅(jiān)持認(rèn)為，超導(dǎo)設(shè)計(jì)將在不降低功率密度的情況下實(shí)現(xiàn)這種高效率，這種組合在傳統(tǒng)電機(jī)中很難實(shí)現(xiàn)。

Pilon 說(shuō)，四到五個(gè)百分點(diǎn)可能看起來(lái)并不多，但在典型的航空應(yīng)用中，這很重要，尤其是當(dāng)與更高的功率密度相結(jié)合時(shí)。Hinetics 在其網(wǎng)站上聲稱其電機(jī)具有每公斤 10 千瓦的連續(xù)比功率，這將使該機(jī)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(chǔ)。據(jù) Haran 稱，下一代超導(dǎo)電機(jī)將達(dá)到 40 kW/kg，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于任何市售產(chǎn)品。

盡管航空是最初的目標(biāo)，但 Haran 看到了船舶推進(jìn)的潛在應(yīng)用，其中電機(jī)的高體積功率密度將是一個(gè)吸引人的地方。“真正令人興奮的是，我們看到一項(xiàng)變革性的新技術(shù)變得實(shí)用，”他說(shuō)。“一旦你達(dá)到兆瓦級(jí)和低速，只要你需要高扭矩，這可能會(huì)非常有趣。”