軸向縮短22.3%、成本降低11.4%！花為、張志恒等學者研制出短端部高緊湊超導磁體，給超導電機“瘦身”

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導語

超導磁體是定子勵磁無刷超導電機的核心模塊，也是實現高功率密度、高可靠性、低成本的關鍵部件。本研究攻克傳統跑道形超導磁體軸向長、帶材貼合差、綜合成本高等難題，研制出適配定子勵磁無刷超導電機的新型超導磁體，為高端超導裝備發展提供重要支撐。

研究背景

在“雙碳”目標與海上風電、航空電推進等高端裝備需求驅動下，定子勵磁無刷超導電機憑借靜態密封、無電刷集電環、運行可靠等優勢，成為超導電機領域研究熱點。超導磁體是這類電機的核心部件，當前主流跑道型超導磁體存在軸向尺寸大、超導帶材耗量高、帶材與骨架貼合松散等問題，既推高成本，又降低磁體運行穩定性，制約超導電機功率密度提升。同時，針對靜態密封定子勵磁無刷超導電機的專用超導磁體研制與測試數據和案例匱乏，亟需工程化解決方案。

論文所解決的問題及意義

解決核心問題：

1、傳統跑道型超導磁體軸向長度長、超導帶材成本高；

2、超導帶材與線圈骨架貼合不緊密、存在間隙，應力集中影響可靠性；

3、定子勵磁無刷超導電機專用超導磁體設計、制造、測試體系不完善。

圖1 傳統跑道型超導磁體及其直線段間隙

研究意義：

1、學術價值：建立短端部超導線圈定量選用規則，完善G10非金屬骨架超導磁體研制方法，填補該領域工程測試案例和數據空白；

2、工程價值：顯著縮短磁體軸向尺寸、降低帶材成本，提升磁體緊湊性與可靠性，支撐百千瓦級靜態密封定子勵磁無刷超導電機產業化應用。

論文方法及創新點

1、短端部超導線圈創新設計

突破傳統跑道型結構，設計半圓弧形+直線段組合的短端部線圈；給出直線邊間距、帶材彎曲半徑的定量選用規則，實現軸向尺寸與帶材用量雙優化。

2、高緊湊貼合結構革新

將線圈長邊直線改為微曲線，創新設計2~3mm拱高，有效消除帶材與骨架間隙，避免應力集中，讓超導帶材與G10骨架完全緊密貼合。

圖2 長邊微曲型超導線圈示意圖

3、模塊化磁體全流程研制

構建包含線圈骨架、雙餅線圈、冷卻杜瓦的模塊化結構，完成12組磁體繞制、組裝、焊接全流程制造，優化超導帶材跨接與引線引出工藝。

圖3 短端部高緊湊超導磁體示意圖

圖4 模塊化超導磁體

4、多維度性能測試驗證

搭建臨界電流測試平臺，完成穩定通流、杜瓦焊接前后、批量一致性測試，驗證超導磁體電磁性能與力學可靠性。

（a）測試平臺

（b）液氮泡沫箱

圖5 臨界電流測試平臺

圖6 焊接冷卻杜瓦系統后的超導磁體

圖7 臨界電流曲線

表1 超導磁體設計值與測試值對比（77 K）

結論

1）結構優化成效顯著：相比常規跑道型超導磁體，軸向長度縮短 22.3%，超導帶材成本節省 11.4%，且不影響電機空載電動勢與負載轉矩性能；

2）制造工藝成熟可靠：超導線圈邊角、端部、微曲段表面平整光滑，帶材與骨架無間隙，12組磁體一致性良好；

3）性能滿足設計要求：77K 液氮環境下，磁體臨界電流73.91~108.96A（其差異與帶材批次和一致性有關，屬正常現象），杜瓦系統力學性能優異、漏率達標，焊接工藝對磁體性能影響??；

4）應用前景廣闊：該磁體可滿足百千瓦級靜態密封定子勵磁超導風力發電機額定及擴功率運行，為同類超導電機磁體研制提供通用參考。

5）未來團隊將進一步優化磁體低溫適配性，探索兆瓦級超導電機用大型超導磁體的規?；圃旒夹g。

團隊介紹

江蘇省電機與電力電子聯盟（JEMPEL）是由IEEE Fellow、東南大學首席教授程明領銜，東南大學電氣工程學院14名專任教師為核心，多名長江學者、千人等專家為支撐，150余名博士后和博士、碩士研究生為骨干的科研團隊，研究領域涵蓋電機與電力電子及其在新能源發電、電動汽車、軌道交通、伺服系統等領域的應用。在超導電機研究領域，團隊已優秀結題3項國家自然科學基金超導電機項目，在研國家自然科學基金重點項目1項、青年基金2項，在模塊化超導磁體、超導電機、可靠運行技術三方向開展系統研究，2016年研制出首臺小功率原理樣機，2020年研制出首臺雙定子型10kW靜態封超導電機樣機，2024年研制成功首臺百千瓦級定子高溫超導電機并于2025年1月23日成功下線；研制成功MW級電機用超導磁體，實驗測試電流密度達到600A/mm2。

本文中第二代高溫超導帶材YBCO采購、超導磁體繞制、冷卻杜瓦系統焊接、實驗平臺搭建和實驗數據測量得到了上海超導科技股份有限公司、中科院合肥物質科學研究院、中國科學院等離子體物理研究所、合肥國際應用超導中心、安徽萬瑞冷電科技有限公司的多位領導、專家和工程師的大力支持，在此向他（她）們表示衷心的感謝！

花為

東南大學電氣工程學院院長、電動載運技術教育部工程研究中心主任、東南大學首席教授、江蘇特聘教授、博士生導師、IEEE Senior Member，先后入選中組部WR計劃科技創新領軍人才、國家杰青、科技部中青年科技創新領軍人才、教育部青年CJ學者、國家優青等人才計劃。2001年獲得東南大學學士學位（電氣工程及其自動化）、2007年獲得東南大學工學博士學位（電機與電器），2004.9-2005.8英國謝菲爾德大學聯合培養，2018.10-2018.11赴澳大利亞悉尼工業大學交流訪問。先后發表學術論文300余篇，其中SCI論文260余篇；出版專著2本；授權中國發明專利80余件、美國專利5件。主持國家杰出青年科學基金、國家重點研發計劃項目（首席科學家）、國家自然科學基金重點項目、基礎加強173課題、江蘇省重大成果轉化項目等科研項目30余項。獲國家技術發明二等獎、教育部自然科學一等獎（兩項）、教育部工程技術一等獎、江蘇省科學技術一等獎、中國機械工業科學技術一等獎、中國電工技術科學技術一等獎、中國專利優秀獎、永守賞（Nagamori Awards）等。

張志恒

工學博士，鄭州大學電氣與信息工程學院講師。研究方向為超導電機、特種電機-儲能集成系統。在IEEE TTE / TEC /《電工技術學報》等發表SCI/EI論文30余篇，主持國家自然科學基金青年項目及橫向課題3項，參與國家重點研發計劃、國家杰出青年科學基金、重點項目等。授權中國發明專利7項、美國專利3項。獲錦州市自然科學學術成果獎三等獎、CIEEC 2021最佳論文獎、東南大學學報（自然科學版）年度最佳論文獎、中國電機工程學會電機專委會/電工技術學會大電機專委會“現代電機技術研討會”高質量論文獎各1項，擔任中國制冷學會第十一屆理事會人工智能應用工作委員會秘書、CIEEC2026會議程序委員會成員等。

李祥林

教授、博士生導師，兼任山東省電工技術學會電機及應用專委會副主任委員、中國電工技術學會第九屆青年工作委員會委員、中國電工技術學會磁場調制電機專委會委員、《電氣工程學報》第二屆編委會青年委員，先后入選山東省優青、青島西海岸新區高層次緊缺人才、全球前2%頂尖科學家等。先后發表學術論文90余篇，其中SCI論文70余篇，授權發明專利30余件。主持國家自然科學基金-青年項目、面上項目、青島市應用基礎研究-青年專項等，作為合作單位聯合主持國家自然科學基金-重點項目、區域創新發展聯合基金重點項目等。獲教育部自然科學一等獎、青島市青年科技獎、IEEE TIE杰出論文獎、江蘇省專利項目金獎、中國機械工業科技進步二等獎、山東省高校教師教學比賽優秀獎等。

朱新凱

副教授、碩士生導師，入選河北省人才項目、燕趙英才A卡專家、電力工程系青年優秀人才支持計劃，河北省綠色高效電工新材料與設備重點實驗室骨干研究人員。國際期刊Superconductivity（全球超導領域唯一位列JCR分區Q1的期刊）青年編委，國際會議ICEMS 2023 超導電機分論壇召集人，國際期刊高效能/高轉矩電機專題客座編輯3次，IEEE Member, 中國電工技術學會高級會員，國內外重要期刊審稿人。主持國家自然科學基金項目/子課題3項、國家重點研發計劃子課題1項、河北省級項目1項、中央高校面上項目2項，參與國家自然科學基金重大項目課題、國家自然科學基金重點項目等研究課題。發表論文35篇，授權中國發明專利10件、美國發明專利4件，申請PCT專利3件。

王玉彬

教授、博士生導師，主要從事高效能特種電機領域教學科研工作。主持國家自然科學基金項目4項，其中重點項目1項（合作單位）、面上項目3項，并主研多項國家、省部級科技項目。獲機械工業科技進步二等獎1項、山東省普通高等學校教師教學創新大賽一等獎1項，2015年入選中國石油大學（華東）“青年教師拔尖人才”，在IEEE TIE / TEC / 《電工技術學報》《中國電機工程學報》等國內外權威學術期刊發表學術論文30余篇，授權發明專利10余件，現為山東省電工技術學會電機及應用專業委員會委員、國家自然科學基金函評專家、教育部學位與研究生教育發展中心通訊評議專家、山東省自然科學基金結題評審專家，并擔任多種國內外權威學術期刊審稿專家。

邱志宇

博士研究生，分別于2021年和2024年獲得華中科技大學學士和碩士學位，目前于東南大學電氣工程學院攻讀博士學位，研究方向為超導電機。

本工作成果發表在2026年第6期《電工技術學報》，論文標題為“定子勵磁無刷超導電機用短端部高緊湊超導磁體研制與測試“。本課題為國家自然科學基金和東南大學南通海洋高等研究院基金（重點項目）資助項目。

引用本文

張志恒, 花為, 李祥林, 朱新凱, 王玉彬, 邱志宇. 定子勵磁無刷超導電機用短端部高緊湊超導磁體研制與測試[J]. 電工技術學報, 2026, 41(6): 1922-1933. Zhang Zhiheng, Hua Wei, Li Xianglin, Zhu Xinkai, Wang Yubin, Qiu Zhiyu. Development and Testing of Short-End and High-Compactness Superconducting Magnets for Stator-Excitation Brushless Superconducting Machines. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(6): 1922-1933.

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