在過去半個世紀(jì)發(fā)明的無數(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 -140 °C（133 開爾文）的溫度下進行超導(dǎo)。然而，商業(yè)應(yīng)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(dǎo)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(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(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，該公司測試了一款配備超導(dǎo)轉(zhuǎn)子磁體的原型電機。據(jù) Haran 稱，這些測試包括在實驗室設(shè)置中旋轉(zhuǎn)螺旋槳，驗證了該公司超導(dǎo)電機設(shè)計的關(guān)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(dǎo)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?！昂芏嗳硕荚谔岣弋a(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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)機器的常見方法使用超導(dǎo)材料制造轉(zhuǎn)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(dǎo)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(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。另一個問題是這種方法需要一個復(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。

實驗性 Hinetics 電動機中的轉(zhuǎn)子線圈由高溫超導(dǎo)體制成。它們由沿電機中心軸向運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)使用一個獨立的低溫冷卻器，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)，無需將流體傳入和傳出旋轉(zhuǎn)容器。通過這種安排，“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，“有一個低溫冷卻器和一個冷連接，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化了一切，因為現(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）通過傳導(dǎo)而不是對流冷卻。轉(zhuǎn)子安裝在真空室內(nèi)。來自超導(dǎo)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(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的另一側(cè)。

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(zhuǎn)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(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(dǎo)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(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，未來版本的電機將使用無線系統(tǒng)，可能基于感應(yīng)耦合。

今年 4 月對 Hinetics 的超導(dǎo)電機進行了測試，驗證了基本設(shè)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(yīng)用

他選擇不讓定子超導(dǎo)，因為在典型配置中，定子由交流 （AC） 波形供電。超導(dǎo)體僅對直流電完全無損。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，需要另一個冷卻系統(tǒng)來帶走定子的熱量。

Haran 認為沒有必要。由于超導(dǎo)體僅在轉(zhuǎn)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(dǎo)設(shè)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(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。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(chǔ)。據(jù) Haran 稱，下一代超導(dǎo)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(biāo)，但 Haran 看到了船舶推進的潛在應(yīng)用，其中電機的高體積功率密度將是一個吸引人的地方?！罢嬲钊伺d奮的是，我們看到一項變革性的新技術(shù)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。”