轴向缩短22.3%、成本降低11.4%！花为、张志恒等学者研制出短端部高紧凑超导磁体，给超导电机“瘦身”

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导语

超导磁体是定子励磁无刷超导电机的核心模块，也是实现高功率密度、高可靠性、低成本的关键部件。本研究攻克传统跑道形超导磁体轴向长、带材贴合差、综合成本高等难题，研制出适配定子励磁无刷超导电机的新型超导磁体，为高端超导装备发展提供重要支撑。

研究背景

在“双碳”目标与海上风电、航空电推进等高端装备需求驱动下，定子励磁无刷超导电机凭借静态密封、无电刷集电环、运行可靠等优势，成为超导电机领域研究热点。超导磁体是这类电机的核心部件，当前主流跑道型超导磁体存在轴向尺寸大、超导带材耗量高、带材与骨架贴合松散等问题，既推高成本，又降低磁体运行稳定性，制约超导电机功率密度提升。同时，针对静态密封定子励磁无刷超导电机的专用超导磁体研制与测试数据和案例匮乏，亟需工程化解决方案。

论文所解决的问题及意义

解决核心问题：

1、传统跑道型超导磁体轴向长度长、超导带材成本高；

2、超导带材与线圈骨架贴合不紧密、存在间隙，应力集中影响可靠性；

3、定子励磁无刷超导电机专用超导磁体设计、制造、测试体系不完善。

图1 传统跑道型超导磁体及其直线段间隙

研究意义：

1、学术价值：建立短端部超导线圈定量选用规则，完善G10非金属骨架超导磁体研制方法，填补该领域工程测试案例和数据空白；

2、工程价值：显著缩短磁体轴向尺寸、降低带材成本，提升磁体紧凑性与可靠性，支撑百千瓦级静态密封定子励磁无刷超导电机产业化应用。

论文方法及创新点

1、短端部超导线圈创新设计

突破传统跑道型结构，设计半圆弧形+直线段组合的短端部线圈；给出直线边间距、带材弯曲半径的定量选用规则，实现轴向尺寸与带材用量双优化。

2、高紧凑贴合结构革新

将线圈长边直线改为微曲线，创新设计2~3mm拱高，有效消除带材与骨架间隙，避免应力集中，让超导带材与G10骨架完全紧密贴合。

图2 长边微曲型超导线圈示意图

3、模块化磁体全流程研制

构建包含线圈骨架、双饼线圈、冷却杜瓦的模块化结构，完成12组磁体绕制、组装、焊接全流程制造，优化超导带材跨接与引线引出工艺。

图3 短端部高紧凑超导磁体示意图

图4 模块化超导磁体

4、多维度性能测试验证

搭建临界电流测试平台，完成稳定通流、杜瓦焊接前后、批量一致性测试，验证超导磁体电磁性能与力学可靠性。

（a）测试平台

（b）液氮泡沫箱

图5 临界电流测试平台

图6 焊接冷却杜瓦系统后的超导磁体

图7 临界电流曲线

表1 超导磁体设计值与测试值对比（77 K）

结论

1）结构优化成效显著：相比常规跑道型超导磁体，轴向长度缩短 22.3%，超导带材成本节省 11.4%，且不影响电机空载电动势与负载转矩性能；

2）制造工艺成熟可靠：超导线圈边角、端部、微曲段表面平整光滑，带材与骨架无间隙，12组磁体一致性良好；

3）性能满足设计要求：77K 液氮环境下，磁体临界电流73.91~108.96A（其差异与带材批次和一致性有关，属正常现象），杜瓦系统力学性能优异、漏率达标，焊接工艺对磁体性能影响小；

4）应用前景广阔：该磁体可满足百千瓦级静态密封定子励磁超导风力发电机额定及扩功率运行，为同类超导电机磁体研制提供通用参考。

5）未来团队将进一步优化磁体低温适配性，探索兆瓦级超导电机用大型超导磁体的规模化制造技术。

团队介绍

江苏省电机与电力电子联盟（JEMPEL）是由IEEE Fellow、东南大学首席教授程明领衔，东南大学电气工程学院14名专任教师为核心，多名长江学者、千人等专家为支撑，150余名博士后和博士、硕士研究生为骨干的科研团队，研究领域涵盖电机与电力电子及其在新能源发电、电动汽车、轨道交通、伺服系统等领域的应用。在超导电机研究领域，团队已优秀结题3项国家自然科学基金超导电机项目，在研国家自然科学基金重点项目1项、青年基金2项，在模块化超导磁体、超导电机、可靠运行技术三方向开展系统研究，2016年研制出首台小功率原理样机，2020年研制出首台双定子型10kW静态封超导电机样机，2024年研制成功首台百千瓦级定子高温超导电机并于2025年1月23日成功下线；研制成功MW级电机用超导磁体，实验测试电流密度达到600A/mm2。

本文中第二代高温超导带材YBCO采购、超导磁体绕制、冷却杜瓦系统焊接、实验平台搭建和实验数据测量得到了上海超导科技股份有限公司、中科院合肥物质科学研究院、中国科学院等离子体物理研究所、合肥国际应用超导中心、安徽万瑞冷电科技有限公司的多位领导、专家和工程师的大力支持，在此向他（她）们表示衷心的感谢！

花为

东南大学电气工程学院院长、电动载运技术教育部工程研究中心主任、东南大学首席教授、江苏特聘教授、博士生导师、IEEE Senior Member，先后入选中组部WR计划科技创新领军人才、国家杰青、科技部中青年科技创新领军人才、教育部青年CJ学者、国家优青等人才计划。2001年获得东南大学学士学位（电气工程及其自动化）、2007年获得东南大学工学博士学位（电机与电器），2004.9-2005.8英国谢菲尔德大学联合培养，2018.10-2018.11赴澳大利亚悉尼工业大学交流访问。先后发表学术论文300余篇，其中SCI论文260余篇；出版专著2本；授权中国发明专利80余件、美国专利5件。主持国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划项目（首席科学家）、国家自然科学基金重点项目、基础加强173课题、江苏省重大成果转化项目等科研项目30余项。获国家技术发明二等奖、教育部自然科学一等奖（两项）、教育部工程技术一等奖、江苏省科学技术一等奖、中国机械工业科学技术一等奖、中国电工技术科学技术一等奖、中国专利优秀奖、永守赏（Nagamori Awards）等。

张志恒

工学博士，郑州大学电气与信息工程学院讲师。研究方向为超导电机、特种电机-储能集成系统。在IEEE TTE / TEC /《电工技术学报》等发表SCI/EI论文30余篇，主持国家自然科学基金青年项目及横向课题3项，参与国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、重点项目等。授权中国发明专利7项、美国专利3项。获锦州市自然科学学术成果奖三等奖、CIEEC 2021最佳论文奖、东南大学学报（自然科学版）年度最佳论文奖、中国电机工程学会电机专委会/电工技术学会大电机专委会“现代电机技术研讨会”高质量论文奖各1项，担任中国制冷学会第十一届理事会人工智能应用工作委员会秘书、CIEEC2026会议程序委员会成员等。

李祥林

教授、博士生导师，兼任山东省电工技术学会电机及应用专委会副主任委员、中国电工技术学会第九届青年工作委员会委员、中国电工技术学会磁场调制电机专委会委员、《电气工程学报》第二届编委会青年委员，先后入选山东省优青、青岛西海岸新区高层次紧缺人才、全球前2%顶尖科学家等。先后发表学术论文90余篇，其中SCI论文70余篇，授权发明专利30余件。主持国家自然科学基金-青年项目、面上项目、青岛市应用基础研究-青年专项等，作为合作单位联合主持国家自然科学基金-重点项目、区域创新发展联合基金重点项目等。获教育部自然科学一等奖、青岛市青年科技奖、IEEE TIE杰出论文奖、江苏省专利项目金奖、中国机械工业科技进步二等奖、山东省高校教师教学比赛优秀奖等。

朱新凯

副教授、硕士生导师，入选河北省人才项目、燕赵英才A卡专家、电力工程系青年优秀人才支持计划，河北省绿色高效电工新材料与设备重点实验室骨干研究人员。国际期刊Superconductivity（全球超导领域唯一位列JCR分区Q1的期刊）青年编委，国际会议ICEMS 2023 超导电机分论坛召集人，国际期刊高效能/高转矩电机专题客座编辑3次，IEEE Member, 中国电工技术学会高级会员，国内外重要期刊审稿人。主持国家自然科学基金项目/子课题3项、国家重点研发计划子课题1项、河北省级项目1项、中央高校面上项目2项，参与国家自然科学基金重大项目课题、国家自然科学基金重点项目等研究课题。发表论文35篇，授权中国发明专利10件、美国发明专利4件，申请PCT专利3件。

王玉彬

教授、博士生导师，主要从事高效能特种电机领域教学科研工作。主持国家自然科学基金项目4项，其中重点项目1项（合作单位）、面上项目3项，并主研多项国家、省部级科技项目。获机械工业科技进步二等奖1项、山东省普通高等学校教师教学创新大赛一等奖1项，2015年入选中国石油大学（华东）“青年教师拔尖人才”，在IEEE TIE / TEC / 《电工技术学报》《中国电机工程学报》等国内外权威学术期刊发表学术论文30余篇，授权发明专利10余件，现为山东省电工技术学会电机及应用专业委员会委员、国家自然科学基金函评专家、教育部学位与研究生教育发展中心通讯评议专家、山东省自然科学基金结题评审专家，并担任多种国内外权威学术期刊审稿专家。

邱志宇

博士研究生，分别于2021年和2024年获得华中科技大学学士和硕士学位，目前于东南大学电气工程学院攻读博士学位，研究方向为超导电机。

本工作成果发表在2026年第6期《电工技术学报》，论文标题为“定子励磁无刷超导电机用短端部高紧凑超导磁体研制与测试“。本课题为国家自然科学基金和东南大学南通海洋高等研究院基金（重点项目）资助项目。

引用本文

张志恒, 花为, 李祥林, 朱新凯, 王玉彬, 邱志宇. 定子励磁无刷超导电机用短端部高紧凑超导磁体研制与测试[J]. 电工技术学报, 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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