导读
研究指出，随着风电机组单机容量不断突破（>20 MW）和风电向深水区域拓展，直驱 HTS 发电机凭借其高功率密度、无齿轮箱的高可靠性、模块化设计适应性等优势，成为大功率海上风电的重要发展方向。论文重点讨论了HTS带材价格下降带来的成本竞争力提升、减铁磁拓扑结构的潜力、热管理与机械设计中的关键技术难题，并提出了未来五年应重点推进技术成熟度提升的发展路径。
l 背景与机遇
海上风电是实现碳中和的重要路径，单机容量持续提升增强了能量捕获能力并降低了单位千瓦资本成本，同时向风能资源更优的远海区域拓展。然而，海上运维成本高昂，对25年设计寿命内的可靠性提出严苛要求，直驱传动链因取消齿轮箱而成为深水区域的优选方案，但其体积与质量随功率增长而增大，给海上运输与组装带来挑战，模块化设计为此提供了可行解决方案。高温超导（HTS）带材的高载流能力使励磁磁体可产生远超永磁体的磁动势（MMF），提升气隙磁通密度与功率密度，实现发电机的小型化与轻量化。
2018年EcoSwing项目3.6 MW HTS发电机样机相较于同容量永磁发电机质量减轻24%、外径从5.4米缩减至4.0米，充分验证了该技术的应用潜力。
图1. 应用于深水区域的紧凑轻量化高温超导发电机
l 现有挑战与潜在解决方案
当前海上直驱高温超导（HTS）风力发电机在技术推进中面临多方面的挑战：
在额定频率方面，大容量机组因叶片增长导致额定转速降低，为满足并网变流器对输入频率的要求，需增加极对数，但HTS线圈宽度与机械装配空间限制了极距下限，使功率密度提升主要通过缩短轴向长度而非减小直径实现。
在铁磁拓扑结构方面，虽采用铁齿铁轭结构可在中等磁动势（MMF）下达到饱和，但会带来齿谐波、振动与涡流损耗等问题；而去除铁磁材料虽能减轻质量、提高功率密度，但需极高MMF补偿磁阻增加，并面临空芯结构下电磁力与自场应力的机械挑战。随着HTS带材价格下降，减铁磁结构成为可行探索方向。
在热设计方面，当前采用超导励磁与传统电枢相结合的方案，需系统优化制冷剂、冷却功率、热界面与热传导路径，并重点应对时变磁场引起的交流损耗；热致失超是核心风险，需通过合理的热传导设计与旁路电流路径提高最小失超能（MQE）与温度均匀性。
在机械问题方面，需综合考虑材料在复杂载荷下的应力应变、热膨胀系数匹配、支撑结构刚度与气隙变形控制，同时通过固有频率预测与振动测试避免共振风险，对于浮式机组还需评估姿态变化对磁体稳定性的影响。
总结与展望
高温超导（HTS）发电机在功率密度、系统可靠性与模块化制造方面具有显著优势。受聚变产业推动，HTS带材价格下降有效降低了制造成本，增强了其市场竞争力。在当前面临的主要挑战中，热设计是保障安全运行的关键。未来五年，应优先推动模块化 HTS 发电机的技术成熟度（TRL）提升，加速从样机向标准化、可认证的量产产品过渡，推动20 MW级以上深水专用机型的实用化，有望成为大容量海上风电的主流技术，显著降低平准化度电成本，减少对稀土材料的依赖，并提升系统整体可靠性
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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S277283072500081X
该研究成果以题为“Opportunities and challenges of offshore direct drive high-temperature superconducting wind turbine generators”发表于Superconductivity 17, 100230 (2026)，第一作者及通讯作者为上海交通大学电气工程学院黄振。该项研究工作得到了国家自然科学基金和上海市自然科学基金的资助。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.supcon.2025.100230.
引用格式：
Huang, Z., Ke, Z. & Coombs, T. A. Opportunities and challenges of offshore direct drive high-temperature superconducting wind turbine generators. Superconductivity 17, 100230 (2026).
第一作者&通讯作者简介
黄振，磁擎新能源创始人，上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系副教授，美国麻省理工学院访问研究员、上海市科技入库专家、上海市白玉兰特聘专家、上海市东方英才、上海市科技启明星、上海市浦江人才、上海市晨光学者。致力于高温超导电机研究超过15年；剑桥博士在读期间获得包括博士全奖在内的18项奖学金，参与并帮助罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royce ®）打造了世界上首台全高温超导同步电机原理样机，近年来主持超导电机相关纵向横向课题18项，累计研发经费超数千万人民币。
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