超导材料具有极高的载流密度以及低损耗特性,将超导材料应用于电机系统,以获得更高的功率密度与效率,是超导技术在电气工程领域特别是大型风力发电机系统的重要研究方向。理论上,超导材料具备引发能源革命的潜力。因此,对于超导电性及超导电机的相关研究和技术储备具有十分重要的意义。在该背景下,本文针对超导材料与电机系统各自的特点,从超导电枢的引入对于永磁电机功率密度以及输出效率的影响出发,对其计算方法以及设计特点进行了深入的研究,主要研究内容和贡献如下:(1)以超导材料的物理理论及工程特性为基础,对其交流损耗特点进行了研究。在此基础上,针对涂层型超导带材的结构特点进行有限元模型的改进,在保证精度的前提下可有效提升计算速度;针对多芯型超导线材的结构特点,提出了超导线圈交流损耗的快速计算方法并利用实验数据验证了其有效性,为后续超导电机设计过程中交流损耗的计算奠定基础。(2)搭建了基于外部励磁器的电枢性能实验平台,测试了超导电枢在模拟的电机工况下的载流能力。设计并制作励磁器对实际电机在运行中产生的槽漏磁场进行逼近,并作用于超导电枢,通过测量电枢在该磁场下的极限载流能力来验证其电磁设计的有效性,其结果可作为实际电机的设计依据。(3)针对超导材料旋转低温冷却系统设计难度大的问题,采用了超导定子电枢的永磁同步电机结构,并对其设计特点进行了分析与总结。利用超导线圈的高载流及低损耗特性,将其作为永磁同步发电机的定子电枢绕组可显著提高相电流,达到提升电机功率密度的效果。在此基础上,分析其极限输出功率的影响因素,提出一种新型的梯形定子齿结构,以突破铁磁材料严重饱和对于电机极限功率的限制;而在输出效率方面,提出具有超导电枢特点的安装方式,以降低其在运行中产生的交流损耗,充分利用超导材料的优势。(4)综合应用各章的结论与方法,基于直驱风力发电机的应用场合,提出了10MW超导电枢永磁电机的电磁设计方案。以常规铜绕组电机为基础,使用超导线圈替换其电枢绕组,并针对其转子磁极的抗退磁能力,提出了新型转子磁极形状与结构。在保证输出效率的前提下使其输出功率得到有效提升,验证了本文提出的超导电枢分析及设计方法的有效性,并揭示了超导技术在大容量直驱风力发电机应用上的适应性。