超导材料具有高电流密度、低损耗的特性,将超导材料应用于电机可以提高电机的功率密度和效率,减小体积和重量。目前主流的超导电机是利用直流超导线圈来产生更高的气隙磁密。若交流电枢绕组也采用超导线圈来提高电枢线负荷,构成全超导电机,则电机的功率密度将会进一步提高。但受限于交流损耗问题,超导交流电枢绕组的应用研究并不多见。由超导交流损耗的物理特性可知,单位时间内的交流损耗值与频率成正比,降低频率就可以有效的降低交流损耗。所以在一些低频交流应用中,如大型直驱式风机等场合等,超导交流电枢绕组存在较大的潜在应用价值。本文通过实际研制一台2.5 kW/300 rpm/10 Hz的转子永磁-电枢超导型同步发电机,来研究高温超导电枢绕组在低频下应用的可行性。考虑到制冷的难易程度,超导电枢绕组工作在液氮温区,并创新性地采用传导冷却的方法对线圈进行制冷,简化了制冷结构,这种结构有利于未来超导电枢绕组的推广应用。验证传导冷却的有效性和可靠性也是本文的一个重要研究内容。该电机的超导线圈采用Bi-2223/Ag导线绕制,在电机设计过程中充分考虑了超导线圈的形状特征、工作温度以及磁场敏感性。电机测试时,超导定子的低温稳态温度可达82.1 K,额定转速空载时的定子铁芯的稳态温升为1.3 K,这表明传导冷却可有效地抑制定子铁芯产生的温升。功率测试的结果显示该电机功率输出特性与设计值基本吻合,并且实现了短时额定功率运行。在输出功率/电枢电流为1.6kW/12.6 A(有效值)时电机可实现长时间稳定运转。利用超导线圈的温度测量值,结合传热学的基本原理,从理论上分析计算超导定子的漏热量、发热量和温度分布及温度变化情况,计算得到的定子铁芯温升值与测量结果几乎一致。通过间接手段测量和计算了电机运行中超导线圈的交流损耗,结果表明当单个线圈的交流损耗低于1.5 W时,该电机可以长期稳定运行。以上实验结果和分析说明,低频下的超导电枢绕组是可行的,并且传导冷却的制冷方法也是有效的。最后,在电枢超导型电机研制经验的基础上,进行了15 kW/150 rpm/10 Hz的全高温超导电机的电磁设计工作,并对超导线圈的漏磁场做局部优化,以保证超导线圈能够稳定工作,并优化提高电枢线负荷大小,体现超导导线电流密度的优势。