概要
高温超导体¹ 由于其电阻为零的特性，能够在极低损耗条件下承载极高电流密度。若在电机²的绕组中使用高温超导体，便可实现极高的输出功率和能效。
因此，基于该类电机的液态氢泵，以及其在汽车、航空器等交通运输设备中的应用，正受到广泛关注。尤其是在航空领域，全球已展开激烈的研发竞赛。
京都大学大学院工学研究科中村武恒特定教授、正木蓝子技术职员、Ren Mengyi 特定研究员（研究当时）、三瓶峻志硕士研究生等组成的研究团队，以中村研究室长期开展前沿研究的高温超导感应同步电机³为对象，提出了一种应用“翻花绳”概念的高温超导绕线结构，并通过电磁场分析及实验，验证了其优异的旋转特性。
该方法可在航空器等大型电机的实用化过程中，大幅减少长期被视为难题的焊锡连接点数量，实现结构更为简化的高温超导绕组，被认为是一项具有突破意义的技术进展。
本研究成果于：
- 2025 年 12 月 4 日：在国际会议第 38 届国际超导研讨会（ISS2025，日本长崎）上，以理论与解析结果为主进行报告；
- 2025 年 12 月 9 日：在日本国内学会 2025 年秋季第 110 届低温工学·超导学会研究发表会（泉佐野市）上，报告包含理论、解析及实验结果。
左图：将高温超导带材以“翻花绳式”方式绕制于转子铁芯
右图：采用翻花绳绕线法试制的高温超导转子外观
1．研究背景
电机是现代社会中不可或缺的电气设备，可以说我们几乎每天都在直接或间接地享受其带来的便利。近年来，为实现 2050 年碳中和社会，围绕交通运输设备电动化的研究不断推进，不仅限于汽车和铁路，航空器电动化也正在成为重点研究方向。
对于运输设备用电机而言，最重要的性能指标包括：
- 高效率
- 高功率密度（单位质量或单位体积输出功率）
另一方面，作为构建碳中和社会的重要能源载体，氢能正受到高度关注。其中，液态氢被视为关键的储存与运输方式之一。与气态氢相比，液态氢体积约为其 1/800，有利于高效储运。
同时，其常压沸点低至 −253℃，在这种极低温环境中，超导体能够自然进入超导状态，即电阻为零。
因此，例如在配备液态氢储罐的系统中使用超导电机，就能够无需额外冷却系统，实现高效率与高输出特性。
中村特定教授团队此前提出并持续研究了高温超导感应同步电机（图 1）。该电机采用全球最广泛应用的感应电机的简易结构，其笼型绕组由市售高温超导带材构成。
在应用层面，该技术已通过多项联合研究项目，为以下领域作出贡献：
- 面向氢能供应链的液态氢潜液泵
- 面向氢发动机赛车的车载液态氢泵
- 液态氢冷却的电动航空器
目前，该电机被认为是全球最接近实用化的高温超导电机方案之一。
然而，在构建高温超导感应同步电机的笼型绕组时，必须像图 2 所示那样，使用焊锡将高温超导带材相互连接。对于大型电机而言，需要承载极大的电流，因此并联的超导带材数量可能多达数十条。
这不仅对焊接工艺提出极高要求，导致制造成本大幅上升，而且焊接部位还可能产生局部发热，带来效率下降的风险。
为此，中村特定教授提出了一种可大幅减少焊锡连接点的绕线结构——翻花绳绕线法，并与研究室成员通过电磁场分析与实验，对其可行性进行了验证。
2．研究方法与成果
图 3 展示了传统高温超导笼型绕组的示意图。
图 3(b) 为图 3(a) 中①与①′位置切断后的展开图，其中：
- 上方表示由定子绕组产生的磁极（N 极与 S 极）；
- V1～V6 表示感应电压，其前的正负号表示极性。
此时，以黑点标示的焊锡连接点数量为 48 个。
中村特定教授提出了一种在电磁学上与传统结构等效的新型绕线方式（图 4）。
例如，在图 3(b) 中，N 极最左侧的 +V1 与 S 极最左侧的 −V1，其电压大小相同、极性相反，将二者连接后，绕组电流与原结构完全一致。
依此原理，将 +V2 与 −V2、……、+V6 与 −V6 依次连接，便形成了图 4 所示结构。此时，焊锡连接点数量仅为 6 个，相比原结构大幅减少。
该绕线方式可先通过一次焊接形成高温超导闭合回路，再如图 5 所示，以类似“翻花绳”的方式布置在转子铁芯上，制造过程显著简化。
3．影响与未来计划
本研究成果确立了一种有力推动高温超导感应同步电机实用化的绕线方案。
翻花绳绕线法可显著简化焊接工艺，有望大幅降低制造成本。
今后，研究团队将：
- 进行翻花绳绕线的优化设计，首先目标是实现效率超过 99%；
- 在企业联合研究框架下，明确具体应用场景；
- 挑战更高的极限功率密度。
此外，若采用图 4 的绕线方式，仅需预先在一处进行超导连接并形成闭合回路，随后合理布置于铁芯中，即有望实现真正的零电阻绕组。该方向也将作为后续研究重点持续推进。
4．研究项目说明
本研究获得日本科研经费补助金（基础研究 A：次世代运输设备用高转矩密度高温超导感应同步电机及系统化研究，课题编号 25H00739）的资助。
在高温超导感应同步电机旋转试验准备过程中，京都大学中村研究室的松浦润研究员与祖父江浩技术助理给予了重要支持，谨此致谢。
术语说明
| 名称 | 说明 |
|---|---|
| 高温超导体 | 在约 −248℃以上即可表现出零电阻超导现象的材料 |
| 电机 | 本研究中指将电能转化为旋转能量的装置，采用三相交流感应电机结构 |
| 高温超导感应同步电机 | 由京都大学中村武恒教授团队研发的一种高性能超导电机，兼具高效率、高功率密度、快速加减速稳定性、过载能力及非超导运行（失效安全）等特性 |
研究者评论（中村武恒）
自 2005 年起，我们持续推进高温超导感应同步电机的研究，经过多年努力，如今已逐步接近实用化阶段。本研究提出的翻花绳绕线法，通过减少焊接点显著降低制造难度，为实用化按下了加速键。
该方法源于对笼型绕组电磁等效性的理解，并从传统“翻花绳”这一简单游戏中获得灵感。我们期待该技术在未来的实际应用中，充分展现其价值。
基于本成果，团队将进一步推进其在汽车、航空器以及液态氢泵等领域的应用研究。
【信息来源：日本京都大学】