与其他能源方式相比,电能具有使用方便、无污染、便于长距离传输等优点,为最大的能源供给和消费类型。但是随着能源危机、人们的环保意识不断提高、电气化沿着智能化方向发展和新能源开发深入推进等,电气设备和电能消费呈现出高功率密度、高效率和低损耗等发展趋势,其中电机性能提升占据最重要的分量。除了优化电机结构,各种各样的新材料在电机中的应用也是重要的研究方向,新材料应用不仅提高了电机设备性能,而且促进了相关行业的发展与繁荣,其中超导材料应用最为瞩目。超导材料在电机领域中应用的主要形式为超导电缆和超导磁体。随着超导理论和超导加工工艺的不断进步,多种多样的新型超导电缆结构不断涌现,同时针对实际工程需求,超导线缆和超导磁体的优化设计也相继被提出。但总体来看,已有的超导文献,多从微观结构出发,解释超导现象物理机理和改进型加工工艺等;或者从超导设备的角度出发,只关注设备整体性能等。上述文献表现出应用性不强,片面强调超导物理,忽略了在应用工程中的超导宏观电磁特性,缺乏从实际应用角度着手,建立超导应用统一建模理论和计算模型。新结构的超导电缆,研究方向集中在借助新结构提升其机械性能等方面,缺乏基于电磁角度的分析。超导电机缺乏全方位因素的考虑,特别是相关低温系统和基于多物理场的研究等。本文根据当前超导材料对电机性能提升上的具体作用和要求,以超导线材、超导磁体、超导同步电机、超导涡流传动器和超导磁齿轮等为研究载体,基于超导物理机理及描述其宏观电磁现象的数学模型,电磁场和温度场等模型,进行了超导磁化损耗、超导电机温度场分布、超导应用于同步电机、涡流传动器和变速磁齿轮等方面的研究。研究超导电气的数学模型,给出了基于物理原理的超导微观理论、基于唯象论的超导宏观模型和基于麦克斯韦方程组的超导数值计算模型,同时,建立了单芯超导TSTC线缆和CORC线缆等统一磁化解析模型;借助基于H电磁方程组的超导数值计算公式求取TSTC线缆和CORC线缆在时变磁场中的磁化值,并与解析值进行了比较性研究;简述了超导低温环境搭建过程和超导电磁性能测试的主要事项;描述了MgB₂超导线材研制、测量和分析等过程;MgB₂跑道型励磁线圈生产、电磁测试与分析,并对测试结果进行了相应的分析等;基于电机多物理场设计和分析技术,将电磁场和温度场等在超导电机上进行了耦合性研究,提出了等值温度网络模型;基于超导块状磁体,涡流传动原理和等值磁路原理,提出并研究了轴向超导涡流传动器;基于超导块状磁体,磁齿轮理论和电磁场子域法,提出并研究了轴向超导磁齿轮等。