高温超导电机是一个涉及电机设计、超导电工、机械结构、低温制冷和密封技术等学科和技术的综合性领域。相对于传统电机，它具有体积小，重量轻，效率高等优势，因此各国竞相投入了人力、物力和财力，以图占领这一领域的制高点，为国民经济和国防建设服务。近十年来，随着高温超导材料的性能达到工业应用水平，加上小型高性能低温制冷机的进步，高温超导电机也得到了蓬勃地发展，取得了丰富的成果，尤其是以美国和德国为先，其整体水平已经达到了初步实用化的阶段。众所周知，高温超导电机转子冷却系统是确保超导绕组适宜低温环境工作的关键系统之一，冷却系统性能的优劣直接关系到高温超导电机工作性能的好坏。但是，各国在发展高温超导电机的同时，并没有同步地开展针对冷却系统的深入研究，而只是一般地移植常规电机的冷却方式。从传热和流体的角度分析，目前超导电机的冷却系统所采用的方法和结构虽然有多种，但是远未达到理想的效果。基于此背景，本文拟对高温超导电机冷却系统，在分析技术发展现状的基础上，从传热机理和流动分析入题，结合高温超导电机转子的具体结构，创新性地提出三种基于相变换热机理的新型冷却方式和结构，包括分布式旋转热管冷却，分层开放式蒸发冷却和旋转管道蒸发冷却等，来满足高温超导电机转子冷却的需要。本文主要开展了以下的理论和实验工作：　　 1.在总结、分析和评估现有高温超导电机转子冷却系统的基础上，将定子常温蒸发冷却技术拓展到高温超导电机转子冷却系统，提出三种基于相变传热的冷却方法：分布式旋转热管冷却，分层开放式蒸发冷却和旋转管道蒸发冷却，并一一对他们的结构和传热原理做了说明。然后对于某些较低转速场合应用的超导电机，提出采用低温超导时代普遍采用的浸泡式冷却方法。　　 2.本文研究所涉及到基础理论部分。首先引入了气泡动力学的分析，对单个气泡的成长和脱离做了介绍，并分析了由于旋转产生的离心力对气泡动力学行为的影响，得出离心力有助于气泡初期的成长，但会压制缩小气泡脱离的直径，对于极高的离心加速度会完全抑制气泡的产生。接着介绍了旋转管道流动，得出了平行于轴心线流动流体的动量方程，并分析得出本文涉及旋转管道流动的两相流情形可以不考虑离心力的影响，可以按照静止坐标系下压降和传热的方法来进行计算分析。另外对旋转流动相关的流体压力分布计算做了分析，得出了旋转压头的计算公式。　　 3.在建模分析和计算部分里，针对不同相变换热的形式，即不同两相沸腾的模式分别进行了研究。首先对于集中式旋转热管所属的低液位沸腾模式，介绍了薄膜沸腾的分析模型，低液位转化点液位和临界液位的计算公式和传热的准则数方程。对于浸泡式冷却涉及的高离心加速度的池沸腾，采用分层模型处理，把含液区域分成强化的自然对流区和表面沸腾区。并通过分析得到了沸腾点的计算方法。对于分层开放式蒸发冷却，介绍了两种形式，并对长管道凹槽开放式的阻力计算做了分析。最后介绍了旋转流动管道两相流的计算。根据理论基础里得到的结论，运用静止坐标系下两相流计算的分相模型L-M-N方法来处理两相压降的计算。作为沸腾换热的基础，介绍了普遍形式的池沸腾的传热模型和准则计算方法。　　 4.通过对以上五种冷却方法的分析，本文设计建造了一个集成五种转子冷却方式的实验平台。第三章详细介绍了实验平台的设计理念、组成部分，测量方法和装置，简述了装配流程，并对转子设计、制造、调试和运行所涉及的关键技术如转子同心度的保证方法、低温静密封和旋转动态密封等等做了较为详细的介绍。另外由于液氮温区里转子的真空保持得不够高，导致外界环境向低温空间的漏热现象比较严重，因此针对漏热从传导、对流和辐射三个方面进行了计算估计，并作为主要的实验负荷。　　 5.本文完成了五种高温超导电机冷却方式的实验：集中式旋转热管、分布式旋转热管冷却、浸泡式冷却、分层开放式蒸发冷却和旋转管道蒸发冷却。研究了转速对于换热的影响，结果显示在600-1000转/分钟的范围里，转速对于传热效果的影响不大。对于集中式旋转热管，实验得出了集中式旋转热管用液氮作为冷却介质的低液位转化点液位和临界液位，并与理论计算比较，符合较好。同时也得到了转子截面的温度分布，也与仿真的结果进行了比较；对于开放式分层蒸发冷却、分布式旋转热管和浸泡式冷却，主要得到在一个或多个液位厚度和负荷下的温度分布。试验结果表明浸泡式蒸发冷却的效果由于其传热路径短和接触面积大而传热效果最好，分层开放式蒸发冷却次之，分布式旋转热管和集中式旋转热管较差一些。对于旋转管道流动蒸发冷却旋转两相流动阻力的计算值和实验数据对比，误差在5％以内，基本可以认为把静止坐标系里两相流动阻力的L-M-N计算方法推广到平行于轴心线流动的旋转流体中去是合理的。实验也揭示了旋转管道蒸发冷却和分布式旋转热管是相互关联的，适当的转速条件可以使二者相互转化。　　 6.在理论分析、实验结果和仿真计算的基础上总结评估出了五种冷却方式的性能。本文提出了针对不同高温超导电机的应用场合适宜采用冷却方式的匹配组合。另外本文所研究的转子冷却问题的研究成果在理论上具有较大的通用性，除了在低温区运行的高温超导电机上应用之外，也可以推广到常温情况下的电机，例如高功率密度特殊用途的推进电机和发电机，大型的汽轮发电机等等。