CN114013298A - 一种超导电驱动履带车辆构型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超导电驱动履带车辆构型，包括用于提供机械能的发动机、用于储存电能的超导储能装置、两相对设置的主动轮、超导主动悬架、低温制冷机，发动机通过超导发电机与超导储能装置电性连接，超导储能装置与两主动轮传动连接；超导发电机、超导储能装置、超导主动悬架、低温制冷机构成第一冷却回路；超导发电机、超导储能装置、两主动轮、超导主动悬架、低温制冷机构成第二冷却回路。本发明能够实现提高纯电驱动履带车辆的动力性和经济性，在保持纯电驱动履带车辆优势的前提下，充分发挥超导电力设备功率密度高、效率高、体积小的特点，突破传统履带车辆系统构型，将履带车辆上大部分电气设备换成超导设备。

Description

一种超导电驱动履带车辆构型

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术领域，特别是涉及一种超导电驱动履带车辆构型。

背景技术

履带车辆已经在建筑工业、农业、航空航天和军事等领域广泛应用，发挥着举足轻重的作用。在军事领域，随着电能武器和电磁装甲、主动防护装甲的相继出现，电子对抗技术已不可或缺，使得电能在现代战场上的应用范围正在不断扩大，极大的促进电驱动履带车辆的发展。与传统履带车辆相比，电传动履带车辆由于具有传动效率高，能源经济性好，车辆机动性强，结构紧凑等优点，从而具有广阔的军事应用前景，是目前履带车传动系统的发展方向。

随着工业和军事领域对电机性能需求的不断提高，传统电机已经不能满足某些技术领域的要求，而超导电机开始普遍进入人们视野。超导电机是利用超导材料作为载流导体、能在强磁场下承载高密度电流的一种电机，具有体积小、功率密度高、效率高、输出转矩大等诸多优点。第一台超导电机于1965年在美国问世，经过数十年的研究和探索，虽然超导电机技术还远未达到成熟的地步，但国内外已有几十台样机被制造出来，为超导电机的研发和应用提供了技术基础。由于当前超导材料的和低温技术的限制，超导电机只有在大功率设备中才能发挥足够的优势，其主要应用场合包括风力发电、船用推进电机和机载电源和引擎等。而履带车辆普遍的功率等级约为1MW左右，恰好符合超导电机在高效率运行的要求。

由于超导线圈的电流密度要远高于传统电机的铜线圈，相等体积的超导电机的输出扭矩可以达到传统电机输出转矩的数倍，可以实现低速大扭矩。基于此特点，超导电驱动履带车辆可以省去减速器机构，由超导电机直接驱动主动轮。而且履带车辆采用电力驱动后，不仅车辆的机动性能有极大的提高，而且给车辆的设计和总体布局带来变革，能为履带车辆配备的电磁武器、电磁装甲、主动悬架等众多电控系统提供必需的大量电功率。

专利CN201427524Y提出“氢冷低温全超导电子电动汽车”，专利CN201009757提出“低温深冷超导体电子电动汽车”，但其仅仅是使用超导电机替换掉传统电动汽车上的传统电机，其余结构与传统电动汽车相同，不能体现超导电机的优势，而且效率很低。专利CN207328159U提出“一种电动汽车”，包括超导储能装置、超导电机和超导发电机，将超导装置都设置在同一个壳体中并且保持超导低温环境，结构复杂，体积庞大，需要非常精密的真空和隔热结构，很多不必要的装置运行在超导低温环境中，增加了制冷负担，以制冷机的效率实现这种制冷功率并不现实。履带车辆行驶的环境主要是在野外环境，路面条件差，动力系统需求高，且不可能随时停车补充液氮等低温制冷剂，所以需要保证整个系统的高效率和高功率输出，并且配备相应的主动冷却装置，在传统履带车辆的基础上，通过合理的构型设计，尽可能充分利用超导系统的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种超导电驱动履带车辆构型，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现提高纯电驱动履带车辆的动力性和经济性，在保持纯电驱动履带车辆优势的前提下，充分发挥超导电力设备功率密度高、效率高、体积小的特点，突破传统履带车辆系统构型，将履带车辆上大部分电气设备换成超导设备。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种超导电驱动履带车辆构型，包括用于提供机械能的发动机、用于储存电能的超导储能装置、两相对设置的主动轮、超导主动悬架、低温制冷机，所述发动机通过超导发电机与所述超导储能装置电性连接，所述超导储能装置与两所述主动轮传动连接；

所述超导发电机、所述超导储能装置、所述超导主动悬架、所述低温制冷机构成第一冷却回路；

所述超导发电机、所述超导储能装置、两所述主动轮、所述超导主动悬架、所述低温制冷机构成第二冷却回路；

所述第一冷却回路和所述第二冷却回路内均设置有用于连通各部件的液氮管路和超导电缆。

优选的，所述第一冷却回路中的所述超导发电机出液端通过所述超导电缆与所述超导储能装置连通，所述超导储能装置出液端通过所述超导电缆连通有超导悬架控制器，所述超导悬架控制器出液端通过所述超导电缆与所述超导主动悬架连通，所述超导主动悬架出液端通过所述液氮管路与所述低温制冷机连通，所述低温制冷机出液端通过超导电缆与所述超导发电机连通。

优选的，所述第二冷却回路中的所述超导发电机出液端通过所述超导电缆与所述超导储能装置连通，所述超导储能装置出液端通过所述超导电缆连通有第一超导电机，所述第一超导电机出液端通过所述超导电缆连通有第二超导电机，所述第二超导电机出液端与所述超导主动悬架连通，所述超导主动悬架出液端通过所述液氮管路与所述低温制冷机连通，所述低温制冷机出液端通过超导电缆与所述超导发电机连通，所述第一超导电机与任一所述主动轮传动连接，所述第二超导电机与另一所述主动轮传动连接。

优选的，所述第二冷却回路中的所述超导储能装置与所述第一超导电机间设置有超导电机控制器，所述超导储能装置出液端通过所述超导电缆与所述超导电机控制器连通，所述超导电机控制器出液端通过所述超导电缆与所述第一超导电机连通，所述第二超导电机出液端通过所述超导电缆与所述超导电机控制器连通，所述超导电机控制器出液端通过所述液氮管路与所述超导主动悬架连通。

优选的，所述低温制冷机通过所述液氮管路连通有液氮罐。

优选的，所述超导主动悬架上设置有负重轮。

优选的，所述超导电缆用于导电和输送液氮。

本发明公开了以下技术效果：

本发明提出的一种超导电驱动履带车辆构型，各种超导设备通过超导电缆和液氮管连接，用于传输大功率的电能和保持超导低温环境的冷却液氮。这种将超导设备独立布置的方式使得整个系统结构紧凑，可维护性高，方便布局，而且避免了不必要的制冷消耗，使得整个驱动系统效率大幅提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超导电驱动履带车辆构型的立体图；

图2为超导电驱动履带车辆构型管路连接关系立体图；

图3为液氮流向的流程图；

其中，1-发动机，2-超导储能装置，3-主动轮，4-超导主动悬架，5-低温制冷机，6-超导发电机，7-液氮管路，8-超导电缆，9-超导悬架控制器，10-第一超导电机，11-第二超导电机，12-超导电机控制器，13-液氮罐，14-负重轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种超导电驱动履带车辆构型，包括用于提供机械能的发动机1、用于储存电能的超导储能装置2、两相对设置的主动轮3、超导主动悬架4、低温制冷机5，发动机1通过超导发电机6与超导储能装置2电性连接，超导储能装置2与两主动轮3传动连接；超导发电机6、超导储能装置2、超导主动悬架4、低温制冷机5构成第一冷却回路；超导发电机6、超导储能装置2、两主动轮3、超导主动悬架4、低温制冷机5构成第二冷却回路；第一冷却回路和第二冷却回路内均设置有用于连通各部件的液氮管路7和超导电缆8。

在使用过程中，由发动机1转动提供能源，发动机1产生的机械能经过超导发电机6转化为电能，并通过超导储能装置2对得到的电能进行存储，随后超导储能装置将存储的电能转换为机械能，进而驱动主动轮3转动，以实现驱动车辆行走的效果。在上述过程中，各部件工作会产生大量热量，因此将连接各部件的主要高压导线换成超导电缆8，不仅能传输电流，还能传输冷却用的液氮，使得整车冷却液氮能够构成回路。在构成的第一冷却回路和第二冷却回路中，因部件发热而汽化生成的氮气经由液氮回路循环到低温制冷机5，由低温制冷机5液化后继续参与循环，其对部件冷却效果好。超导主动悬架4可以根据履带车辆的运动和路面状态，适时地调节超导主动悬架4的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态，还能够实时地控制车身高度，改善通过性。

本技术方案中，超导储能装置2是采用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能供应给负载的一种电力装置。它利用超导磁体的低损耗和快速响应来储存能量的能力，是一种通过现代电力电子型变流器与电力系统接口，组成既能储存电能又能释放电能的快速响应器件。

本技术方案中，超导主动悬架4还带有能量回收装置(图中未示出)，可以吸收超导主动悬架4间被减振器所消耗的振动能量，并通过超导悬架控制器9转化为电能储存在超导储能装置2中，从而可控制履带车辆其他耗能部件使用，降低使用能耗。

进一步优化方案，第一冷却回路中的超导发电机6出液端通过超导电缆8与超导储能装置2连通，超导储能装置2出液端通过超导电缆8连通有超导悬架控制器9，超导悬架控制器9出液端通过超导电缆8与超导主动悬架4连通，超导主动悬架4出液端通过液氮管路7与低温制冷机5连通，低温制冷机5出液端通过超导电缆8与超导发电机6连通。第一冷却回路的液氮流通方向应当为低温制冷机5-超导发电机6-超导储能装置2-超导悬架控制器9-超导主动悬架4-低温制冷机5，其中，低温制冷机5、超导发电机6、超导储能装置2、超导悬架控制器9、超导主动悬架4之间应当通过超导电缆8连通，以使得各部件之间既实现电流传导又实现液氮传导，而超导主动悬架4和低温制冷机5之间仅需要采用液氮管路7连通即可，以使得换热完毕后的液氮进入低温制冷机内进行降温处理。

进一步优化方案，第二冷却回路中的超导发电机6出液端通过超导电缆8与超导储能装置2连通，超导储能装置2出液端通过超导电缆8连通有第一超导电机10，第一超导电机10出液端通过超导电缆8连通有第二超导电机11，第二超导电机11出液端与超导主动悬架4连通，超导主动悬架4出液端通过液氮管路7与低温制冷机5连通，低温制冷机5出液端通过超导电缆8与超导发电机6连通，第一超导电机10与任一主动轮3传动连接，第二超导电机11与另一主动轮3传动连接。第二冷却回路的液氮流通方向应当为低温制冷机5-超导发电机6-超导储能装置2-超导电机控制器12-第一超导电机10-第二超导电机11-超导电机控制器12-超导主动悬架4-低温制冷机5，其中低温制冷机5、超导发电机6、超导储能装置2、超导电机控制器12、第一超导电机10、第二超导电机11、超导电机控制器12、超导主动悬架4之间应当通过超导电缆8连通，以使得各部件之间既实现电流传导又实现液氮传导，而超导主动悬架4和低温制冷机5之间仅需要采用液氮管路7连通即可，以使得换热完毕后的液氮进入低温制冷机内进行降温处理。

本技术方案中，由于主动轮3设置有两个，因此驱动主动轮3的超导电机也应当设置有两个，超导储能装置2将存储的电能导至第一超导电机10和第二超导电机11，第一超导电机10和第二超导电机11将电能转换为机械能，进而驱动两个主动轮3转动。

本技术方案中，第一超导电机10和第二超导电机11是指将超导材料应用于电机的定转子绕组中，由于超导材料的零电阻特性，超导电机具有高效率、高功率密度、过载能力强、低噪声振动等优点，从而在船舶电力推进、直驱风力发电等大中型电机领域具有非常广泛的应用前景。由于当前超导材料和低温技术的限制，以目前的技术水平制造的超导电机只有在MW级以上才能显现出足够的优势，而电驱动履带车辆便是这个功率级别的平台。

进一步优化方案，第二冷却回路中的超导储能装置2与第一超导电机10间设置有超导电机控制器12，超导储能装置2出液端通过超导电缆8与超导电机控制器12连通，超导电机控制器12出液端通过超导电缆8与第一超导电机10连通，第二超导电机11出液端通过超导电缆8与超导电机控制器12连通，超导电机控制器12出液端通过液氮管路7与超导主动悬架4连通。超导电机控制器12用来控制第一超导电机10和第二超导电机11的转速，进而实现控制主动轮3转速的目的。由超导电机控制器12导出的液氮先经过第一超导电机10，对第二超导电机11冷却后进而第二超导电机11，对第二超导电机11冷却后再次经过超导电机控制器12，进而完成对第一超导电机10、第二超导电机11、超导电机控制器12的冷却。

进一步优化方案，低温制冷机5通过液氮管路7连通有液氮罐13。为了避免车辆大功率运行时液氮供应不足而引起超导系统失超，因此在低温制冷机5外部设置一个与其匹配的液氮罐13，液氮罐13可以根据实际使用情况通过液氮管路7向低温制冷机5内导入液氮，以使得整个系统正常工作。

进一步优化方案，超导主动悬架4上设置有负重轮14。负重轮14指的是履带类型车辆所具有的承重轮，负重轮14和超导主动悬架4的位置关系可以根据实际使用情况设置，其属于现有技术，在此不做过多赘述。

进一步优化方案，超导电缆8用于导电和输送液氮。

本技术方案中，超导电缆8包括电缆芯、电绝缘、低温容器管，电缆芯用于导电，低温容器管用于传导液氮。为了实现各部件导电以及传导液氮的效果，超导电缆8中的电缆芯用于导电，外部的低温容器管用于传导液氮，且超导电缆8采用现有技术即可，使用方便，实用性高。

工作原理：

发动机1转动通过超导发电机6将机械能转化为电能并存储在超导储能装置2内，超导储能装置2将电能超导至第一超导电机10和第二超导电机11，第一超导电机10和第二超导电机11驱动主动轮转动，在此过程中，超导主动悬架4可以根据履带车辆的运动和路面状态，适时地调节超导主动悬架4的刚度和阻尼，且超导悬架控制器9可能将收集到的能量转化为电能储存在超导储能装置2内。

在上述过程中，第一冷却回路的液氮走向为低温制冷机5-超导发电机6-超导储能装置2-超导悬架控制器9-超导主动悬架4-低温制冷机5，第二冷却回路的液氮走向为低温制冷机5-超导发电机6-超导储能装置2-超导电机控制器12-第一超导电机10-第二超导电机11-超导电机控制器12-超导主动悬架4-低温制冷机5，从而实现对各部件的冷却。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种超导电驱动履带车辆构型，其特征在于，包括用于提供机械能的发动机(1)、用于储存电能的超导储能装置(2)、两相对设置的主动轮(3)、超导主动悬架(4)、低温制冷机(5)，所述发动机(1)通过超导发电机(6)与所述超导储能装置(2)电性连接，所述超导储能装置(2)与两所述主动轮(3)传动连接；

所述超导发电机(6)、所述超导储能装置(2)、所述超导主动悬架(4)、所述低温制冷机(5)构成第一冷却回路；

所述超导发电机(6)、所述超导储能装置(2)、两所述主动轮(3)、所述超导主动悬架(4)、所述低温制冷机(5)构成第二冷却回路；

所述第一冷却回路和所述第二冷却回路内均设置有用于连通各部件的液氮管路(7)和超导电缆(8)。

2.根据权利要求1所述的超导电驱动履带车辆构型，其特征在于：所述第一冷却回路中的所述超导发电机(6)出液端通过所述超导电缆(8)与所述超导储能装置(2)连通，所述超导储能装置(2)出液端通过所述超导电缆(8)连通有超导悬架控制器(9)，所述超导悬架控制器(9)出液端通过所述超导电缆(8)与所述超导主动悬架(4)连通，所述超导主动悬架(4)出液端通过所述液氮管路(7)与所述低温制冷机(5)连通，所述低温制冷机(5)出液端通过超导电缆(8)与所述超导发电机(6)连通。

3.根据权利要求1所述的超导电驱动履带车辆构型，其特征在于：所述第二冷却回路中的所述超导发电机(6)出液端通过所述超导电缆(8)与所述超导储能装置(2)连通，所述超导储能装置(2)出液端通过所述超导电缆(8)连通有第一超导电机(10)，所述第一超导电机(10)出液端通过所述超导电缆(8)连通有第二超导电机(11)，所述第二超导电机(11)出液端与所述超导主动悬架(4)连通，所述超导主动悬架(4)出液端通过所述液氮管路(7)与所述低温制冷机(5)连通，所述低温制冷机(5)出液端通过超导电缆(8)与所述超导发电机(6)连通，所述第一超导电机(10)与任一所述主动轮(3)传动连接，所述第二超导电机(11)与另一所述主动轮(3)传动连接。

4.根据权利要求3所述的超导电驱动履带车辆构型，其特征在于：所述第二冷却回路中的所述超导储能装置(2)与所述第一超导电机(10)间设置有超导电机控制器(12)，所述超导储能装置(2)出液端通过所述超导电缆(8)与所述超导电机控制器(12)连通，所述超导电机控制器(12)出液端通过所述超导电缆(8)与所述第一超导电机(10)连通，所述第二超导电机(11)出液端通过所述超导电缆(8)与所述超导电机控制器(12)连通，所述超导电机控制器(12)出液端通过所述液氮管路(7)与所述超导主动悬架(4)连通。

5.根据权利要求1所述的超导电驱动履带车辆构型，其特征在于：所述低温制冷机(5)通过所述液氮管路(7)连通有液氮罐(13)。

6.根据权利要求1所述的超导电驱动履带车辆构型，其特征在于：所述超导主动悬架(4)上设置有负重轮(14)。

7.根据权利要求1所述的超导电驱动履带车辆构型，其特征在于：所述超导电缆(8)用于导电和输送液氮。

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