CN115955080A - 一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，包括高温超导直流电机系统、电源系统、冷却系统以及信号采集控制系统。高温超导直流电机系统提供更高的磁场、减少励磁绕组的重量和体积；电源系统为超导定子提供精准稳定的直流电源以及为转子组件提供范围可调压的直流电源；冷却系统用于超导定子励磁系统进行冷却，由机载液氢冷却；信号采集系统用于采集、预警和控制，为飞机控制系统提供控制接口。本发明通过将机载液氢与超导电机系统集成，为机载高温超导电机提供了低温环境，实现了机载高温超导直流电机的运行，使飞机提供更高效率的动力系统；同时提高了机载液氢的能量利用率，减少额外冷源重量和体积，进一步提高了飞机的综合性能。

Description

一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统

技术领域

本发明涉及超导电机技术领域，具体为一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统。

背景技术

随着石油等不可再生资源的快速消耗，以及环境问题日趋严重，探索新型清洁能源是目前发展的趋势。我国计划在2030年达到碳达峰，2060年前达到碳中和，传统飞机在飞行中会排放大量的碳、氮等氧化物，研制新型能源客货运飞机已经迫在眉睫。电力驱动飞机是发展的主要方向之一，但纯电飞机受到电池能量密度的制约，面临着续航里程短，载客能力低等困境；油电混合动力飞机可以提高飞机的续航里程等，但未从根本上解决所带来的环境问题；氢电混合动力似乎是最佳的发展路径之一。

氢电混合动力飞机以液氢作为主要燃料，通过氢燃料电池或氢涡轮发电机进行发电，再通过电能驱动电动机为飞机提供动力。传统电机主要线圈材料为铜，电流密度有限，还不可避免会发生铜损。同时为了提高电机气隙磁场，通常还会采用磁导率高的硅钢片作为铁心，但因此会增加超过50%的电机质量，并产生铁损。因此传统的铜电机损耗、效率和功率密度都远远达不到商业航空的需求。

随着高温超导带材和电机技术的发展，超导电机技术目前已逐步成熟，超导电机因其功率密度高、体积小、效率高等优点，在很多领域都得到了广泛的应用。但超导电机的核心组件—超导线圈需要工作在极低的温度环境中，这对超导电机的应用产生了阻碍。

中国专利CN112564452A-一种采用液氢喷雾冷却的全超导爪极电机，其公开了包括转子结构、定子结构、真空隔热结构、超导电枢绕组、超导励磁绕组、液氢喷雾冷却结构和轴向双通道磁通回路；液氢喷雾冷却充分地发挥了液氢的汽化潜热能力，使得全超导电机冷却结构紧凑，提高了电机的功率密度；但其液氢喷雾冷却能力有限，不能对超导线圈将其降至极低温的条件。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，以解决超导电机在飞机上冷却困难的问题，附加体积大，集成程度低的问题，进一步改善机载超导电机动力系统的综合效率，降低系统重量和尺寸，以解决上述背景技术中提出的技术问题；为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，包括高温超导直流电机系统、电源系统和冷却系统，所述高温超导直流电机系统同时连接电源系统、冷却系统；所述电源系统对高温超导直流电机系统提供电能，所述冷却系统对高温超导直流电机系统中的高温超导定子励磁系统进行液氢冷却，所述高温超导定子励磁系统内设转子组件，所述高温超导定子励磁系统外设超导电机壳体；

所述高温超导定子励磁系统包括高温超导线圈组件，所述高温超导线圈组件设置在线圈盒腔体内，所述线圈盒腔体外围的前后两端连接低温绝热系统，所述低温绝热系统设置在高真空杜瓦内。

优选的，所述高温超导线圈组件包括线圈骨架，所述线圈骨架安装在线圈支撑结构外围的四个方向上，所述线圈骨架上绕制跑道形YBCO超导线圈，所述跑道形YBCO超导线圈与线圈骨架之间设置导热板，所述线圈骨架通过紧固压板将跑道形YBCO超导线圈平齐压紧；相邻跑道形YBCO超导线圈电流方向相反，所述跑道形YBCO超导线圈延伸出来的超导带材焊接串联形成超导-超导接头，串联电路两端的带材通过与铜焊接形成超导-铜接头，所述超导-铜接头连接电流引线；所述超导-超导接头和超导-铜接头均安装在线圈支撑结构的角落上。

优选的，所述线圈支撑结构为长方体结构且内设通孔，所述线圈支撑结构前上端两角安装超导接头支撑结构，所述超导接头支撑结构上安装超导-超导接头，所述线圈盒腔体后端设置线圈盒端盖，所述线圈盒端盖后侧两端通过金属波纹管各连接液氢出口法兰和液氢进口法兰，用于液氢的进入和流出使用，所述线圈盒端盖边缘设置多个线圈盒吊耳。

优选的，所述低温绝热系统包括多个轴向拉杆，所述轴向拉杆的两端分别连接在线圈盒腔体前后侧设置的隔热盘的周向边缘，通过调节轴向拉杆的长度，将隔热盘紧固在线圈盒腔体前后两端。

优选的，所述高真空杜瓦设置杜瓦内壁吊耳，所述杜瓦内壁吊耳与低温绝热系统中的轴向拉杆连接，将线圈盒腔体和低温绝热系统固定在高真空杜瓦内，所述高真空杜瓦两侧设置高真空杜瓦端盖，所述高真空杜瓦端盖内设置电流引线盒，其中一侧的高真空杜瓦端盖连接真空抽口法兰和杜瓦液氢接口真空法兰，所述杜瓦液氢接口真空法兰分别套接在液氢出口法兰和液氢进口法兰外。

优选的，所述转子组件包括电机转轴，所述电机转轴外设置转子铁心，所述转子铁心上缠绕多层转子线圈，所述电机转轴前后两端各设置角接触球轴承，所述角接触球轴承前端设置轴承盖板，所述轴承盖板与超导电机壳体的电机壳体端盖中心处固定连接。

优选的，所述超导电机壳体包括保护壳，所述保护壳前后两端各设置电机壳体端盖，所述电机壳体端盖外侧均匀设置多个电机安装吊耳。

优选的，所述电源系统包括高温超导电源和转子调速电源，所述高温超导电源连接高温超导定子励磁系统，所述转子调速电源连接转子组件。

优选的，所述冷却系统包括机载液氢储罐，所述机载液氢储罐上端连接氢气储罐进而形成氢气回收回路，同时氢气回收回路的前管段设置泄压阀门；所述机载液氢储罐还连接蒸发器、所述蒸发器连接氢气储罐进而形成液氢回收回路，同时液氢回收回路的前管段设置电磁阀门；所述机载液氢储罐依次连接流量控制器、高温超导定子励磁系统形成液氢冷却回路，所述液氢冷却回路的各管段上设置电磁阀门；所述流量控制器和高温超导定子励磁系统分别连接氢气回收回路和液氢回收回路的后管段，所述氢气回收回路与流量控制器、高温超导定子励磁系统连接的管段上各设置泄压阀门，所述液氢回收回路流量控制器、高温超导定子励磁系统连接的管段上各设置电磁阀门；所述机载液氢储罐采用多重隔热结构，具有真空夹层，内壁表面涂有复合材料薄膜，以防止氢渗透和氢脆化。

优选的，所述高温超导直流电机系统还包括信号采集控制系统，所述信号采集控制系统对高温超导定子励磁系统、电源系统以及冷却系统进行信号采集控制以及预警通知，所述信号采集控制系统包括采集模块、控制模块以及预警模块和通讯模块，所述采集模块与预警模块及控制模块通过通讯模块相连，实现各模块间的通讯和协同操作，并通过通讯模块与飞机总控系统相连，接收和发送总控系统的指令；所述采集模块包括电连接的液氢冷却回路温度采集模块、液氢冷却回路流量采集模块、液氢冷却回路压力采集模块、氢气含量采集模块、超导线圈电流电压采集模块、磁场采集模块、转速转矩采集模块；所述控制模块包括电连接的液氢冷却回路流量控制端、冷却回路压力控制端、电磁阀门控制端、超导电源控制端、转子转速控制端；所述预警模块包括电连接的失超预警器、温度预警器、压力预警器。

优选的，所述线圈盒腔体外壁和高真空杜瓦内壁均采用高强度铝合金材料加工而成，线圈盒腔体外壁和高真空杜瓦内壁的热辐射系数小于0.05。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种机载液氢冷却的高温超导直流电机动力系统，采用机载液氢的冷量作为超导线圈的冷源，因此避免了机载环境下携带额外的低温液体，减少系统的总重量和体积，提高了系统整体的能量利用效率，超导线圈工作于20K液氢温区，具有更好的临界电流特性和载流性能。同时利用了机载液氢的冷量，实现了高温超导直流电机动力系统在飞机上的搭载，为飞机提供更高的功率密度，减少了动力系统的体积和重量，进一步减少了飞机综合系统的损耗，提高了效率。

附图说明

图1为本发明实施例机载液氢冷却的高温超导直流电机动力系统的结构示意图。

图2为本发明实施例电源系统的应用示意图。

图3为本发明实施例冷却系统的结构示意图。

图4为本发明实施例高温超导直流电机系统的前向结构示意图。

图5为本发明实施例高温超导直流电机系统的后向结构示意图。

图6为本发明实施例线圈盒腔体和低温绝热系统的结构示意图。

图7为本发明实施例高温超导定子励磁系统和转子组件的部分结构示意图。

图8为本发明转子组件与线圈盒端盖、高真空杜瓦端盖以及电机壳体端盖的部分内部结构示意图。

图中：1、高温超导直流电机系统；2、电源系统；21高温超导电源；22、转子调速电源；3、冷却系统；31、机载液氢储罐；32、液氢冷却回路；33、流量控制器；34、液氢回收回路；35、氢气回收回路；36、泄压阀门；37、电磁阀门；38、蒸发器；39、氢气储罐；4、信号采集控制系统；5、高温超导定子励磁系统；51、高温超导线圈组件；511、跑道形YBCO超导线圈；512、导热板；513、线圈骨架；514、超导-超导接头；515、超导-铜接头；516、电流引线；517、紧固压板；52、线圈盒腔体；521、线圈支撑结构；522、超导接头支撑结构；523、线圈盒端盖；524、液氢出口法兰；525、线圈盒吊耳；526、液氢进口法兰；527、金属波纹管；53、低温绝热系统；531、轴向拉杆；532、隔热盘；54、高真空杜瓦；541、杜瓦内壁吊耳；542、真空抽口法兰；543、电流引线盒；544、杜瓦液氢接口真空法兰；545、高真空杜瓦端盖；6、转子组件；61、电机转轴；62、转子铁心；63、转子线圈；64、角接触球轴承；65、轴承盖板；7、超导电机壳体；71、保护壳；72、电机壳体端盖；73、电机安装吊耳。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。

一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统：

如图1所示，本发明实施例的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，包括高温超导直流电机系统1、电源系统2、冷却系统3以及信号采集控制系统4，高温超导直流电机系统1同时连接电源系统2、冷却系统3以及信号采集控制系统4，电源系统2对高温超导直流电机系统1提供电能，冷却系统3对高温超导定子励磁系统5进行液氢冷却，信号采集控制系统4对高温超导定子励磁系统5、电源系统2以及冷却系统3进行信号采集控制以及预警通知。

如图2、图4-图7所示，高温超导直流电机系统1包括高温超导定子励磁系统5，高温超导定子励磁系统5内设转子组件6，高温超导定子励磁系统5外设超导电机壳体7；高温超导定子励磁系统5包括高温超导线圈组件51，高温超导线圈组件51设置在线圈盒腔体52内，线圈盒腔体52外围的前后两端连接低温绝热系统53，低温绝热系统53设置在高真空杜瓦54内。

如图4和图7所示，高温超导线圈组件51包括线圈骨架513，线圈骨架513采用整体铝合金材料加工，线圈骨架513安装在线圈支撑结构521孔径外围的四个方向上，线圈骨架513上绕制跑道形YBCO超导线圈511，跑道形YBCO超导线圈511与线圈骨架513之间设置导热板512，导热板512为1mm厚的铜导热板，能增加有效散热面积；线圈骨架513通过紧固压板517将跑道形YBCO超导线圈511平齐压紧；相邻跑道形YBCO超导线圈511电流方向相反，跑道形YBCO超导线圈511延伸出来的超导带材焊接串联形成超导-超导接头514，串联电路两端的带材通过与铜焊接形成超导-铜接头515，超导-铜接头515连接电流引线516，电流引线516总长度为500mm，安装在电流引线盒543内；超导-超导接头514和超导-铜接头515均安装在线圈支撑结构521的角落上。

如图4和图5所示，线圈盒腔体52内设置线圈支撑结构521，线圈支撑结构521为长方体结构且内设通孔，线圈支撑结构521前上端两角安装超导接头支撑结构522，超导接头支撑结构522上安装超导-超导接头514，线圈盒腔体52后端设置线圈盒端盖523，线圈盒端盖523后侧两端通过金属波纹管527各连接液氢出口法兰524和液氢进口法兰526，液氢进口法兰526安装线圈盒端盖523的下方，液氢出口法兰524安装在线圈盒端盖523的上方，液氢出口法兰524和液氢进口法兰526与线圈盒端盖523设置的一段金属波纹管527，是增加法兰口与外部液氢冷却循环管路的柔性连接，用于液氢的进入和流出使用；线圈盒腔体52在两端的外壁边沿安装线圈盒吊耳525，通过复合材料螺栓与隔热盘532的一端进行安装，隔热盘532的另一端通过G10轴向拉杆531安装在高真空杜瓦54内壁的杜瓦内壁吊耳541上，保证线圈盒腔体52与外部空气有效隔热；线圈盒腔体52外壁和高真空杜瓦54内壁均采用高强度铝合金材料加工而成，线圈盒腔体52外壁和高真空杜瓦54内壁的热辐射系数小于0.05。

如图6所示，本发明实施例的线圈盒腔体52和低温绝热系统53，低温绝热系统53包括多个轴向拉杆531，轴向拉杆531的两端分别连接在前后隔热盘532的侧面，通过调节轴向拉杆531的长度，将隔热盘532紧固在线圈盒腔体52前后两端；如图4所示，线圈盒腔体52通过线圈盒吊耳525与隔热盘532相连，隔热盘532上设有与线圈盒吊耳525交错的吊耳，用来连接轴向拉杆531，传热路径为：线圈盒腔体52—隔热盘532—轴向拉杆531—高真空杜瓦54。

如图6和图7所示，本发明实施例的高温超导定子励磁系统5和转子组件6的部分结构，在运行时可将跑道形YBCO超导线圈511靠近线圈骨架513一面热量导出，线圈骨架513通过螺栓安装在线圈盒腔体52内部的线圈支撑结构521上，在运行时电流由高温超导电源21通过电流引线516经铜端子到达超导-铜接头515，最后进入跑道形YBCO超导线圈511，相邻的跑道形YBCO超导线圈511引出超导带材通过焊接形成超导-超导接头514连接，相邻跑道形YBCO超导线圈511电流方向相反，为转子组件6提供交替的励磁磁场；超导-铜接头515和超导-超导接头514固定在线圈盒腔体52内部的超导接头支撑结构522上。

如图4和图8所示，高真空杜瓦54设置杜瓦内壁吊耳541，杜瓦内壁吊耳541与低温绝热系统53中的轴向拉杆531连接，将线圈盒腔体52和低温绝热系统53固定在高真空杜瓦54内，高真空杜瓦54底部连接真空抽口法兰542和杜瓦液氢接口真空法兰544，真空抽口法兰542运行时将内部空气抽出，保持真空环境；杜瓦液氢接口真空法兰544分别套接在液氢出口法兰524和液氢进口法兰526外，高真空杜瓦54底部设置高真空杜瓦端盖545，高真空杜瓦端盖545内设置电流引线盒543。

如图4所示，转子组件6包括电机转轴61，电机转轴61外设置转子铁心62，转子铁心62采用35W250硅钢片冲制叠压而成；电机转轴61采用高强度铝合金材料加工，转子铁心62上缠绕多层转子线圈63，转子线圈63采用2.5mm直径的铜导线绕制；电机转轴61上前后两端各设置角接触球轴承64，电机转轴61两端通过内径为20mm的角接触球轴承64安装在超导电机壳体7上；角接触球轴承64前端设置轴承盖板65，轴承盖板65与超导电机壳体7的电机壳体端盖72中心处固定连接。超导电机壳体7包括保护壳71，保护壳71前后两端各设置电机壳体端盖72，电机壳体端盖72外侧均匀设置多个电机安装吊耳73，用于在飞机上的总体集成，超导电机壳体7采用高强铝合金加工，两端面通过8根筋板加强结构强度，两端面靠近轴线处用于安装转子组件6，端面远离轴线处用于安装高温超导定子励磁系统5。转子组件6的转子线圈63绕在安装在铝合金电机转轴61的转子铁心62上，电机转轴61两端通过角接触球轴承64安装在超导电机壳体7上，并在角接触球轴承64的两边安装轴承盖板65，以防止角接触球轴承64内部进入杂质影响转子组件6的运行；电机通过电机安装吊耳73与飞机系统进行总装。

如图1所示，本发明实施例的电源系统为高温超导直流电机系统1提供安全稳定的直流电。如图2所示，本发明实施例的电源系统2，电源由机载电源提供，通过高温超导电源21为高温超导定子励磁系统5提供0-80A的直流电源，通过转子调速电源22为转子组件6提供12–64V的可调压直流电。其电源系统2包括高温超导电源21和转子调速电源22，高温超导电源21连接高温超导定子励磁系统5，转子调速电源22连接转子组件6；其中高温超导电源21包括直流电源组件、失超保护组件、散热组件、通讯组件，直流电源组件包括目标电流设定模块、过压保护电压设置模块、最大电流值设定模块、电流上升/下降速率设定模块，为高温超导磁体提供高精度稳定电流。直流电源组件总体具有基准缓升功能，开机后输出电压在设定时间内升到电流设定值，失超保护组件具有过流、过温保护功能，通讯组件采用RS485进行通讯；转子调速电源22包括调压稳压组件、通讯组件、为转子提供连续可调电流；转子调速电源22具有RS485通讯功能，能够与高温超导电源21协同操作。

如图1所示，本发明实施例的冷却系统3，主要为高温超导定子励磁系统5提供20K的环境温度。如图3所示，本发明实施例的冷却系统3，液氢从机载液氢储罐31出发，进入液氢冷却回路32，通过流量控制器33和电磁阀门37到高温超导定子励磁系统5中，为高温超导线圈组件51提供20K以下的运行温度；在整个液氢循环过程中，所气化蒸发产生的氢气被采集模块监测，高温超导定子励磁系统5产生的氢气，通过打开高温超导定子励磁系统5与氢气储罐39之间的泄压阀门36，经氢气回收回路35进入氢气储罐39，氢气储罐39中的氢气用于后续的发电；冷却循环剩余的液氢通过打开高温超导定子励磁系统5与氢气储罐39之间的电磁阀门37，经蒸发器38将液氢汽化成氢气，经液氢回收回路34回收至氢气储罐39中。其冷却系统3的结构组成包括机载液氢储罐31，机载液氢储罐31上端连接氢气储罐39进而形成氢气回收回路35，同时氢气回收回路35的前管段设置泄压阀门36；机载液氢储罐31还连接蒸发器38、蒸发器38连接氢气储罐39进而形成液氢回收回路34，同时液氢回收回路34的前管段设置电磁阀门37；机载液氢储罐31依次连接流量控制器33、高温超导定子励磁系统5形成液氢冷却回路32，液氢冷却回路32的各管段上设置电磁阀门37；流量控制器33和高温超导定子励磁系统5分别连接氢气回收回路35和液氢回收回路34的后管段，氢气回收回路35与流量控制器33、高温超导定子励磁系统5连接的管段上各设置泄压阀门36，液氢回收回路34流量控制器33、高温超导定子励磁系统5连接的管段上各设置电磁阀门37；机载液氢储罐31采用多重隔热结构，具有真空夹层，内壁表面涂有复合材料薄膜，以防止氢渗透和氢脆化。

如图4和图8所示，从机载液氢储罐31出发，通过电磁阀门37进入流量控制器33，通过流量控制器33进入高温超导定子励磁系统5中的线圈盒腔体52内部，通过连接液氢进口法兰526为跑道形YBCO超导线圈511提供冷却；在整个液氢冷却回路32中，气化蒸发的氢气由氢气回收回路35进行回收，剩余的液氢经蒸发器38汽化，将氢气存储在氢气储罐39中；完成冷却循环后的剩余液氢通过液氢出口法兰524由液氢回收回路34进入氢气储罐39中；同时在冷却高温超导定子励磁系统5后，产生的氢气和剩余的液氢的回收共同连接液氢出口法兰524，高温超导定子励磁系统5正常工作时，高温超导定子励磁系统5内部只有一部分液氢会气化，变成氢气，只需要对氢气进行回收；当高温超导定子励磁系统5停止运行或故障时，此时通过液氢出口法兰524回收高温超导定子励磁系统5内部的液氢，也就是说高温超导定子励磁系统5正常工作时，高温超导定子励磁系统5至氢气储罐39的液氢回收回路34处于关闭状态，氢气回收回路35的路线打开；若高温超导定子励磁系统5故障或关闭时，高温超导定子励磁系统5至氢气储罐39的氢气回收回路35处于关闭状态，液氢回收回路34打开状态。

在启动高温超导定子励磁系统5时，液氢流入流量控制器33，因内部压力不足，会有一小部分液氢转化为氢气，因氢气流入至高温超导定子励磁系统5中没有冷却作用，为了避免氢气输出至高温超导定子励磁系统5，部分气化后的氢气通过氢气回收回路35一并流入至氢气储罐中；其次氢气回收回路35分别连接机载液氢储罐31的上方和氢气储罐39，目的是将机载液氢储罐31中因外部热量以及内部空余处的压力不足而产生的氢气直接流入至氢气储罐39中，避免输入进流量控制器33的液氢比例不足，导致冷却高温超导定子励磁系统5变差；最后，机载液氢储罐31通过液氢回收回路34连接流量控制器33的目的是，在初始或进一步加强高温超导定子励磁系统5的冷却效果时，打开两处电磁阀门37，将液氢进一步通过流量控制器33输入至高温超导定子励磁系统5中，增加冷却效果，且冷却效果呈指数级上升，同时在高温超导定子励磁系统5运行停止时，关闭机载液氢储罐31处的电磁阀门37，流量控制器33中剩余的液氢通过液氢回收回路34，经蒸发器38汽化液氢后的氢气汇入至氢气储罐39中。

如图1所示，本发明实施例的信号采集控制系统4，主要分别对电源系统2、冷却系统3、高温超导定子励磁系统5进行监测、预警和控制；采集模块与预警模块及控制模块通过通讯模块相连，实现各模块间的通讯和协同操作，并通过通讯模块与飞机总控系统相连，接受和发送总控系统的指令；采集模块包括电连接的液氢冷却回路温度采集模块、液氢冷却回路流量采集模块、液氢冷却回路压力采集模块、氢气含量采集模块、超导线圈电流电压采集模块、磁场采集模块、转速转矩采集模块；控制模块包括电连接的液氢冷却回路流量控制端、冷却回路压力控制端、电磁阀门控制端、超导电源控制端、转子转速控制端；预警模块包括电连接的失超预警器、温度预警器、压力预警器，同时具备与飞机总控系统通讯的功能。

工作原理：通过真空抽口法兰542将高真空杜瓦545内部空气抽空，同时接通冷却系统3以及采集控制模块4，冷却系统3采用液氢冷却，线圈盒腔体52通过设置在线圈盒端盖523上的液氢进口法兰524与外部液氢冷却回路32连接，使安装在线圈盒腔体52内部线圈支撑结构521的4个跑道形YBCO超导线圈511的工作温度控制在20K；接通电源，电源系统2由机载电源提供12V-24V直流电，通过高温超导电源21为高温超导定子励磁系统5提供稳定的直流电和失超保护，通过转子调速电源22为转子组件6供电，转子组件6在高温超导定子励磁系统5的作用下，产生按规定的转矩和转速进行旋转；超导电机壳体7为转子组件6和高温超导定子励磁系统5提供支撑，冷却系统中的液氢由机载液氢储罐31，经流量控制器33和电磁阀门37进入线圈盒腔体52内部，剩余液氢由液氢回收回路34以及冷却后直接生成的氢气由氢气回收回路35，均统一将氢气汇入至氢气储罐39中；采集控制模块4对电源系统2、冷却系统3的信号以及高温超导定子励磁系统5中各回路、管道内部进行压力、流量、温度一系类采集和预警模块以及调控，在发现各部分异常的运行情况下，通过采集控制系统4与飞机总控系统进行通讯，进行减压、限流、调控等操作，确保系统的稳定运行。

本发明采用机载液氢的冷量作为超导线圈的冷源，因此避免了机载环境下携带额外的低温液体，减少系统的总重量和体积，提高了系统整体的能量利用效率，超导线圈工作于20K液氢温区，具有更好的临界电流特性和载流性能。同时利用了机载液氢的冷量，实现了高温超导直流电机动力系统在飞机上的搭载，为飞机提供更高的功率密度，减少了动力系统的体积和重量，进一步减少了飞机综合系统的损耗，提高了效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (11)

1.一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，包括高温超导直流电机系统（1）、电源系统（2）和冷却系统（3），所述高温超导直流电机系统（1）同时连接电源系统（2）、冷却系统（3）；所述电源系统（2）对高温超导直流电机系统（1）提供电能，所述冷却系统（3）对高温超导直流电机系统（1）中的高温超导定子励磁系统（5）进行液氢冷却，所述高温超导定子励磁系统（5）内设转子组件（6），所述高温超导定子励磁系统（5）外设超导电机壳体（7）；

所述高温超导定子励磁系统（5）包括高温超导线圈组件（51），所述高温超导线圈组件（51）设置在线圈盒腔体（52）内，所述线圈盒腔体（52）外围的前后两端连接低温绝热系统（53），所述低温绝热系统（53）设置在高真空杜瓦（54）内。

2.根据权利要求1所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述高温超导线圈组件（51）包括线圈骨架（513），所述线圈骨架（513）安装在线圈支撑结构（521）外围的四个方向上，所述线圈骨架（513）上绕制跑道形YBCO超导线圈（511），所述跑道形YBCO超导线圈（511）与线圈骨架（513）之间设置导热板（512），所述线圈骨架（513）通过紧固压板（517）将跑道形YBCO超导线圈（511）平齐压紧；相邻跑道形YBCO超导线圈（511）电流方向相反，所述跑道形YBCO超导线圈（511）延伸出来的超导带材焊接串联形成超导-超导接头（514），串联电路两端的带材通过与铜焊接形成超导-铜接头（515），所述超导-铜接头（515）连接电流引线（516）；所述超导-超导接头（514）和超导-铜接头（515）均安装在线圈支撑结构（521）的角落上。

3.根据权利要求2所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述线圈支撑结构（521）为长方体结构且内设通孔，所述线圈支撑结构（521）前上端两角安装超导接头支撑结构（522），所述超导接头支撑结构（522）上安装超导-超导接头（514），所述线圈盒腔体（52）后端设置线圈盒端盖（523），所述线圈盒端盖（523）后侧两端通过金属波纹管（527）各连接液氢出口法兰（524）和液氢进口法兰（526），用于液氢的进入和流出使用，所述线圈盒端盖（523）边缘设置多个线圈盒吊耳（525）。

4.根据权利要求1所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述低温绝热系统（53）包括多个轴向拉杆（531），所述轴向拉杆（531）的两端分别连接在线圈盒腔体（52）前后侧设置的隔热盘（532）的周向边缘，通过调节轴向拉杆（531）的长度，将隔热盘（532）紧固在线圈盒腔体（52）前后两端。

5.根据权利要求3所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述高真空杜瓦（54）设置杜瓦内壁吊耳（541），所述杜瓦内壁吊耳（541）与低温绝热系统（53）中的轴向拉杆（531）连接，将线圈盒腔体（52）和低温绝热系统（53）固定在高真空杜瓦（54）内，所述高真空杜瓦（54）两侧设置高真空杜瓦端盖（545），所述高真空杜瓦端盖（545）内设置电流引线盒（543），其中一侧的高真空杜瓦端盖（545）连接真空抽口法兰（542）和杜瓦液氢接口真空法兰（544），所述杜瓦液氢接口真空法兰（544）分别套接在液氢出口法兰（524）和液氢进口法兰（526）外。

6.根据权利要求1所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述转子组件（6）包括电机转轴（61），所述电机转轴（61）外设置转子铁心（62），所述转子铁心（62）上缠绕多层转子线圈（63），所述电机转轴（61）前后两端各设置角接触球轴承（64），所述角接触球轴承（64）前端设置轴承盖板（65），所述轴承盖板（65）与超导电机壳体（7）的电机壳体端盖（72）中心处固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述超导电机壳体（7）包括保护壳（71），所述保护壳（71）前后两端各设置电机壳体端盖（72），所述电机壳体端盖（72）外侧均匀设置多个电机安装吊耳（73）。

8.根据权利要求1所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述电源系统（2）包括高温超导电源（21）和转子调速电源（22），所述高温超导电源（21）连接高温超导定子励磁系统（5），所述转子调速电源（22）连接转子组件（6）。

9.根据权利要求1所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述冷却系统（3）包括机载液氢储罐（31），

所述机载液氢储罐(31)上端连接氢气储罐(39)进而形成氢气回收回路(35)，同时氢气回收回路(35)的前管段设置泄压阀门(36)；所述机载液氢储罐(31)还连接蒸发器(38)、所述蒸发器(38)连接氢气储罐(39)进而形成液氢回收回路(34)，同时液氢回收回路(34)的前管段设置电磁阀门(37)；所述机载液氢储罐(31)依次连接流量控制器(33)、高温超导定子励磁系统(5)形成液氢冷却回路(32)，所述液氢冷却回路(32)的各管段上设置电磁阀门(37)；所述流量控制器(33)和高温超导定子励磁系统(5)分别连接氢气回收回路(35)和液氢回收回路(34)的后管段，所述氢气回收回路(35)与流量控制器(33)、高温超导定子励磁系统(5)连接的管段上各设置泄压阀门(36)，所述液氢回收回路(34)流量控制器(33)、高温超导定子励磁系统(5)连接的管段上各设置电磁阀门(37)；所述机载液氢储罐（31）采用多重隔热结构，具有真空夹层，内壁表面涂有复合材料薄膜，以防止氢渗透和氢脆化。

10.根据权利要求1所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述高温超导直流电机系统（1）还包括信号采集控制系统（4），所述信号采集控制系统（4）对高温超导定子励磁系统（5）、电源系统（2）以及冷却系统（3）进行信号采集控制以及预警通知，所述信号采集控制系统（4）包括采集模块、控制模块以及预警模块和通讯模块，所述采集模块与预警模块及控制模块通过通讯模块相连，实现各模块间的通讯和协同操作，并通过通讯模块与飞机总控系统相连，接收和发送总控系统的指令；所述采集模块包括电连接的液氢冷却回路温度采集模块、液氢冷却回路流量采集模块、液氢冷却回路压力采集模块、氢气含量采集模块、超导线圈电流电压采集模块、磁场采集模块、转速转矩采集模块；所述控制模块包括电连接的液氢冷却回路流量控制端、冷却回路压力控制端、电磁阀门控制端、超导电源控制端、转子转速控制端；所述预警模块包括电连接的失超预警器、温度预警器、压力预警器。

11.根据权利要求1所述的一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其特征在于，所述线圈盒腔体（52）外壁和高真空杜瓦（54）内壁均采用高强度铝合金材料加工而成，线圈盒腔体（52）外壁和高真空杜瓦（54）内壁的热辐射系数小于0.05。

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