[0001] 本发明属于超导电机领域，更具体地，涉及集成强制对流管路的超导线圈支撑结构、超导电机及系统。

[0002] 超导电机因体积小、功率密度高和效率高等优势，在航空推进、船舶推进以及风电应用中展现出重大的应用前景。作为超导电机中的关键部件，超导励磁线圈在为电机提供可观的磁负荷的同时，也承受巨大的电磁力。因此，需要将超导线圈固定在支撑结构上形成超导磁体。同时，超导材料需要在低温环境下才可以进入超导态。因此，需要配套低温冷却系统以维持超导线圈的正常工作。

[0003] 目前航空超导电机常用的冷却方式为强制对流冷却。强制对流冷却采用迫流装置(即泵体)使冷却介质流经低温系统内置的冷却结构，通过强制对流换热将冷量导入到超导组件，之后回流到冷源处，达到循环制冷目的，冷却过程中一般不发生冷却介质的相变，强制对流冷却具有较低的冷却介质消耗。

[0004] 为了对超导线圈进行有效冷却，现有的超导电机中设计了相应的冷却回路。在申请公布号为KR20040009489A的专利文件中，公开了一种内置冷却系统的超导转子，其中高压气体借助旋转接头组件从静止的压缩机流入到内杜瓦，在励磁线圈的内部设置有具有活塞的脉冲管式制冷机的冷却端，以通过传导冷却来进行冷却，从而能够在冷却至工作温度之后进行工作。该专利所设计的冷却回路能够热传导的原理对超导线圈进行冷却，但是，其对于冷却介质冷量的利用不充分，很容易造成磁体冷却不均匀、局部过温。

[0005] 在申请公布号为CN115955080A的专利文件中，公开了一种机载液氢冷却高温超导直流电机动力系统，其中的冷却系统用于超导定子励磁系统进行冷却，由机载液氢冷却从机载液氢储罐出发，通过电磁阀门进入流量控制器，通过流量控制器进入高温超导定子励磁系统中的线圈盒腔体内部，通过连接液氢进口法兰为跑道形超导线圈提供冷却。该方案需要额外设置线圈盒腔体，对其上的超导磁体进行冷却，也仍然存在对冷却介质冷量利用不充分的问题。

[0006] 总体而言，现有的超导电机冷却回路设计，存在冷却介质冷量利用不充分，易造成磁体冷却不均匀、局部过温的问题。

[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0036] 在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

[0037] 为了解决现有的超导线圈冷却回路设计对于冷却介质利用率低，冷却效果有限的问题，本发明提供了集成强制对流管路的超导线圈支撑结构、超导电机及系统，其整体思路在于：在不影响支撑结构支撑功能的情况下，将冷却介质的强制对流管路集成到超导线圈支撑结构内部，并对强制对流管路进行优化设计，提高冷却介质利用率，从而提高超导线圈冷却效果。

[0038] 以下为实施例。

[0039] 实施例1：

[0040] 一种集成强制对流管路的超导线圈支撑结构，如图1、图2和图3所示，包括：跑道形的下盖板41和上盖板42；

[0041] 下盖板42内部设有轴向延伸的腔体43，腔体43作为冷却介质的强制对流管路；腔体43内设置有沿腔体两侧壁交错分布的隔板44，隔板44的宽度大于腔体宽度的一半且小于腔体宽度；

[0042] 下盖板的外周有若干导冷板45，相邻导冷板45间存在间隙，用于设置超导线圈；

[0043] 上盖板41或下盖板42上设置有与腔体的轴向一端连通的冷却介质入口；上盖板或下盖板上设置有与腔体的轴向另一端连通的冷却介质出口。

[0044] 本实施例在超导线圈支撑结构内部设置腔体的方式设计冷却介质的强制对流管路，使得支撑结构在为超导线圈提供支撑的同时，可将冷却介质的冷量传递到超导线圈。由于强制对流管路位于超导线圈内部，在冷却介质沿该强制对流管路流动时，可以对超导线圈进行均匀冷却。

[0045] 超导线圈的支撑结构除了必须承受电磁力、热应力和离心力外，还必须承受超导线圈自身的磁拉力，因为超导线圈一般会绕制成跑道型线圈，磁体两边会受到相互之间的排斥力，使其有扩张成圆形线圈的趋势，由于超导线圈的安匝数比较高，这个力负荷不可忽视。

[0046] 为了在集成强制对流管路的情况下不影响支撑结构的支撑能力，如图2所示，本实施例对支撑结构作出了如下优化设计：在腔体内壁设置间隔排布的隔板，隔板高度与上下盖板间的间距相同，能够在内部设置腔体的情况下也保证足够的支撑力。

[0047] 为了进一步优化冷却介质的强制对流管路，如图3所示，本实施例中，下盖板腔体内的隔板的设置方式具体是沿腔体两侧壁交错分布的隔板，隔板的宽度大于腔体宽度的一半且小于腔体宽度，基于这样的设计，在保证支撑结构支撑强度的同时，一方面增加了冷却面积，增强了冷却介质的利用率，另一方面加强了腔体内介质的流动速度，提升了其对流换热系数，进一步提高冷却效率。

[0048] 本实施例从冷却效果的角度出发，对比了设置隔板和不设置隔板时，对于5个双饼3
线圈的冷却效果，带材损耗密度为8100W/m，通入入口流速25m/s、18K的氦气，设置隔板时超导线圈支撑结构上带材的平均温度有6K的降低，设置隔板时，相较于无隔板的空腔结构，对流换热系数有着较大的提升，且流量越大，对流换热系数的提升效果越明显。这说明，本实施例借助隔板对冷却腔中的冷却介质通道进行优化后，对冷却介质的利用明显优化，且加工简单，成本较低。

[0049] 为了兼顾支撑性能和导冷性能，可选地，本实施例中，上盖板、下盖板、导冷板以及隔板均由铜制成。应当说明的是，此处仅为一种可选的实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，也可使用无氧铜、铝青铜等同时具有较好的支撑性能和导冷性能的材料。

[0050] 冷却时，冷却介质经冷却介质入口流入强制对流管路，通过对流换热将冷却介质的冷量导入导冷板及支撑结构侧壁，导冷板与支撑结构侧壁与超导线圈进行传导换热，进而将超导线圈冷却至工作温度。

[0051] 总体而言，本实施例所提供的超导线圈支撑结构，将强制对流管路集成到了支撑结构内部，并通过设置隔板的方式对强制对流管路进行了优化，同时仅在两端设置导冷板，能够在保证足够支撑力的情况下，有效提高冷却介质的利用率，提高冷却效果。

[0052] 实施例2：

[0053] 一种包括上述实施例1提供的集成强制对流管路的超导线圈支撑结构的超导电机。该超导电机中，超导线圈5绕制于超导线圈支撑结构4中导冷板间的间隙中。超导线圈5与线圈支撑结构4构成的磁体如图4所示。

[0054] 容易理解的是，如图5所示，超导电机通常还包括转子，超导线圈与支撑结构构成的磁体设置于转子轭6外侧，并且超导电机整体位于具有多层隔热结构的杜瓦3中。

[0055] 实施例3：

[0056] 一种超导电机系统，如图5所示，包括：冷却系统和上述实施例2提供的超导电机。

[0057] 本实施例中，冷却系统具体包括用于提供冷量的冷头1，用于将冷量导入冷却介质的冷头换热器2，用于进行非旋转和旋转的转化的旋转接头组件7，三者依次相连；冷却系统的冷量出口与超导线圈支撑结构的冷却介质入口相连，冷却系统的冷量入口与超导线圈支撑结构的冷却介质出口相连。

[0058] 容易理解的是，系统整体处于真空环境中。

[0059] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。