一种以液氨为介质的机载电机冷却系统技术方案

一种以液氨为介质的机载电机冷却系统，包括冷却空气供应口、液氨高压储罐、第一截止阀、温度调节阀、膨胀阀、流量计、分流器、温度传感器、发电机控制器、发电机、驱动电机控制器、驱动电机、第二截止阀、泵、DSC电池；在飞机起飞阶段使用汽化潜热大的液氨作为电机冷却介质，起飞后利用飞机与空气的高速对流实现电机冷却，同时设有ECU，满足冷却效果的同时节省氨气用量，并在风冷时提供第二层保护，最后将充分换热的高温氨气导入DSC电池，氨气热分解产生的氢气参加电化学反应并产生电能。极大改善了飞机电机的工作环境，延长电机最大功率的运转时间，同时实现了对废弃氨气的化学能再利用，达到了更好的安全性，稳定性与经济性。稳定性与经济性。稳定性与经济性。

【技术实现步骤摘要】
一种以液氨为介质的机载电机冷却系统


[0001]本技术涉及机载电机冷却领域，尤其涉及一种以液氨为介质的机载电机冷却系统。

技术介绍

[0002]飞机电气化被认为是飞机机电系统与动力系统融合的重大革新，已经成为航空技术发展的重要方向。高功率密度、小型化、轻量化和机电一体化等方向发展，造成电机内部发热量急剧增加、有效散热空间严重不足，不仅缩短电机内部绝缘材料的寿命，降低电机运行效率，甚至导致磁性材料去磁，因而飞机电机的冷却问题至关重要。飞机电机发展的一个世纪以来，先后出现了自然冷却、水冷、循油冷却和喷油冷却等冷却方式，其中，随着电机功率密度和热负荷的提高，自然冷却已经很难满足要求；而相同条件下，水的沸点低，水冷效果一般；油冷则因油的黏度较大会增加电机转子旋转时的能量损失，同时成本昂贵。因此，传统冷却方式一方面增加飞机自身重量，成本不低，另一方面换热能力已达极限，无法满足日益提高的飞机电机的散热需求。
[0003]相对于其他的冷却介质，氨的含量很丰富，所以成本很低，制冷级无水氨的成本通常低于每元120克，而R4O4A的成本约为每元9克，R
‑
502的成本为每元4克；除价格外，液氨更大的优势在于它的汽化潜热，作为一种典型制冷剂，其汽化潜热可达1.4MJ/kg，为液氢/液态甲烷汽化潜热的3倍及2.7倍，5
°
F的温度下，它的潜热为314.1Cal/g，而R
‑
22此时仅为38.4Cal/g，氨的效率明显更高，所以更少的氨便能完成工作，这意味着千瓦时和更低的运营成本的降低。因此若能将氨作为冷却介质应用于飞机电机，可大大提高电机的性能，将氨作为制冷剂，制造电机，将成为大势所趋。
[0004]绿色角度而言，美国环境保护局(EPA)鼓励使用氨作为其他制冷剂的理想替代品。由于长久以来像R22这类制冷剂的使用，臭氧层正在遭受重大破坏，若使用氨遇冷则能避免进一步的破坏。
[0005]飞机飞行主要包括四个部分，它们分别是：滑跑、爬升、巡航和降落。电机功率越大，电机的体积和重量也会相应增加，传统飞机电机往往通过增加电机的体积、重量以满足起飞时的大功率，这显然与轻量化，小型化不符，而飞机只有起飞的1～2分钟需要电机大功率运转，为达到大功率选用更大、重型电机显然是不划算的。

技术实现思路

[0006]本技术的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种以液氨为介质的机载电机冷却系统，为满足飞机在爬升阶段电机输出转矩最大，所需功率最多，在这1～2分钟时间内采用氨遇冷，通过有效降低电机温度以延长电机最大功率运转时间，使选用体积、质量更小的电机成为可能。在之后的平飞阶段则充分利用飞机飞行时与空气的高速对流，通过风冷带走电机内部的热量，液氨也可在风冷时提供第二层保护，整个系统更可靠提高驱动电机功率密度与可靠性。
[0007]为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：
[0008]一种以液氨为介质的机载电机冷却系统，其特征在于：包括冷却空气供应口(4)、液氨高压储罐(5)、第一截止阀(6)、温度调节阀(7)、膨胀阀(9)、流量计(10)、分流器(11)、温度传感器(12)、发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)、第二截止阀(17)、泵(18)、DSC电池(19)；
[0009]液氨高压储罐(5)的出口与第一截止阀(6)的入口相连，第一截止阀(6)的出口与温度调节阀(7)的入口相连，温度调节阀(7)的出口与膨胀阀(9)的入口相连，膨胀阀(9)的出口与流量计(10)的入口相连，流量计(10)的出口与分流器(11)的入口相连，分流器(11)将液氨分别引导至发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)；
[0010]发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)并联布置，发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)的进口与分流器(11)的出口相连，发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)的出口与第二截止阀(17)的入口相连，第二截止阀(17)的出口与泵(18)的入口相连，泵(18)的出口与DSC电池(19)的阳极相连，冷却空气供应口(4)与DSC电池(19)的阴极相连；
[0011]泵(18)引导氨气从第二截止阀(17)流入DSC电池(19)阳极，氨气首先在阳极热分解为H2和N2，H2在阳极发生氧化反应，空气则从冷却空气供应口(4)流入DSC电池(19)阴极发生还原反应，在DSC电池(19)处由产生的H2参加电化学反应并产生电能。
[0012]本技术还包括稀H2SO4溶液(20)和气体出口通道(3)，DSC电池(19)阳极未反应的氨气通过稀H2SO4溶液(20)处理后由气体出口通道(3)排放，DSC电池(19)阴极直接与气体出口通道(3)相连，气体出口通道(3)排放DSC电池(19)阴极的剩余空气。
[0013]本技术还包括另一个冷却空气供应口(4)，当飞机起飞完成后，发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)的运行工况发生变化，此时发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)的冷却主要依靠另一个冷却空气供应口(4)处飞机与空气的高速对流实现。
[0014]本技术还包括ECU电子控制单元(8)，所述温度传感器(12)和温度调节阀(7)与ECU电子控制单元(8)相连，ECU电子控制单元(8)通过接收温度传感器(12)的信号控制温度调节阀(7)的开度。
[0015]液氨高压储罐(5)内需装有液氨量计算如下：
[0016]Q1＝P1(1
‑
η1)n1t
[0017]Q2＝P2(1
‑
η2)n2t
[0018][0019][0020]M＝(m1+m2)
×
L
[0021]式中，Q1为发电机(14)、驱动电机(16)发热量，KJ；Q2为发电机控制器(13)、驱动电机控制器(15)发热量，KJ；P1为发电机(14)、驱动电机(16)额定功率，Kw；P2为发电机控制器(13)、驱动电机控制器(15)额定功率，Kw；n1为发电机(14)、驱动电机(16)数量；n2为发电机控制器(13)、驱动电机控制器(15)数量；η1为发电机(14)、驱动电机(16)工作效率；η2为发电
机控制器(13)、驱动电机控制器(15)工作效率；η3为液氨换热效率；t为液氨供应时长，s；c
p
为液氨定压比热，kJ/(kg)；R为液氨汽化潜热，kJ/kg；T1为电机温度，℃；T2为液氨温度，℃；M为液氨总质量，kg；m1为发电机(14)、驱动电机(16)所需液氨质量，kg；m2为发电机控制器(13)、驱动电机控制器(15)所需液氨质量，kg；L为裕度系数。
[0022]相对于现有技术，本技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以液氨为介质的机载电机冷却系统，其特征在于：包括冷却空气供应口(4)、液氨高压储罐(5)、第一截止阀(6)、温度调节阀(7)、膨胀阀(9)、流量计(10)、分流器(11)、温度传感器(12)、发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)、第二截止阀(17)、泵(18)、DSC电池(19)；液氨高压储罐(5)的出口与第一截止阀(6)的入口相连，第一截止阀(6)的出口与温度调节阀(7)的入口相连，温度调节阀(7)的出口与膨胀阀(9)的入口相连，膨胀阀(9)的出口与流量计(10)的入口相连，流量计(10)的出口与分流器(11)的入口相连，分流器(11)将液氨分别引导至发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)；发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)的进口与分流器(11)的出口相连，发电机控制器(13)、发电机(14)、驱动电机控制器(15)、驱动电机(16)的出口与第二截止阀(17)的入口相连，第二截止阀(17)的出口与泵(18)的入口相连，泵(18)的出口与DSC电池(19)的阳极相连，冷却空气供应口(4)与DSC电池(19)的阴极相连；泵(18)引导氨气从第...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱剑锋，刘铭，郭峰，尤延铖，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：新型
国别省市：