一种以液氨为介质的机载电机冷却系统

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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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

1、本实用新型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。

2、为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

3、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)；

4、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)；

5、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；

6、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。

7、本实用新型还包括稀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。

8、本实用新型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。

9、本实用新型还包括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。

10、液氨高压储罐(5)内需装有液氨量计算如下：

11、q1＝p1(1-η1)n1t

12、q2＝p2(1-η2)n2t

13、

14、

15、m＝(m1+m2)×l

16、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；cp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。

17、相对于现有技术，本实用新型技术方案取得的有益效果是：

18、1、本实用新型以氨为冷却介质的飞机电机冷却系统，通过氨遇冷实现飞机电机的冷却，氨气的汽化潜热为传统制冷剂的3～10倍，效率高。

19、2、在飞机起飞过程中通过液氨高压储罐液氨遇冷，通过分流器对液氨流量进行有效分配，实现位于机翼并联布置的发电机控制器、发电机、驱动电机控制器、驱动电机冷却，并设有膨胀阀，使液氨压力降低后温度更低，冷却效果更佳。此外，满足冷却效果的同时节省氨气用量，从而减少装液氨高压储罐的体积。

20、3、飞机起飞完成后充分利用外界有利的散热条件，通过冷却空气供应口处的高速对流风散热，简化了冷却系统，并设有ecu电子控制单元，若温度超过阈值，液氨可在风冷时提供第二层保护，整个系统更可靠。

21、4、高温氨气与dsc电池的阳极相连，在阳极分解为h2和n2，产生的h2参加电化学反应、产生电能，催化剂包括但不限于ni基催化剂，如ni/bzy等、ni/ysz催化剂等，氨气的化学能得到充分利用的同时，通过稀h2so4溶液处理了未反应的氨气。