CN109152286A - 航空电机起动控制器闭式液冷装置及液冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航空电机起动控制器闭式液冷装置及液冷方法，装置部分包括IGBT模块、液冷循环装置、温度检测装置以及数字控制处理器。结合该装置本发明还提供冷却方法，该方法采用闭式液冷的方式为IGBT模块降温；其次，采用风扇为冷却液降温。采集IGBT模块壳体和冷却液的温度，利用数字控制处理器的数字控制方式控制水泵和风扇，调节冷却液的流速，使电机起动控制器在瞬时过载时可以降低IGBT模块瞬时高温的冲击，保证起动控制器安全可靠运行。本发明的装置在起动控制器内部形成闭式液冷循环装置，不同于传统开放式和借助飞机机载的集中式的冷却装置，简化了冷却装置管道，缩小了体积、减轻了重量，提高了散热效率和冷却装置的稳定性。

Description

航空电机起动控制器闭式液冷装置及液冷方法

技术领域

本发明涉及起动控制器冷却散热领域，具体说是涉及一种航空电机起动控制器闭式液冷装置及液冷方法。

背景技术

随着航空电源技术的不断发展，大型民用飞机供电体制正从现有的恒速恒频、变速恒速逐渐过渡至变频交流和高压直流供电体制。不管飞机供电体制采用变频交流系统还是高压直流系统，航空电机作为起动发电机成为发展的趋势，一方面其在飞机运行过程中作为发电机，为机载设备供电；另一方面，其在飞机发动机起动的过程中作为起动机，输出起动力矩。航空电机起动控制器是航空电源系统的核心组件，主要实现航空起动发电机的运行、加速、停止等功能。在飞机发动机起动时候，需要航空电机将发动机拖至指定转速。此时就首先需要航空电机起动控制器将航空起动发电机拖动至指定转速。有时由于环境比较恶劣，出现一次起动不成功的情况，则需要起动控制器对电机进行多次起动。

航空电机起动控制器的主要结构为壳体、壳体内部的电路板、IGBT模块和冷却部件等。随着电力电子技术的迅猛发展，IGBT在电机起动控制器中得到了广泛地应用。如今，航空电机起动控制器的功率密度不断提高，但IGBT的散热问题已经慢慢成为制约航空电机起动控制器小型化、轻量化、集成化的主要因素。

在目前的航空飞机中，电机起动控制器的冷却装置大多是开放式或者借助于飞机机载的集中式。开放式装置的通常做法是水箱和水泵放置在起动控制器外部，与起动控制器内部的水道形成冷却回路。如此，电机起动控制器冷却装置占用的空间体积较大、流速固定、散热效率低，使用起来及其不方便且不便于进行控制。而且，我国幅员辽阔，温差很大，起动控制器需要满足不同的高空、地区、气象、季节等条件的要求，若在环境温度及冷却液温度都比较高的工况下(比如夏天高温)电机起动控制器过载使用，IGBT模块将产生大量的热量。如果不对IGBT模块进行快速散热或者其散热效果差，则极易导致IGBT模块过温损坏从而影响起动控制器乃至飞机起动发电系统的安全运行。

针对上述问题，专利公开号为CN105023891A提出了一种金属正多边形结构的IGBT散热器。其采用风冷散热的方式，侧面外壁为光滑面，侧面内壁分布有散热鳍片，散热器下底面安装有风机，散热器侧壁外表面为IGBT模块安装区。但是，该发明采用风冷散热方式，结构复杂、散热效率低，不能最大限度地为功率器件提供散热。

专利公开号为CN105451521A提出了一端设有进水口，另一端设有出水口，连通进水口和出水口的散热水道为直通道的散热结构，电机的冷却装置接入整车的水冷系统。冷却水流经散热水道且与散热结构的内壁充分接触，使得电容和IGBT同时处于散热状态，散热水道具有呈现多边形的外周壁，所述电容固定于散热水道的多边形的一个散热面上，每个IGBT分别安装其它散热面上。该发明虽然采用了水冷散热方式，但是为一种开放式水冷系统且与整车共用冷却装置，不利于控制，散热结构复杂，不能最大限度地为IGBT散热。

发明内容

为解决上述的问题，本发明的目的在于提供了一种散热效果好、轻量化、小型化、集成化高的航空电机起动控制器闭式液冷装置，并提供相对应的液冷方法。在航空电机起动控制器冷却领域中具有重要应用价值。

为了达成上述目的，本发明所采取的技术方案是：

提供了一种航空电机起动控制器闭式液冷装置，所述液冷装置包括IGBT模块、液冷循环装置、温度检测装置以及数字控制处理器；其中，

所述液冷循环装置包括水泵、管道、水箱、散热板和冷却液；所述液冷循环装置与IGBT模块四周完全、紧密地耦合接触，带走所述IGBT模块产生的热量；

所述管道上设有风扇和液冷排对冷却液进行降温处理；

所述数字控制处理器感知IGBT模块壳体温度、水箱内冷却液的温度，从而产生控制信号对所述水泵和风扇进行控制。

进一步的，所述液冷循环装置包括风扇、水泵、管道、水箱、液冷排、散热板和冷却液；

所述管道连接到水箱，在管道中流通冷却液，所述管道连接水泵、散热板，形成闭环回路，所述散热板安装在所述IGBT模块下方，且与IGBT模块四周完全、紧密地耦合接触；

所述管道中还连接有液冷排，风扇安装在所述液冷排的旁边，用于对液冷排吹风。

进一步的，所述散热板内设有空腔、散热板进液口和散热板出液口，空腔形状与IGBT模块相匹配；所述IGBT模块放置在散热板的空腔内；

所述散热板进液口、散热板出液口连接到所述管道中。

进一步的，所述IGBT模块背面接触散热板内部，所述IGBT模块背面设有密集的细小圆形柱体，细小圆形柱体与IGBT模块四周完全、紧密地耦合接触。

进一步的，所述水箱位于起动控制器装置壳体内部的侧面，包括水箱进液口、水箱出液口和水箱加液口，所述水箱进液口与液冷排的出液口相连，水箱出液口与水泵进液口相连；

所述水泵的出液口与散热板进液口相连接，散热板出液口与液冷排进液口相连接。

进一步的，所述温度监测装置包括IGBT模块温度传感器和水箱温度传感器，所述数字控制处理器分别与IGBT模块温度传感器和水箱温度传感器及水泵和水箱相连接。

作为一种优选，所述液冷装置整体封装于壳体内，所述壳体上侧设置对流孔，以便风扇散热的时候空气形成对流。

作为一种优选，所述冷却液为水，或者是水和乙二醇的混合液。

针对上述冷却装置，本发明还提供一种航空电机起动控制器闭式液冷方法，所述方法采用闭式液冷液方式为IGBT模块降温，其次，采用风扇为冷却液降温；通过温度传感器采集所述IGBT模块壳体和水箱内冷却液的温度，通过数字控制处理器的数字控制方式来控制水泵、风扇。

进一步的，当IGBT模块温度超过80℃时，加大水泵的功率，提高冷却液的流速；当IGBT模块温度低于50℃时，减小水泵的功率，降低冷却液的流速；

当水箱温度传感器感知到水箱内冷却液的温度超过70℃时，加大风扇的风速，加快液冷排散热；当水箱温度低于40℃时，减小风扇的风速，减慢液冷排的散热。

采用上述方案后，本发明与现有传统的开放式或与机载共用的冷却装置及冷却方法相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的冷却装置为闭式液冷装置，其水泵和水箱都安装在起动控制器内部，解决了传统的开放式液冷装置体积大、冷却管道冗长、成本高等问题。

(2)本发明提供的闭式液冷装置中，水泵、散热板、IGBT模块、液冷排、风扇、水箱等部件通过管道连接起来形成闭式液冷循环装置，结构简单，设计巧妙，组装灵活，安装维护方便。

(3)本发明提供的闭式液冷装置采用液冷排和高风压风扇结合作为降温装置，使IGBT模块在复杂工况下能运行在正常工作范围内，能够降低瞬时高温对IGBT模块的冲击航空电机起动控制器可靠性高、寿命长。

(4)本发明提供航空电机起动控制器的液冷方法，通过温度传感器与数字控制处理器结合的方式，控制并调节水泵和风扇的转速，实时响应起动控制器负载的变化，响应速度快，可以根据温度的高低来实时调节水泵的功率和风扇的风速。

附图说明

图1是本发明进行起动实验时的三相电枢电流波形；

图2是本发明的IGBT模块；

图3是本发明的散热板正面图；

图4是本发明的散热板底面图；

图5是本发明IGBT模块与散热板的装配图；

图6是本发明的闭式液冷装置的系统图。

图中，1水泵，2水泵出液口，3管道，4冷却液，5散热板进液口，6散热板，7散热板出液口，8IGBT模块，9液冷排的进液口，10液冷排，11液冷排出液口，12风扇，13

水箱进水口，14水箱加液口，15水箱，16水箱出液口，17水箱温度传感器，18IGBT模块温度传感器，19数字控制处理器，20水箱温度信号线，21风扇控制信号线，22IGBT模块温度信号线，23水泵控制信号线，24水泵进液口，25散热板放液口。

具体实施方案

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

实施例1

如图5所示，本发明提供的闭式液冷装置适用于航空电机起动控制器，航空电机起动控制器可以控制永磁同步电机和电励磁同步电机在内的航空电机，其包括IGBT模块、液冷循环装置、温度检测装置和数字控制处理器，其中，

所述液冷循环装置包括水泵、管道、水箱、液冷排、散热板和冷却液；所述散热板与IGBT模块的四周完全、紧密地耦合接触，它们中间留有一条流道以供冷却液经过,冷却液流过时可以带走所述IGBT模块的热量；

所述温度检测装置包括IGBT模块温度传感器、水箱温度传感器、IGBT模块温度信号线和水箱温度信号线。

所述液冷装置中设有风扇对冷却液进行降温处理；

所述温度传感器采集IGBT模块壳体和水箱内冷却液的温度通过信号线传递给数字控制处理器。

所述数字控制处理器产生数字控制信号对所述水泵和风扇进行控制。

所述液冷装置采用冷却液和风扇作为降温装置，与温度检测装置和数字控制处理器结合，对冷却液温度和冷却液流速有更准确的检测和控制，可以在复杂工况下能更加准确的控制液冷装置，能够降低IGBT瞬时高温的冲击。

实施例2

基于上述实例，下面具体介绍本发明液冷装置各部分的具体情况：

所述液冷循环装置包括水泵、管道、水箱、液冷排、散热板和冷却液；其中，所述管道连接水泵、水箱和散热板，所述散热板安装在所述IGBT模块下方，且与IGBT模块的四周完全、紧密地耦合接触，散热板的材料为铝合金，具有高强度和高热传导系数的优点。在所述管道上还连接有液冷排，风扇安装在所述液冷排的旁边，用于对液冷排进行吹风散热。

在本实施所采用的液冷排，为了保证液冷排更好地散热效果，采用高规格的紫铜鳍片，搭载高风压风扇，能有效带动空气流动，提高温度转换效率，增加散热效能。

如图2所示，所述散热板设有空腔、一个进液口和一个出液口，空腔形状与IGBT模块相匹配；散热板进液口连接到水泵出液口上，散热板出液口连接到液冷排进液口上，用于散热板内冷却液在液冷装置内循环。

散热板上还有一个放液口25，散热板的放液口25位于整个装置的底部。当装置需要排水，打开放液口25即可很快排空装置内的冷却液；当装置需要换冷却液时，再打开放液口25排空装置内的冷却液后关闭该放液口25，向水箱加液口14注入冷却液，完成整个装置的换冷却液过程。

如图1、图4所示，所述IGBT模块放置在散热板的空腔内，其背面设有密集的细小圆形柱体，IGBT模块与散热板的四周完全、紧密地耦合接触，中间留有一条流道供冷却液流过。密封效果好，散热效果更佳。

如图5所示，所述水箱位于起动控制器壳体的侧面，包括进液口、出液口和加液口，所述水箱的进液口与液冷排的出液口相连，出液口与水泵进液口相连，水泵的出液口与散热板的进液口相连接，散热板的出液口与液冷排的进液口相连接。

进一步的，所述温度检测装置包括IGBT模块温度传感器、水箱温度传感器、IGBT模块温度信号线和水箱温度信号线。所述数字控制处理器分别与IGBT模块温度传感器和水箱温度传感器通过控制信号线相连接。

实施例3

所述液冷装置整体封装于起动控制器内部，所述壳体外侧设置对流孔，以便风扇散热的时候空气形成对流。为了进一步提高对IGBT模块的散热效果，在本发明所述的IGBT模块中，IGBT模块背面密布细小的圆柱体，散热效果好。IGBT模块置于液冷板上方并与散热板四周完全、紧密地耦合接触，中间留有一条流道供冷却液通过。密封效果好，散热效果更佳。

实施例4

基于上述液冷装置，本发明还提供了液冷方法，所述方法采用冷却液为IGBT模块降温，其次，采用风扇为冷却液降温。通过温度传感器采集所述IGBT模块和冷却液的温度，数字控制处理器通过数字控制方式控制水泵和风扇。

水泵1安装在壳体底部，在液冷装置中作为动力装置，为闭式液冷装置提供冷却液循环的动力,以保证冷却液4在液冷装置中不断进行循环。同时为了系统排气,从水泵出液口2引出一路到自动排气阀,方便系统运行时进行排气。散热板6安装在水泵1的旁边,水泵的出液口2连接到散热板进液口5。IGBT模块8安装在散热板6的上方，与散热板6装配后完全、紧密地耦合接触，IGBT模块8将热量传递给液道3中的冷却液4。冷却液4从散热板进液口5流入，带走IGBT模块8的热量后从散热板6的出液口流出。带走热量的冷却液4流入液冷排10散热，液冷排10安装在起动控制器的上部，液冷排10的热量经由风扇12加快散去。风扇12与液冷排10处于闭式液冷装置的同一平面上，作用是为了给液冷排10散热。冷却液4经液冷排10散热后再流入水箱进液口13。水箱12安装在起动控制器的侧壁，水箱15中的冷却液4被水泵1从水箱15吸出流经水泵后从散热板进液口5进入散热板6。如此循环形成一个起动控制器的闭式液冷循环装置。

IGBT模块温度传感器18采集IGBT8模块壳体的温度，IGBT模块温度信号线22将采集到的温度传递给数字控制处理器19，数字控制处理器19接受到IGBT模块8的温度信号后通过水泵控制信号线23调节水泵功率的大小。当IGBT模块8温度过高时，加大水泵1的功率，提高冷却液的流速。当IGBT模块8温度不高时，减小水泵1的功率，降低冷却液的流速。

水箱温度传感器17采集水箱15内冷却液的温度，水箱温度信号线20将采集到的温度传递给数字控制处理器19，数字控制处理器19接受到水箱15的温度后通过风扇控制信号线21调节风扇12风速的大小。当水箱15温度过高时，加大风扇12的风速，加快液冷排10散热。当水箱15温度不高时，降低风扇12的风速，减慢液冷排10散热。

水箱15在起动控制器壳体内部，与飞机整机不共用冷却装置，是起动控制器独自的液冷装置。

实验过程及结果分析

在飞机发动机起动时候，需要航空起动发电机将发动机拖至指定转速。此时就首先需要航空电机起动控制器将航空起动发电机拖动至指定转速。有时由于环境比较恶劣，出现一次起动不成功的情况，则需要起动控制器对起动发电机进行多次起动。

航空起动发电机在起动过程中，温度是时时记录在数字控制处理器中的。实验过程中按照一定的加速度进行起动，对闭式液冷装置的IGBT模块壳体和水箱内冷却液的温度进行测定。控制器在额定电流400A下运行，实验在极限环境温度70℃下进行。整个起动过程为60s，分别记录起动过程开始前和完成时的IGBT模块壳体和水箱内冷却液的温度。一个起动周期完成后，冷却180s后再进行第二个起动周期，实验进行四个起动周期。实验的电流波形如图1所示，实验数据如下表1和表2所示：

表1开放式液冷系统的液温及IGBT模块壳体温度

表2闭式液冷装置的液温及IGBT壳体温度

由表1与表2的数据对比可以看出：

表1是采用传统的开放式液冷装置得到的实验数据，在60s的起动过程中，IGBT模块壳体的温度和水温上升明显；在180s的不工作冷却过程中，IGBT模块壳体的温度和水温并不能降到实验开始时的起始温度。这将导致每次实验IGBT模块壳体的温度和水温的起始温度值越来越高，对IGBT模块的正常运行非常不利。

表2是采用本发明的闭式液冷装置得到的实验数据，在60s的起动过程中，IGBT壳体温度有所上升；在180s的不工作冷却过程中，IGBT模块壳体的温度和水温可以降到实验开始时候的起始温度。在实验过程中，风扇与水泵已经开始加大功率进行工作，空气的流通和液体的流速加快，IGBT模块温度降到允许工作范围以内。

在60s的起动过程中，使用开放式液冷装置的IGBT模块壳体温度升高14.5℃左右，而使用闭式液冷装置的IGBT模块壳体温度升高10℃左右。可以看出，在相同的起动过程中，采用闭式液冷装置比开放式液冷装置的冷却效果好。在180s的不工作冷却过程中，使用开放式液冷装置的IGBT模块壳体温度降低6.5℃左右，而使用闭式液冷装置的IGBT模块壳体温度降低10℃左右。可以看出，在相同的冷却过程下，采用闭式液冷装置比开放式液冷装置的冷却效果好。而且起动次数越多，闭式液冷装置的冷却效果越好。

在采用传统开放式液冷装置的情况下，IGBT壳体温度在第四次实验时已经达到了103℃，这个温度对于IGBT的正常运行很危险。而在采用闭式液冷装置的情况下，当IGBT壳体温度超过70℃时，数字控制芯片已经开始控制循环水泵，加大水泵的功率以促使液体流速加快；此时水箱中水的温度也超过60℃，数字控制芯片已经开始控制风扇，加大风扇的功率以促使空气流通加快，增加液冷排的散热程度。从实验过程及结果数据可以看出，本发明所提出的闭式液冷装置及控制方法比传统的开放式的冷却装置的冷却效果好，且可以满足起动控制器在不同的、地区、气象、季节等条件时过载运行的要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种航空电机起动控制器闭式液冷装置，其特征在于，所述液冷装置包括IGBT模块、液冷循环装置、温度检测装置以及数字控制处理器；其中，

所述液冷循环装置包括水泵、管道、水箱、散热板和冷却液；所述液冷循环装置与IGBT模块四周完全、紧密地耦合接触，带走所述IGBT模块产生的热量；

所述管道上设有风扇和液冷排对冷却液进行降温处理；

所述数字控制处理器感知IGBT模块壳体温度、水箱内冷却液的温度，从而产生控制信号对所述水泵和风扇进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种航空电机起动控制器闭式液冷装置，其特征在于，

所述液冷循环装置包括风扇、水泵、管道、水箱、液冷排、散热板和冷却液；

所述管道连接到水箱，在管道中流通冷却液，所述管道连接水泵、散热板，形成闭环回路，所述散热板安装在所述IGBT模块下方，且与IGBT模块四周完全、紧密地耦合接触；

所述管道中还连接有液冷排，风扇安装在所述液冷排的旁边，用于对液冷排吹风。

3.根据权利要求2所述的一种航空电机起动控制器闭式液冷装置，其特征在于，

所述散热板内设有空腔、散热板进液口和散热板出液口，空腔形状与IGBT模块相匹配，所述IGBT模块放置在散热板的空腔内；

所述散热板进液口、散热板出液口连接到所述管道中。

4.根据权利要求3所述的一种航空电机起动控制器闭式液冷装置，其特征在于，

所述IGBT模块背面接触散热板内部，所述IGBT模块背面设有密集的细小圆形柱体，细小圆形柱体与IGBT模块四周完全、紧密地耦合接触。

5.根据权利要求3所述的一种航空电机起动控制器闭式液冷装置，其特征在于，所述水箱位于起动控制器装置壳体内部的侧面，包括水箱进液口、水箱出液口和水箱加液口，所述水箱进液口与液冷排出液口相连，水箱出液口与水泵进液口相连；

所述水泵的出液口与散热板进液口相连接，散热板出液口与液冷排进液口相连接。

6.根据权利要求3所述的一种航空电机起动控制器闭式液冷装置，其特征在于，所述温度监测装置包括IGBT模块温度传感器和水箱温度传感器，所述数字控制处理器分别与IGBT模块温度传感器和水箱温度传感器及水泵和水箱相连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种航空电机起动控制器闭式液冷装置，其特征在于，所述液冷装置整体封装于壳体内，所述壳体上侧设置对流孔，以便风扇散热的时候空气形成对流。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种航空电机起动控制器闭式液冷装置，其特征在于，所述冷却液为水，或者是水和乙二醇的混合液。

9.一种航空电机起动控制器闭式液冷方法，其特征在于，所述方法采用闭式液冷液方式为IGBT模块降温，其次，采用风扇为冷却液降温；通过温度传感器采集所述IGBT模块壳体和水箱内冷却液的温度，通过数字控制处理器的数字控制方式来控制水泵、风扇。

10.根据权利要求9所述的一种航空电机起动控制器闭式液冷方法，其特征在于，当IGBT模块温度超过80℃时，加大水泵的功率，提高冷却液的流速；当IGBT模块温度低于50℃时，减小水泵的功率，降低冷却液的流速；

当水箱温度传感器感知到水箱内冷却液的温度超过70℃时，加大风扇的风速，加快液冷排散热；当水箱温度低于40℃时，减小风扇的风速，减慢液冷排的散热。