CN108475907A - 用于交通运输工具的能量传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在交通运输工具、尤其航空器内部传输能量的能量传输装置。能量传输装置具有电缆系统，所述电缆系统包括具有至少一个超导的导体元件的至少一个超导的电缆束。所述超导的电缆束设计用于以至少1MW的功率传输电能。所述超导的电缆系统具有最高2kg/m的基于其长度的重量。本发明还涉及一种具有这种能量传输装置的交通运输工具以及用于以这种装置传输能量的方法。

Description

用于交通运输工具的能量传输装置
本发明涉及一种用于在具有电缆系统的交通运输工具、尤其航空器内部传输能量的能量传输装置。本发明还涉及一种具有这种能量传输系统的交通运输工具以及一种用于在交通运输工具中传输能量的方法。
在已知的交通运输工具中通常使用普通导电的电缆用于将电能从交通运输工具内的电流源(例如蓄电池、燃料电池或发电机)传输至用电器。通常在交通运输工具中、尤其在航空器中重要的是，在能量传输装置的整个长度上的重量被尽可能小地保持，以便把用于运输交通运输工具的自重的能量消耗保持得较低。用电器例如可以是机载电器和/或电子装置的一个或多个元件，或者是用于驱动交通运输工具的电机、尤其推进器发动机、扇电机和/或转子电机。在航空器中通常需要给这种驱动电机供应高的电功率。因此必须能由相应的能量传输装置在至少一个电流源和至少一个用电器之间传输1MW至20MW范围内的电功率。
为了实现用于这样高的电功率的电流输送，根据现有技术可以使用具有铜导体的普通导电的缆线。由于高空中的电离过程以及所需的缆线绝缘装置随工作电压急剧增加的重量，在航空器中这种线缆的合理电压范围被限制为低于约2.5kV的值。例如为了实现500kW的传输功率，可以传输1kV的工作电压和500A的总电流的三相交流电。为此设计的具有三个导线束的三相传输装置例如在使用三个Nexans公司的RHEYWIND LV-RS(N)HXCMFOE0.6/1kV型的市售电缆的情况下会达到约每米3.6kg的导体重量。为了传输驱动电机所需的电力，在航空器中会需要几十米、例如在50m和直至100m范围内的电缆长度。这样重的电缆的重量在传输装置中还要加上所需的连接装置的重量，因此对于在航空器中的使用是不利的。
超导电缆通常适用于以较小的导体横截面甚至在低压情况下实现高载流能力。然而，传统的超导电缆通常也很重，因为相对于真正的导体元件总重量额外地加上了低温恒温器壁、绝热元件、支撑元件和介电绝缘元件。根据现有技术，用于这种传输装置的可购得的超导电缆包括双层壁低温恒温器，双层壁低温恒温器的壁分别构造为波纹管。在此，在这两个波纹管之间布置有隔热真空套并且还经常设置有附加的隔热套。这种基于高温超导体的电缆例如可以从Nexans公司购得。在此，在内波纹管的内部布置有冷却剂通道，在冷却剂通道内导引有两层或更多层的导体束。每层在此通常包括超过10个的单导体，例如每层约40个单导体。单个层在此相对彼此同轴地布置，并且通过支撑材料以及固体电介质相互分隔，以实现分别规定的介电强度。例如这种用于350kV交流工作电压或用于650kV直流工作电压的高温超导电缆被提供。由于所描述的复杂结构，这种电缆不比已知的用于传输高电功率的普通导电的电缆更轻或者轻得不多。
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种克服上述缺点的能量传输装置。尤其提供一种特别适合用于在交通运输工具中的移动应用的能量传输装置。另一个要解决的技术问题在于提供一种具有这种能量传输装置的交通运输工具以及一种用于传输能量的方法。
上述技术问题通过权利要求1中所述的能量传输装置、权利要求13中所述的交通运输工具以及权利要求15中所述的方法解决。
按照本发明的、用于在交通运输工具、尤其航空器中传输能量的能量传输装置具有电缆系统，所述电缆系统包括具有至少一个超导的导体元件的至少一个超导的电缆束。在此，超导的电缆系统设计用于以至少1MW的功率传输电能。超导的电缆系统具有最大2kg/m的基于电缆系统长度(亦即“每单位长度”)的重量。
在此和在下文中，所述基于电缆系统长度的重量一般应理解为(包括可能存在的终端接头的)电缆系统的总重量除以其总长度。因此，在电缆束相对较短时，例如这种用于克服低温温度和温暖的环境温度之间的温差的终端接头的重量的影响很大。电缆系统的上述总重量还一并包括流体的冷却剂，流体的冷却剂用于电缆系统在内部的冷却剂通道中的工作。
因此，按照本发明的传输系统具有一个或多个超导的电缆束，电缆束总体上足够轻以便可用于交通运输工具中，而不会对交通运输工具的总重量有过多影响。尽管重量较轻，但通过超导的导体元件可以实现高的载流能力，以此可以实现例如用于交通运输工具的驱动电机的至少1MW功率的传输。本发明的构思是在电流相对较高的情况下传输该功率，并为此利用超导导体元件的高载流能力。电缆系统就不需要被设计用于非常高的电压范围，而是可以被设计用于低的高电压、例如在最大直至10kV的范围中，由此使得对介电绝缘的要求和进而使电缆束的重量能变得更低。与传统的超导电缆系统相比，所述电缆系统的复杂性因此可以被降低，以实现较低的电缆重量。电缆的电绝缘装置因此可以被设计得很轻，使得给出的电缆系统总重量不被超过。与普通导电的电缆系统相比，通过超导的特性可以明显减小真正的导体元件的横截面，以此又可以实现更低的电缆重量。
按照本发明的交通运输工具、尤其航空器，具有电流源、用电器和按照本发明的用于在交通运输工具内部将电能从电流源传输到用电器的能量传输系统。用于在交通运输工具中、尤其航空器中传输能量的方法具有以下步骤：借助布置在交通运输工具中的电流源产生电流，借助按照本发明的能量传输装置将电流从电流源传输至用电器。在此，按照本发明的交通运输工具和按照本发明的方法的优点类似于按照本发明的传输装置给出的优点。
本发明的有利设计方案和改进设计方案从权利要求1和13的从属权利要求以及以下描述中得到。在此，所述能量传输装置、交通运输工具和方法的设计方案可以有利地相互组合。
至少一个超导电缆束可以有利地具有最大0.7kg/m的基于其长度(亦即“每单位长度”)的重量。特别有利的是，每个电缆束的该重量可以最大约为0.3kg/m，尤其最大约为0.15kg/m。与上述电缆系统的总重量不同的是，电缆束的基于其长度(亦即“每单位长度”)的重量在此不包括可能存在的终端接头。通常，(包括可能的终端接头的)整个电缆系统的基于长度(亦即“每单位长度”)的总重量可以有利地为最大约1kg/m、特别有利地为最大约0.5kg/m。在此，电缆系统也可以包括多个电缆束、例如三个电缆束用于传输三相交流电。
电缆系统通常可以具有至少500A的载流能力、特别有利地具有至少1000A的载流能力、尤其甚至至少3000A的载流能力。在电缆系统具有多个电缆束时，每个单独的电缆束尤其都可以具有这样高的载流能力。这种高载流能力有利于在几kV范围中的较低电压情况下传输至少1兆瓦的高电功率。电缆系统例如就可以设计为在电压低于10kV的情况下工作。例如，电缆系统的这种工作电压可以在0.5kV至5kV之间。因此，这样设计的电缆系统中的一个或者多个电缆束就可以被设计得相应的轻，因为至少一个超导的导体元件不需要被保护防止在电压非常高的情况下的电压击穿，并且电缆的电绝缘装置可以被设计得相应的薄和轻。因此可以实现的是，电绝缘装置的重量这样地低于规定的总重量，使得电缆系统的每单位长度的总重量的设定值不会被超过。
电缆系统可以具有至少一个用于将超导导体元件冷却为低于其转变温度的温度的双层壁低温恒温器。在低温恒温器的两个壁之间可以构成真空，以使低温恒温器的内部针对外部环境热绝缘。另外，低温恒温器例如可以在两个壁之间或向内和/或向外相邻地具有至少一个另外的热绝缘元件。
在此，具有多个电缆束的电缆系统可以具有共同的低温恒温器，多个电缆束在该低温恒温器内部被引导。因此，这种具有多个电缆束的电缆系统的重量可以有利地保持得特别低。但是备选的是，原则上每个电缆束也可以具有自己的、包围该电缆束的低温恒温器。
特别有利的是，双层壁低温恒温器的低温恒温器壁可以在电缆系统的纵向延伸的大部分上构造为光壁的管。这种实施方式特别有利于实现电缆系统较低的重量。对于需要电缆系统具有高机械灵活性的应用中，这种低温恒温器的光壁的双层管也可以被一个或多个波状成形的部段中断。相应地以双层波纹管设计的局部部段可以与现有技术类似地用于机械的变形。为了较低的电缆重量，低温恒温器在电缆长度的大部分上设计为光壁的低温恒温器就足够了。由于在相应区域中光滑地设计的低温恒温器壁，有利的是实现在低温恒温器内部导引的液态的冷却剂的低摩擦运输，这也有利地减小了用于冷却回路的泵系统的重量。在导体元件和低温恒温器壁之间的电压击穿也可以通过低温恒温器壁的光滑的形状有利地减少，而不需要导体元件和低温恒温器壁之间的重的介电绝缘元件。
通常，双层壁低温恒温器在电缆系统的重量上的重量份额可以有利地低于0.25kg/m、尤其低于0.1kg/m。低温恒温器壁可以由金属材料构成，或者可以具有至少一个金属材料。备选的是，低温恒温器壁也可以由塑料材料构成，或者可以包含这种材料。例如，塑料可以有利地是聚醚醚酮(PEEK)。
所述至少一个超导的导体元件可以具有高温超导的导体材料。高温超导体(HTS)是具有超过25K的转变温度的超导材料，并且在一些材料种类、例如铜酸盐超导体的情况下超过77K，其中，可以通过用不同于液氦的低温材料冷却实现工作温度。因此，HTS材料特别具有吸引力，因为取决于所选择的工作温度的这些材料可以具有非常高的临界电流密度，因此适用于具有非常高的载流能力的电缆系统。
高温超导的材料尤其可以包含硼化镁。特别有利的是，导体元件可以具有硼化镁作为其主要成分，或者甚至基本由硼化镁组成。硼化镁具有约39K的转变温度，因此作为高温超导体，但与其他HTS材料相比，该转变温度稍低。这种材料与陶瓷氧化物高温超导体相比的优点是其较轻并且因而可以低成本制造。基于硼化镁的导体可以特别简单和低成本地通过气溶胶沉积或通过所谓粉末装管法方法生产。
备选地或附加地，导体元件还可以包括其他高温超导材料，例如第二代HTS材料，即REBa2Cu3Ox型(缩写为“REBCO”)的化合物，其中，RE代表稀土元素或者这种元素的混合物。由于其转变温度高，REBCO超导体也可以用液氮冷却，并且主要在低于77K的温度下具有特别高的载流能力。
其他有利的材料是第一代HTS材料，例如铋-锶-钙-铜氧化物的不同变体。备选地也可以使用超导的磷属元素化物(pnictide)。由于其转变温度低得多，因此可以为约20K至30K的工作温度考虑超导的磷属元素化物。
电缆系统可以设计用于传输交流电。为此，电缆系统可以具有多个超导导体元件，多个超导导体元件分别配属交流电的一个相。这尤其可以是用于传输三相交流电的电缆。配属各个相的导体元件在此可以有利地在单独的电缆束中导引。例如可以为每个相配设单独的电缆束，该电缆束可以分别具有两个电隔离的导体。如上所述，单独的相的电缆束或者有利地布置在共同的低温恒温器中，或者备选地布置在分开的低温恒温器中。
然而备选的是，电缆系统也可以设计为用于直流电传输的电缆系统。在这种实施方式中也可以借助超导导体元件，有利地在电缆系统重量总体较低的情况下实现高电功率的传输。对于直流电传输，为此有利地甚至仅需要两个电隔离的超导导体。相应地，每米电缆系统仅需耗费更小质量的绝缘元件，并且电缆系统可以作为直流电电缆系统设计得特别轻。
通常，每个电缆束可以有利地仅具有最多两个独立的超导导体元件，其相邻并且相互平行地被导引。在此与现有技术(例如Nexans电缆)相反的是，每个导体层不由多个独立的导体束或导体丝构成，而是每个电导体单元仅由一个导体元件构成。该导体元件例如可以是超导的电线、超导的带导体或其他类型在基底上的超导层。重要的是，各个导体元件不由多个单独的导体束合成或由绞合线束构成，而是仅由一个超导的物体构成，使得电缆结构的复杂性显着降低。以这种方式可以实现明显更简单和更轻的电缆系统。
备选的是，被认为是有利的其他实施方式包括，每个电隔离的导体单元不是由单个导体元件构成，而是由仅少量的导体元件构成。例如在此可以是每个电隔离的导体单元两至四个导体元件。与每个电导体单元仅一个导体元件的实施方式相比，以此可以实现更大的冗余度，其中，尽管这样还是提供了简单的且设计得较轻的电缆系统。
不管每个电缆束是仅具有两个独立的导体元件作为单导体，还是如上所述地具有更多数量直至每个导体单元四个导体束，电缆束的两个导体单元都能有利地并排地并且相互平行地导引。在现有技术中单独的导体单元通常同轴嵌套地延伸，与现有技术的区别在于，按照本发明的结构可以明显更简单地以更少数量和/或更少质量的机械的支撑元件和/或电绝缘元件构造。因此，这种电缆束可以具有比具有同轴地设计的导体单元的传统电缆束每米更低的重量。
通常，至少一个超导的导体元件可以由一个或多个支撑元件承载和/或由一个或多个电绝缘元件包围。在此，电缆系统的每个电缆束中的支撑元件和绝缘元件的总重量可以有利地为最多约0.1kg/m、特别有利地最多约0.05kg/m、或者甚至最多约0.03kg/m。在此，每个电缆束可以再配属交流电传输系统的一个相。特别有利的是，甚至整个电缆系统中的支撑元件和绝缘元件的总重量在规定的值的范围内。通过用于绝缘和支撑的元件的这种较低重量，电缆束的每米总重量和/或电缆系统的每米总重量的规定的有利的最大值可以特别简单地被实现。
在电缆系统的工作中，至少一个超导导体元件可以通过流体的冷却剂冷却。为此，可以在电缆系统的内部、尤其在电缆系统的低温恒温器的内部布置冷却剂通道，例如液氮、液氢或液氦可以在冷却剂通道中流动。有利地，至少一个超导导体元件可以这样地布置在冷却剂通道内，使得在能量传输装置工作期间，液态的冷却剂可以在超导导体元件周围流动。这是特别有利的，因为冷却剂就可以在冷却之外还用于介电绝缘，并且由此使得由固体电介质产生的重量较少。液态的冷却剂如液氮、液氢或液氦具有50kV/mm范围内的介电强度。若至少一个、并且尤其所有的超导导体元件径向地在所有侧向上都被冷却剂包围，则可以要么完全省掉额外的固体绝缘装置，要么将其减至最低程度。例如，沿径向观察在所有方向上所述至少一个导体元件可以被至少一个1mm至2mm厚的冷却剂液体套包围。该液体套可以基本上是连续的，其中，在此不排除液体套被单独的用于将至少一个导体元件机械固持在其内部的支撑元件、例如支撑柱中断。
电缆束通常可以具有圆形的外部横截面。然而可选地，电缆束也可以具有与该几何形状不同的外部横截面形状。例如，以多边形横截面有利地可以在保持包围各个导体元件的液体套预定的在所有侧向上的例如至少1毫米的最小厚度的情况下，同时实现封闭在冷却剂通道中的冷却剂的较低重量。
液氢作为冷却剂是特别有利的，因为液氢在上述液体中具有特别低的比重量，并因而对各个电缆束的总重量影响较小。因此即使在电缆直径为几厘米的情况下，冷却剂的重量值可以为低于100g/m，并且部分甚至低于50g/m。例如在电缆直径为2.5厘米的情况下，作为冷却剂的液氢的重量值可以为约35g/m。
液态冷却剂可以通过电缆系统的冷却剂通道构成闭合的回路，在该闭合回路内液态冷却剂在冷却剂重复使用的情况下例如借助泵进行循环。为此也可以在同一电缆束内或者在不同电缆束内设置多个冷却剂通道，以便使冷却剂沿电缆系统往复循环。
然而备选的是，冷却剂也可以有利地仅沿一个方向顺着电缆系统输送。若冷却剂是液氢时这是特别合适的，液氢在其流向的电缆系统终端处被用于产生能量。
对于通过冷却剂电绝缘备选地或附加地，至少一个超导导体元件可以通过周围的固体电介质被电绝缘。例如，导体元件、尤其每个存在的导体元件可以被电绝缘的聚合物例如挤压成型的聚醚醚酮(PEEK)包围。这种包围可以设计为具有较低的层厚度，并且因此设计得对电缆系统的重量有相应小的影响。例如，层厚度可以低于2毫米、尤其低于1毫米。
在电缆系统的至少一端，超导导体元件可以与超导线圈绕组相连。超导导体元件尤其可以与这种超导线圈绕组相连而不中断它的能够被冷却低温温度的环境。超导线圈绕组在此或者同样可以是能量传输装置的一部分，或者可以备选地是同样布置在交通运输工具中的附加的电气装置。对此实施方式重要的是，电缆系统在其布置有超导线圈绕组的端部上不必配备这样的终端接头，通过这样终端接头实现被低温冷却的超导体相对于热的外部导体的电连接。确切地说，电缆的相应的端部有利地配设有用于与超导线圈绕组连接的触头元件，该触头元件与超导导体元件和超导线圈绕组一样可以被冷却至低温温度。在能量传输装置工作的情况下，至少一个超导导体元件、超导线圈绕组和两者之间的电触点因此连续地位于低温的温度范围内，而在其间没有布置在交通运输工具的比较热的环境温度的温度范围中的电连接元件。电缆系统的导体元件相对于线圈绕组的导体的这种连续低温的电连接一方面具有的优点是：在这一侧上省掉了用于连接冷导体和热导体的复杂的终端接头的重量。能量传输装置因此可以整体上设计得更轻。另一方面得到的额外优点是，通过连续的冷的电连接减少了电损耗。特别有利的是，电缆系统的导体元件与超导线圈绕组之间的连接甚至可以是连续超导的。但这对于实现重量减轻优点并非是绝对必要的。特别有利的是，超导导体元件在电缆系统的两个端部以所述方式与超导线圈绕组相连和/或电缆系统的所有导体元件与一个或多个超导线圈绕组相连。
在上述实施方式中，超导线圈绕组可以是变压器的绕组，或者电动机或发电机的定子绕组或转子绕组。
若传输装置是用于传输交流电的装置，则具有超导的变压器绕组的实施方式是特别合适的。然后可以配设两个这种超导变压器绕组(在电缆系统的每个端部各一个)以将待传输的电流在电流源之后变换成适合于传输的电压，然后接着将其再变换为适合于用电器的电压。在这种实施方式中，变压器也是能量传输装置的部件。
备选的是，电缆系统的一个端部可以与电动机或发电机的绕组相连。也可以将一个端部与发电机的绕组相连，另一个端部与电动机的绕组相连。在此，发电机可以是布置在交通运输工具上的电流源的部件，和/或电动机可以是布置在交通运输工具上的驱动系统的部件。特别有利地，电流源、传输系统和用电器之间的整个电气链设计为连续冷的，并且尤其甚至是连续超导的。这在原则上对于直流和交流传输系统都可以这样设计。这种实施方式的显着优点是传输系统的重量可以保持得较低，因为可以省掉用于连接热导体元件和冷导体元件的费事的连接元件。此外，电和热损失整体上被降低。在直流传输系统中，这种连续超导的传输链特别有利，因为在此不需要通过变压器和/或变频器的电隔离。
通常，能量传输装置可以有利地在电缆系统的每个端部具有变压器，以便将由电流源产生的电流为了在电缆系统中传输而变换成较低电压，和以便将被传输的电流为了用电器再变换回更高的电压。在此有利的但非强制的是，变压器具有超导线圈绕组。若是这种情况，则跨越两个变压器的绕组和电缆系统地存在有连续的可冷却至低温的环境。电缆系统的低温恒温器尤其可以连续地与超导的变压器的低温恒温器相连。通过这三个组件可以用共同的冷却剂循环构成共同的可冷却的内部空间。
通常，将待传输的交流电转换成较低的用于传输的电压是有利的，以便用带有较小重量的电缆系统传输电能。因此，几十kV或更高的高电压可以转化为明显更低的、低于10kV范围中的电压。然后就只需要传输更大的电流，这通过超导导体元件很容易实现。另一方面，超导的电缆系统不需要被设计用于非常高的电压，并且基于对至少一个电缆束的介电强度的较低要求，其可以被相应地设计得较轻。
通过超导的变压器绕组，可以特别容易地实现向利于传输的电压的转换，而不需要为变压器加上大量额外的重量。有利的是，具有一个或多个超导绕组的变压器就可以构造为在绕组的主要部分中不具有软磁芯，以此使得其重量可以明显低于具有这种芯的变压器的重量。在多相变压器的情况中，可以存在多个超导的绕组，其中，每对绕组分别配属一个相。这些绕组可以布置在共同的低温恒温器内，这同样有助于节省空间和重量。通常，超导的变压器可以有利地像未公布的专利文献DE 102015212824中描述的那样设计。变压器的单个超导绕组尤其可以构造成环形的绕组，环形绕组分别具有环开口和在开口区域中轴向的错移。通过这些开口可以有利地实现单个相的预定的磁耦合。
可选的是，在电流源侧和/或在用电器侧可以布置额外的变频器，以便改变待传输的或者传输后的交流电的频率。这种变频器例如可以布置在电流源和第一变压器之间，或者布置在第二变压器和用电器之间。这样的变频器可以被认为是传输装置的部件。
具有所述能量传输装置的交通运输工具可以是航空器，尤其飞机或直升机。然而原则上也可以是其他交通运输工具，例如陆地交通运输工具、水上交通运输工具或宇航交通运输工具，尤其这种电力传输装置的低重量至关重要的交通运输工具。
有利地，交通运输工具的上述用电器可以是用于驱动交通运输工具的电动机。交通运输工具因此可以是电动和/或混合电动驱动的交通运输工具。电动机尤其可以是电驱动的交通运输工具的推进器发动机、扇电机和/或转子电机。
以下参考附图根据一些优选实施例描述本发明，其中：
图1以示意性横截面示出按照本发明的第一实施例的超导电缆束，
图2以示意性横截面示出按照本发明的第二实施例的超导电缆束，
图3以示意性横截面示出按照本发明的第三实施例的超导电缆束，
图4示出按照本发明的第三实施例的能量传输装置，
图5以示意性纵截面示出根据本发明的第四实施例的超导电缆束。
图1示出按照本发明第一实施例的超导电缆束5的示意性横截面。在此示出两个超导导体元件7，超导导体元件7分别仅包括一个导体束并且不被划分为另外的子导体。这两个导体元件7在电缆束5的内部相邻且相互平行地延伸。导体元件7被双层壁低温恒温器9包围，其中，外部的低温恒温器壁9a和内部的低温恒温器壁9b之间的间隙是真空化的。真空V用于将低温恒温器的内部的区域相对于热的外部环境热绝缘，以便将超导的导体元件7保持在低于各个超导材料的转变温度的低温的工作温度上。为了高效地产生相应的冷却，在低温恒温器9的内部构造有冷却剂通道13，流体的冷却剂15可以在冷却剂通道13内流动。冷却剂因此围绕两个导体元件7流动，并且因此可以有效地冷却导体元件。为了把两个导体元件7相对于彼此和相对于低温恒温器9的内壁9b电绝缘，两个导体元件7借助在冷却剂通道13的位于内部的区域中的支撑元件11保持在预定的间距上。因此，两个导体元件7相对彼此并且相对于内部的低温恒温器壁9a具有最小间距，该间距例如可以为约至少1mm。因此，流过冷却剂通道13的冷却剂15起电介质的作用，并且用于导体元件7的电绝缘，并且尤其用于避免电压击穿。若如图1所示，该电绝缘仅由冷却剂15构成，并且不由另外的固体电介质构成，则电缆束就可以设计为具有特别低的每单位电缆长度的电缆重量。然而备选的是，导体元件7通常也可以被在此未示出的、附加的固体绝缘体包围。
对于图1中示出的示例重要的是，通过电缆束5的简单构造可以实现电缆束5的总体上非常低的重量。如下文图4的示例所述，电缆束5可以用于电缆系统3中，以实现按照本发明的能量传输装置1。根据第一实施例的电缆束5尤其已经可以构造为传输装置1的电缆系统3的单个的束。例如，这种单个的电缆束可以用于直流电传输。备选的是，也可以使用多个这样的电缆束，以便由此得到电缆系统3。例如，多个电缆束可以作为这种电缆系统的部件相互平行地导引。因此可以通过三个这种电缆束5传输三相交流电。
在下文中给出示例性的材料和尺寸，以便阐明如何能够相应于本发明地设计具有足够低重量的图1中所示的电缆束5。
在所示的示例中，电缆束5的外径应为约2.5cm，其中，内部低温恒温器壁9b和外部低温恒温器壁的间距为约1mm。两个低温恒温器壁的厚度可以分别为约0.2mm。在由不锈钢构成低温恒温器壁的情况下，由此得到的重量额约为250g/m，并且在由PEEK构成低温恒温器壁的情况下对于两个壁9a和9b合计重量额仅为约41g/m。从这个例子可以明显看出，低温恒温器壁的重量额是显著的，因此使用塑料材料是特别有利的。为低温恒温器壁使用铝也可以是有利的，以便实现相较于不锈钢的重量减轻。对于所给出的尺寸，对于铝质低温恒温器壁得到为84g/m的重量值。
在10mm的导体宽度和0.2mm的导体厚度情况下假定两个导体元件7的平均密度为约8g/cm3时，两个导体元件的重量额合计约为32g/m。所给出的值基于带状导体的通常尺寸和密度，所述带状导体带有在金属基底带上的第二代高温超导层。
除了单个元件的厚度和材料之外，支撑元件11的重量额还决定于其轴向间距，即每米电缆的数量。在所示的示例中，支撑元件11的重量额低于30g/m，即低于导体元件7的重量额。支撑元件可以有利地由塑料构成，或者至少包括塑料作为材料。
在所给尺寸情况下，在冷却剂通道13的内部流动的冷却剂15的重量额在为液氮时约为380g/m，并且在为液氢时仅约为34g/m。
根据给出的材料示例的所选组合，电缆束5的基于长度的总重量(不包括终端接头的份额)因此可以为约137g/m(对于PEEK低温恒温器壁和液氢)至692g/m之间(对于不锈钢低温恒温器壁和液氮)。所给出的尺寸当然仅被理解为示例性的，并且单个组件的重量额可以以已知方式用电缆束5的直径、冷却剂通道15的直径、低温恒温器壁9a、9b的厚度和导体元件7的尺寸以及所用材料的密度衡量。尤其地，电缆束5的外径可以高于或低于在此所示的示例。在此仅示例性显示了，如何通过使用有利的材料和取消固体电介质的高体积份额实现非常轻的电缆束5。
图2示出按照本发明的第二实施例的超导电缆束5的示意性横截面。示出的是用于三相交流电的传输的电缆束5，电缆束5具有总共六个超导导体元件7，其分别布置成对相邻地导引。在此，每一对之中分别存在一个相导体和一个回线。配对的这两个导体通过相对较短的支撑元件11相对彼此支撑，而每个对整体都通过较长的支撑元件11相对于共同包围所有导体元件7的低温恒温器内壁9b支撑。在低温恒温器的内部空间中构造有冷却剂通道13，在冷却剂通道13内部，导体元件7和支撑元件11被流体的冷却剂环绕冲刷。
图3中示出备选的超导电缆束5的示意性横截面，其同样设计用于传输三相交流电。在此也有总共六个超导导体元件7布置在共同的低温恒温器9内部。在此示例中，三个用作回线的导体元件7作为平行地导引的束布置在内部空腔的中心，其中，单个回线又通过短的支撑元件11相互支撑，并且通过较长的支撑元件11支撑在内部的低温恒温器壁9b上。相反的是，三个相导体7布置在冷却剂通道13的径向较远地位于外部的区域中并且分别单独通过多个支撑元件11支撑在内部的低温恒温器壁9b上。在此布置方式下，总体上构成更复杂的由支撑元件构成的网络。然而，在示意性截面图中示出的不同支撑元件11的交叉在现实中并不是问题，因为它们可以沿电缆束5的轴向布置的不同位置上，并且因此实际上不处于重叠的位置。
另外，第二和第三实施例的电缆束5可以在其他方面、尤其关于导体元件7相对彼此和相对低温恒温器壁的间距方面、冷却剂和导体元件周围的可选地存在的额外的固体绝缘装置方面与第一实施例的电缆束类似地构造。
图4示出按照本发明的第四实施例的能量传输装置1的立体示意图。能量传输装置1被构造用于传输三相交流电。为此，其具有电缆系统3，电缆系统3例如可以包括三个按照图1的实施例的或按照图2的实施例的电缆束。由发电机21产生的电能通过该电缆系统3被传输到电动机23。在此，传输系统1、发电机21和电动机23都布置在移动的交通运输工具上，在此未详细示出。因此发电机21用于产生带有发电机电压UG和强度为IG的发电机电流的三相交流电。例如，UG可以约为33kV，IG可以约为30A。这些用于电流和电压的值可以处于与交通运输工具的电动机23所需的用于电流IM和电压UM的值的相同的范围内。然而在此，为了借助能量传输装置1进行传输，输入电流借助变压器19被转换降为较低的传输电压UT。在传输之后，电流再借助另外的变压器19被转换升压。所示两个变压器19在此分别构成传输装置1的部件。传输电压UT例如可以在约1kV的范围内，传输电流IT可以在约1kA的范围内。因此可以传输在1MW范围内的电功率。电缆系统3的至少一个超导导体元件7在此被利用实现用于比较高的传输电流IA所需的高载流能力。由于传输电压UT较低，因此一个或者多个电缆束的电介质绝缘可以比较轻并且也省空间地实现，使得电缆系统3的(包含容纳在内的冷却剂15的)总重量按照本发明保持得较低。
图4的两个变压器19可以分别构造有超导的变压器绕组17。为了将超导的变压器绕组17保持在低温的工作温度，所述绕组17可以布置在构造成低温恒温器的变压器壳体20内部。在此如图4所示地，用于三相交流电变压所需的总共六个绕组布置在共同的壳体20内部。各个变压器的其他构造例如可以如未公开的文献DE102015212824中所述。因此三个相以及软磁的耦合磁轭28也可以在绕组17的端部区域中磁耦合。
变压器19的超导的实施方式结合本发明的优点在于，变压器19的低温恒温器20连同电缆系统3的至少一个低温恒温器9能在变压器19内部构成共同的、连续地冷的环境。如图4所示，这三个低温恒温器20因此可以跨越电缆系统3的整个长度l连成连续的冷系统。因此，对于电缆系统3的超导导体元件7与变压器19的线圈绕组17之间的过渡部尤其不需要在电缆系统3的端部区域中的、在冷和热环境之间的套管。因此省掉了在传统的电缆系统中需要的用于克服这种温差的相应地设计的终端件的重量。
在图4所示的例子中，发电机21和电动机23分别通过另外的连接系统25或者说27与各个配属的变压器19相连。所述另外的连接系统25和27优选地设计得与电缆系统3相比非常短，使得其相应地对交通运输工具的重量只有很小的影响。在此电流也可以通过普通导电的电缆在温暖环境中传输，尤其是在发电机和电机具有普通导电的绕组时。变压器就可以在其各个背离电缆系统3的侧上具有用于冷的绕组17与热的连接系统25或27相连的套管。
作为这种实施方式的备选方案是，发电机21和/或电动机23也可以具有一个或多个超导的定子绕组。变压器的发电机侧或者说电动机侧就可以通过连续的超导的导线与相应的超导的定子绕组在连续的冷环境中相连。这省掉了对于在寒冷和温暖环境之间的套管通常所需的重量，并且还降低电和热损失。
图5示出按照本发明的第五实施例的超导电缆束5的示意性纵截面。在此，电缆横截面例如可以与图1的示例一样地构造。双层壁的低温恒温器9在电缆束的长度l的大部分上构造具有光滑的、即无波纹的低温恒温器壁9a和9b。即在所示局部中是区段33。在所示局部中，在区段33之间布置有波状的区段31。在这种波状的区段31中，真空绝缘的套壳具有波形的轮廓，这提升了管路在此区域中的拉长和压缩方面以及弯曲方面的机械灵活性。尽管如此，为了实现在冷却剂通道13中流动的冷却剂15的尽可能低的流动阻力和尽可能低的湍流，这些区段中的低温恒温器内壁9b可以在内部装有光壁的管插入件29。

Claims (15)

1.一种用于在交通运输工具、尤其航空器内部传输能量的能量传输装置(1)，
其具有电缆系统(3)，所述电缆系统包括：
至少一个具有至少一个超导的导体元件(7)的超导的电缆束(5)，
-其中，所述超导的电缆系统(5)设计用于以至少1MW的功率传输电能，
-并且其中，所述超导的电缆系统(3)具有不大于2kg/m的基于电缆系统长度(l)的重量。
2.按照权利要求1所述的能量传输装置(1)，其中，超导的电缆束(5)具有不大于0.7kg/m的基于电缆束长度(l)的重量，并且电缆系统(3)具有不大于1kg/m的基于电缆系统长度的重量。
3.按照权利要求1或2之一所述的能量传输装置(1)，
-其中，所述电缆系统(3)具有至少500A的载流能力，
-并且其中，所述电缆系统(3)设计为在低于10kV的传输电压(UT)下工作。
4.按照上述权利要求之一所述的能量传输装置(1)，其中，所述电缆系统(3)具有至少一个用于冷却超导的导体元件(7)的双层壁低温恒温器(9)，所述双层壁低温恒温器的低温恒温器壁(9a、9b)相对于所述电缆系统(3)的纵向延伸(l)的大部分构造为光壁的管。
5.按照上述权利要求之一所述的能量传输装置(1)，其中，所述电缆系统(3)构造用于传输交流电，并且为此具有多个分别配属交流电各相的超导的导体元件(7)。
6.按照权利要求5所述的能量传输装置(1)，其中，所述用于多个相的多个导体(7)布置在共同的双层壁低温恒温器(9)内部。
7.按照上述权利要求之一所述的能量传输装置(1)，其中，每个电缆束(5)仅具有两个至最多六个独立的超导的导体元件(7)，超导的导体元件(7)分别成对相邻地并且相互平行地被导引。
8.按照上述权利要求之一所述的能量传输装置(1)，其中，至少一个超导的导体元件(7)由一个或多个支撑元件(11)承载和/或被一个或多个电绝缘元件(13)包围，其中，每个电缆束中的支撑元件(11)和绝缘元件(13)的总重量最大约为0.1kg/m。
9.按照上述权利要求之一所述的能量传输装置(1)，其中，至少一个超导的导体元件(7)这样地布置在冷却剂通道(13)内，使得在所述能量传输装置工作时，液态的冷却剂(15)能在所述超导的导体元件(7)周围流动。
10.按照上述权利要求之一所述的能量传输装置(1)，其中，超导的导体元件(7)在所述电缆系统(3)的至少一端与超导线圈绕组(17)相连。
11.按照权利要求10所述的能量传输装置(1)，其中，超导线圈绕组(17)是变压器(19)的绕组，或者电动机(23)的或发电机(21)的定子绕组。
12.按照上述权利要求之一所述的能量传输装置(1)，其中，所述能量传输装置(1)在所述电缆系统(3)的每个端部上都具有变压器(19)，用于将由电流源(21)产生的电流为了在电缆系统(3)中传输而从初始的电压(UG)变换成较低电压(UT)，并且用于将传输后的电流为了用电器(23)再变换回更高的电压(UM)。
13.一种交通运输工具、尤其航空器，其具有
-电流源(21)，
-用电器(23)，
-按照上述权利要求之一所述的用于在交通运输工具内部从电流源(21)向用电器(23)传输电能的能量传输装置(1)。
14.按照权利要求12所述的交通运输工具，其中，所述用电器(23)是用于驱动所述交通运输工具的电动机。
15.一种用于在交通运输工具、尤其航空器中传输能量的方法，其特征在于下述步骤：
-借助布置在交通运输工具中的电流源(21)产生电流，
-借助按照权利要求1至12之一所述的能量传输装置(1)将电流从电流源(21)传输至用电器(23)。
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