WO2018122297A1 - Elektrisches antriebssystem mit gasdrucksystem und hybrid-kabel - Google Patents

Elektrisches antriebssystem mit gasdrucksystem und hybrid-kabel Download PDF

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WO2018122297A1
WO2018122297A1 PCT/EP2017/084699 EP2017084699W WO2018122297A1 WO 2018122297 A1 WO2018122297 A1 WO 2018122297A1 EP 2017084699 W EP2017084699 W EP 2017084699W WO 2018122297 A1 WO2018122297 A1 WO 2018122297A1
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gas
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Johannes Wollenberg
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H05K5/06—Hermetically-sealed casings
    • H05K5/067—Hermetically-sealed casings containing a dielectric fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B60L3/0069—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to the isolation, e.g. ground fault or leak current
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    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
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    • B60L2200/10—Air crafts
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    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to an electric drive system for a vehicle.
  • the invention relates to a measure ⁇ measure to increase the reliability of the electric drive system.
  • Such an electric drive system typically includes at least one electrical machine which is operated for driving the Vortriebsmit ⁇ means of the aircraft as an electric motor.
  • Wei ⁇ terhin a corresponding source of electrical energy for the supply of the electric motor and usually a power electronics are provided, by means of which the electric motor is operated.
  • a hybrid electric drive system further includes an internal combustion engine is provided which is connected in series or parallel integrated into the drive system and, for example, a generator drives, which in turn provides electrical energy available, which is stored in egg ⁇ ner battery and / or supplied to the electric motor can be.
  • operating voltages are required. These operating voltages increase for example, with the power required to power the aircraft. It is, for example, to be assumed that operating voltages in the order of magnitude of approximately 1500V to 3000V are required to operate future electric or hybrid-electric commercial aircraft, while in current turbinenge ⁇ driven commercial aircraft, the electrical voltages are at most 340V to supply the electrical system.
  • the breakdown voltage is understood as meaning the electrical voltage which must be exceeded in order for an electrical breakdown or a voltage breakdown to occur. For safety reasons, it is therefore fundamentally to be avoided that the operating voltage exceeds the breakdown voltage.
  • the electric drive system described in claim 1 has an electrical Components ⁇ te, which, in particular at an operating voltage
  • U> 300V, in particular U> 400V is operated.
  • the electrical component in turn has a volume in which two mutually associated and spaced-apart electrical contacts or electrodes are at least in the operating ⁇ state of the electrical component have a substantially corresponding to the operating voltage potential difference.
  • a gas pressure system for providing a gas in particular air, is provided in order to generate and maintain a prescribable ambient pressure in the volume.
  • the gas pressure system is fluidly connected via a connecting device to the electrical component and to the volume in such a way that the gas can be provided in the volume for generating and maintaining the ambient pressure.
  • the electrical component is a component of the electric drive system which provides electrical energy, eg., A generator or a battery, which consumes electric energy or processed, eg., An electric motor or an inverter, or that trans ⁇ ported electrical energy, eg. A Electric wire. Also these subsystems ge ⁇ called components can len such electrical components representation.
  • a further such electrical component can be provided, which is also particularly useful in a operating voltage U> 300V, in particular U> 400V, is operated.
  • the further electrical component has a further volume in which two further mutually associated and vonei ⁇ spaced apart electrical contacts or electrodes be found that have at least in the operating state of the other elekt ⁇ cal component a substantially corresponding to the operating voltage potential difference.
  • the two electrical components are connected to one another via a further connecting device such that the gas for generating and maintaining a further predeterminable ambient pressure in the further volume can be made available to the further volume via the further connecting device.
  • connection device is advantageously an electrical connection, in particular an electrical cable, of the drive system for transporting electrical energy to or from the respective electrical contacts in the volume of the respective electrical component to which the respective connection device is connected, ie for supplying or Dissipating electrical energy to or from the respective electrical component.
  • This offers the advantage that no separate device has to be used for supplying the gas and that the gas for generating and maintaining the ambient pressure ⁇ is automatically available at the place where the operating voltage is present.
  • Each electrical connection has an electrical conductor for transporting the electrical energy and a hose-like cavity for transporting the gas.
  • the electrical conductor extends in a longitudinal direction of the respective connecting device between two end regions of the respective connecting device.
  • the tubular cavity also extends in the longitudinal direction of the respective connection means between the two end portions of the respective connecting means is thus substantially parallel to the electrical conductor oriented, and is vorgese ⁇ hen to the gas along the cavity and along the To transport connecting device between the end regions and to provide in the respective volume.
  • the connecting device with each of its end regions can be connected to the respective electrical component in such a way that the cavity and the volume are in direct or indirect fluidic contact with one another, so that the gas can be provided by the gas pressure system via the cavity in the volume.
  • the electrical conductor and the cavity are arranged coaxially with each other.
  • the electrical conductor surrounds the hollow space in a circumferential direction of the connecting device, so that therefore the hollow space is arranged in the radial direction within the electrical conductor.
  • the cavity surrounds the electrical conductor in the circumferential direction of the connecting device, so that therefore the electrical conductor is arranged in the radial direction within the cavity.
  • the electrical conductor and the cavity are juxtaposed, i. seen one after another in one direction, which is perpendicular to the
  • An opening formed for this purpose electrical horrein- direction or hybrid cable for transporting electrical energy to or from the electrical contacts of an electrical component of an electric drive system for an aircraft and for providing a gas in egg ⁇ nem volume of said electrical component for generating and maintaining a predetermined pressure in the volume thus has an electrical conductor and a hose-like cavity.
  • the electrical conductor as well as the tubular cavity extend in a longitudinal direction of the Connecting device between two end portions of the connecting device, so are oriented substantially parallel to each other.
  • the cavity is provided in order to supply the volume to the gaseous medium, in order to generate and maintain a predetermined ambient pressure in the volume.
  • the electrical conductor and the cavity can be arranged coaxially with one another or else next to one another.
  • the gas in the volume over the fluidly connected to the volume electrical connection means so prepared is that a vorgeb ⁇ Barer pressure generated in the volume and maintained.
  • the specification of the pressure in dependence on the potential difference of the electrodes in the volume of the electrical component and according to the Paschen law is such that the following from the Paschen law breakdown voltage is always higher than the potential difference.
  • the Paschen law describes the relationship between breakdown voltage UD and pressure as follows:
  • p is the gas pressure, i.e. for the distance of BETEI ⁇ -favored electrodes in the volume of ⁇ for the 3rd Townsend coefficient, and A and B constants.
  • the pressure p can be influenced. This is exploited in the inventive approach.
  • the invention is particularly advantageous in such applications, be used in an aircraft in which high operation ⁇ voltages, ie in particular operating voltages greater than about 300V. This is the case, for example electrical equipment or components of an electric or hybrid-electric primary drive system on board the aircraft, in which operating voltages can be used in magnitude ⁇ tions of over 1000V. It is assumed that these components are in
  • the unprinted areas are accordingly exposed to the external conditions in the current environment of the aircraft, ie in these areas there is an ambient or atmospheric pressure which corresponds to the atmospheric pressure at the altitude at which the aircraft is currently located.
  • the ambient pressure in the unprinted areas of the aircraft may be very low.
  • the atmospheric pressure at an altitude of 12,000 m is approximately 200 hPa, and all components outside the printed cabin are exposed to this low ambient pressure, with the result that the breakdown voltage is greatly reduced in accordance with Paschen's law.
  • the invention now serves to ensure under these conditions that electrical breakdowns or arcs are prevented in or on the electrical components.
  • the invention is based on the concept that the ambient ⁇ pressure to the affected area, for example. Connectors to increase by suitable means such that the breakdown ⁇ voltage increases accordingly and a breakdown or light ⁇ arc even with small clearances and creepage distances between electrical poles or electrodes of the respective component, as used in conventional applications on the earth's surface is prevented.
  • a constant ambient pressure in the order of magnitude of the mean air pressure at sea level, approximately 1 000 hPa is set at relevant points, ie at locations where there is a potential of> 300V.
  • said device For generating or maintaining this constant ambient pressure, said device is used, for example, a corresponding gas pressure system for providing a gas, in particular air.
  • hybrid lines are used in which both electrical power and the gas can be performed.
  • the already required electrical connection lines between the electrical components are used to transport the gas required for printing, in addition to the transmission of electrical energy, so that the gas and thus the increased pressure are directly available at those points. where it could potentially cause electrical breakdowns because there prevail the comparatively high electric tension ⁇ calculations.
  • FIG 1 shows an electrical drive system for an aircraft
  • FIG 2 shows a cross section of a first variant of a first
  • Embodiment of the hybrid cable, 4 shows a cross section of a second embodiment of the hybrid cable
  • the ⁇ ses drive system 100 can be installed in the aircraft in order to drive a propulsion means of the aircraft, for example.
  • a pro peller ⁇ so that the aircraft in the sequence can be set in motion ⁇ Be.
  • the drive system 100 has a group of electrical components 110, 120, 130.
  • the group includes a battery 110, an inverter 120 and a Elektromo ⁇ tor 130.
  • the battery 110 is connected via the inverter 120 to the electric motor 130, so that provided by the battery 110 DC voltage through the inverter 120 in one for the operation of the Electric motor 130 suitable Wech ⁇ selschreib is converted.
  • the electric motor 130 is in turn connected via a shaft 11 with the propeller 10 of the airplane is not ⁇ provided to drive this.
  • the components 110, 120, 130 of the electric drive system 100 operate with operating voltages in the order of> 1000V to ensure that the drive system 100 in combination with the propeller 10 sufficient propulsion generated for the aircraft.
  • At least the illustrated components 110, 120, 130 of the drive system 100 will typically not be in a printed area of the aircraft and accordingly will be exposed at least indirectly to the pressure in the aircraft's outer environment, which is known to fall with increasing altitude. This affects, described by the Paschen's law, negative effect on the probability of occurrence of elekt ⁇ step breakdowns in these electrical components 110, 120, 130.
  • the Paschen law represents an approximate relationship for the breakdown voltage UD as a function of various parameters and can be formulated as follows:
  • p is the gas pressure, i.e. for the distance of BETEI ⁇ -favored electrodes 102, 103 in the volume 101, for the ⁇ 3. Townsend coefficient and A and B constants.
  • the pressure p can be influenced. This is exploited in the inventive approach.
  • the drive system 100 to a gas pressure system 150th
  • the gas pressure system 150 is arranged to a Me ⁇ dium 151, eg., A gas or a gas mixture such as air, 100 be ⁇ riding observed under a predeterminable pressure at those locations of the elec- generic components 110, 120, 130 of the drive system, in which the risk of electrical breakdown exists.
  • a Me ⁇ dium 151 eg., A gas or a gas mixture such as air
  • the electrodes 102, 103 are in the volume not shown 101.
  • the electrodes 102, 103 in such a volume 101 have, at least in the operating state of the drive system 100, a potential difference which, for example, is greater than 300V, in particular in the case of the electric drive system 100 as expected even greater than 1000V, so that in particular at ambient pressures in typical Cruising altitudes the risk of electrical breakdown is significant.
  • the gas pressure system 150 now has the effect of providing the medium 151 at the locations mentioned or in the volumes 101 in such a way that predefinable pressures can be generated and maintained there.
  • Such volumes 101 are located in particular at those locations of the electrical components 110, 120, 130 of the drive system 100, in which these components 110, 120, 130 with electrical supply or discharge lines or cables 140 are connected via the electrical energy to be supplied or removed.
  • the volumes 101 are located at the output of the battery 110, to which a cable 140 is connected, via which electrical energy is supplied from the battery 110 to the converter 120. Accordingly, there is also a volume 101 at the input of the converter 120.
  • both the plug connector 160 and the electric motor 130 have volumes 101.
  • the gas pressure system 150 in egg ⁇ ner comparatively simple embodiment of a compres- sor 152, which sucks, for example.
  • the pressure vessel 153 is connected via a controllable valve 154 and a gas line 155 to the arrangement of the electrical components 110, 120, 130 of the drive system 100, in the illustrated example with the battery 110, around the printed gas 151 to the electric drive system 100 and there in particular to supply the volumes 101.
  • the battery 110 is, but by way of example only, the first of a series of components to be supplied with the printed gas 151.
  • the converter may be the first, connected to the gas line 155 or component 120, the electric motor 130 depending on the spatial arrangement of the components and of the gas pressure system 150 zuei ⁇ Nander example..
  • the cable 140 which is present anyway for transmitting the electrical energy, is now used in a special embodiment as a hybrid cable.
  • the gas line 155 from the pressure vessels 151 ter 153 supplies the gas to the first printed component, ie in the case shown to the battery 110 can be a commercially available tube or ⁇ pipe joint to which no special demands are made.
  • the hybrid cable 140 which extends in each case between two of the components 110, 120, 130, on the other hand fulfills a dual function, since it transports both electrical energy and the printed gas 151 between the respectively connected components 110, 120, 130.
  • the hybrid cable 140 is designed as shown by way of example in FIGS. 2, 3, 4.
  • the hybrid cable 140 has an electrical conductor 141 for transporting electrical energy to or from the electrical component 110, 120, 130 to which the hybrid cable 140 is connected.
  • the electrical conductor 141 extends in a longitudinal direction of the hybrid cable 140 between two end regions of the hybrid cable 140, wherein in the Endbe ⁇ rich example. Plug can be provided (not shown), with which the hybrid cable 140 with of each should ⁇ closing component 110, 120, 130 can be connected. Accordingly, the components 110, 120 would, 130 appropriate to the connectors comprise connectors (also not Darge ⁇ asserted).
  • the hybrid cable 140 is connected at those locations with the respective components 110, 120, 130, to de ⁇ each NEN, the volumes are located one hundred and first The union there befind ⁇ electrodes 102, 103 of the component 110, 120, 130 are then connected in hybrid cable 140 in contact with the electrical conductor 141 of the cable 140 so that the respective gene component 110, 120, 130 via the cable 140 electrical energy can be added or removed.
  • the hybrid cable 140 has a hose-like cavity 142, which also extends in the longitudinal direction of the hybrid cable 140 between the two end regions, that is oriented substantially parallel to the electrical conductor 141.
  • the cavity 142 is now adapted to the gas 151 components between the interconnected by means of the hybrid cable 140 com- 110, 120 to transport 130 and to obtain ⁇ surfaces so that in the corresponding volumes of the to avoid electric breakdowns required pressure is generated and maintained on ⁇ . Consequently, the hybrid cable 140 is one of its
  • a controller 190 is set up, for example, depending on the pressure conditions in the electrical
  • valve 154 to regulate such that the required pressures in the volumes 101 are achieved.
  • appropriate pressure sensors may be present at the appropriate locations, which transmit their measured values to the controller 190.
  • Gegebe ⁇ appropriate, in addition to the control valve 154 more, controllable by the controller 190 devices may be 154 ⁇ provided to affect not only the flow of gas in the supplying gas line 155, but also in the hybrid line 140, for example. Between the connector 160 and the electric motor 130 or other appropriate locations.
  • Such devices 154 ⁇ can be controllable valves or, for example, pumps, compressors or the like, which compensate for a possible pressure drop due to the length of the hybrid cable 140 in that they bring the gas supplied to them again to the required pressure.
  • FIG 1 a system is shown in which the electrical ⁇ rule components 110, 120, 130, both with respect. Of the electrical supply as well as related.
  • the supply of the gas 151 in series, thus connected in series are arranged.
  • the corresponding ⁇ the gas has 151 that one of the components 110, 120, 130 is fed in the row, at an output respective component to be fed there in the hybrid line 140 and the next component in the series to be supplied.
  • the electrical conductor 141 and the cavity 142 are arranged coaxially with each other and surrounded by a layer 143 acting as insulation and screen.
  • the electrical conductor 141 surrounds the cavity 142 in a circumferential direction of the hybrid cable 140.
  • the cavity 142 is thus Seen in the radial direction within the electrical conductor 141.
  • the cavity 142 surrounds the electrical conductor 141 in the circumferential direction of the hybrid cable 140, i. the electrical conductor
  • Hyb ⁇ rid cable 140 shows a second conceivable embodiment of the Hyb ⁇ rid cable 140, also in a cross-sectional view. Unlike in the coaxial first embodiment of the hybrid cable 140, the electrical conductor 141 and the tubular cavity 142 are juxtaposed in the second embodiment, so that neither of the two devices 141, 142 of the hybrid cable is the other one surrounds.
  • All electrical component 110, 120, 130 connected by means of such hybrid cable 140 are designed in such a gas-tight or gas- ⁇ permeable, that while the printed operation as little as possible, but a minimum is given to gas by the pressure prevailing excess pressure from the gas pressure system to the environment , Thus, a low-energy operation of the gas ⁇ pressure system is ensured.
  • pressure gauges can be provided, so that the controller 190 based on the Mess ⁇ values of the pressure gauges as also mentioned the control ⁇ valve 154 and possibly other valves and / or the compressor 152 so controls or regulates in that the desired pressures are generated in the various voids .
  • the combination of the electrical line 141 with the cavity 142 further causes, depending on the volume flow of the gas 151 used in the cavity 142, a part of the Ohmic heat loss in the electrical conductor see 141 of the hybrid cable 140 can be dissipated.
  • FIG. 5 shows a volume 101 and the electrodes or electrical contacts 102, 103 arranged in the volume.
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Luftfahrzeug. Das Antriebssystem weist elektrische Komponenten auf, die bei vergleichsweise hohen Betriebsspannungen betrieben werden. Um negative Effekte des Paschen-Gesetzes auf die jeweilige Durchschlagsspannung aufgrund geringer Umgebungsdrucke in großen Flughöhen zu kompensieren, wird an entsprechenden Orten der elektrischen Komponenten mit Hilfe eines Gasdrucksystems ein Umgebungsdruck aufrecht erhalten, der bspw. dem Umgebungsdruck auf Meereshöhe entspricht. Hierzu werden spezielle Hybrid-Kabel eingesetzt, die sowohl die zum Betrieb der elektrischen Komponente benötigte elektrische Energie als auch das Gas zum Erzeugen und Aufrechterhalten des gewünschten Druckes bereitstellen.

Description

Beschreibung
ELEKTRISCHES ANTRIEBSSYSTEM MIT GASDRUCKSYSTEM UND HYBRID-KABEL
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ma߬ nahme zur Erhöhung der Betriebssicherheit des elektrischen Antriebssystems .
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Folgenden unter einem elektrischen Antriebssystem auch ein hybridelektrisches Antriebssystem verstanden wird, d.h. der Begriff „elektrisches Antriebssystem" umfasst sowohl rein elektrische Antriebssysteme als auch Antriebssysteme, in denen elektri¬ sche Maschinen mit Verbrennungskraftmaschinen kombiniert sind .
Zum Antrieb von Luftfahrzeugen, bspw. von Flugzeugen oder Helikoptern, werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem weist in der Regel zumindest eine elektrische Maschine auf, die zum Antreiben des Vortriebsmit¬ tels des Luftfahrzeugs als Elektromotor betrieben wird. Wei¬ terhin sind eine entsprechende Quelle elektrischer Energie zur Versorgung des Elektromotors sowie in der Regel eine Leistungselektronik vorgesehen, mit deren Hilfe der Elektromotor betrieben wird. Im Falle eines hybrid-elektrischen Antriebssystems ist desweiteren ein Verbrennungsmotor vorgesehen, der seriell oder parallel in das Antriebssystem integriert ist und bspw. einen Generator antreibt, welcher seinerseits elektrische Energie zur Verfügung stellt, die in ei¬ ner Batterie gespeichert und/oder dem Elektromotor zugeführt werden kann.
Zum Betreiben der elektrischen Betriebsmittel bzw. Komponen- ten des elektrischen Antriebssystems werden entsprechende Be- triebsspannungen benötigt. Diese Betriebsspannungen steigen bspw. mit der zum Antreiben des Luftfahrzeugs benötigten Leistung. Es ist bspw. davon auszugehen, dass zum Betreiben zukünftiger elektrischer oder hybrid-elektrischer Verkehrsflugzeuge Betriebsspannungen in Größenordnungen von ca. 1500V bis 3000V benötigt werden, während in aktuellen, turbinenge¬ triebenen Verkehrsflugzeugen die elektrischen Spannungen bei höchstens 340V zur Versorgung des Bordnetzes liegen.
Generell ist davon auszugehen, dass mit steigender Betriebs- Spannung auch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass die Be¬ triebsspannung über einer jeweils gegebenen Durchschlagsspannung liegt. Dabei wird unter der Durchschlagsspannung diejenige elektrische Spannung verstanden, die überschritten werden muss, damit ein elektrischer Durchschlag bzw. ein Span- nungsdurchschlag auftritt. Es ist also aus Sicherheitsgründen grundsätzlich zu vermeiden, dass die Betriebsspannung die Durchschlagsspannung überschreitet .
Die durch das Paschen-Gesetz beschriebene Durchschlagsspan- nung hängt u.a. von dem jeweils herrschenden Umgebungsdruck p sowie vom Abstand d der Elektroden ab, an denen die Betriebs¬ spannung anliegt. Bei ansonsten jeweils konstanten Parametern fällt dabei die Durchschlagsspannung typischerweise mit fal¬ lendem Umgebungsdruck p sowie auch mit fallendem Elektroden- abstand d. Es ist davon auszugehen, dass bspw. im Anwendungs¬ fall in einem Luftfahrzeug bei großer Höhe und dem damit ver¬ bundenen reduzierten Umgebungsdruck p die Durchschlagsspannung vergleichsweise niedrig ist. Dies führt dazu, dass dem¬ entsprechend niedrige Betriebsspannungen gewählt werden müs- sen, um sicherzustellen, dass in den elektrischen Betriebsmitteln auch bei großer Höhe keine elektrischen Durchschläge auftreten. Insbesondere im Anwendungsfall des elektrischen Fliegens ist jedoch davon auszugehen, dass die oben bereits erwähnten vergleichsweise hohen Betriebsspannungen eingesetzt werden müssen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, auch in großer Höhe elektrische Durch- schlage bei den gegebenen Betriebsspannungen eines elektrischen Antriebssystems zu verhindern.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene elektrische Antriebssystem, durch die in Anspruch 11 beschriebene Verbindungseinrichtung und durch das Betriebsverfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Die Unteransprüche beschrei¬ ben vorteilhafte Ausgestaltungen. Das elektrisches Antriebssystem, welches insbesondere für ein Luftfahrzeug verwendbar ist, weist eine elektrische Komponen¬ te auf, welche insbesondere bei einer Betriebsspannung
U>300V, insbesondere U>400V, betrieben wird. Die elektrische Komponente weist ihrerseits ein Volumen auf, in dem sich zwei einander zugeordnete und voneinander beabstandete elektrische Kontakte bzw. Elektroden befinden, die zumindest im Betriebs¬ zustand der elektrischen Komponente eine im Wesentlichen der Betriebsspannung entsprechende Potentialdifferenz aufweisen. Weiterhin ist ein Gasdrucksystem zum Bereitstellen eines Ga- ses, insbesondere Luft, vorgesehen, um in dem Volumen einen vorgebbaren Umgebungsdruck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Das Gasdrucksystem ist über eine Verbindungseinrichtung mit der elektrischen Komponente und mit dem Volumen derart fluidisch verbunden, dass das Gas zur Erzeugung und Aufrecht- erhaltung des Umgebungsdruckes in dem Volumen bereitstellbar ist .
Die elektrische Komponente ist ein Bauteil des elektrischen Antriebssystems, welches elektrische Energie bereitstellt, bspw. ein Generator oder eine Batterie, welches elektrische Energie verbraucht bzw. verarbeitet, bspw. ein Elektromotor oder ein Umrichter, oder welches elektrische Energie trans¬ portiert, bspw. ein Kabel. Auch können Subsysteme dieser ge¬ nannten Bauteile derartige elektrische Komponenten darstel- len.
Weiterhin kann eine weitere derartige elektrische Komponente vorgesehen sein, die ebenfalls insbesondere bei einer Be- triebsspannung U>300V, insbesondere U>400V, betrieben wird. Die weitere elektrische Komponente weist ein weiteres Volumen auf, in dem sich zwei weitere einander zugeordnete und vonei¬ nander beabstandete elektrische Kontakte bzw. Elektroden be- finden, die zumindest im Betriebszustand der weiteren elekt¬ rischen Komponente eine im Wesentlichen der Betriebsspannung entsprechende Potentialdifferenz aufweisen. Die beiden elektrischen Komponenten sind über eine weitere Verbindungseinrichtung derart miteinander verbunden, dass das Gas zur Er- zeugung und Aufrechterhaltung eines weiteren vorgebbaren Umgebungsdruckes in dem weiteren Volumen über die weitere Verbindungseinrichtung dem weiteren Volumen bereitstellbar ist.
Jede Verbindungseinrichtung ist vorteilhafterweise eine elektrische Verbindung, insbesondere ein elektrisches Kabel, des Antriebssystems zum Transport von elektrischer Energie zu den oder von den jeweiligen elektrischen Kontakten in dem Volumen der jeweiligen elektrischen Komponente, mit der die jeweilige Verbindungseinrichtung verbunden ist, d.h. zum Zufüh- ren oder Abführen von elektrischer Energie zu der oder von der jeweiligen elektrischen Komponente. Dies bietet den Vorteil, dass zur Zuführung des Gases keine separate Einrichtung verwendet werden muss und dass das Gas zur Erzeugung und Auf¬ rechterhaltung des Umgebungsdruckes automatisch an dem Ort verfügbar ist, an dem auch die Betriebsspannung anliegt.
Jede elektrische Verbindung weist einen elektrischen Leiter zum Transport der elektrischen Energie sowie einen schlauchartigen Hohlraum zur Transport des Gases auf. Der elektrische Leiter erstreckt sich in einer Längsrichtung der jeweiligen Verbindungseinrichtung zwischen zwei Endbereichen der jeweiligen Verbindungseinrichtung. Der schlauchartige Hohlraum erstreckt sich ebenfalls in der Längsrichtung der jeweiligen Verbindungseinrichtung zwischen den beiden Endbereichen der jeweiligen Verbindungseinrichtung, ist also im Wesentlichen parallel zum elektrischen Leiter orientiert, und ist vorgese¬ hen, um das Gas entlang des Hohlraums und damit entlang der Verbindungseinrichtung zwischen den Endbereichen zu transportieren und im jeweiligen Volumen bereitzustellen.
Dabei ist die Verbindungseinrichtung mit jedem ihrer Endbe- reiche derart mit der jeweiligen elektrischen Komponente verbindbar, dass der Hohlraum und das Volumen in direktem oder indirektem fluidischem Kontakt miteinander sind, so dass das Gas von dem Gasdrucksystem über den Hohlraum in dem Volumen bereitstellbar ist.
In einer Ausführungsform sind der elektrische Leiter und der Hohlraum koaxial zueinander angeordnet.
Dabei kann in einer Variante der elektrische Leiter den Hohl- räum in einer Umfangsrichtung der Verbindungseinrichtung umgeben, so dass also der Hohlraum in radialer Richtung innerhalb des elektrischen Leiters angeordnet ist.
In einer weiteren Variante umgibt der Hohlraum den elektri- sehen Leiter in der Umfangsrichtung der Verbindungseinrichtung, so dass also der elektrische Leiter in radialer Richtung innerhalb des Hohlraums angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind der elektrische Leiter und der Hohlraum nebeneinander angeordnet, d.h. hintereinander in einer Richtung gesehen, welche senkrecht auf der
Längserstreckung des elektrischen Leiters steht.
Eine zu diesem Zweck ausgebildete elektrische Verbindungsein- richtung bzw. Hybrid-Kabel zum Transport von elektrischer Energie zu den oder von den elektrischen Kontakten einer elektrischen Komponente eines elektrischen Antriebssystems für ein Luftfahrzeug und zum Bereitstellen eines Gases in ei¬ nem Volumen der elektrischen Komponente zum Erzeugen und Auf- rechterhalten eines vorgebbaren Druckes in dem Volumen weist also einen elektrischen Leiter sowie einen schlauchartigen Hohlraum auf. Der elektrische Leiter sowie auch der schlauchartige Hohlraum erstrecken sich in einer Längsrichtung der Verbindungseinrichtung zwischen zwei Endbereichen der Verbindungseinrichtung, sind also im Wesentlichen parallel zueinander orientiert. Dabei ist der Hohlraum vorgesehen, um dem Volumen das gasförmige Medium zuzuführen, um in dem Volumen ei- nen vorgegebenen Umgebungsdruck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten .
Wie bereits erwähnt können der elektrische Leiter und der Hohlraum koaxial zueinander oder aber nebeneinander angeord- net sein.
In einem Betriebsverfahren für das elektrische Antriebssystem des Luftfahrzeugs stellt das Gasdrucksystem das Gas in dem Volumen über die mit dem Volumen fluidisch verbundene elekt- rische Verbindungseinrichtung derart bereit, dass ein vorgeb¬ barer Druck in dem Volumen erzeugt und aufrecht erhalten wird .
Dabei erfolgt die Vorgabe des Drucks in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz der Elektroden in dem Volumen der elektrischen Komponente und gemäß dem Paschen-Gesetz derart, dass die aus dem Paschen-Gesetz folgende Durchschlagsspannung stets höher ist als die Potentialdifferenz. Hierfür wird angenommen, dass das Paschen-Gesetz den Zusammenhang zwischen Durchschlagsspannung UD und Druck folgendermaßen beschreibt:
B
UD = r · p · d
In (A · p · d) - In (In ( 1 + γ"1)
Dabei steht p für den Gasdruck, d für den Abstand der betei¬ ligten Elektroden in dem Volumen, γ für den 3. Townsend- Koeffizienten und A sowie B für Konstanten. Faktisch ist in einer konkreten Anwendung bzw. bei gegebener Geometrie der elektrischen Maschine lediglich der Druck p beeinflussbar. Dies wird in dem erfindungsgemäßen Ansatz ausgenutzt.
Die Erfindung ist insbesondere in derartigen Anwendungsfällen vorteilhaft, bei denen in einem Luftfahrzeug hohe Betriebs¬ spannungen eingesetzt werden, d.h. insbesondere Betriebsspannungen größer als ca. 300V. Dies ist bspw. der Fall bei elektrischen Betriebsmitteln bzw. Komponenten eines elektrischen oder hybrid-elektrischen Primär-Antriebssystems an Bord des Luftfahrzeugs, bei denen Betriebsspannungen in Größenord¬ nungen von über 1000V eingesetzt werden können. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich diese Komponenten in
unbedruckten Bereichen des Luftfahrzeugs befinden, also bspw. außerhalb der bedruckten Kabine des Luftfahrzeugs. Diese unbedruckten Bereiche sind dementsprechend den äußeren Bedingungen in der momentanen Umgebung des Luftfahrzeugs ausge- setzt, d.h. in diesen Bereichen herrscht ein Umgebungs- bzw. Luftdruck, der dem Atmosphärendruck in der Höhe entspricht, in der sich das Luftfahrzeug momentan befindet. Demzufolge kann der Umgebungsdruck in den unbedruckten Bereichen des Luftfahrzeugs sehr niedrig sein. Bspw. beträgt der Atmosphä- rendruck in einer Flughöhe von 12.000m in etwa 200hPa und sämtliche Komponenten außerhalb der bedruckten Kabine sind diesem niedrigen Umgebungsdruck ausgesetzt, was dazu führt, dass die Durchschlagsspannung gemäß dem Paschen-Gesetz stark herabgesetzt ist. Die Erfindung dient nun dazu, unter diesen Bedingungen sicherzustellen, dass elektrische Durchschläge bzw. Lichtbögen in bzw. an den elektrischen Komponenten verhindert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass mit Hilfe der Vorrichtung zum Aufrechterhalten des vorbestimmten Umgebungsdruckes in bzw. an den elektrischen Komponenten ein Druck bereitgestellt wird, der insbesondere gemäß dem Pa- schen-Gesetz garantiert, dass die jeweilige Durchschlagsspannung jederzeit größer ist als die Betriebsspannung der jeweiligen Komponente. Die Erfindung basiert demnach auf dem Konzept, den Umgebungs¬ druck an den betroffenen Stellen, bspw. Steckverbinder, durch geeignete Maßnahmen derart zu steigern, dass die Durchschlag¬ spannung entsprechend erhöht und ein Durchschlag bzw. Licht¬ bogen auch bei kleinen Luft- und Kriechstrecken zwischen elektrischen Polen bzw. Elektroden der jeweiligen Komponente, wie man sie in üblichen Applikationen auf der Erdoberfläche verwendet, verhindert wird. Es wird hierzu an relevanten Stellen, d.h. an Stellen, an denen ein Potential von >300V vorliegt, ein konstanter Umgebungsdruck in der Größenordnung des mittleren Luftdruckes auf Meereshöhe, ca. l.OOOhPa, eingestellt.
Für die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung dieses konstanten Umgebungsdruckes wird die genannte Vorrichtung eingesetzt, bspw. ein entsprechendes Gasdrucksystem zum Bereitstellen eines Gases, insbesondere Luft.
Um das durch das Gasdrucksystem bedruckte Gas an den vorgese¬ henen Stellen bereitzustellen, werden Hybrid-Leitungen verwendet, in denen sowohl elektrischer Strom als auch das Gas geführt werden können. Es werden also quasi die ohnehin benö- tigten elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den elektrischen Komponenten verwendet, um zusätzlich zur Übertragung von elektrischer Energie auch das zum Bedrucken benötigte Gas zu transportieren, so dass das Gas und damit der erhöhte Druck unmittelbar an denjenigen Stellen zur Verfügung steht, an denen es potentiell zu elektrischen Durchschlägen kommen könnte, da dort die vergleichsweise hohen elektrischen Span¬ nungen herrschen.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch glei- che Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigen:
FIG 1 ein elektrisches Antriebssystem für ein Flugzeug, FIG 2 einen Querschnitt einer ersten Variante einer ersten
Ausführungsform eines Hybrid-Kabels ,
FIG 3 einen Querschnitt einer zweiten Variante der ersten
Ausführungsform des Hybrid-Kabels, FIG 4 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des Hybrid-Kabels ,
FIG 5 ein Volumen mit elektrischen Kontakten. Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen gleiche Komponenten. Weiterhin sei angemerkt, dass sich Be¬ griffe wie „axial" und „radial" auf das in der jeweiligen Fi¬ gur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Kabel beziehen. Derartige Kabel weisen, abgesehen von eventuellen kurvigen Verläufen, zumindest abschnittsweise ei¬ nen im Wesentlichen geraden Verlauf auf, wobei die Erstre- ckung in Verlaufsrichtung wesentlich größer ist als diejenige in einer senkrecht zur Verlaufsrichtung stehenden Richtung. Die Verlaufsrichtung entspricht nun der „axialen" Richtung, während die „radiale" Richtung senkrecht darauf steht.
Die FIG 1 zeigt exemplarisch und vereinfacht ein elektrisches Antriebssystem 100 für ein nicht dargestelltes Flugzeug. Die¬ ses Antriebssystem 100 kann in dem Flugzeug installiert wer- den, um ein Vortriebsmittel des Flugzeugs, bspw. einen Pro¬ peller anzutreiben, so dass in der Folge das Flugzeug in Be¬ wegung gesetzt werden kann.
Das Antriebssystem 100 weist eine Gruppe von elektrischen Komponenten 110, 120, 130 auf. Die Gruppe umfasst dabei eine Batterie 110, einen Wechselrichter 120 sowie einen Elektromo¬ tor 130. Die Batterie 110 ist über den Wechselrichter 120 mit dem Elektromotor 130 verbunden, so dass eine von der Batterie 110 bereitgestellte Gleichspannung durch den Wechselrichter 120 in eine zum Betrieb des Elektromotors 130 geeignete Wech¬ selspannung gewandelt wird. Der Elektromotor 130 ist seinerseits über einen Welle 11 mit dem Propeller 10 des nicht dar¬ gestellten Flugzeugs verbunden, um diesen anzutreiben. Wie einleitend erwähnt arbeiten die Komponenten 110, 120, 130 des elektrischen Antriebssystems 100 mit Betriebsspannungen in einer Größenordnung von >1000V, um sicherzustellen, dass das Antriebssystem 100 in Kombination mit dem Propeller 10 ausreichend Vortrieb für das Flugzeug erzeugt. Zumindest die gezeigten Komponenten 110, 120, 130 des Antriebssystems 100 werden sich typischerweise nicht in einem bedruckten Bereich des Flugzeugs befinden und sind dementsprechend zumindest in- direkt dem Druck in der äußeren Umgebung des Flugzeugs ausgesetzt, der bekanntermaßen mit größer werdender Flughöhe fällt. Dies wirkt sich, beschrieben durch das Paschen-Gesetz , negativ auf die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von elekt¬ rischen Durchschlägen in diesen elektrischen Komponenten 110, 120, 130 aus.
Das Paschen-Gesetz stellt eine Näherungsbeziehung für die Durchschlagsspannung UD dar in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern dar und kann wie folgt formuliert werden:
UD = - r · p · d
In (A · p · d) - In (In ( 1 + γ"1)
Dabei steht p für den Gasdruck, d für den Abstand der betei¬ ligten Elektroden 102, 103 in dem Volumen 101, γ für den 3. Townsend-Koeffizienten und A sowie B für Konstanten. Faktisch ist in einer konkreten Anwendung bzw. bei gegebener Geometrie der elektrischen Maschine lediglich der Druck p beeinflussbar. Dies wird in dem erfindungsgemäßen Ansatz ausgenutzt.
Um dem sicherheitskritischen Effekt der erhöhten Wahrschein- lichkeit des Auftretens von elektrischen Durchschlägen entge¬ genzuwirken, weist das Antriebssystem 100 ein Gasdrucksystem 150 auf. Das Gasdrucksystem 150 ist eingerichtet, um ein Me¬ dium 151, bspw. ein Gas oder ein Gasgemisch wie etwa Luft, unter einem vorgebbaren Druck an denjenigen Orten der elekt- rischen Komponenten 110, 120, 130 des Antriebssystems 100 be¬ reitzustellen, an denen die Gefahr von elektrischen Durchschlägen besteht. Dabei kann der Einfachheit halber angenommen werden, dass sich an derartigen Orten jeweils zwei oder mehr Elektroden 102, 103 (siehe FIG 5) bzw. elektrische Pole in einem Volumen 101 befinden, in dem der Druck im Wesentlichen dem Umgebungsdruck des Flugzeugs entspricht. Der Übersichtlichkeit wegen sind die Elektroden 102, 103 in den Volu- mina 101 nicht dargestellt. Die Elektroden 102, 103 in einem solchen Volumen 101 weisen zumindest im Betriebszustand des Antriebssystems 100 eine Potentialdifferenz auf, die bspw. größer ist als 300V, insbesondere im Fall des elektrischen Antriebssystems 100 erwartungsgemäß sogar größer als 1000V, so dass also insbesondere bei Umgebungsdrücken in typischen Reiseflughöhen die Gefahr von elektrischen Durchschlägen signifikant ist. Das Gasdrucksystem 150 bewirkt nun dadurch, dass es das Medium 151 an den genannten Orten bzw. in den Vo- lumina 101 bereitstellt, dass dort vorgebbare Drücke erzeugt und aufrecht erhalten werden können. Dies hat zur Folge, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von elektrischen Durch¬ schlägen signifikant an den Orten bzw. in den Volumina 101 der elektrischen Komponenten 110, 120, 130 reduziert werden kann, indem mithilfe des zugeführten Mediums in den Volumina 101 bspw. ein Druck erzeugt wird, der dem Luftdruck auf Meereshöhe entspricht.
Derartige Volumina 101, in denen jeweils wie oben beschrieben mehrere Elektroden 102, 103 auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen angeordnet sind, befinden sich insbesondere an denjenigen Orten der elektrischen Komponenten 110, 120, 130 des Antriebssystems 100, an denen diese Komponenten 110, 120, 130 mit elektrischen Zu- oder Ableitungen bzw. Kabeln 140 verbunden werden, über die elektrische Energie zu- bzw. abgeführt wird. In der in FIG 1 dargestellten Ausführung finden sich die Volumina 101 am Ausgang der Batterie 110, an dem ein Kabel 140 angeschlossen ist, über das elektrische Energie aus der Batterie 110 dem Umrichter 120 zugeführt wird. Dem- entsprechend befindet sich auch am Eingang des Umrichters 120 ein derartiges Volumen 101. Gleiches gilt für den Ausgang des Umrichters 120, der seinerseits über einen ersten Kabelab¬ schnitt 140, einen Steckverbinder 160 und einen weiteren Kabelabschnitt 140 mit dem Eingang des Elektromotors 130 ver- bunden ist, um dem Elektromotor 130 über seinen Eingang die zum Betrieb benötigte elektrische Energie zuzuführen. An den entsprechenden Orten weisen also sowohl der Steckverbinder 160 als auch der Elektromotor 130 Volumina 101 auf. Um in den Volumina 101 einen ausreichenden Druck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten, weist das Gasdrucksystem 150 in ei¬ ner vergleichsweise einfachen Ausführungsform einen Kompres- sor 152 auf, der bspw. Umgebungsluft ansaugt, komprimiert und die komprimierte Luft 151 in einen Druckbehälter 153 befördert. Der Druckbehälter 153 ist über ein regelbares Ventil 154 und eine Gasleitung 155 mit der Anordnung der elektrischen Komponenten 110, 120, 130 des Antriebssystems 100 ver- bunden, im dargestellten Beispiel mit der Batterie 110, um das bedruckte Gas 151 dem elektrischen Antriebssystem 100 und dort insbesondere den Volumina 101 zuzuführen. Die Batterie 110 stellt, allerdings lediglich exemplarisch, die erste von einer Reihe von Komponenten dar, die mit dem bedruckten Gas 151 versorgt werden sollen. Ebenso kann je nach räumlicher Anordnung der Komponenten und des Gasdrucksystems 150 zuei¬ nander bspw. der Umrichter 120 oder der Elektromotor 130 die erste, mit der Gasleitung 155 verbundene Komponente sein. Um nun das Gas 151 auch zwischen den Komponenten 110, 120, 130 befördern zu können, wird nun das ohnehin zur Übertragung der elektrischen Energie vorhandene Kabel 140 in einer speziellen Ausführung als Hybrid-Kabel verwendet.
Die Gasleitung 155, die das bedruckte Gas 151 vom Druckbehäl- ter 153 zur ersten Komponente liefert, d.h. im dargestellten Fall zur Batterie 110, kann eine handelsübliche Schlauch¬ oder Rohrverbindung sein, an die keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Das Hybrid-Kabel 140, das sich jeweils zwischen zwei der Komponenten 110, 120, 130 erstreckt, er- füllt dagegen eine Doppelfunktion, da es sowohl elektrische Energie als auch das bedruckte Gas 151 zwischen den jeweils angeschlossenen Komponenten 110, 120, 130 transportiert.
Hierzu ist das Hybrid-Kabel 140 wie exemplarisch in den FIG 2, 3, 4 dargestellt ausgebildet.
Das Hybrid-Kabel 140 weist einen elektrischen Leiter 141 zum Transport von elektrischer Energie zu der oder von der elektrischen Komponente 110, 120, 130 auf, an die das Hybrid-Kabel 140 angeschlossen ist. Der elektrische Leiter 141 erstreckt sich in einer Längsrichtung des Hybrid-Kabel 140 zwischen zwei Endbereichen des Hybrid-Kabel 140, wobei in den Endbe¬ reichen bspw. Stecker vorgesehen sein können (nicht darge- stellt), mit denen das Hybrid-Kabel 140 mit der jeweils anzu¬ schließenden Komponente 110, 120, 130 verbunden werden kann. Dementsprechend würden die Komponenten 110, 120, 130 zu den Steckern passende Buchsen aufweisen (ebenfalls nicht darge¬ stellt) . Dabei wird das Hybrid-Kabel 140 an denjenigen Orten mit der jeweiligen Komponente 110, 120, 130 verbunden, an de¬ nen sich jeweils die Volumina 101 befinden. Die dort befind¬ lichen Elektroden 102, 103 der Komponente 110, 120, 130 sind dann bei angeschlossenem Hybrid-Kabel 140 in Kontakt mit dem elektrischen Leiter 141 des Kabels 140, so dass der jeweili- gen Komponente 110, 120, 130 über das Kabel 140 elektrische Energie zu- oder abgeführt werden kann.
Zusätzlich zu dem elektrischen Leiter 141 weist das Hybrid- Kabel 140 einen schlauchartigen Hohlraum 142 auf, der sich ebenfalls in der Längsrichtung des Hybrid-Kabel 140 zwischen den beiden Endbereichen erstreckt, also im Wesentlichen parallel zum elektrischen Leiter 141 orientiert ist. Der Hohlraum 142 ist nun dazu vorgesehen, um das Gas 151 zwischen den mit Hilfe des Hybrid-Kabels 140 miteinander verbundenen Kom- ponenten 110, 120, 130 zu transportieren und damit zu errei¬ chen, dass in den entsprechenden Volumina der zur Vermeidung elektrischer Durchschläge benötigte Druck erzeugt und auf¬ rechterhalten wird. Konsequenterweise ist das Hybrid-Kabel 140 mit einem seiner
Endbereiche derart mit der jeweiligen elektrischen Komponente 110, 120, 130 verbindbar, dass der Hohlraum 142 und das Volu¬ men 101 der angeschlossenen Komponente 110, 120, 130 in di¬ rektem oder indirektem fluidischem Kontakt miteinander sind, so dass das Gas 151 über den Hohlraum 142 in dem jeweiligen Volumen 101 bereitstellbar ist. Aus der Verwendung des Hybrid-Kabels 140 ergibt sich der Vor¬ teil, dass lediglich eine Verbindungsvorrichtung verwendet werden muss, über die sowohl elektrische Energie als auch das Gas 151 befördert werden kann. Zum Anderen ergibt sich der Vorteil, dass das Gas 151 und damit der gewünschte Druck un¬ mittelbar an den Orten und Volumina 101 zur Verfügung steht, an denen es benötigt wird, dass das Gas 151 also nicht von einem eventuellen Anschlusspunkt der Gasleitung zu dem jeweiligen Volumen 101 geführt werden muss.
Um den jeweils zur Vermeidung elektrischer Durchschläge benötigten Druck in den verschiedenen Volumina 101 zu erzeugen, sind bestimmte Gasflüsse nötig, die über das Ventil 154 ein¬ stellbar sind. Eine Steuerung 190 ist eingerichtet, um bspw. in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im elektrischen
Antriebssystem 100 das Ventil 154 derart zu regeln, dass die benötigten Drücke in den Volumina 101 erreicht werden. Zur Ermittlung der momentanen Druckverhältnisse können an den geeigneten Stellen entsprechende Drucksensoren vorhanden sein, die ihre Messwerte an die Steuerung 190 übermitteln. Gegebe¬ nenfalls können zusätzlich zum Regelventil 154 weitere, durch die Steuerung 190 regelbare Einrichtungen 154 λ vorgesehen sein, um nicht nur den Gasfluss in der zuführenden Gasleitung 155 zu beeinflussen, sondern auch in der Hybrid-Leitung 140, bspw. zwischen Steckverbinder 160 und Elektromotor 130 oder an anderen geeigneten Stellen. Derartige Einrichtungen 154 λ können regelbare Ventile sein oder aber bspw. Pumpen, Kompressoren o.a., die einen eventuellen Druckabfall aufgrund der Länge des Hybrid-Kabels 140 dadurch kompensieren, dass sie das ihnen zugeführte Gas erneut auf den benötigten Druck bringen .
In der FIG 1 ist ein System dargestellt, bei dem die elektri¬ schen Komponenten 110, 120, 130 sowohl bzgl. der elektrischen Versorgung als auch bzgl. der Versorgung mit dem Gas 151 hintereinander, also in Reihe geschaltet angeordnet sind. Dem¬ entsprechend muss das Gas 151, das einer der Komponenten 110, 120, 130 in der Reihe zugeführt wird, an einem Ausgang der jeweiligen Komponente zur Verfügung gestellt werden, um dort in die Hybrid-Leitung 140 eingespeist und der nächsten Komponente in der Reihe zugeführt zu werden. Bspw. weist der Umrichter 120 innerhalb oder außerhalb seines Gehäuses eine Gasleitung 123 auf, die das an seinem Eingang 121 angeordnete Volumen 101 mit dem am Ausgang 122 angeordne¬ ten Volumen 101 fluidisch verbindet, so dass das Gas 151 von einem Volumen 101 zum anderen Volumen 101 gelangen kann.
Entsprechendes gilt in der in FIG 1 dargestellten Ausführung auch für die Batterie 110 sowie für den Steckverbinder 160, d.h. auch diese Komponenten weisen interne oder externe Gasleitungen 113, 163 auf, die ihre jeweiligen Volumina 101 mit- einander verbinden.
Zwei Varianten einer ersten Ausführungsform des Hybrid-Kabels
140 sind in den FIG 2, 3 dargestellt. In der ersten Ausführungsform sind der elektrische Leiter 141 und der Hohlraum 142 koaxial zueinander angeordnet und von einer als Isolation und Schirm wirkenden Schicht 143 umgeben.
In der ersten Variante des koaxialen Hybrid-Kabels 140, die in FIG 2 in Form eines Querschnitts durch die Hybrid-Leitung 140 veranschaulicht wird, umgibt der elektrische Leiter 141 den Hohlraum 142 in einer Umfangsrichtung des Hybrid-Kabels 140. Der Hohlraum 142 ist also in radialer Richtung gesehen innerhalb des elektrischen Leiters 141 angeordnet. In der zweiten, in der FIG 3 ebenfalls in einem Querschnitt dargestellten Variante des koaxialen Hybrid-Kabels 140 umgibt der Hohlraum 142 den elektrischen Leiter 141 in der Umfangs- richtung des Hybrid-Kabels 140, d.h. der elektrische Leiter
141 ist in radialer Richtung gesehen innerhalb des Hohlraums 142 angeordnet.
Die FIG 4 zeigt eine zweite denkbare Ausführungsform des Hyb¬ rid-Kabels 140, ebenfalls in einer Querschnittsdarstellung. Anders als in der koaxialen, ersten Ausführungsform der Hyb- rid-Leitung 140 sind der elektrische Leiter 141 und der schlauchartige Hohlraum 142 in der zweiten Ausführungsform nebeneinander angeordnet, so dass keine der beiden Einrich- tungen 141, 142 des Hybrid-Kabels die jeweils andere umgibt.
Alle mittels derartiger Hybrid-Kabel 140 verbundenen elektrischen Komponente 110, 120, 130 sind derart gasdicht bzw. gas¬ durchlässig ausgeführt, dass während des bedruckten Betriebes möglichst wenig, jedoch ein Mindestmaß an Gas durch den herrschenden Überdruck aus dem Gasdrucksystem an die Umgebung abgegeben wird. Somit wird ein energiearmer Betrieb des Gas¬ drucksystems gewährleistet. Zur Sicherstellung des benötigten Gasdruckbereiches können wie erwähnt Druckmessgeräte vorgese- hen sein, so dass die Steuerung 190 basierend auf den Mess¬ werten der Druckmessgeräte wie ebenfalls erwähnt das Regel¬ ventil 154 sowie ggf. weitere Ventile und/oder den Kompressor 152 derart steuert oder regelt, dass in den verschiedenen Vo¬ lumina die gewünschten Drücke erzeugt werden.
Vorteilhafterweise wird durch die Kombination der elektrischen Leitung 141 mit dem Hohlraum 142 desweiteren bewirkt, dass abhängig vom eingesetzten Volumenstrom des Gases 151 im Hohlraum 142 ein Teil der Ohmschen Verlustwärme im elektri- sehen Leiter 141 des Hybrid-Kabels 140 abgeführt werden kann.
Die FIG 5 zeigt der Vollständigkeit halber und exemplarisch ein Volumen 101 und die in dem Volumen angeordneten Elektroden bzw. elektrischen Kontakte 102, 103. Bezugs zeichen
10 Propeller
11 Welle
100 elektrisches Antriebssystem
101 Volumen
102 Elektrode
103 Elektrode
110 elektrische Komponente, Batterie
113 Gasleitung
120 elektrische Komponente, Wechselrichter
121 Eingang
122 Ausgang
123 Gasleitung
130 elektrische Komponente, Elektromotor
140 Hybrid-Kabel
141 elektrischer Leiter
142 schlauchartiger Hohlraum
143 Isolationsschicht
150 Gasdrucksystem
151 Medium, Gas, Gasgemisch, Luft
152 Kompressor
153 Druckbehälter
154 Ventil
155 Gasleitung
160 Steckverbinder
163 Gasleitung
190 Steuerung

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Antriebssystem (100), insbesondere für ein Luftfahrzeug, aufweisend
- eine elektrische Komponente (110, 120, 130, 160), welche insbesondere bei einer Betriebsspannung U>300V, insbesondere U>400V, betrieben wird, wobei die elektrische Komponente (110, 120, 130, 160) ein Volumen (101) aufweist, in dem sich zwei einander zugeordnete und voneinander beabstandete elekt- rische Kontakte (102, 103) befinden, die zumindest im Be¬ triebszustand der elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) eine im Wesentlichen der Betriebsspannung entsprechende Potentialdifferenz aufweisen,
- ein Gasdrucksystem (150) zum Bereitstellen eines Gases (151), insbesondere Luft, zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren Umgebungsdruckes in dem Volumen (101), wobei
- das Gasdrucksystem (151) über eine Verbindungseinrichtung (140) mit der elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) und mit dem Volumen (101) derart fluidisch verbunden ist, dass das Gas (151) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Umgebungsdruckes in dem Volumen (101) bereitstellbar ist.
2. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere elektrische Komponente
(110, 120, 130, 160) vorgesehen ist, die insbesondere bei ei¬ ner Betriebsspannung U>300V, insbesondere U>400V, betrieben wird, wobei die weitere elektrische Komponente (110, 120, 130, 160) ein weiteres Volumen (101) aufweist, in dem sich zwei weitere einander zugeordnete und voneinander beabstande¬ te elektrische Kontakte (102, 103) befinden, die zumindest im Betriebszustand der weiteren elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) eine im Wesentlichen der Betriebsspannung entsprechende Potentialdifferenz aufweisen, wobei die elektri- sehen Komponenten (110, 120, 130, 160) über eine weitere Ver¬ bindungseinrichtung (140) derart miteinander verbunden sind, dass das Gas (151) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines weiteren vorgebbaren Umgebungsdruckes in dem weiteren Volumen (101) über die weitere Verbindungseinrichtung (140) dem weiteren Volumen (101) bereitstellbar ist.
3. Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verbindungsein¬ richtung (140) eine elektrische Verbindung (140), insbesonde¬ re ein elektrisches Kabel, des Antriebssystems (100) zum Transport von elektrischer Energie zu den oder von den jeweiligen elektrischen Kontakten (102, 103) der elektrischen Kom- ponente (110, 120, 130, 160) ist, mit der die jeweilige Ver¬ bindungseinrichtung (140) verbunden ist.
4. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede elektrische Verbindung (140) auf- weist:
- einen elektrischen Leiter (141) zum Transport der elektrischen Energie, wobei sich der elektrische Leiter (141) in ei¬ ner Längsrichtung der jeweiligen Verbindungseinrichtung (140) zwischen zwei Endbereichen der jeweiligen Verbindungseinrich- tung (140) erstreckt,
- einen schlauchartigen Hohlraum (142), der sich in der
Längsrichtung der jeweiligen Verbindungseinrichtung (140) zwischen den beiden Endbereichen der jeweiligen Verbindungseinrichtung (140) erstreckt und der vorgesehen ist, um das Gas (151) entlang des Hohlraums (142) zu transportieren und im jeweiligen Volumen (101) bereitzustellen.
5. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) und der Hohlraum (142) koaxial zueinander angeordnet sind.
6. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (142) in radialer Richtung innerhalb des elektrischen Leiters (141) angeordnet ist.
7. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) in radialer Richtung innerhalb des Hohlraums (142) angeordnet ist.
8. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) und der Hohlraum (142) nebeneinander angeordnet sind.
9. Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kompo¬ nente (110, 120, 130, 160) ein Elektromotor (130), ein Gene¬ rator, ein Umrichter (120) oder eine Batterie (110) ist.
10. Elektrische Verbindungseinrichtung, insbesondere Hybrid- Kabel, zum Transport von elektrischer Energie zu oder von elektrischen Kontakten (102, 103) einer elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) eines elektrischen Antriebssystems (100) für ein Luftfahrzeug und zum Bereitstellen eines Gases in einem Volumen (101) der elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines vorgebbaren Druckes in dem Volumen (101), aufweisend
- einen elektrischen Leiter (141), der sich in einer Längs- richtung der Verbindungseinrichtung (140) zwischen zwei Enden der Verbindungseinrichtung (140) erstreckt,
- einen schlauchartigen Hohlraum (142), der sich in der
Längsrichtung der Verbindungseinrichtung (140) zwischen den beiden Enden der Verbindungseinrichtung (140) erstreckt und der vorgesehen ist, um dem Volumen (101) ein gasförmiges Medium (151) zuzuführen, um in dem Volumen (101) einen vorgegebenen Umgebungsdruck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten.
11. Elektrische Verbindungseinrichtung nach Anspruch 10, da- durch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) und der Hohlraum (142) koaxial zueinander angeordnet sind.
12. Elektrische Verbindungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) und der Hohlraum (142) nebeneinander angeordnet sind.
13. Betriebsverfahren für ein elektrisches Antriebssystem (100) eines Luftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gasdrucksystem (150) das Gas (151) in dem Volumen (101) über eine mit dem Volumen (101) fluidisch verbundene elektrische Verbindungseinrichtung (140) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 derart bereitstellt, dass ein vorgebbarer Druck in dem Volumen (101) erzeugt und aufrecht erhalten wird .
14. Betriebsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe des Drucks in Abhängigkeit von der Po- tentialdifferenz der Kontakte (102, 103) in dem Volumen (101) der elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) und gemäß dem Paschen-Gesetz derart erfolgt, dass die aus dem Paschen- Gesetz folgende Durchschlagsspannung stets höher ist als die Potentialdifferenz .
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