专利名称：采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统及其实现方法
技术领域：
本发明属于无线输电或非接触电能传输应用领域，涉及采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统及其实现方法。
背景技术：
无线输电技术作为一种新兴的电能传输技术，具有安全、可靠、灵活方便等优点，已经日益受到世界各国的重视，并越来越广泛应用于各种不适合或不方便使用有线接触传输电能的地方，如植入式医疗设备、移动电子产品、机器人、轨道电车供电等场合，有望在不久的将来能够在小功率电子产品无线充电方面取代传统的插头充电。
谐振耦合无线输电要求发射线圈和接收线圈具有相同的固有频率，则在中等距离范围内能够实现全方位、不受空间障碍物的影响的高效的电能无线传输。本发明结合谐振耦合无线输电和高温超导线圈低内阻的优点，通过减小天线的内阻损耗来提高无线输电系统的传输效率，并增加电能无线传输的距离，以及降低线圈的尺寸和谐振工作频率。以往的无线输电系统无论是感应式的，还是谐振式的，其使用的发射和接收线圈都是普通的铜线圈。在高频的条件下，铜线圈的损耗很大，从而降低了无线输电系统的传输效率。并且线圈的品质因数Q很多情况下并不能满足实际系统的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统及其实现方法。本发明通过如下技术方案实现
采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统，其包括高频功率源、发射线圈、接收线圈和液氮容器，所述发射线圈和接收线圈中至少有一个为采用高温超导材料制成的，所述高温超导线圈位于液氮容器中，所述高频功率源与发射线圈的输入端连接。进一步优化的，所述发射线圈为采用高温超导材料制成的高温超导发射线圈，所述接收线圈为采用高温超导材料制成的高温超导接收线圈，且高温超导发射线圈和高温超导接收线圈均各自独立位于液氮容器中。进一步优化的，所述发射线圈为采用高温超导材料制成的高温超导线圈，所述发射线圈为采用非高温超导材料的通用导线制成。进一步优化的，高温超导发射线圈和高温超导接收线圈的尺寸完全一致或者尺寸不一致，高温超导发射线圈和高温超导接收线圈具有相同的固有频率。进一步优化的，所述发射线圈、接收线圈形状为空间螺旋结构或平面螺旋结构。进一步优化的，制成发射线圈、接收线圈的超导线材为丝带状或圆柱状。实现所述采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统的方法，采用高温超导材料制成高温超导线圈，该高温超导线圈作为发射线圈和/或接收线圈，通过液氮使高温超导线圈处于低温环境中，从而保持超导特性，通过补偿电容的方法来调节发射线圈和接收线圈的固有频率，使它们的固有频率与高频功率源一致，实现谐振以达到高效无线传输电能。进一步优化的，通过选择最优负载值来实现阻抗匹配，使系统传输效率最大。与现有技术相比，本发明具有如下优点发射线圈和接收线圈采用高温超导材料，从而大大降低了线圈的内阻，在提高传输功率和效率的同时，可以进一步增加无线电能传输的距离。并且可以发射线圈只采用高温超导材料而接收线圈采用普通的铜材料，并可以把接收线圈的尺寸做得小到可以配置在移动电子产品中，但必须保证两个线圈具有相同的固有频率。进一步的，通过液氮使高温超导线圈处于低温环境中，从而保持超导特性，通过补偿电容的方法来调节发射线圈和接收线圈的固有频率，使它们的固有频率与高频功率源一致，实现谐振以达到高效无线传输电能。
图I为采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统的一种实例图。 图2为采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统的另一种实例图。图3为谐振耦合无线输电系统的互感拓扑结构。图4为谐振耦合无线输电系统的等效电路图。
具体实施方案以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述，但本发明的实施和保护不限于此。如图I和图2所示，采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统，其包括高频功率源I、发射线圈2、接收线圈3和液氮容器4 (M表示互感)，所述发射线圈和接收线圈中至少有一个为采用高温超导材料制成的，所述高温超导线圈位于液氮容器4中，所述高频功率源与发射线圈2的输入端连接。图中的发射线圈2、接收线圈3均采用高温超导线材制成，其中图I所示为空间螺旋结构，图2所示为平面螺旋结构。电源是谐振耦合无线输电系统的主体部分之一，其包括可以输出兆赫兹级的正弦波、输出电压低、输出电流大，以满足闻温超导材料耐压低的缺点。如图3所示互感拓扑结构，图中包括电源AC、原边电容C1、原边电阻R1、原边电感L1、副边电容C2、副边电感L2、副边电阻R2，设原边输入电压为U”电流为I1,副边电流为I2,则
I.φΜ 1 +[iij +J^L2 — ——) +i fr]/a = 0
ωυ2
设Z11=At/(ωC1)，Z22=R2+jωQ +TPff,解得
!一 A I
1 zll +((BMfr22
j J / 2*"||
2=飞.......+.....函其中(《i/)2722称为引入阻抗或反映阻抗，它是二次回路阻抗和互感抗通过互感反映到一次侧的等效阻抗。则进一步可作出互感拓扑结构的等效电路如图4。其中Zeq= (ωΜ) 2Yn+R2+j {ω L2-I/ω C2)。为了分析的方便，发射线圈和接收线圈的参数完全一致，有TP1=ZP2=/^当一次侧和二次侧都达到谐振，即^1Z1=I/W1^1,，且ωι=ω2=ω时,可得负载输出功率为
则可得效率的表达式
权利要求
1.采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统，其特征在于包括高频功率源(I)、发射线圈(2)、接收线圈(3)和液氮容器(4)，所述发射线圈和接收线圈中至少有一个为采用高温超导材料制成的，所述高温超导线圈位于液氮容器(4)中，所述高频功率源与发射线圈(2)的输入端连接。
2.根据权利要求I所述的采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统，其特征在于所述发射线圈(2)为采用高温超导材料制成的高温超导发射线圈，所述接收线圈(3)为采用高温超导材料制成的高温超导接收线圈，且高温超导发射线圈和高温超导接收线圈均各自独立位于液氮容器中。
3.根据权利要求I所述的采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统，其特征在于所述发射线圈(2)为采用高温超导材料制成的高温超导线圈，所述发射线圈为采用非高温超导材料的通用导线制成。
4.根据权利要求2所述的采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统，其特征在于高温超导发射线圈和高温超导接收线圈的尺寸完全一致或者尺寸不一致，高温超导发射线圈和高温超导接收线圈具有相同的固有频率。
5.根据权利要求2所述的采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统，其特征在于所述发射线圈(2)、接收线圈(3)为空间螺旋结构或平面螺旋结构。
6.根据权利要求I所述的采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统，其特征在于制成发射线圈(2)、接收线圈(3)的超导线材为丝带状或圆柱状。
7.实现权利要求I 6任一项所述采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统的方法，其特征在于采用高温超导材料制成高温超导线圈，该高温超导线圈作为发射线圈(2)和/或接收线圈(3)，通过液氮使高温超导线圈处于低温环境中，从而保持超导特性，通过补偿电容的方法来调节发射线圈(2)和接收线圈(3)的固有频率，使它们的固有频率与高频功率源一致，实现谐振以达到高效无线传输电能。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于通过选择最优负载值来实现阻抗匹配，使系统传输效率最大。
全文摘要
本发明提供采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统及其实现方法。所述谐振耦合无线输电系统包括包括高频功率源、发射线圈、接收线圈和液氮容器，所述发射线圈和接收线圈中至少有一个为采用高温超导材料制成的，所述高温超导线圈位于液氮容器中，所述高频功率源与发射线圈的输入端连接。所述实现方法是采用高温超导材料代替传统的铜线等普通材料制成发射线圈和(或)接收线圈，从而大大降低了线圈的内阻，在大幅度提高传输功率和效率的同时，可以进一步增加无线电能传输的距离，并降低线圈的尺寸和谐振工作频率。
文档编号H01F6/06GK102969804SQ20121050305
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者张波, 黄润鸿, 王学梅, 丘东元, 罗兵, 明哲 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司, 华南理工大学