CN102969804A - 采用超导线圈的谐振耦合无线输电系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
附图说明
图1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1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1、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1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，以满足高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 1，电流为I 1，副边电流为I 2，则
设Z 11=R 1+j(ωL 1-1/ωC 1)，Z 22=R 2+j(ωL 2-1/ωC 2)+R W，解得
其中(ωM)2 Y 22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Z eq=(ωM)2 Y 11+R 2+j(ωL 2-1/ωC 2)。
为了分析的方便，发射线圈和接收线圈的参数完全一致，有R 1=R 2=R。当一次侧和二次侧都达到谐振，即ω 1 L 1=1/ω 1 C 1，ω 2 L 2=1/ω 2 C 2，且ω 1=ω 2=ω时，可得负载输出功率为
则可得效率的表达式
在线圈尺寸和传输距离固定的情况下，随着负载R W的变化，效率会出现一个最大值，即所谓的阻抗匹配。通过效率表达式对负载R W进行求导，并令导数为零，可得
此时相应的效率表达式为
由此可见，谐振耦合无线输电最大效率与负载R W和线圈内阻R有关，如R W>>R，则无线输电的效率可以接近100%。
传统的铜线圈在高频条件下的内阻由两部分组成，即欧姆电阻R o和辐射电阻R r，其中R o>>R r，则R 1=R 2=R=R o+R r≈R o。由效率的表达式可知，如果发射线圈和接收线圈的内阻R 1=R 2=0，那么效率η=100%，而并不受频率和互感的影响，但在实际情况下是做不到内阻为零的。对于高温超导材料，其在低温环境中的直流欧姆电阻为零，即使在高频条件下的内阻也很小，由品质因数Q=ωL/R可知，超导材料具有很高的品质因数Q值，因此非常适合作为谐振耦合无线输电系统的发射和接收线圈，实现高效的电能无线传输。同时考虑到实用性，则可以采取发射线圈用高温超导材料而接收线圈用普通的铜线圈的方法，效率虽然低于发射线圈和接收线圈都是高温超导线圈的情况，但大于发射线圈和接收线圈都是铜线圈的情况。
作为实例，所述高频功率源，具有输出电压低、输出电流大的特点，适合作为高温超导材料的电源。其输出功率可调，以满足不同的功率传输要求。高温超导发射线圈和高温超导接收线圈可以通过外部补偿电容的方法来调节其固有频率，使其固有频率与电源频率相等，从而实现谐振以达到高效无线传输电能。液氮容器使高温超导发射线圈和高温超导接收线圈处于低温环境中，从而保持超导特性。如图1、图2，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，但必须具有相同的固有频率。形状可以是空间螺旋结构，也可以是平面螺旋结构，或者是其他结构。高温超导发射线圈和高温超导接收线圈处于液氮容器中，因此其内阻非常小和具有很高的品质因数Q。即使在高频的条件下，其内阻也远小于普通导线材料，因此，本谐振耦合无线输电系统的线圈损耗非常小，传输效率非常高。
作为谐振耦合无线输电的发射和接收线圈都使用高温超导材料，或者发射线圈和接收线圈之一采用高温超导材料，例如发射线圈采用高温超导材料而接收线圈使用普通导线材料。
如图1、图2所示，发射线圈和接收线圈的结构可以相同，发射线圈和接收线圈的结构可以不同，但必须具有相同的固有频率。同时，超导线材可以是丝带状的，也可以是圆柱状的，或者其他形状的。
本发明在无线输电系统中能够保证线圈具有很低的内阻损耗和很高的品质因数Q，以达到高效和远距离无线传输电能的目的。从实用性的角度来讲，无线输电系统的发射线圈可以采用高温超导材料，而接收线圈则采用普通铜线圈。这样既可以减少成本，又能使接收线圈具有灵活性，适合日常生活的应用。
Claims (8)
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（1）、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1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1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1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1～6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。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130313 |