CN114301186A - 一种高温超导悬浮式无线电能传输装置及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温超导悬浮式无线电能传输装置及其组装方法，包括交流电源，交流电源电连接有发射线圈，所述发射线圈由高温超导材料制成；发射线圈上方安装有悬浮物，悬浮物电连接有与发射线圈对应的接收线圈，沿接收线圈外周均匀安装有若干与悬浮物固定连接的永磁体；所述发射线圈处于低温容器内维持超导状态。本发明是超导磁悬浮技术和超导无线充电技术的结合，不需要复杂的储能装置储蓄电能，同时本装置为静态系统供电，应用场景大不相同，该装置在展览装置、宣传展架等地极具特色地起到宣传效果，此外，对无线电能传输系统进行了设计，发射侧采用超导材料，并进行阻抗匹配，使线圈维持在谐振状态，起增大效率、增加传输距离的作用。
Description
技术领域
本发明涉及电学领域，尤其涉及一种高温超导悬浮式无线电能传输装置。
背景技术
无线电能传输技术从19世纪末期被提出之后因其便捷、安全性能高等优点不断被研究和发展。这种电能传输方式在电源与导体之间不再需要人造导体，解决了传统的有限输电方式受到的电缆线束缚以及不可避免出现的线路老化、尖端放电等问题，在智能家电、生物医疗等领域已经广泛应用。2007年麻省理工大学科研人员提出通过谐振的原理传递电能，极大的提高了传输距离和传输功率，在各个方面都获得了良好的传输特性。
相对于有线充电的模式，无线充电可以克服电线受到侵害、电线牵绊、老化漏电等问题。并且减小了占地面积，又使得充电地点与充电时间可以较为分散、减少充电对电网的冲击。无线充电技术还可以起到一个“削峰填谷”的作用，根据电网智能调度的需要，可以随时随地进行储能、放能，从而提高电网的稳定性。
由于无线电能传输始终存在传输效率偏低、传输距离较近的情况。使得无线电能传输的应用收到了较大的限制。为此，国内外科学家通过各种各样的方式对无线电能传输的系统进行优化。高温超导体因其低温下的零电阻效应，自身损耗低、载流密度高等特点在核聚变装置、电机制造、超导电磁推进系统等各个领域都有不可比拟的优势。无线传输系统的效率高低主要取决于发射与接收线圈的电阻性损耗，而高温超导体的交流损耗远低于常规导体。将高温超导体应用于无线电能传输，以提高传输效率，有着明显的优势。
目前在展览上，有时会通过悬浮装置对展品进行悬浮展示，现有的悬浮展示，通常通过电磁悬浮等对产品进行悬浮，但是电磁悬浮通常需要一种C形磁力结构，使得产品处于C形结构中部以稳定悬浮，同时展品进行运行或发光是通常需要内置电池提供电能，导致整体装置复杂，且难以持续不间断展示。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高温超导悬浮式无线电能传输装置。本发明仅发射侧利用超导材料，同时是超导磁悬浮技术和超导无线充电技术的结合，不需要复杂的储能装置储蓄电能，同时本装置为静态系统供电，应用场景大不相同，该装置在展览装置、宣传展架等地极具特色地起到宣传效果，此外，本发明对无线电能传输系统进行了设计，发射侧采用超导材料，并进行阻抗匹配，使线圈维持在谐振状态，起增大效率、增加传输距离的作用。
为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：
一种高温超导悬浮式无线电能传输装置，包括交流电源1，交流电源1电连接有发射线圈L1，所述发射线圈L1由高温超导材料制成；发射线圈L1上方安装有悬浮物2，悬浮物2电连接有与发射线圈L1对应的接收线圈L2，沿接收线圈L2外周均匀安装有若干与悬浮物2固定连接的永磁体3；
所述发射线圈L1处于低温容器4内维持超导状态。
进一步的改进，所述低温容器4为放置有液氮的容器。
进一步的改进，所悬浮物2包括发光地球仪和发光展台。
进一步的改进，所述交流电源1通过补偿电容一C1电连接发射线圈L1，发射线圈L1电连接电阻一R1，电阻一R1与交流电源1电连接形成LC串联谐振网络一。
进一步的改进，所述接收线圈L2通过补偿电容二C2电连接悬浮物2，悬浮物2电连接电阻二R2，电阻二R2电连接接收线圈L2形成LC串联谐振网络二。
进一步的改进，所述接收线圈L2为铜线圈。
进一步的改进，所述发射线圈L1通过YBCO超导带材绕制耐低温的环氧树脂形成；发射线圈L1的内径为25cm，匝数10匝，临界电流为124A；接收线圈L2大小和匝数与发射线圈L1相同。
进一步的改进，所述永磁体3为长条状永磁体，永磁体3之间布置有聚磁夹铁，使得磁场在空间不均匀且自由发散。
一种高温超导悬浮式无线电能传输装置组装方法，包括如下步骤：
步骤一、设计发射端电路；发射端电路包括交流电源1，交流电源1通过补偿电容一C1电连接发射线圈L1，发射线圈L1电连接电阻一R1，电阻一R1与交流电源1电连接形成LC串联谐振网络一；发射线圈L1为高温超导体材料制成；
步骤二、设计接收端电路，接收端电路包括接收线圈L2，接收线圈L2通过补偿电容二C2电连接悬浮物2，悬浮物2电连接电阻二R2，电阻二R2电连接接收线圈L2形成LC串联谐振网络二；接收线圈L2采用铜线圈绕制；将接收线圈L2固定在悬浮物2正下方并与悬浮物2电连接，且接收线圈L2处于悬浮物2正上方；悬浮物2底部固定长条状的永磁体3，永磁体3均匀分布在接收线圈L2外周；
步骤三、对发射线圈L1的输出频率、补偿电容一C1和补偿电容二C2的值进行相对选择，使电路维持在谐振状态；
步骤四、根据临界态Bean模型，通过发射线圈L1的临界电流密度和永磁体3在不同位置的总磁场强度，得到发射线圈L1正上方不同位置的的悬浮力大小；根据悬浮物2的重量和需要悬浮的最低高度计算得到悬浮物2底部所需固定的永磁体3数量；
步骤五、使用零场冷的方式，在无磁场的情况下冷却发射线圈L1，直至发射线圈L1达到超导态；在预设的悬浮高度处放置悬浮物2并使发射线圈L1与接收线圈L2的对齐，完成组装；
所述高温超导悬浮式无线电能传输装置在使用时通过调节发射线圈L1电流的大小对悬浮物2的高度进行调节，同时进行充电。
进一步的改进，所述高温超导悬浮式无线电能传输装置处于一个顶部开口的不透明盒体内，所述悬浮物2处于所述需要悬浮的最低高度时处于不透明盒体内，当发射线圈L1通过预设的电流将发射线圈L1导通进行充电时，悬浮物2浮出不透明盒体外；所述预设的电流包括多个档位；这样当需要展示时，发射线圈L1通电，悬浮物2发光产生灯效并且悬浮出不透明盒体，而随着通电量的增大，悬浮物2会逐渐上升，并且光亮度逐渐增强，从而根据需要显示出不同的效果。
本发明的有益效果是：
本发明仅发射侧利用超导材料，同时是超导磁悬浮技术和超导无线充电技术的结合，不需要复杂的储能装置储蓄电能，同时本装置为静态系统供电，应用场景大不相同，该装置在展览装置、宣传展架等地极具特色地起到宣传效果。
此外，本发明对无线电能传输系统进行了设计，发射侧采用超导材料，并进行阻抗匹配，使线圈维持在谐振状态，起增大效率、增加传输距离的作用。
附图说明
图1为本发明的电路示意图；
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。
如图1所示的一种高温超导悬浮式无线电能传输装置，本发明采取如下技术方案：
步骤一、输电装置输电结构电路设计。
悬浮结构电路图如图1所示，包括了发射端和接收段，其中发射端和接收端均采用LC串联谐振网络。其中，发射端包括：交流电源、LC谐振网络、发射线圈L1。接收端包括：接收线圈L2、LC谐振网络、负载。
对网络的补偿特性进行分析，其中L1、R1和C1分别为发射线圈的电感、内阻和和串联电容，L2、R2和C2分别为接收线圈的电感、内阻和和串联电容；M为互感。
对两个回路列基尔沃夫电路分析。
Uin＝(R1+jwL1+1/jwC1)I1+jwMI2
U2＝(jwMI1+(R2+jwL2+1/jwC2)I2)＝-RLI2
由于电路工作在谐振状态下，即每一个网孔的电感和电容发生谐振，此时有：
jwL1+1/jwC1＝0
jwL2+1/jwC2＝0
那么谐振状态下的电路可以变为：
Uin＝R1I1+jwMI2
U2＝(jwMI1+R2I2)＝-RLI2
解得输入回路的等效阻抗：
传输效率为：
理论分析表明，无线电能传输系统的传输效率，取决于发射线圈与接收线圈本身的电阻，电阻效率越小，无线电能传输的效率越高；电阻趋于零，则效率趋于100％。当超导线圈作为发射线圈时，R1显著降低，则传输效率得以提升。由此可见，超导材料被用于无线电能传输系统时，由于其低电阻的性能优势，能够提高系统的传输效率，从而提升系统性能。
由于该传输系统需要较大的输出功率，利用超导线圈提高输出功率和传输效率，且悬浮结构的固定超导端已经采用了超导材料和冷却装置，不需要额外再安置一个冷却装置。因而，发射端采用超导线圈，接受端采用普通的铜线圈。这种超导-常导的结构便于调节接收线圈，同时这种结构的阻抗匹配会相对简单，此外，悬浮结构中已经有了冷却装置，因而，没有额外的装置需要添加。这就更大程度上节约了成本和装置的大小。
步骤二、输电装置输电结构发射端(悬浮结构固定端)设计。
步骤201、由相关背景技术与步骤一可以看出，发射端采用超导结构，该端在使用时一般固定在需要放置的场所。采用高频输出电源输出1-5KHZ的交流电，接补偿电容，后与发射线圈相连接。发射线圈采用YBCO超导带材绕制，线圈骨架采用耐低温的环氧树脂，内径25cm，匝数10匝。
步骤202、用液氮对高温超导带材线圈进行零场冷(零场冷是为了让悬浮部分可以实现稳定悬浮)，冷却十分钟使其充分冷却，完全进入超导态并具有超导电性。
通过实验，所选用超导线圈在零场冷条件下的悬浮力会大于场冷。此外，在零场冷条件下，最大悬浮力与感应电流密度有直接关系，感应电流密度越大，零场冷下得到的悬浮力越大；根据临界态Bean模型，可以近似的认为产生的感应电流等同于带材的临界电流密度，所以在该模型中，可以通过临界电流密度和磁场强度先行估计可以产生的悬浮力大小。
步骤三、输电装置输电结构接收端设计。
步骤301、接收端采用普通的铜线圈，与补偿电容相连后接负载(一般为需要的一些低功率的发电装置如展台的照明装置等)。接收线圈采用普通的铜线圈绕制，接收线圈的大小与匝数与发射超导线圈保持一致。
步骤302、需要说明的是，初次使用该装置时，需要对输出频率和补偿电容的值进行相对选择，使电路维持在谐振状态获得尽可能大的传输效率。
步骤303、接收端线圈结构与电路固定在悬浮装置下方。
步骤四、悬浮结构悬浮端的设计
步骤101、在悬浮物下方放置永磁体长条轨道，并将两者固定牢固，永磁体之间存在聚磁夹铁，使得磁场在空间不均匀且自由发散，进而使得悬浮更加稳定。
步骤202、需要说明的是，实际应用中，可根据实际需要的悬浮物的重量与大小进行数量选择，放置所需数量的永磁体轨道装置。
由于所承载的展示物的重量差别不一，为维持装置的传输效率在一个大致范围，确保供电的稳定性，该装置的悬浮距离(传输距离)优选控制在30-35cm，我们选择适合的电源电流，控制其通电后的悬浮高度：
| 额外变化高度/cm | 交流电源大小/A |
| +1 | 3.1 |
| +1.3 | 3.5 |
| +1.6 | 3.9 |
| +2.0 | 4.4 |
| +2.4 | 4.9 |
| +2.8 | 5.4 |
| +3.3 | 6.0 |
| +3.8 | 6.6 |
2.3本发明技术方案的原理和有益效果
在外磁场中，高温超导体独有的强钉扎能力使得磁力线既很难逃离钉扎中心的束缚(对于已经被俘获的磁力线)也很难渗透进入超导体内(对于未被俘获的自由磁力线)。这种独特的钉扎特性使得超导体能够随外磁场的变化而感应出阻碍这种变化的超导强电流。这种超导电流与外磁场的电磁相互作用在宏观上产生与悬浮体自身重力平衡的悬浮力并提供横向稳定所需的导向力。从而使得悬浮物在不通电是也会产生悬浮。并且不通电后其下落时不会出现撞击情况导致装置移位。
并且这类超导体能在相对价廉的液氮温区(77K)中表现出良好的超导性能，简化了低温制冷系统。
从微观上讲，高温超导体材料制备过程中的错位、沉淀物等结构缺陷形成位能势阱。将正常态超导块材放入磁场中时，磁场能穿过块材，块材冷却后进入超导态后，位能势阱阻止磁通线移动并束缚它，即磁通俘获或钉扎效应。超导态高温超导块材向永磁体逐渐靠近，外界磁场以磁通量子束形式进入超导体内，在其通过的路径上遇到晶格缺陷或掺杂等(钉扎中心)，钉扎中心(非超导区域)周围超导区域将产生涡流而锁牢磁通量子束，从而形成宏观上呈现的自稳定悬浮现象。
通过零场冷，在高温超导体处于正常态之前，让磁场自由进入超导体内部，冷却进入超导态后，由于超导体内部存在很多钉扎中心，超导体中的磁场会以磁通量子的形式被约束在其中，即俘获磁通。零场冷后的超导体内部感应产生的屏蔽电流保证了其在垂直方向上能够实现稳定悬浮，俘获磁通则保证了超导体在水平方向上的侧向稳定性。
新装置亮点：该装置充分利用了以上所说的超导材料的零电阻特性和迈斯纳特性，将较为广泛应用的两种应用场景结合起来，构造了高温超导悬浮式无线电能传输装置。该装置可以实现悬浮式充电。既没有繁杂的电线干扰，同时又具备悬浮效果，在任何同时需要输电与悬浮的场景之中都具有广泛的应用前景。该装置可以作为亮眼项目应用于各类宣传展览，在悬浮宣传的同时可以有照明效果。在高档场所可以于悬浮物处按摩、给手机等充电、扫描、刷卡等。在展览厅如珠宝展、文物展、考古展等可以实现悬浮发光。在宗教寺庙仪式中对佛像、经书等进行展示。既具有特色，又达到效果，同时不需要额外的占地空间，在各处都拥有诸多的应用空间。
此外，该装置同时应用了超导材料的两大特性，并且只需要一个设备同时就可以实现两种功能，同时，也只需要一个冷却装置就可以达到悬浮和输电两个效果，不需要增加过多的成本，在诸多需要悬浮的场景中都可以考虑增加输电装置给相应负载供电，达到新应用。
上述仅为本发明的一个具体导向实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明的保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种高温超导悬浮式无线电能传输装置，其特征在于，包括交流电源(1)，交流电源(1)电连接有发射线圈(L1)，所述发射线圈(L1)由高温超导材料制成；发射线圈(L1)上方安装有悬浮物(2)，悬浮物(2)电连接有与发射线圈(L1)对应的接收线圈(L2)，沿接收线圈(L2)外周均匀安装有若干与悬浮物(2)固定连接的永磁体(3)；
所述发射线圈(L1)处于低温容器(4)内维持超导状态。
2.如权利要求1所述的高温超导悬浮式无线电能传输装置，其特征在于，所述低温容器(4)为放置有液氮的容器。
3.如权利要求1所述的高温超导悬浮式无线电能传输装置，其特征在于，所悬浮物(2)包括发光地球仪和发光展台。
4.如权利要求1所述的高温超导悬浮式无线电能传输装置，其特征在于，所述交流电源(1)通过补偿电容一(C1)电连接发射线圈(L1)，发射线圈(L1)电连接电阻一(R1)，电阻一(R1)与交流电源(1)电连接形成LC串联谐振网络一。
5.如权利要求1所述的高温超导悬浮式无线电能传输装置，其特征在于，所述接收线圈(L2)通过补偿电容二(C2)电连接悬浮物(2)，悬浮物(2)电连接电阻二(R2)，电阻二(R2)电连接接收线圈(L2)形成LC串联谐振网络二。
6.如权利要求1所述的高温超导悬浮式无线电能传输装置，其特征在于，所述接收线圈(L2)为铜线圈。
7.如权利要求1所述的高温超导悬浮式无线电能传输装置，其特征在于，所述发射线圈(L1)通过YBCO超导带材绕制耐低温的环氧树脂形成；发射线圈(L1)的内径为25cm，匝数10匝，临界电流为124A；接收线圈(L2)大小和匝数与发射线圈(L1)相同。
8.如权利要求1所述的高温超导悬浮式无线电能传输装置，其特征在于，所述永磁体(3)为长条状永磁体，永磁体(3)之间布置有聚磁夹铁，使得磁场在空间不均匀且自由发散。
9.一种高温超导悬浮式无线电能传输装置组装方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、设计发射端电路；发射端电路包括交流电源(1)，交流电源(1)通过补偿电容一(C1)电连接发射线圈(L1)，发射线圈(L1)电连接电阻一(R1)，电阻一(R1)与交流电源(1)电连接形成LC串联谐振网络一；发射线圈(L1)为高温超导体材料制成；
步骤二、设计接收端电路，接收端电路包括接收线圈(L2)，接收线圈(L2)通过补偿电容二(C2)电连接悬浮物(2)，悬浮物(2)电连接电阻二(R2)，电阻二(R2)电连接接收线圈(L2)形成LC串联谐振网络二；接收线圈(L2)采用铜线圈绕制；将接收线圈(L2)固定在悬浮物(2)正下方并与悬浮物(2)电连接，且接收线圈(L2)处于悬浮物(2)正上方；悬浮物(2)底部固定长条状的永磁体(3)，永磁体(3)均匀分布在接收线圈(L2)外周；
步骤三、对发射线圈(L1)的输出频率、补偿电容一(C1)和补偿电容二(C2)的值进行相对选择，使电路维持在谐振状态；
步骤四、根据临界态Bean模型，通过发射线圈(L1)的临界电流密度和永磁体(3)在不同位置的总磁场强度，得到发射线圈(L1)正上方不同位置的的悬浮力大小；根据悬浮物(2)的重量和需要悬浮的最低高度计算得到悬浮物(2)底部所需固定的永磁体(3)数量；
步骤五、使用零场冷的方式，在无磁场的情况下冷却发射线圈(L1)，直至发射线圈(L1)达到超导态；在预设的悬浮高度处放置悬浮物(2)并使发射线圈(L1)与接收线圈(L2)的对齐，完成组装；
所述高温超导悬浮式无线电能传输装置在使用时通过调节发射线圈(L1)电流的大小对悬浮物(2)的高度进行调节，同时进行充电。
10.如权利要求9所述的高温超导悬浮式无线电能传输装置组装方法，其特征在于，所述高温超导悬浮式无线电能传输装置处于一个顶部开口的不透明盒体内，所述悬浮物(2)处于所述需要悬浮的最低高度时处于不透明盒体内，当发射线圈(L1)通过预设的电流将发射线圈(L1)导通进行充电时，悬浮物(2)浮出不透明盒体外；所述预设的电流包括多个档位。
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