專利名稱：采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線輸電或非接觸電能傳輸應(yīng)用領(lǐng)域，涉及采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
無線輸電技術(shù)作為一種新興的電能傳輸技術(shù)，具有安全、可靠、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)日益受到世界各國(guó)的重視，并越來越廣泛應(yīng)用于各種不適合或不方便使用有線接觸傳輸電能的地方，如植入式醫(yī)療設(shè)備、移動(dòng)電子產(chǎn)品、機(jī)器人、軌道電車供電等場(chǎng)合，有望在不久的將來能夠在小功率電子產(chǎn)品無線充電方面取代傳統(tǒng)的插頭充電。
諧振耦合無線輸電要求發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的固有頻率，則在中等距離范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)全方位、不受空間障礙物的影響的高效的電能無線傳輸。本發(fā)明結(jié)合諧振耦合無線輸電和高溫超導(dǎo)線圈低內(nèi)阻的優(yōu)點(diǎn)，通過減小天線的內(nèi)阻損耗來提高無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率，并增加電能無線傳輸?shù)木嚯x，以及降低線圈的尺寸和諧振工作頻率。以往的無線輸電系統(tǒng)無論是感應(yīng)式的，還是諧振式的，其使用的發(fā)射和接收線圈都是普通的銅線圈。在高頻的條件下，銅線圈的損耗很大，從而降低了無線輸電系統(tǒng)的傳輸效率。并且線圈的品質(zhì)因數(shù)Q很多情況下并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，其包括高頻功率源、發(fā)射線圈、接收線圈和液氮容器，所述發(fā)射線圈和接收線圈中至少有一個(gè)為采用高溫超導(dǎo)材料制成的，所述高溫超導(dǎo)線圈位于液氮容器中，所述高頻功率源與發(fā)射線圈的輸入端連接。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述發(fā)射線圈為采用高溫超導(dǎo)材料制成的高溫超導(dǎo)發(fā)射線圈，所述接收線圈為采用高溫超導(dǎo)材料制成的高溫超導(dǎo)接收線圈，且高溫超導(dǎo)發(fā)射線圈和高溫超導(dǎo)接收線圈均各自獨(dú)立位于液氮容器中。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述發(fā)射線圈為采用高溫超導(dǎo)材料制成的高溫超導(dǎo)線圈，所述發(fā)射線圈為采用非高溫超導(dǎo)材料的通用導(dǎo)線制成。進(jìn)一步優(yōu)化的，高溫超導(dǎo)發(fā)射線圈和高溫超導(dǎo)接收線圈的尺寸完全一致或者尺寸不一致，高溫超導(dǎo)發(fā)射線圈和高溫超導(dǎo)接收線圈具有相同的固有頻率。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述發(fā)射線圈、接收線圈形狀為空間螺旋結(jié)構(gòu)或平面螺旋結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步優(yōu)化的，制成發(fā)射線圈、接收線圈的超導(dǎo)線材為絲帶狀或圓柱狀。實(shí)現(xiàn)所述采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)的方法，采用高溫超導(dǎo)材料制成高溫超導(dǎo)線圈，該高溫超導(dǎo)線圈作為發(fā)射線圈和/或接收線圈，通過液氮使高溫超導(dǎo)線圈處于低溫環(huán)境中，從而保持超導(dǎo)特性，通過補(bǔ)償電容的方法來調(diào)節(jié)發(fā)射線圈和接收線圈的固有頻率，使它們的固有頻率與高頻功率源一致，實(shí)現(xiàn)諧振以達(dá)到高效無線傳輸電能。進(jìn)一步優(yōu)化的，通過選擇最優(yōu)負(fù)載值來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使系統(tǒng)傳輸效率最大。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)發(fā)射線圈和接收線圈采用高溫超導(dǎo)材料，從而大大降低了線圈的內(nèi)阻，在提高傳輸功率和效率的同時(shí)，可以進(jìn)一步增加無線電能傳輸?shù)木嚯x。并且可以發(fā)射線圈只采用高溫超導(dǎo)材料而接收線圈采用普通的銅材料，并可以把接收線圈的尺寸做得小到可以配置在移動(dòng)電子產(chǎn)品中，但必須保證兩個(gè)線圈具有相同的固有頻率。進(jìn)一步的，通過液氮使高溫超導(dǎo)線圈處于低溫環(huán)境中，從而保持超導(dǎo)特性，通過補(bǔ)償電容的方法來調(diào)節(jié)發(fā)射線圈和接收線圈的固有頻率，使它們的固有頻率與高頻功率源一致，實(shí)現(xiàn)諧振以達(dá)到高效無線傳輸電能。


圖I為采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)的一種實(shí)例圖。 圖2為采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)的另一種實(shí)例圖。圖3為諧振耦合無線輸電系統(tǒng)的互感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖4為諧振耦合無線輸電系統(tǒng)的等效電路圖。
具體實(shí)施方案以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。如圖I和圖2所示，采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，其包括高頻功率源I、發(fā)射線圈2、接收線圈3和液氮容器4 (M表示互感)，所述發(fā)射線圈和接收線圈中至少有一個(gè)為采用高溫超導(dǎo)材料制成的，所述高溫超導(dǎo)線圈位于液氮容器4中，所述高頻功率源與發(fā)射線圈2的輸入端連接。圖中的發(fā)射線圈2、接收線圈3均采用高溫超導(dǎo)線材制成，其中圖I所示為空間螺旋結(jié)構(gòu)，圖2所示為平面螺旋結(jié)構(gòu)。電源是諧振耦合無線輸電系統(tǒng)的主體部分之一，其包括可以輸出兆赫茲級(jí)的正弦波、輸出電壓低、輸出電流大，以滿足聞溫超導(dǎo)材料耐壓低的缺點(diǎn)。如圖3所示互感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中包括電源AC、原邊電容C1、原邊電阻R1、原邊電感L1、副邊電容C2、副邊電感L2、副邊電阻R2，設(shè)原邊輸入電壓為U”電流為I1,副邊電流為I2,則
I.φΜ 1 +[iij +J^L2 — ——) +i fr]/a = 0
ωυ2
設(shè)Z11=At/(ωC1)，Z22=R2+jωQ +TPff,解得
!一 A I
1 zll +((BMfr22
j J / 2*"||
2=飛.......+.....函其中(《i/)2722稱為引入阻抗或反映阻抗，它是二次回路阻抗和互感抗通過互感反映到一次側(cè)的等效阻抗。則進(jìn)一步可作出互感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效電路如圖4。其中Zeq= (ωΜ) 2Yn+R2+j {ω L2-I/ω C2)。為了分析的方便，發(fā)射線圈和接收線圈的參數(shù)完全一致，有TP1=ZP2=/^當(dāng)一次側(cè)和二次側(cè)都達(dá)到諧振，即^1Z1=I/W1^1,，且ωι=ω2=ω時(shí),可得負(fù)載輸出功率為
則可得效率的表達(dá)式
權(quán)利要求
1.采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，其特征在于包括高頻功率源(I)、發(fā)射線圈(2)、接收線圈(3)和液氮容器(4)，所述發(fā)射線圈和接收線圈中至少有一個(gè)為采用高溫超導(dǎo)材料制成的，所述高溫超導(dǎo)線圈位于液氮容器(4)中，所述高頻功率源與發(fā)射線圈(2)的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射線圈(2)為采用高溫超導(dǎo)材料制成的高溫超導(dǎo)發(fā)射線圈，所述接收線圈(3)為采用高溫超導(dǎo)材料制成的高溫超導(dǎo)接收線圈，且高溫超導(dǎo)發(fā)射線圈和高溫超導(dǎo)接收線圈均各自獨(dú)立位于液氮容器中。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射線圈(2)為采用高溫超導(dǎo)材料制成的高溫超導(dǎo)線圈，所述發(fā)射線圈為采用非高溫超導(dǎo)材料的通用導(dǎo)線制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，其特征在于高溫超導(dǎo)發(fā)射線圈和高溫超導(dǎo)接收線圈的尺寸完全一致或者尺寸不一致，高溫超導(dǎo)發(fā)射線圈和高溫超導(dǎo)接收線圈具有相同的固有頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射線圈(2)、接收線圈(3)為空間螺旋結(jié)構(gòu)或平面螺旋結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)，其特征在于制成發(fā)射線圈(2)、接收線圈(3)的超導(dǎo)線材為絲帶狀或圓柱狀。
7.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I 6任一項(xiàng)所述采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)的方法，其特征在于采用高溫超導(dǎo)材料制成高溫超導(dǎo)線圈，該高溫超導(dǎo)線圈作為發(fā)射線圈(2)和/或接收線圈(3)，通過液氮使高溫超導(dǎo)線圈處于低溫環(huán)境中，從而保持超導(dǎo)特性，通過補(bǔ)償電容的方法來調(diào)節(jié)發(fā)射線圈(2)和接收線圈(3)的固有頻率，使它們的固有頻率與高頻功率源一致，實(shí)現(xiàn)諧振以達(dá)到高效無線傳輸電能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于通過選擇最優(yōu)負(fù)載值來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使系統(tǒng)傳輸效率最大。
全文摘要
本發(fā)明提供采用超導(dǎo)線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。所述諧振耦合無線輸電系統(tǒng)包括包括高頻功率源、發(fā)射線圈、接收線圈和液氮容器，所述發(fā)射線圈和接收線圈中至少有一個(gè)為采用高溫超導(dǎo)材料制成的，所述高溫超導(dǎo)線圈位于液氮容器中，所述高頻功率源與發(fā)射線圈的輸入端連接。所述實(shí)現(xiàn)方法是采用高溫超導(dǎo)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅線等普通材料制成發(fā)射線圈和(或)接收線圈，從而大大降低了線圈的內(nèi)阻，在大幅度提高傳輸功率和效率的同時(shí)，可以進(jìn)一步增加無線電能傳輸?shù)木嚯x，并降低線圈的尺寸和諧振工作頻率。
文檔編號(hào)H01F6/06GK102969804SQ20121050305
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者張波, 黃潤(rùn)鴻, 王學(xué)梅, 丘東元, 羅兵, 明哲 申請(qǐng)人:南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 華南理工大學(xué)