[发明专利]应用于城市列车充电的高温超导大功率无线电能传输系统

说明书

技术领域

本发明属于无线电传输技术领域，具体涉及应用于城市列车充电的高温超导大功率无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输在很早的时候由Nikola Tesla提出，是一种通过非接触的方式传输电能的方法。用此方法进行电能传输，可以消除传统电能传输过程中输电端和受电端有电气连接所存在的缺陷，如插头磨损，导线裸露，接触电火花等，因此具有安全，环保，维护方便等特点。

因为非接触式的优点，无线电能传输技术现在已经在厂矿，装配车间，水下，井下以及各种易燃易爆环境中有了广泛的应用。此外，在机器人驱动，电池充电，人体内置式电子装置供电等领域，无线电能传输也有非常重要的作用。

由于系统自身电阻的存在和能量的控制比较困难，目前，无线输电的传输效率普遍不高；另外，传输距离较短(谐振式约2米)，供电频率高(谐振式10MHz)。这些缺陷阻碍了无线输电技术的广泛应用。

目前无线电能传输大体有三种形式：感应耦合无限电能传输，谐振耦合无限电能传输，微波辐射无线电能传输。感应耦合在三者中能传输较大的功率，但是传输距离较小，微波辐射的能量损耗较大，而且技术上有较多难点，应用也很少。谐振耦合方式利用谐振传输能量的原理，能实现较高效率的传输，而且传输距离不会限制得非常短。在此基础上，提升谐振耦合的传输功率，能大大增强其的应用前景。对于城市列车来说，能够用无线电能传输方式进行充电将会大大提高列车使用的便利性，因此此项技术具有重要意义。

然而以往的无线输电系统无论是感应式的，还是谐振式的，其参与感应耦合和谐振耦合的线圈都是普通的铜线圈，由于铜线圈的电阻效应，当铜线圈上通过较大的电流时，铜线圈上将会产生较大的热损耗，为了保证铜线圈的正常工作，铜线圈上传输的电流不能过大，因此这种无线电能传输系统无法满足类似于城市列车这种大功率负载的需要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能有效提升传输的电流值，进而满足大功率负载需求的应用于城市列车充电的高温超导大功率无线电能传输系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

应用于城市列车充电的高温超导大功率无线电能传输系统，包括高频电源模块、谐振耦合模块和负载模块，高频电源模块的输出端与谐振耦合模块的输入端电连接，谐振耦合模块的输出端与负载模块电连接；

谐振耦合模块包括作为输入端的谐振耦合发射线圈和作为输出端的谐振耦合接收线圈，谐振耦合发射线圈安装在列车轨道上，谐振耦合接收线圈安装在列车上，所述谐振耦合发射线圈呈与列车轨道相适应的凹型结构，所述谐振耦合接收线圈呈方形的平面螺旋型结构，谐振耦合发射线圈和谐振耦合接收线圈均由高温超导材料制成并分别放置在第一液氮装置和第二液氮装置内，第一液氮装置呈与谐振耦合发射线圈形状相适应的凹型结构，第二液氮装置呈与谐振耦合接收线圈形状相适应的方形结构。

本方案的工作原理是：在采用该系统进行无线电能传输时，高频电源模块将高频电能输入到谐振耦合发射线圈内，谐振耦合发射线圈内的电能再通过谐振耦合的方式传输到谐振耦合接收线圈内，谐振耦合接收线圈内的电能再将电能输送到负载模块。

在谐振耦合过程中，由于谐振耦合发射线圈和谐振耦合接收线圈均是由高温超导材料制成，同时两者均放置在各自独立的液氮装置内，则此时谐振耦合发射线圈和谐振耦合接收线圈均处于超导状态，即谐振耦合发射线圈和谐振耦合接收线圈的电阻为0。

同时，由于谐振耦合发射线圈和谐振耦合接收线圈本身带有电感，通过绕制的方式，使得谐振耦合发射线圈和谐振耦合接收线圈的匝间具有分布电容，通过电感和电容的共同作用，使得谐振耦合发射线圈和谐振耦合接收线圈在特定的频率下具有谐振特性。

另外，将谐振耦合发射线圈和第一液氮装置设置成凹型结构，该凹型结构与列车轨道的结构相适应，方便第一液氮装置的安装和使用。将谐振耦合接收线圈和第二液氮装置设置成平面螺旋型结构，在满足安装的情况下减少占用空间。

本发明的有益效果在于：本系统通过使谐振耦合发射线圈和谐振耦合接收线圈工作在超导状态，利用超导时，线圈的电阻几乎为0的特性，一方面使得谐振耦合发射线圈和谐振耦合接收线圈上不会产生电流热损耗，故本系统可以允许通过较大的电流，有效提升系统传输的电流值，另一方面也大大提高了系统的输出功率和效率，进而满足了类似于城市列车这种大功率负载的需求。