湖南大学超导与新能源中心团队提出一种新型无线供电悬浮系统

摘要：悬浮展览技术在视觉效果、互动性、空间利用以及保护展品与传承文化等方面具有显著优点，使得悬浮展览在各类展览活动中越来越受欢迎。而现有电磁悬浮和电动悬浮技术中需要设计特定磁路结构和安装内置电池或电源，这将导致装置复杂及持续供电时间较短等问题。

悬浮展览技术在视觉效果、互动性、空间利用以及保护展品与传承文化等方面具有显著优点，使得悬浮展览在各类展览活动中越来越受欢迎。而现有电磁悬浮和电动悬浮技术中需要设计特定磁路结构和安装内置电池或电源，这将导致装置复杂及持续供电时间较短等问题。

湖南大学超导与新能源中心研究团队利用低电阻、高载流密度的第二代高温超导材料，并结合超导钉扎悬浮特性，设计了一种基于YBCO高温超导线圈的新型充电悬浮系统，这一系统可以同时实现无线充电和自稳定悬浮功能，为超导无线电能传输技术的应用开辟了新方向。

研究背景

当高温超导（High Temperature Superconducting, HTS）线圈处于超导态时，具有直流零电阻特性，其载流能力是铜线圈的150倍以上。相比铜线圈，高温超导线圈在相同条件下具有更低的交流电阻，将其引入无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）系统中，谐振线圈损耗更小，品质因数更大，可以有效提高系统的传输性能。

同时，第Ⅱ类超导体中含有晶体缺陷和杂质，可以通过产生涡旋（磁通量子）俘获一部分外磁场，其特有的磁通钉扎特性使悬浮物体在梯度磁场的环境中可以实现无横向运动的稳定钉扎悬浮。相比于永磁悬浮（Permanent Magnetic Suspension, PMS）、电磁悬浮（Electromagnetic Suspension, EMS）等技术，超导磁悬浮（Superconducting Maglev, SM）具有独特的技术优势，它不需要特定的磁路结构就可以产生稳定的悬浮力和水平横向恢复力，且不存在电磁辐射和电磁干扰问题，具有良好的静态悬浮特性。

论文方法及创新点

基于YBCO高温超导材料的低电阻特性和钉扎悬浮特性，本文设计并搭建了基于高温超导线圈的新型无线供电悬浮系统，系统结构如图1所示。系统由发射端和悬浮接收端两部分构成，其中发射端由高温超导发射线圈、超导块材和冷却系统组成；接收悬浮端由永磁体结构、铜接收线圈和悬浮物体组成。

图1 高温超导无线充电系统结构示意图

本文通过理论推导和有限元仿真，分析了不同悬浮高度HTS-Cu与Cu-Cu WPT系统的输出性能，如图2所示，并进一步分析了悬浮高度对系统输出性能的影响，如图3所示。验证了高温超导线圈的引入可以大大提高系统的输出功率和输出效率，最大可达到3倍和2.6倍，随着悬浮高度的提高，输出功率增长率从54%增长到199%，输出效率增长率从88%增长到162%。

图2 两种WPT系统不同悬浮高度下的输出性能

（a）谐振点处系统输出性能

（b）谐振点处输出功率和效率增长率

图3 输出性能随悬浮高度变化

最后，研究人员设计并搭建了HTS-Cu无线充电悬浮系统实验平台，如图4所示，对比了铜线圈和超导线圈在相同条件下的各项参数以及三种不同系统的负载电压输出特性，如图5所示，验证了在kHz频段引入高温超导线圈可以显著提高耦合线圈的品质因数，进而提升系统的传输性能。

图4 高温超导无线充电悬浮实验平台

图5 线圈参数与三种WPT系统负载输出电压频率特性

结论

超导技术作为一项颠覆性前沿技术，有望在电力、通信、计算、交通等领域产生巨大的变革。基于高温超导材料交流低电阻和磁通钉扎特性，本文设计并搭建了一种基于YBCO高温超导线圈的新型无线充电悬浮系统，能够同时实现无线充电和稳定悬浮功能，该系统在10mm范围内可以保持良好的静态悬浮，不发生横向移动和旋转错位，且可以保持负载电压的高效输出，为未来绿色电气产业中高温超导材料的应用发展提供新的方向。

团队介绍

湖南大学超导与新能源中心团队，响应国家创新驱动发展战略，始终坚持“四个面向”，多年来深耕超导电力应用及新能源领域的科学研究工作，助力国家“碳达峰、碳中和”目标，推动超导电力与新能源产业技术革新。

翟雨佳，教授、博士生导师，教育部输变电新技术工程研究中心副主任，担任中国电工技术学会超导应用技术专委会委员，中国电工技术学会青年工作委员会委员。主要从事超导磁体无线供电及海上超导风电氢制技术的研究工作，承担国家自然科学基金、湖南省优青等项目20余项，累计发表论文50余篇。入选剑桥大学Honorary Trust Scholar、湖湘青年英才、中国科协青年人才托举计划。