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懸浮展覽技術在視覺效果、互動性、空間利用以及保護展品與傳承文化等方面具有顯著優點，使得懸浮展覽在各類展覽活動中越來越受歡迎。而現有電磁懸浮和電動懸浮技術中需要設計特定磁路結構和安裝內置電池或電源，這將導致裝置復雜及持續供電時間較短等問題。 湖南大學超導與新能源中心研究團隊利用低電阻、高載流密度的第二代高溫超導材料，并結合超導釘扎懸浮特性，設計了一種基于YBCO高溫超導線圈的新型充電懸浮系統，這一系統可以同時實現無線充電和自穩定懸浮功能，為超導無線電能傳輸技術的應用開辟了新方向。

研究背景

當高溫超導（High Temperature Superconducting, HTS）線圈處于超導態時，具有直流零電阻特性，其載流能力是銅線圈的150倍以上。相比銅線圈，高溫超導線圈在相同條件下具有更低的交流電阻，將其引入無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）系統中，諧振線圈損耗更小，品質因數更大，可以有效提高系統的傳輸性能。

同時，第Ⅱ類超導體中含有晶體缺陷和雜質，可以通過產生渦旋（磁通量子）俘獲一部分外磁場，其特有的磁通釘扎特性使懸浮物體在梯度磁場的環境中可以實現無橫向運動的穩定釘扎懸浮。相比于永磁懸浮（Permanent Magnetic Suspension, PMS）、電磁懸浮（Electromagnetic Suspension, EMS）等技術，超導磁懸浮（Superconducting Maglev, SM）具有獨特的技術優勢，它不需要特定的磁路結構就可以產生穩定的懸浮力和水平橫向恢復力，且不存在電磁輻射和電磁干擾問題，具有良好的靜態懸浮特性。

論文方法及創新點

基于YBCO高溫超導材料的低電阻特性和釘扎懸浮特性，本文設計并搭建了基于高溫超導線圈的新型無線供電懸浮系統，系統結構如圖1所示。系統由發射端和懸浮接收端兩部分構成，其中發射端由高溫超導發射線圈、超導塊材和冷卻系統組成；接收懸浮端由永磁體結構、銅接收線圈和懸浮物體組成。

圖1 高溫超導無線充電系統結構示意圖

本文通過理論推導和有限元仿真，分析了不同懸浮高度HTS-Cu與Cu-Cu WPT系統的輸出性能，如圖2所示，并進一步分析了懸浮高度對系統輸出性能的影響，如圖3所示。驗證了高溫超導線圈的引入可以大大提高系統的輸出功率和輸出效率，最大可達到3倍和2.6倍，隨著懸浮高度的提高，輸出功率增長率從54%增長到199%，輸出效率增長率從88%增長到162%。

圖2 兩種WPT系統不同懸浮高度下的輸出性能

（a）諧振點處系統輸出性能

（b）諧振點處輸出功率和效率增長率

圖3 輸出性能隨懸浮高度變化

最后，研究人員設計并搭建了HTS-Cu無線充電懸浮系統實驗平臺，如圖4所示，對比了銅線圈和超導線圈在相同條件下的各項參數以及三種不同系統的負載電壓輸出特性，如圖5所示，驗證了在kHz頻段引入高溫超導線圈可以顯著提高耦合線圈的品質因數，進而提升系統的傳輸性能。

圖4 高溫超導無線充電懸浮實驗平臺

圖5 線圈參數與三種WPT系統負載輸出電壓頻率特性

結論

超導技術作為一項顛覆性前沿技術，有望在電力、通信、計算、交通等領域產生巨大的變革。基于高溫超導材料交流低電阻和磁通釘扎特性，本文設計并搭建了一種基于YBCO高溫超導線圈的新型無線充電懸浮系統，能夠同時實現無線充電和穩定懸浮功能，該系統在10mm范圍內可以保持良好的靜態懸浮，不發生橫向移動和旋轉錯位，且可以保持負載電壓的高效輸出，為未來綠色電氣產業中高溫超導材料的應用發展提供新的方向。

團隊介紹

湖南大學超導與新能源中心團隊，響應國家創新驅動發展戰略，始終堅持“四個面向”，多年來深耕超導電力應用及新能源領域的科學研究工作，助力國家“碳達峰、碳中和”目標，推動超導電力與新能源產業技術革新。

翟雨佳

教授、博士生導師，教育部輸變電新技術工程研究中心副主任，擔任中國電工技術學會超導應用技術專委會委員，中國電工技術學會青年工作委員會委員。主要從事超導磁體無線供電及海上超導風電氫制技術的研究工作，承擔國家自然科學基金、湖南省優青等項目20余項，累計發表論文50余篇。入選劍橋大學Honorary Trust Scholar、湖湘青年英才、中國科協青年人才托舉計劃。

鄭智強

碩士研究生，研究方向為高溫超導無線電能傳輸技術。

本工作成果發表在2024年第17期《電工技術學報》，論文標題為“基于YBCO高溫超導線圈的新型無線供電懸浮系統電能傳輸特性研究“。本課題得到國家自然科學基金、中國科學技術協會青年人才托舉計劃和湖南省創新平臺與人才計劃-湖湘青年英才項目的支持。

引用本文

鄭智強, 翁廷坤, 李卓, 申劉飛, 黃守道, 翟雨佳. 基于YBCO高溫超導線圈的新型無線供電懸浮系統電能傳輸特性研究[J]. 電工技術學報, 2024, 39(17): 5278-5288. Zheng Zhiqiang, Weng Tingkun, Li Zhuo, Shen Liufei, Huang Shoudao, Zhai Yujia. Characterization of a New Wireless Power Supply Suspension System Based on YBCO High Temperature Superconducting Coil. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(17): 5278-5288.

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