电感充电器的大间隙耦合器
提 要 本文介绍一种新型的大间隙磁耦合器，适用于作电动车辆的自动电感充电器。本文推荐的新型电感充电器即使有大的间隙条件下仍具有有效的激励电感。在绕组为2匝，且间隙5mm时，计算的激励电感为40mH，它与测量值十分一致。为了估算由涡流引起过热现象。计算了装在平面铁板上电感充电器的磁感应强度，用本耦合器和一个10kHz MOSFET全桥换流器的转换效率，在8.3kW输出时为97%。
关键词 电感充电器 电感耦合器 大间隙耦合器
1、引 言
电感充电即安全又有效，并适用于电动车辆充电。图1示出了用于电动车辆电感充电的可用电路，一般的电感充电器因磁耦合器的空隙加大，结果导致自感降低，同时使漏感增大。因此，由于邻近效应会导致不可忽略的传导损耗，而且传递功率会受到漏感的限制。目前大多数电动车辆的电感充电器是一种便携式插入型电感充电器（见图2A[1]。虽然这类充电器其耦合器的空隙易于做小，但其用手插入操作是麻烦的。此外，如果充电功率要求较大，那么设备将变得很重，以致于用人力搬不动它。从另方面说，在停车场自动充电（见图2B）更为方便有利，因为该处备有机械起重和调整工具[2][3]。然而在这种系统中小的间隙是必要的，为了解决这些问题，我们研究了一种大的平面结构铁氧体罐形铁心，用这种铁心由于磁路短，并且铁心的截面积大，使自感相当大。用这种结构，在间隙较大的情况下漏感也会很小的，因为间距可通过大的铁心截面积得到有效地补偿。因此，高效率和高功率的电感充电在不要任何机械调整设备的情况下得以实现（见图2C）。


2、新的电感耦合器的尺寸和特性
这种新型电感耦合器由二个薄而大的铁氧体罐形铁心和二个绕组组成（见图3）。在该图中，初级铁心供充电器部分绕初级线圈，次级铁心供电动车辆部分绕次级线圈，而铁板电动车的车体（见图2C）。初级和次级铁心有大的截面积，如图3中用字母D和E所表示的，用于绕组底部切口厚度看来很薄，这部分是一个园的周边，因此，字母C平面中的铁心总截面积始终是不会小的，所以通过铁心的磁通量通路的磁阻很小，这样，在这种耦合器中，其自感就大，而漏感小，即使在间隙相当大时也如此。图2和表1给出了铁心的尺寸和设计参数。

3、耦合器电感的计算和测量
对自感L和漏感L1用磁场分析软件包ELF/MAGIC进行了测量和计算，计算的自感L和漏感L1以间隙为函数关系画出曲线，图4示出了计算结果和实验测得结果。


图5示出了当次级部分水平偏移时测得的耦合器自感L和漏感L1，当次级部分水平偏移0mm~50mm时，L几乎没有变化，而L1从1mH增加到10mH。

图6示出了上边纵向倾斜时测得的耦合器电感，当倾角增大时自感L减小，而漏感变化不大，当倾角为1.6o，倾斜长度14mm时，L和L1分别为40mH和1.5mH，因此，为了确保充足的电感，保持小的倾角是很重要的。

4、磁通密度计算
为了评估由涡流产生的热，用磁场分析软件包ELF/MAGIC计算了电感充电器和平面铁板（用来在上面固定电感充电器）的磁通密度。在这些计算中，铁板的半径和厚度分别为520mm和5mm。铁氧体罐形铁心的初始导磁率为2300，铁板的初始导磁率为5218。罐形铁心的绕组为2匝并且0.1A恒流流入线圈，磁化强度不饱和，因此，无需用牛顿-莱甫森迭代法。把电感充电器间隙固定为2mm。图7示出了电感充电器与铁板间的间隙为1mm时的磁通密度曲线，并将该间隙从0mm~30mm变化。当间隙在0mm和5mm时，H面的磁通密度计算值分别为4.17x10-4和4.29x10-5T。图7分别示出了F、G、H面和f、g、h面的磁通密度图8示出了他们的磁通密度比率曲线，这样就可推断电感充电器在铁板上固定可留几毫米的间距，以防止涡流产生的热。


5、结 论
本文介绍的新型电感耦合器在大的间距条件下具有充足的激励电感和低的漏感，该耦合器作为电感充电器进行了测试，当间距为3mm，开关频率100kHz，输出8.3kW时，测得具有高的转换效率，即97%。这证明这种耦合器可用于大间距条件充电应用，如用于在停车场对电动车辆自动充电。