張思彥, 陳 為, 林甲深

(1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院, 福建 福州 350116;2. 華能羅源發(fā)電有限責(zé)任公司, 福建 羅源 350601)

新型多相位多線圈激勵感應(yīng)加熱電磁爐

張思彥1, 陳 為1, 林甲深2

(1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院, 福建 福州 350116;2. 華能羅源發(fā)電有限責(zé)任公司, 福建 羅源 350601)

針對傳統(tǒng)單線圈電磁爐加熱過程中鍋體溫度難以均勻的問題，本文提出一種新型具有不同相位勵磁的多線圈感應(yīng)加熱電磁爐，線圈間加載不同相位的電流，利用渦流鄰近效應(yīng)發(fā)熱對溫度的影響來提高鍋具表面溫度分布的均衡性，并且通過有限元法進(jìn)行渦流場與溫度場的雙向耦合仿真。在保證鍋具的渦流損耗和加熱半徑相同的情況下，分析比較了新型多相位多線圈電磁爐和傳統(tǒng)單線圈電磁爐鍋具表面渦流和溫度分布，分析結(jié)果表明新型電磁爐能實(shí)現(xiàn)更均勻的溫度分布，為多相位多線圈電磁爐的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

感應(yīng)加熱； 電磁爐； 渦流； 溫度分布

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱技術(shù)日趨成熟，電磁爐作為感應(yīng)加熱的主要應(yīng)用之一，以其高效、節(jié)能、環(huán)保和易控等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)的明火及電熱盤加熱而備受關(guān)注。電磁爐主要由加熱線圈、控制電路和金屬鍋具組成，通以20～40kHz交變電流的加熱線圈產(chǎn)生高頻交變磁場，在金屬鍋具中感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生損耗發(fā)熱達(dá)到烹飪食物的目的[1]。

過去幾十年人們對電磁爐的研究主要集中在基本工作性能的提高上。文獻(xiàn)[2]從效率、頻率控制、電磁輻射以及開關(guān)管承受應(yīng)力等方面對電磁爐常用的四種逆變電路(全橋諧振、半橋諧振、單管零電流開關(guān)和單管零電壓開關(guān))進(jìn)行分析比較，得出了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)；文獻(xiàn)[3]分析比較了添加鐵磁性平面前后電磁爐的加熱性能，證明了鐵磁性平面對電磁爐加熱性能的提高具有明顯的優(yōu)勢；文獻(xiàn)[4]分析了感應(yīng)加熱線圈的電感和交流電阻，闡述了磁場變化對線圈電感和交流電阻的影響。近來，隨著大功率商業(yè)電磁爐的應(yīng)用和日益普及，電磁爐的加熱問題日益凸顯出來，如存在加熱死角，發(fā)熱過于集中，加熱不均勻，導(dǎo)致食物燒焦、鍋具變形，因此電磁爐的均熱問題得到關(guān)注。目前，市場上大多數(shù)技術(shù)采用增加低溫度區(qū)域所對應(yīng)的線圈匝數(shù)來改善溫度分布的均衡性[5]，然而這種方法并不能完全滿足人們均勻加熱某一特定區(qū)域的需求。

相互靠近的線圈通有交變電流時(shí)，相鄰線圈間感應(yīng)出來的磁場會因線圈電流相位的不同而相互疊加或抵消，因此置于其上方的導(dǎo)體感應(yīng)出來的渦流也相應(yīng)地加強(qiáng)或減弱，而感應(yīng)加熱線圈的結(jié)構(gòu)和尺寸在很大程度上影響著鍋具表面渦流和溫度分布[6]。因此本文提出了一種具有不同相位勵磁的多線圈電磁爐，以此來提高鍋具表面溫度分布的均衡性。與此同時(shí)，考慮到電磁感應(yīng)加熱的分析涉及到渦流場與溫度場的非線性耦合問題，鍋具的溫度影響鍋具材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率又影響渦流的大小和分布，而且上述問題屬于三維范疇，難以進(jìn)行理論計(jì)算，因此本文采用有限元仿真軟件對渦流場和溫度場進(jìn)行雙向耦合仿真，在保證鍋具的渦流損耗和加熱半徑相同的前提下，將新型多相位多線圈電磁爐和傳統(tǒng)單線圈電磁爐鍋具表面渦流和溫度分布進(jìn)行對比分析。仿真結(jié)果證明本文提出的新型多相位多線圈電磁爐能夠提高溫度分布的均衡性。

2 渦流場與熱傳導(dǎo)場的耦合有限元分析

麥克斯韋方程組是描述電磁場的數(shù)學(xué)模型，對于渦流場，可以推出以磁矢位A為變量的表達(dá)式為[7]：

(1)

式中，μr為相對磁導(dǎo)率；μo為真空中磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；Js為激磁電流。

求解方程式(1)，可得出感應(yīng)渦流J為：

(2)

感應(yīng)加熱中，渦流所產(chǎn)生的焦耳熱作為熱源Qe，其表達(dá)式為：

(3)

對于熱傳導(dǎo)場，基于傅里葉熱傳導(dǎo)方程計(jì)算溫度場，其表達(dá)式為：

(4)

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；c為比熱容；ρ為物體的密度；T為溫度。

鍋具表面因?qū)α饕鸬臒崃繐p耗由傅里葉邊界條件確定，其表達(dá)式為：

(5)

式中，h為對流換熱系數(shù)；Ts為表面溫度；Ta為環(huán)境溫度。

聯(lián)立式(1)～式(4)以及邊界條件式(5)，即可求出鍋具表面任一時(shí)刻的溫度分布，由于實(shí)際計(jì)算過程中求解的復(fù)雜性，本文采用有限元仿真軟件Maxwell(渦流場)和AnsysWorkbench中的TransientThermal(瞬態(tài)溫度場)模塊進(jìn)行雙向耦合仿真。利用Maxwell進(jìn)行渦流場分析，計(jì)算出加熱線圈在鍋具中產(chǎn)生的渦流損耗，將渦流損耗導(dǎo)入到TransientThermal作為熱源，進(jìn)行瞬態(tài)溫度場分析，考慮到材料的熱導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和比熱容的溫度依賴性對溫度的分布具有較大的影響[8,9]，因此將溫度場每隔一段時(shí)間計(jì)算得到的溫度反饋回Maxwell中重新進(jìn)行渦流場分析，如此循環(huán)迭代，直到瞬態(tài)場熱收斂為止。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算量，仿真過程中，以5s為一個(gè)周期進(jìn)行耦合反饋。

3 兩種線圈結(jié)構(gòu)比較

在保證鍋具的渦流損耗和線圈加熱半徑相同的情況下，比較新型多相位多線圈電磁爐結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)單線圈電磁爐結(jié)構(gòu)的鍋具表面的渦流和溫度分布。

430#不銹鋼因其耐腐蝕性好、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小和耐熱疲勞等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于感應(yīng)加熱。因此本文選取430#不銹鋼作為鍋具材料，考慮到在加熱過程中，材料物理參數(shù)的溫度依賴性對溫度分布有著較大的影響，仿真過程中利用有限元仿真軟件Maxwell與Ansys Workbench進(jìn)行渦流場與溫度場的雙向耦合以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。430#不銹鋼隨溫度變化的材料參數(shù)見表1。

表1 430#不銹鋼材料參數(shù)

3.1 兩種線圈的模型

傳統(tǒng)單線圈電磁爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)際線圈是螺旋形，但由于繞組匝間距離較小，仿真時(shí)本文采用圓盤線圈替代螺旋線圈且勵磁電流沿圓盤半徑均勻分布，以降低計(jì)算量。本文提出的新型多相位多線圈電磁爐，采用多個(gè)小螺旋線圈，且分開一定距離，線圈的排布方式如圖2所示，箭頭表示加載電流的正方向，角度表示加載電流的相位。外圍六個(gè)線圈的電流相位兩兩互差180°，與文獻(xiàn)[10]中不同的是，中間線圈電流與外圍六個(gè)線圈電流均相差90°，這樣的電流加載方式相對比較方便。兩種線圈的仿真模型參數(shù)見表2。仿真中鍋具與線圈距離為7mm。

圖1 傳統(tǒng)單線圈電磁爐形狀Fig.1 Shape of traditional single coil induction cooker

圖2 新型多相位多線圈電磁爐形狀Fig.2 Shape of novel multiphase multicoil induction cooker

半徑/mm內(nèi)徑外徑厚度/mm線圈間距/mm鍋具-1002-單線圈5852-多線圈525210

3.2 渦流場與溫度場分析

在頻率20kHz、鍋具的渦流損耗為1.2kW、線圈總加熱半徑為85mm的情況下，仿真加熱30s得到傳統(tǒng)單線圈電磁爐與新型多相位多線圈電磁爐鍋具表面的渦流分布和溫度分布，分別如圖3～圖6所示。從圖3和圖4中可以看到，單線圈結(jié)構(gòu)由于產(chǎn)生磁場的非均勻性，使得鍋具圓心位置和邊緣位置渦流分布較低；而多相位多線圈電磁爐，相鄰線圈間由于各個(gè)勵磁電流的相互影響，使得磁場更加均勻。同時(shí)，中心位置的線圈提高了鍋具中心位置的磁場和渦流，并利用鍋具的導(dǎo)熱性將中心位置的發(fā)熱量傳向外圈。由圖5和圖6可知，單個(gè)線圈電磁爐，鍋具的圓心位置和邊緣溫度較低，高溫區(qū)主要集中在鍋具中間的圓環(huán)位置；而多相位多線圈電磁爐，在保證相同鍋具受熱面積的同時(shí)提高了鍋具表面溫度分布的均勻性。

圖3 多相位多線圈電磁爐鍋具表面渦流分布圖Fig.3 Eddy current distribution of multiphase multicoil induction cooker

圖4 單線圈電磁爐鍋具表面渦流分布圖Fig.4 Eddy current distribution of single-coil induction cooker

圖5 新型多相位多線圈電磁爐加熱30s鍋具表面溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution of multiphase multicoil induction cooker at 30s

圖6 傳統(tǒng)單線圈電磁爐加熱30s鍋具表面溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution of single-coil induction cooker at 30s

(6)

(7)

(8)

式中，Ti為沿著鍋具中線上第i個(gè)采樣點(diǎn)的溫度， 用來衡量溫度偏離平均值的程度。由于不同線圈結(jié)構(gòu)的電磁爐平均溫度不同，為了更好地衡量溫度的偏離程度(也就是溫度的均衡性)，我們引入溫度的相對標(biāo)準(zhǔn)方差，相對標(biāo)準(zhǔn)方差越小表示溫度分布越均勻。通過計(jì)算得到兩種線圈結(jié)構(gòu)鍋具溫度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)方差和相對標(biāo)準(zhǔn)方差，見表3。

結(jié)構(gòu)溫度平均值/℃標(biāo)準(zhǔn)方差/℃相對標(biāo)準(zhǔn)方差(%)單線圈19453.327.4多線圈19341.321.4

從圖7和表2可知，傳統(tǒng)單線圈電磁爐鍋具表面溫度最大值為260℃，中間溫度最小值為170℃，兩者相差90℃，其平均值為194℃，相對偏差為27.4%。新型多相位多線圈電磁爐鍋具表面溫度最大值為 240℃，中間溫度最小值為200℃，二者僅40℃之差，其平均值為193℃，相對偏差為21.4%，以上的數(shù)據(jù)更直觀地說明了新型多線圈電磁爐在提高鍋具表面溫度分布均衡性具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，尤其是鍋具中心區(qū)域，溫度均勻性更好。

4 結(jié)論

為解決傳統(tǒng)單線圈電磁爐由于溫度分布不均勻易導(dǎo)致食物燒焦、鍋具變形等問題，本文提出和設(shè)計(jì)了一種新型的具有不同相位勵磁的多線圈電磁爐，以提高鍋具溫度分布的均衡性；利用有限元仿真軟件Maxwell和Ansys Workbench采用渦流場和熱傳導(dǎo)場的雙向迭代實(shí)現(xiàn)了兩種物理場的耦合仿真；在保證鍋具的渦流損耗和線圈有效加熱半徑相同的情況下，對比分析了傳統(tǒng)線圈電磁爐和新型多線圈電磁爐鍋具表面的渦流和溫度分布，結(jié)果表明新型多相位多線圈電磁爐的溫度均衡性顯著提高。本文提出的多線圈方案和仿真分析方法對多線圈電磁爐的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Induction cooker with novel multi-coils and multiphase excitations

ZHANG Si-yan1, CHEN Wei1, LIN Jia-shen2

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China; 2. Huaneng Power International INC, Luoyuan 350601, China)

Traditional single coil induction cooker suffers from the problem of uneven temperature distribution. A novel induction cooker with multi-coils and multiphase excitations is proposed. The exciting currents in the multi-coils are with different phases. The temperature distribution on the pan could be more uniform by the thermal impact of the proximity effect losses by the multi-coils. With the same power losses and the same heating area in the pan, the eddy currents and temperature distributions of the two different coil systems are analyzed and compared using the simulation of Finite Element Method. The results show that the proposed multiphase multi-coils scheme can achieve more uniform temperature than that of traditional single coil scheme.

induction heating; induction cooker; eddy current; temperature distribution

2015-03-09

張思彥(1991-)， 女， 福建籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)殡娏﹄娮痈哳l磁技術(shù)； 陳 為(1958-)， 男， 福建籍， 教授， 博士， 研究方向?yàn)殡娏﹄娮痈哳l磁技術(shù)。

TM315

A

1003-3076(2016)02-0044-04