电磁加热均匀性研究

电磁加热均匀性研究摘要：电磁炉由于其加热快、安全、使用方便等优点，伸手消费大众所喜爱。但同时，与燃气灶比较，其存在加热集中，加热均匀性差的问题，影响使用体验。本文主要介绍通过调整电磁加热线圈盘的磁场分布，重新分布电磁加热时的功率密度，提升电磁加热的均匀性。关键词：电磁加热；线圈盘；功率密度；磁场分布引言：电磁炉是通过电磁感应进行加热的一种灶具，与传统燃气灶具相比，电磁炉具有热效率高、加热快、安全、使用方便等优点，深受消费大众所喜爱。但同时，相对于燃气灶的均匀性相比，电磁炉存在加热集中，加热不均匀的问题。加热集中、加热不均匀是由于锅具局部功率密度大所造成。我们对电磁炉和燃气灶的功率密度作比较：（1）普通电磁炉功率2100W，能效等级为二级能效88%，有效加热直径按φ12cm。电磁炉加热区域的能量密度为：2100×88%÷（3.14×12²÷4）=16.35W/cm²（2）普通燃气灶功率5000W，能效55%，锅底直径16mm和锅沿20mm高度被火焰包裹。S锅底面积=3.14*16²/4=263.76cm²S锅沿=3.14*（16+17）/2*2=103.62cm²S总=263.76+103.62=367.38cm²锅具受热区域的能量密度为：5000×55%÷367.38=7.49W/cm²从分析数据看出，电磁炉加热区域的能量密度为16.35W/cm²，5kW燃气灶的能量密度为7.49W/cm²，电磁炉的能量密度为燃气灶的2.2倍。由于对于相同功率加热，能量密度越大，加热越集中，加热越不均匀。根据能量密度理论，要提高电磁炉加热的均匀性，则需在加热总功率不变的情况下，将加热区域增大，降低能量密度，同时将能量在加热区域进行均衡分配，使区域内各点温差减小。1．方案设计电磁加热的原理是线圈盘产生的交变磁场作用在锅具上，形成涡流，铁分子高速振荡摩擦产生热量。而锅具产生的热量与磁场密度与强度有关，磁场密度与强度高，则该区域产生的热量也大，即能量密度大，反之则热量少，能量密度小。所以，如果要改善产品对锅具的加热均匀性，可以通过改变磁场作用在锅具上的密度与强度来实现。由于燃气灶的加热均匀性符合消费者使用期望，所以，以燃气灶的能量密度7.49W/cm²作为电磁加热能量密度的设计目标。按照电磁炉功率为2100W，能效为88%，能量密度为7.49W/cm²计算，假设电磁炉加热区域直径为D，则计算式为：2100×88%÷（3.14×D²÷4）=7.49求解，D=17.73cm，即电磁炉的有效加热区域直径需设计为17.73cm。如下图1所示，设置绕线最大直径为17cm，6条磁条均匀排布，对磁场进行聚拢。通过仿真分析（图2），可以看到磁场的分布面积虽然能覆盖整个线圈盘的直径区域，但其在加热区域的分布强度并不均匀，两侧磁场强度明显比重新磁场强度要小。

图1绕线与磁条布局1

图2磁场分布仿真分析1要使加热均匀性更好，需要对磁场分布进行优化。由于外侧的磁场强度聚拢较差，可以在磁场薄弱位置，增加磁条，对磁场进行聚拢。如下图3所示，在线圈盘外圆区域增加6根均匀分布的短磁条，利用磁条聚磁性与导磁性，在外圆区域增加短磁条排布，一方面通过聚磁性加强外圆区域的磁场强度，另一方面通过导磁性将内圆的磁场向外圆导出，均匀化中心和外圆的磁场强度。以此，短磁条与原有长磁条形成互补方式，将加热区域中的磁场密度进行均匀化。通过仿真分析可见（图3），线圈盘内外侧磁场分布均匀，磁场强度一致性更好。

图3绕线与磁条布局2

图4磁场分布仿真分析22．方案验证为了验证方案实际加热效果，在锅具底部设置热电偶，实际测试烹饪过程锅具底部的温度分布。如下图5所示。

图5热电偶分布如下图6为原始线圈盘烹饪过程中锅底各位置温度测试结果。从结果可见，温度分布于磁场仿真分析一致，中心区域温度集中，中心和外侧之间存在低温区域，最大温差达87℃。图6温度分布图1如下图7为增加磁条后的线圈盘烹饪过程中锅底各位置温度测试结果。从测试结果可看出，通过互补式磁条的应用，加热区域的最大温差从原87℃降低到了26℃，降低了70.1%，大幅增加了线圈盘的加热均匀性。

图7温度分布图23．结论电磁加热加热集中、加热均匀性差的问题，是由锅具局部的功率密度大所造成。从电磁加热原理和实验验证，可以通过加大线圈