電磁爐磁場和渦流分布仿真研究

靖紅軍　王昌雷

摘 要：采用ANSYS建立電磁爐有限元模型，對電磁爐工作時的磁場和渦流分布進行了仿真。結(jié)果顯示，磁芯對線圈產(chǎn)生的磁場具有明顯的束縛作用，隨著磁芯相對磁導率的減小，其對磁場的束縛作用明顯減小，而且相同區(qū)域的磁通量密度也逐漸減小；電磁爐的渦流分布呈圓環(huán)形，且分布在鍋的底部，仿真結(jié)果與實際情況吻合。

關(guān)鍵詞：電磁爐 磁場 相對磁導率 渦流

中圖分類號：TM924 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0003-02

電磁爐作為一種常見的家用電器，廣泛應用于人們的生活中，其能效對節(jié)能減排和人們的生活有重要意義，而其能效高低與電磁爐的線圈結(jié)構(gòu)、磁芯和鍋的結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)[1]。該文通過ANSYS軟件建立電磁爐有限元仿真模型，仿真電磁爐工作過程中的磁場分布，分析了解其渦流分布和感應加熱特點[2]，并與實際測試情況進行對比分析，從而了解電磁爐工作特點。

1 電磁爐仿真

電磁爐仿真模型由五部分組成；L型磁芯、銅線圈、鍋、水以及周圍的空氣，仿真中所有區(qū)域的單元類型都為SOLID236，并根據(jù)情況定義了不同區(qū)域的電磁自由度。

1.1 磁場分布

電磁爐磁芯的相對磁導率設(shè)為10 000，線圈中電流的頻率設(shè)為20 kHz，此時在線圈周圍會感應產(chǎn)生交變的磁場。仿真獲得的電磁爐磁場分布如圖1所示。

由于圖中為所有部分產(chǎn)生磁通量密度的疊加顯示，并不是非常直觀，但仍然可以發(fā)現(xiàn)6個對稱分布L型磁芯的輪廓，以及中心部分的一個環(huán)形區(qū)域，這說明磁芯對線圈產(chǎn)生的磁場有明顯的束縛作用。

為更加直觀的了解磁通量密度的分布情況，同時仿真獲得了線圈和鍋之間空氣部分的磁通量密度云圖如圖2所示。將其與實驗測得的電磁爐磁場分布情況（圖3）進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，二者的分布較為相似，在磁芯外端對應的6個區(qū)域，其磁通量密度相對于周圍區(qū)域較強，中心部分區(qū)域最強，最外圍部分則最小。

對于電磁爐的磁場分布，影響因素較多，有磁芯和鍋的相對磁導率，磁芯和線圈盤的形狀及分布等。從圖4與圖2的對比中可以看出，隨著磁芯相對磁導率的減小，對磁通量密度的分布有以下幾個影響；（1）磁芯外端對應6個區(qū)域與周圍區(qū)域磁通量密度的差值減小，逐漸一致；（2）中間環(huán)形區(qū)域擴大，并且與中心的差值也減小；（3）中間環(huán)與磁芯外端對應6個區(qū)域之間部分的磁通量密度增大，并介于二者之間。

總體而言，磁芯相對磁導率的減小，其對磁場的束縛作用明顯減小，而且相同區(qū)域的磁通量密度也減小。

1.2 渦流分布

線圈中的交流電會有感應磁場產(chǎn)生，而該交變的磁場又會在鍋中產(chǎn)生渦流。由ANSYS可以得到鍋中形成的渦流如圖5～6中所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)以下幾點；（1）渦流整體呈圓環(huán)型，但在磁芯對應的區(qū)域，渦流的方向與磁芯的方向垂直；（2）渦流在鍋底部的一個環(huán)形區(qū)域最大，在最中心區(qū)域和最外部都較小；（3）由圖6更可以看出，渦流主要分布在鍋底部的下沿。

實驗中，若使用電磁爐持續(xù)加熱直至將鍋中的水燒干，可以發(fā)現(xiàn)在中間的一個環(huán)形區(qū)域會留下明顯的水痕，這表明其溫度最高，這與仿真中在這個環(huán)形區(qū)域的渦流最大是完全一致的。

2 結(jié)語

通過ANSYS建立電磁爐有限元模型，仿真分析了電磁爐的磁場和渦流分布，得出以下結(jié)論。

（1）磁芯對線圈產(chǎn)生的磁場有明顯的束縛作用，磁芯相對磁導率減小，其對磁場的束縛作用也明顯減小。

（2）渦流整體呈圓環(huán)型，在一個環(huán)形區(qū)域最大，在最中心區(qū)域和最外部都較小，且分布在鍋底部的下沿。

參考文獻

[1] 韓永霞，張敏.電磁爐的加熱性能仿真研究[J].機電一體化，2010，16（9）：44-47.

[2] 榮文霞.感應加熱中三維渦流場的有限元分析及工程應用[D].西安：西安理工大學，2011.