一種轉盤式微波爐腔體性能優化的研究

張磊 李法民 李維雨 鮑鑫 陳喜 袁怡磊

(惠而浦（中國）股份有限公司 安徽合肥 230088)

1 引言

隨著微波爐的普及和人們生活水平的提高，用戶使用微波爐不單單是出于微波加熱功能的需要，更重要的是用微波爐進行各種復雜的烹調，所以對微波爐的煮食性能提出了更高的要求。同時隨著國家對家用廚房電器的標準的修改和提高，在標準方面也對微波爐的性能提出了更高的要求。

2 微波仿真優化和性能比對

本文所研究是一種前期生產的微波爐，其性能相對而言比較差，通過對其優化使其性能得到進一步提升。此種轉盤微波爐的基本腔體是一個長方形的空腔，其長、寬、高分別為295mm、290mm、195mm，盛放食物的玻璃轉盤放在微波爐的底部中間位置，用戶在使用時把食物放在玻璃轉盤的位置上進行加熱，所以對家用微波爐的均勻性提出了更高的要求。為了使食物能被均勻加熱，爐腔內電磁場能量分布應均勻。如果能量分布不均勻，用戶用其進行煮食時，就會出現部分過熟，部分不熟的現象；如果用戶忘記放食物啟動微波爐，則會出現聚焦、熔軸等現象；在按照國家標準進行檢測時，也不滿足國家標準中關于微波爐性能的要求。

對微波爐加熱均勻性而言，除了所加熱食物自身的特點和容器的形狀以外，腔體的結構是關鍵，決定了電磁場在爐腔中的分布。電磁場在腔體內分布要均勻，否則加熱不均勻直接影響了食物被加熱的效果，這就對微波爐的腔體結構提出了更高的要求。筆者通過微波仿真軟件對影響加熱均勻性的腔體進行分析研究，并通過實際的試驗驗證，對比優化前后性能的提升情況。

2.1 微波仿真和優化

微波仿真使用的是ansoft公司hfss高頻仿真軟件，大致仿真的步驟如下[1-3]。

（1）對腔體進行建模；

（2）設置材料參數；

（3）設置計算類型和波端口；

（4）設置邊界條件；

（5）設置分析；

（6）數據處理。

首先對優化前的腔體進行建模，優化所研究的微波爐是一種21L轉盤式微波爐，其腔體是一個矩形諧振腔，主要有右側面的微波源、波導、玻璃轉盤、前面板、后面板、爐門、扼流圈、門內貼膜、云母片等組成。微波爐爐腔內具體的材料參數見表1。其中表1中材料4參考自文獻[2]，其余材料參考自文獻[4]。腔體內剩余材料的設置來自軟件的材料庫。

由于只是在現有的基礎上進行優化，所以從節約的原則，盡量使其更改小，效果優。優化中所采用的方法是在原腔體的左側進行間隔2mm的距離進行拉伸仿真，找出電場的變化規律，經過多次仿真優化，在左側拉伸24mm時通過仿真發現中間場強明顯減弱，四周場強優分布明顯比優化前均勻。優化前和左側拉伸24mm時最佳優化的場分布云圖，分別如圖1和圖2所示。左側的拉伸使微波爐的腔體結構發生變化，進而改變電場在爐腔中的分布。

從空載仿真云圖圖1可以看出，腔體優化前微波在爐腔中心位置場強比較集中。從云圖圖2中可以看出，優化后場強分布相對比較均勻。左側的拉伸改變了爐腔中場的分布，通過仿真，能夠比較清晰地觀察場在爐腔中的分布的大致情況，優化后中間場強明顯減弱，而四周場強明顯增強。圖3和圖4分別為優化前后的模型圖。

2.2 優化前后的性能對比

隨機抽取優化前的腔體和優化后所做的腔體手板件，進行實際的性能測試，并對比優化前后的性能參數。通過實際的對比驗證，以客觀的數據和圖片直接反應優化后的效果。

2.2.1 空載測試

通過在線生產的微波爐空載測試時，微波運行約5分鐘出現熔滾輪軸現象，見圖5。優化后的微波爐手板件經過實際的空載測試，連續滿功率運行30分鐘后，滾輪軸完好無損，見圖6。

優化前微波場在中間集中，優化后微波場在中間減弱，場分布均勻。根據傳輸線理論[5]，優化前波導與腔體不匹配，微波大多數被滾輪軸吸收；經過優化后，波導與腔體匹配，微波部分被腔體和玻璃轉盤吸收，部分被反射回到微波源，整機在空載運行時熱量處于動態平衡狀態。

表1 介質材料表

表2 優化前均勻性測試數據

表3 優化后均勻性測試數據

表4 腔體優化前后的煮食對比測試

圖2 腔體優化后的仿真云圖

圖3 腔體優化前的模型

圖4 腔體優化后的模型

圖5 腔體優化前試驗軸

圖6 腔體優化后試驗軸

圖7 試驗容器在轉盤中的放置方式

2.2.2 均勻性的前后比對測試

按照家用微波性能標準[6]中要求的容器和具體的轉盤微波爐試驗方法，即5點法對優化前后的加熱均勻性進行測試。試驗容器按照圖7的方式進行放置。具體的測試數據見表2和表3。

通過實際的加熱均勻性測試，腔體優化前中間1號點溫度最高，最高點與最低點平均值相差3.5℃，說明在小負載時中間場仍然最強。通過優化后，中間1號點溫度降低，5號點溫度最高，最高點溫度與最低點溫度平均相差1.85℃。通過均勻性對比測試，優化后的腔體在小負載情況下，場分布也更加均勻，整機均勻性提高了約8個點。

2.2.3 煮食的前后比對測試

煮食性能的好壞，是用戶最關心的問題，它給用戶最直觀和最親身的感受，檢驗微波爐的性能最直接的就是煮食性能測試。按照微波爐的性能標準[6]和企業煮食標準[7]中5項最直接的方法對其性能進行對比測試。表4是腔體優化前后的煮食測試結果，每個項目規定相應的等級，按照企業煮食標準對其評價，其中5為最高等級，1為最低等級，3等級包含3等級以上為及格。其中，雙杯試驗中有對稱和偏置兩種放置方式，本試驗選擇最苛刻的偏置放置進行測試。

通過對實際煮食性能直觀的測試，優化后的腔體均勻性更好。腔體優化前5項總的等級為14，腔體優化后等級為16.3，提高了2.3，并且在優化前松軟蛋糕測試項目的評價不及格。優化后的腔體在不同形狀的食物和容器下，整體煮食性能比優化前的更優。

3 結論

影響微波爐加熱均勻性的因素很多，對于轉盤微波爐而言，除了腔體自身因素，還有食物和容器的形狀和大小等。本文通過對腔體的優化來提高腔體內場的分布，以此來改變腔體對加熱食物均勻性的影響。在優化的過程中，以仿真為手段，以實際測試驗證為基礎，通過對結果直觀的感受和測量，對比優化前后腔體的變化情況。通過對空載、加熱均勻性、以及煮食試驗看出，優化后的腔體性能得到了提升。

[1] 巨漢基. 微波爐腔體電磁場分布仿真及尺寸結構優化設計[D]：[電子科技大學碩士學位論文]，成都：電子科技大學，2008.

[2] 顧小衛、蒙林、孫宜琴等.微波爐爐腔內電磁場仿真[J].電子器件，2008：804-806

[3] 李明洋.HFSS電磁仿真設計應用詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[4] 左增瑞.微波爐電磁仿真的分析與腔體性能的優化[D]：[電子科技大學碩士學位論文]，成都：電子科技大學，2009.

[5] 廖承恩. 微波技術基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[6] 中華人民共和國國家標準 《家用微波爐 性能測試方法》 GB/T 18800-2008.

[7] 企業內部標準.HFSY-2013.微波爐煮食實驗標準[Z].合肥：生活電器技術部，2013.