電磁灶元器件溫升的優(yōu)化

劉志偉，梅陽寒，熊長煒，張良超，張偉文

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 東莞523808）

0 引 言

由于家電行業(yè)發(fā)展的需要，競爭對手相繼推出二級或一級能效的產(chǎn)品。一方面是解決成本壓力太大的問題，另一方面是在技術(shù)方面需要突破。為適應(yīng)市場的競爭，某公司必須重視二級能效的應(yīng)用平臺研究，加快技術(shù)突破的進程，為二級能效新機型的研究打下基礎(chǔ)。

目前，大部分廠家的電磁爐產(chǎn)品熱效率大部分標定為86%，待機功率大都可以滿足2 W 以內(nèi)，可達到三級能效要求。其中待機功率控制在2 W 以內(nèi)，主要是電路工作時的待機消耗，基本上可以不增加成本的基礎(chǔ)上滿足能效要求[1-3]。而提高熱效率涉及的因素較多，均會涉及電路板成本上升，因此如何提高熱效率是各廠家開發(fā)和研究的重要問題[1-3]。很多電磁灶廠家紛紛對電磁灶的能效提升進行研究，希望能降低生產(chǎn)成本和提高能效等級，以增加產(chǎn)品銷售的“亮點”。

本文圍繞GB21456-2014《家用電磁灶能效限定值及能效等級》的標準要求，從系統(tǒng)的角度對家用電磁灶能效提升的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。提出元器件溫升余量平衡法，通過對電磁灶發(fā)熱最大的元器件的溫升測試，對照元器件的溫升上限值，對元器件的材料和參數(shù)進行優(yōu)化選擇，節(jié)省的材料成本用于增加主回路的關(guān)鍵元器件的導(dǎo)電性能，以提高整個電磁灶的熱效率。

1 溫升測試要求

在規(guī)定的測試條件下，選擇覆蓋加熱區(qū)域的最小規(guī)格標準鍋(標準鍋底部直徑大于線圈盤有效直徑)，測量加蓋標準鍋的質(zhì)量；將相應(yīng)標準鍋置于冷態(tài)被測電磁灶加熱單元中心，測試75 K 的溫升，記錄消耗的電能量E。試驗環(huán)境溫度為25 ℃，線圈盤≤140 K，電感≤120 K，IGBT表面≤60 K，電源線≤50 K，滌綸電容≤50 K。

控制好主回路的關(guān)鍵發(fā)熱元器件的發(fā)熱：控制好扼流圈、電容、橋堆和IGBT 的發(fā)熱。每部分電路的參數(shù)都會影響到電磁灶的工作狀態(tài)，影響熱效率，而且這幾部分參數(shù)非常復(fù)雜[4-5]。

經(jīng)測試得到各元器件的溫升，如表1 所示。當前電磁灶存在問題，溫升余量不均衡，線圈盤和IGBT 溫升余量過大，一定程序上造成材料的浪費。而扼流圈的溫升過高，安全性不足，容易出現(xiàn)安全隱患。

表1 優(yōu)化前溫升數(shù)據(jù)

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 關(guān)鍵元器件布置

針對而扼流圈的溫升過高，202#鍋具加熱時為116.8 K，余量只有3.2 K，安全性較差，容易出現(xiàn)安全隱患。滌綸電容1 在202#鍋具的溫升為46.5 K 也是臨近極限值，所以對扼流圈和滌綸電容1 的位置進行重新布置，與其它電容之間的位置隔開，不處于散熱片和其它電容的下風(fēng)處，以免散熱片和電容的熱量導(dǎo)致扼流圈的溫升上升。三個電容與扼流圈一字排開，溫升較低的電容放在散熱片的背后(如圖1)，以追求電磁灶主回路上元器件整體溫升的平衡。

圖1 主回路關(guān)鍵元器件布置

2.2 散熱風(fēng)道改進

改變部分關(guān)鍵元器件的參數(shù)并進行元器件的溫升對比試驗(如圖2)，然后再進行改變風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行試驗，線圈盤的溫升為110.1 K，有29.9 K 的余量，可以減小線圈盤的用料，把降低的成本用于增加影響熱效率的元器件材料。IGBT 表面有19.6 K 的余量，在風(fēng)道風(fēng)量分配方面可以適當減少。為了降低扼流圈和滌綸電容1的溫升，需要對散熱風(fēng)道進行改進。對于這兩個元器件，把它們放置在靠風(fēng)道的中間處，改進散熱效果。

圖2 風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計

2.3 線盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電磁加熱依靠線盤產(chǎn)生高頻振蕩電流波形，在金屬鍋具上產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，所以系統(tǒng)的三大件是主板、線圈盤和鍋具，三者匹配好才是一個完美的系統(tǒng)[6-7]。對關(guān)鍵組結(jié)構(gòu)（如線圈盤和散熱器等）進行改進，改善線圈盤發(fā)熱，降低線圈盤的電阻阻值，提高Q 值，降低溫升，增加磁條長度和磁通量以解決磁條的均衡和漏磁等問題[6-7]。影響線圈盤的因素有：1)線圈盤材質(zhì)。銅材質(zhì)線圈盤具有自身的熱損耗小的特性，其Q 值比鋁線盤要大，R 值比鋁線盤小，所以在同等條件下，銅材質(zhì)線圈盤熱效率要高。2)繞線股數(shù)。繞線的股數(shù)越多，導(dǎo)線的橫截面積增大，線圈盤的阻值降低，減少自身發(fā)熱的損耗。3)磁條分布。磁條分布是否均橫、是否有漏磁現(xiàn)象和磁通量是否足于屏蔽磁力線，將影響經(jīng)過加熱鍋具磁力線，從而影響有效的加熱效率。4)線盤結(jié)構(gòu)。繞線和磁條的擺放，影響線盤的散熱和磁力線的分布等。

經(jīng)反復(fù)調(diào)整，確定了優(yōu)化后的參數(shù)：線徑×股數(shù)×圈數(shù)=0.37 mm×28 股×28 圈。磁條數(shù)為8 根，電感量L=（100±5）μH。

3 實驗結(jié)果及分析

采用不同的烹飪鍋具，對優(yōu)化后的電磁灶進行綜合試驗，得到表2 所示的結(jié)果。元器件的溫升，線圈盤和IGBT 溫升余量適當減小，但均在合格的范圍內(nèi)，由于線盤結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化，總體成本下降。

表2 優(yōu)化后溫升

4 結(jié) 語

通過溫升平衡方法，針對電磁灶最高溫升的元器件通過風(fēng)道優(yōu)化的方式進行優(yōu)化，降低了元器件的溫升，溫升余量從3.2 K 提高到14.7 K。同時對線盤的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在保證品質(zhì)的情況下降低了線盤的材料成本，完成電磁灶的優(yōu)化設(shè)計。