四升金屬外殼電磁電飯煲小型化研究設(shè)計

付正庭

（美的集團(tuán)股份有限公司 佛山 528311）

引言

隨著消費者對于米飯的口感要求在日益提高，電磁加熱電飯煲發(fā)展迅速，市場占有率持續(xù)提高。電磁加熱技術(shù)主要是由內(nèi)鍋的單層或者多層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)在交變磁場中感生出渦流而產(chǎn)生熱量，并將熱量直接傳遞給鍋內(nèi)的水和大米，食物受熱均勻且速度快，提高了電飯煲的加熱效率。廚房非剛需的小家電越來越多，用戶普遍感觸廚房空間不夠放，因此小家電的小型化非常必要，能降低消費成本和提高廚房空間利用率。很多產(chǎn)品都是通過將外殼倒大圓角等造型方式盡量壓縮掉內(nèi)部多余空間來減小整機(jī)尺寸，沒有從根本上去減小內(nèi)部平臺的尺寸。本文重點從減小內(nèi)部平臺尺寸、優(yōu)化電磁感應(yīng)及風(fēng)道方案，進(jìn)一步減小整機(jī)尺寸。

1 降低整機(jī)高度研究

電飯煲高度在一般用戶家里可能感知度不高，有部分用戶將電飯煲放在分層架子等柜子中時則感觸明顯，會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)飯煲合蓋時能放進(jìn)，但是開蓋時卻只能打開45 °或其它小角度，不能完全開蓋，導(dǎo)致盛飯不方便。同時整機(jī)高度高，直接影響材料使用量的增加，以及體積大包裝運輸成本高，都提高了用戶的消費成本。

本文主要研究四升飯煲，已經(jīng)限定了內(nèi)鍋容量，同時考慮到現(xiàn)有內(nèi)鍋的通用性，內(nèi)鍋高度已確定，主要從降低上蓋厚度和內(nèi)鍋到機(jī)底的距離兩個方面進(jìn)行研究，以降低整機(jī)高度。

1.1 蒸汽閥方案設(shè)計

電飯煲需要讓米飯充分受熱均勻，在沸騰階段采用大火力加熱，此時米湯中含有了可溶性糖、蛋白質(zhì)、淀粉等物質(zhì)，米湯有高表面活性，米湯表面張力低，米湯大量泡沫在液體表面持續(xù)堆積，產(chǎn)生大量氣泡，最終通過排氣通道釋放到上蓋表面，從而產(chǎn)生溢出情況，增大用戶清潔工作量，甚至出現(xiàn)用電安全事故。因此米湯溢出會降低煮飯火力，從而影響米飯的品質(zhì)。

為了防止電飯煲沸騰過程中出現(xiàn)米湯溢出情況，采用大火力煮出可口香甜的米飯，因而智能電飯煲都設(shè)置了蒸汽閥。泡沫破裂的主要原因是溫度影響下的液膜內(nèi)外壓差，沒有蒸汽閥，內(nèi)外壓差在飯煲頂部的出氣口位置，在此破裂容易堆積溢出；設(shè)置蒸汽閥，內(nèi)外壓差前移到內(nèi)鍋進(jìn)入蒸汽閥的通道出口處，破泡后的米湯可以暫時停留在蒸汽閥內(nèi)，在間隙階段，通過回流閥回流到內(nèi)鍋中。從以上過程可見，蒸汽閥的體積越大、通道長度越長越有利于防溢出。本文盡量不改變原有體積和長度的情況下，優(yōu)化蒸汽閥設(shè)計，以降低上蓋厚度。

通過對比市場上各競品設(shè)計方案，以及現(xiàn)有機(jī)型零件空間布局優(yōu)化，設(shè)置了如下內(nèi)置蒸汽閥方案如圖1所示。

圖1 內(nèi)置蒸汽閥方案

通過將內(nèi)置蒸汽閥與可拆洗蓋板結(jié)合為一體，將蒸汽閥的部分沉降在可拆蓋板的沉臺中，從而保證蒸汽閥實際有效高度的情況下，降低了蒸汽閥占用整機(jī)的高度，可使上蓋厚度減薄22 mm。蒸汽沿著路線排出，在蒸汽閥的入口處第一次破泡，減少進(jìn)入蒸汽閥的氣泡，然后在蒸汽閥出口處第二次破泡，米湯沉積在蒸汽閥腔中，通過大火力的調(diào)功間隙時間段，再回流到內(nèi)鍋中，確保蒸汽閥的米湯每個循環(huán)清空，防止蒸汽閥腔中堆積過多米湯從而出現(xiàn)溢出情況。同時一體組件可以隨可拆洗蓋板一體拆下，方便用戶清洗，以解決用戶經(jīng)常忘記單獨清洗蒸汽閥隱患。

測試驗證在使用純凈水、五常大米、2 ∶4 米水比、243 V 高壓、9 ∶16 的調(diào)功大火力嚴(yán)酷條件下，上蓋表面沒有出現(xiàn)溢出情況，滿足加嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 線盤疊式側(cè)繞線方案設(shè)計

電磁加熱技術(shù)發(fā)明之后，是目前最先進(jìn)的電飯煲加熱方式，徹底地解決了加熱盤的幾大弊端。IH 技術(shù)的工作原理：通過電磁線圈來接通交變電流，從而直接對金屬內(nèi)膽來進(jìn)行加熱，因此，越過了加熱盤的熱量傳導(dǎo)過程，使得升溫變得較為迅速。而且有很多高端的IH 電飯煲種，引入了多級線圈，實現(xiàn)了對整個內(nèi)膽的環(huán)繞加熱，并且實現(xiàn)了絕對的均勻加熱。

線盤作為電磁加熱的核心部件之一，業(yè)內(nèi)已有很多研究，比如線圈用銅線或者鋁線對比、繞線圈數(shù)的選擇、疏繞或密繞等等研究。本方案主要通過調(diào)整固定線圈的線盤結(jié)構(gòu)設(shè)計了疊式側(cè)繞線方案，將線盤固定線圈的線槽方向由豎直高度方向布置改為徑向橫向布置，從而將線圈高度方向加層繞線調(diào)整為徑向方向加層繞線方式。如圖2所示。

圖2 繞線方案對比

原來豎向繞線方案，繞線槽的圍邊將冷風(fēng)擋住（如圖3左邊），散熱風(fēng)方向不在風(fēng)道方向上，冷風(fēng)利用率低，散熱效率底，煲體空間大。新型側(cè)面繞線方案，冷風(fēng)沿著繞線槽向出風(fēng)口流動（如圖3右邊），可以形成360 °環(huán)形風(fēng)道（如圖4），風(fēng)阻小，散熱效率大幅提升，散熱空間降低15 %的同時溫場溫升降低5 ℃。這樣就可以減少底座與線盤的距離，同時整個煲身空間可以縮小。

圖3 風(fēng)走向示意圖

圖4 風(fēng)走向仿真示意圖

1.3 分級臺階式磁條架方案設(shè)計

電磁感應(yīng)電飯煲的加熱效率主要與空間電磁場怎么分布關(guān)系非常大，線圈通過高頻電流產(chǎn)生的交變磁場，上部被不銹鐵鍋體吸收，下部即線盤的底部需要磁條來聚集交變磁場。線盤底部的磁條可以改變空間電磁場的分布，使更大部分的磁感線聚集到不銹鐵鍋體中，可以在鍋體中輸出的渦流功率更大，提高電飯煲感應(yīng)加熱的工作效率，也能防止過多的磁感線聚集到底部，穿過飯煲底殼對金屬桌面產(chǎn)生熱污染。

常規(guī)的線盤磁條架只是簡單的沿線盤折彎成兩段（如圖5左邊），這樣在折彎處會產(chǎn)生尖角，同時散熱風(fēng)扇的角落也布局在此，兩者為了不干涉，通常需要拉開兩者距離，導(dǎo)致占用整機(jī)空間大。本案設(shè)計了分級臺階式磁條架，在側(cè)繞線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，繞線槽不在豎直方向有圍邊，所以在磁條折角處可以沿著線盤平面一段進(jìn)行沉降式分級，沉降的這一段則可用來布局散熱風(fēng)扇的角落（如圖5右邊），這樣散熱風(fēng)扇可以降低高度，且在長度方向也可更靠近線盤布局，從而減少整機(jī)占用空間。

圖5 磁條架示意圖

通過這三個主要方案的創(chuàng)新設(shè)計，上蓋厚度降低，煲體高度也降低，使整機(jī)高度降低11 %，如圖6所示。

圖6 新老方案高度對比示意圖

2 減少整機(jī)長寬研究

上文已提到電磁加熱原理，防止熱污染等在底部側(cè)面都有磁條架，但實際仿真、測試等都會發(fā)現(xiàn)側(cè)面還是會存在漏磁現(xiàn)象，在兩側(cè)內(nèi)鍋中心線上，漏磁達(dá)到51 μT。而通常中高端電磁電飯煲的外殼都是不銹鋼導(dǎo)磁外殼材料，對泄漏磁場能起到一定屏蔽作用，但是屏蔽的同時外殼自身也在發(fā)熱，溫升高，則只能將外殼與線盤的距離拉大，增大整機(jī)體積。在線盤周圍增加鋁制屏蔽環(huán)，增加了裝配復(fù)雜度和成本（如圖7）。同時在外殼的鉚接處，由于有鉚接不良情況，鉚接不牢固則可能產(chǎn)生打火燃燒事故。

圖7 鋁制屏蔽環(huán)和外殼溫升仿真示意圖

通過分析，外殼產(chǎn)生溫升高主要原因是外殼在漏磁作用下形成了閉合回路導(dǎo)致自身電磁加熱而升溫。本案設(shè)計將外殼尾部直接鉚接方案改為塑料絕緣插接外殼（如圖8），斷開外殼閉合回路，阻斷外殼自身發(fā)熱。

圖8 外殼塑料絕緣插接示意圖

設(shè)計方案將外殼與線盤的單邊距離縮小8 mm（如圖9），并且取消鋁制屏蔽環(huán)（如圖10），實際測試外殼最高溫度的原鉚接處溫升由130 °降低到60 °，其它處溫度不高于45 °，遠(yuǎn)低于測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 外殼縮小示意圖

圖10 有無屏蔽環(huán)對比示意圖

3 結(jié)語

通過本案一系列的方案設(shè)計，產(chǎn)品體積整體縮小幅度大，材料及運輸成本降低明顯，降低了用戶購買成本也提高了用戶體驗。另外在產(chǎn)品方案確定后正式測試結(jié)果，整機(jī)能效比原有機(jī)型提高了3 ～4 %，達(dá)到了1 級能效，成為當(dāng)時行業(yè)唯一一款同類型產(chǎn)品中1 級能效產(chǎn)品。因為平臺的體積、成本、性能極致優(yōu)化，在此平臺上也衍生了一些列優(yōu)秀產(chǎn)品，取得了良好銷售業(yè)績。該系列飯煲銷售量200 多萬臺，該型號產(chǎn)品上市以來，大部分時間處于行業(yè)月度銷售額Top1 的位置，取得了良好經(jīng)濟(jì)社會效益。