家用电磁灶线圈盘对热效率测试影响的研究

陈 剑，张少君，徐善伟

（中国标准化研究院，北京 102200）

0 引 言

家用电磁灶是利用电磁感应原理，使锅具（导磁体）在交变磁场中产生涡流，自身产生热效应，完成电能向热能转换。锅具自身发热，减少了热量传递的中间环节，其热效率比其他灶具高。

2008年2月18日国家标准化管理委员会发布了GB 21456-2008《家用电磁灶能效限定值及能源效率等级》，自2008年9月1日开始实施。该标准明确规定实施日为4年后，即2012年9月1日起，热效率值低于86%的产品将被淘汰。在此近4年之际，研究家用电磁灶能效标准最关键参数——热效率的科学、准确地测量方法，成为完善该标准的重要课题之一[1]。

GB 21456-2008标准规定的测试方法较为严谨科学地设计了家用电磁灶能源效率的测试方法，就是计算电磁灶输出能量和总输入能量的比值。然而，随着近几年电磁灶行业的发展，越来越多的电磁灶新品出现在市场，在平时大量的电磁灶热效率测试中也发现了一些问题，这对电磁灶热效率客观评价产生了不利影响。

本文筛选了两台较为典型的家用电磁灶，通过电磁灶的线圈盘电磁感应加热，考察标准锅各个位置的温度变化，结合GB 21456-2008标准热效率的测试方法，从理论上给出影响热效率测试结果的解释。

1 试验装置

1.1 热效率测试装置

电磁灶热效率测试装置如图1所示。X点和Y点分别为标准锅内同一水平距离中心点不同位置的水温取值点，其中X为线圈盘的中心点，Y点处于线圈盘外侧与标准锅边缘之间。运用GB 21456-2008测试方法分别对两台电磁灶进行热效率试验。样机1和样机2的线圈盘都属于双层线圈盘，两台样机的上下层线圈盘尺寸相同，上层直径40mm，下层直径140 mm。唯一区别在于样机1的线圈盘比较紧密，样机2的线圈盘比较稀疏，铜线间距大约在1.5 mm左右。

图1 电磁灶热效率测试装置示意图

1.2 温度监控试验装置

图2为电磁灶工作状态下加热标准锅和锅内水溶液时的温度监控图。对试验装置总共布7个热电偶以及一个铂电阻测温点，其中A、B、C 3点同处于距离锅底10mm水平面上，A点为锅体内水平中心点，B点垂直阴影处于大线圈盘边上，C点垂直阴影处于小线圈盘边上，D点处于锅内底部，E点处于锅外层且垂直阴影处于大线圈盘边上，F点处于锅外层且垂直阴影处于小线圈盘边上，G点位于锅外层中心点。铂电阻测温点与A点在同一位置。

2 试验结果与分析

2.1 电磁灶辐射值测试结果

图2 电磁灶工作状态下各点温度监控图

依据 IEC 62233-2008《Measurement methods for electromagnetic fields of household appliances and similar apparatus with regard to human exposure》标准测试方法，对样机1和样机2进行了电磁辐射量的测试，结果如表1所示。

表1 2台电磁灶电磁辐射测试结果

2.2 不同位置的热效率测试结果

依据GB 21456-2008标准测试方法，在装置图1的条件下，分别对2台电磁灶X点和Y点进行热效率测试，其中在X点和Y点所用的电量相等，得出结果见表2。

表2 2台电磁灶热效率测试结果

通过热效率试验研究发现，样机1在工作状态下，X点和Y点的热效率值基本一致，这也可以直接反映出锅内水被加热温度较为均匀。对于样机2，X点和Y点的热效率值相差几乎为4%，依据GB 21456-2008标准，按其热效率值所判断的能效等级几乎相差2个能效等级，这应该是由于锅内水温不均匀所直接导致的。对样机2检测结果进行分析发现，X点比Y点热效率值偏高的一个重要原因，是由于线圈盘中间区域线圈较密，边缘区域较为稀疏，中间的磁场是由样机上下两个线圈产生的磁场叠加而成，越往外，线圈产生的交变磁场强度越小，电磁感应使得锅体中间产生的涡流强度较锅的外沿较大，产生的热量较多。样机1的线圈盘整体都较为紧密，电磁灶工作状态下，产生的电磁感应使标准锅产生的涡流热效应较为均匀，所以最终测得的热效率较为一致[2-6]。

2.3 电磁感应强度对加热过程的影响

采用图2相同的试验装置，开启样机1和样机2，对标准锅及水进行加热，将锅内的水从15℃加热到90℃（铂电阻温度计数显值），监测整个过程中各个布点位置的温升变化情况。监测结果如图3所示。

图3 电磁灶工作状态下各点温度分布图

在试验过程当中，当温升接近75 K时，切断电源，发现样机2铂电阻温度瞬间升高0.5℃，但转瞬间又直线下降。而样机1铂电阻温度缓慢上升，达到一个最高温度，然后再缓慢下降。再结合图3，发现在切断电源之后，样机2的图示中锅内水不同位置的温度相差将近5℃，说明在切断样机电源的瞬间，由于锅底部中心温度较高，使得底部与上方的水层瞬间形成一个较强的对流，导致A点附近（标准规定测温区域）温度瞬间升高（过冲温度），这种现象的形成应该是由电磁灶制造商对线圈盘的特殊设计导致。然而，随着时间的推移，由于对流使锅内的水温达到均匀状态，测得的温度瞬间下降。结合锅内A、B、C、D 4点的温度值，发现平均温度小于铂电阻采集温度接近4℃，可推断出电磁灶实际的热效率应该明显低于标准测试方法测得的热效率值。因此，采用标准的测试方法计算得出的热效率结果是不符合电磁灶样机2的实际工作状态下热效率的，其加热均匀性可能影响被加热食品的质量，数据可疑。对于样机1，同样切断电源之后，锅内不同位置的温度最大相差接近9℃，跟样机2出现的情况相同，刚开始锅内不同位置的水温差异较大。反之，样机1是中心点温度（标准规定测温范围）较低，周围温度较高，结合锅内A、B、C、D 4点，平均温度与铂电阻采集到的最高温度非常接近，最终运用标准测试方法计算得出的热效率值应该能反映出电磁灶真实情况[7-8]。通过上述试验现象，结合样机1和样机2的线圈盘设计情况，推断出电磁灶热效率值大小与线圈盘的尺寸、叠加方式等密切相关。

3 结束语

在反复试验基础上进行理论分析，得出家用电磁灶线圈盘的形态对电磁灶热效率测试结果有明显影响。具体而言，疏密不一致的线圈盘会使得电磁灶局部的磁感线不均匀，电磁灶线圈越紧密，产生的磁感线越强，作用到的锅体内部的涡流也越强，区域内的水温上升越快；反之，区域内的水温上升越慢。也就是说，如果线圈盘整体疏密不均，将会导致紧密部位热效率高，稀疏部位热效率低，这种情形下，仅对紧密部位进行热效率测试并不能真正反映整个电磁灶准确的热效率值。

[1]郭艳萍.家用电磁灶能效检测技术研究[J].家电科技，2011（10）：72-73.

[2]陈昊，周月明，华学明.感应加热过程中工件表层温度分布及机理分析[J].金属热处理，2011，36（2）：67-69.

[3]崔忞慜.涡流磁场测量方法研究[J].机电设备，2011（5）：33-36.

[4]孙佰仲，刘洪鹏，刘秀，等.电磁感应高温空气加热特性试验研究[J].中国电机工程学报，2009，20（29）：30-33.

[5]高印寒，高洪，刘长英，等.电磁感应加热温度场建模方法的研究[J].内蒙古师范大学学报，2007，36（1）：54-57.

[6]杜青林，钟汉如，刘辉杰，等.电磁感应加热技术在注塑机螺杆上的设计[J].塑料，2010，39（2）：4-6.

[7]成诚，张甘霖，徐胜，等.关于电磁灶能效标准中热效率测试方法的探讨[J].家电科技，2011（7）：48-49.

[8]徐正翱.两种测量电磁灶热效率方法的对比[J].家电科技，2007（12）：36-37.