一种转盘式微波炉腔体性能优化的研究

张磊 李法民 李维雨 鲍鑫 陈喜 袁怡磊

(惠而浦（中国）股份有限公司 安徽合肥 230088)

1 引言

随着微波炉的普及和人们生活水平的提高，用户使用微波炉不单单是出于微波加热功能的需要，更重要的是用微波炉进行各种复杂的烹调，所以对微波炉的煮食性能提出了更高的要求。同时随着国家对家用厨房电器的标准的修改和提高，在标准方面也对微波炉的性能提出了更高的要求。

2 微波仿真优化和性能比对

本文所研究是一种前期生产的微波炉，其性能相对而言比较差，通过对其优化使其性能得到进一步提升。此种转盘微波炉的基本腔体是一个长方形的空腔，其长、宽、高分别为295mm、290mm、195mm，盛放食物的玻璃转盘放在微波炉的底部中间位置，用户在使用时把食物放在玻璃转盘的位置上进行加热，所以对家用微波炉的均匀性提出了更高的要求。为了使食物能被均匀加热，炉腔内电磁场能量分布应均匀。如果能量分布不均匀，用户用其进行煮食时，就会出现部分过熟，部分不熟的现象；如果用户忘记放食物启动微波炉，则会出现聚焦、熔轴等现象；在按照国家标准进行检测时，也不满足国家标准中关于微波炉性能的要求。

对微波炉加热均匀性而言，除了所加热食物自身的特点和容器的形状以外，腔体的结构是关键，决定了电磁场在炉腔中的分布。电磁场在腔体内分布要均匀，否则加热不均匀直接影响了食物被加热的效果，这就对微波炉的腔体结构提出了更高的要求。笔者通过微波仿真软件对影响加热均匀性的腔体进行分析研究，并通过实际的试验验证，对比优化前后性能的提升情况。

2.1 微波仿真和优化

微波仿真使用的是ansoft公司hfss高频仿真软件，大致仿真的步骤如下[1-3]。

（1）对腔体进行建模；

（2）设置材料参数；

（3）设置计算类型和波端口；

（4）设置边界条件；

（5）设置分析；

（6）数据处理。

首先对优化前的腔体进行建模，优化所研究的微波炉是一种21L转盘式微波炉，其腔体是一个矩形谐振腔，主要有右侧面的微波源、波导、玻璃转盘、前面板、后面板、炉门、扼流圈、门内贴膜、云母片等组成。微波炉炉腔内具体的材料参数见表1。其中表1中材料4参考自文献[2]，其余材料参考自文献[4]。腔体内剩余材料的设置来自软件的材料库。

由于只是在现有的基础上进行优化，所以从节约的原则，尽量使其更改小，效果优。优化中所采用的方法是在原腔体的左侧进行间隔2mm的距离进行拉伸仿真，找出电场的变化规律，经过多次仿真优化，在左侧拉伸24mm时通过仿真发现中间场强明显减弱，四周场强优分布明显比优化前均匀。优化前和左侧拉伸24mm时最佳优化的场分布云图，分别如图1和图2所示。左侧的拉伸使微波炉的腔体结构发生变化，进而改变电场在炉腔中的分布。

从空载仿真云图图1可以看出，腔体优化前微波在炉腔中心位置场强比较集中。从云图图2中可以看出，优化后场强分布相对比较均匀。左侧的拉伸改变了炉腔中场的分布，通过仿真，能够比较清晰地观察场在炉腔中的分布的大致情况，优化后中间场强明显减弱，而四周场强明显增强。图3和图4分别为优化前后的模型图。

2.2 优化前后的性能对比

随机抽取优化前的腔体和优化后所做的腔体手板件，进行实际的性能测试，并对比优化前后的性能参数。通过实际的对比验证，以客观的数据和图片直接反应优化后的效果。

2.2.1 空载测试

通过在线生产的微波炉空载测试时，微波运行约5分钟出现熔滚轮轴现象，见图5。优化后的微波炉手板件经过实际的空载测试，连续满功率运行30分钟后，滚轮轴完好无损，见图6。

优化前微波场在中间集中，优化后微波场在中间减弱，场分布均匀。根据传输线理论[5]，优化前波导与腔体不匹配，微波大多数被滚轮轴吸收；经过优化后，波导与腔体匹配，微波部分被腔体和玻璃转盘吸收，部分被反射回到微波源，整机在空载运行时热量处于动态平衡状态。

表1 介质材料表

表2 优化前均匀性测试数据

表3 优化后均匀性测试数据

表4 腔体优化前后的煮食对比测试

图2 腔体优化后的仿真云图

图3 腔体优化前的模型

图4 腔体优化后的模型

图5 腔体优化前试验轴

图6 腔体优化后试验轴

图7 试验容器在转盘中的放置方式

2.2.2 均匀性的前后比对测试

按照家用微波性能标准[6]中要求的容器和具体的转盘微波炉试验方法，即5点法对优化前后的加热均匀性进行测试。试验容器按照图7的方式进行放置。具体的测试数据见表2和表3。

通过实际的加热均匀性测试，腔体优化前中间1号点温度最高，最高点与最低点平均值相差3.5℃，说明在小负载时中间场仍然最强。通过优化后，中间1号点温度降低，5号点温度最高，最高点温度与最低点温度平均相差1.85℃。通过均匀性对比测试，优化后的腔体在小负载情况下，场分布也更加均匀，整机均匀性提高了约8个点。

2.2.3 煮食的前后比对测试

煮食性能的好坏，是用户最关心的问题，它给用户最直观和最亲身的感受，检验微波炉的性能最直接的就是煮食性能测试。按照微波炉的性能标准[6]和企业煮食标准[7]中5项最直接的方法对其性能进行对比测试。表4是腔体优化前后的煮食测试结果，每个项目规定相应的等级，按照企业煮食标准对其评价，其中5为最高等级，1为最低等级，3等级包含3等级以上为及格。其中，双杯试验中有对称和偏置两种放置方式，本试验选择最苛刻的偏置放置进行测试。

通过对实际煮食性能直观的测试，优化后的腔体均匀性更好。腔体优化前5项总的等级为14，腔体优化后等级为16.3，提高了2.3，并且在优化前松软蛋糕测试项目的评价不及格。优化后的腔体在不同形状的食物和容器下，整体煮食性能比优化前的更优。

3 结论

影响微波炉加热均匀性的因素很多，对于转盘微波炉而言，除了腔体自身因素，还有食物和容器的形状和大小等。本文通过对腔体的优化来提高腔体内场的分布，以此来改变腔体对加热食物均匀性的影响。在优化的过程中，以仿真为手段，以实际测试验证为基础，通过对结果直观的感受和测量，对比优化前后腔体的变化情况。通过对空载、加热均匀性、以及煮食试验看出，优化后的腔体性能得到了提升。

[1] 巨汉基. 微波炉腔体电磁场分布仿真及尺寸结构优化设计[D]：[电子科技大学硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2008.

[2] 顾小卫、蒙林、孙宜琴等.微波炉炉腔内电磁场仿真[J].电子器件，2008：804-806

[3] 李明洋.HFSS电磁仿真设计应用详解[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[4] 左增瑞.微波炉电磁仿真的分析与腔体性能的优化[D]：[电子科技大学硕士学位论文]，成都：电子科技大学，2009.

[5] 廖承恩. 微波技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[6] 中华人民共和国国家标准 《家用微波炉 性能测试方法》 GB/T 18800-2008.

[7] 企业内部标准.HFSY-2013.微波炉煮食实验标准[Z].合肥：生活电器技术部，2013.