影响电磁炉能效因素的研究

余庆喜

摘 要：随着科技的不断发展和人民生活水平的不断提高，電能的应用越来越广泛。随着人们环保意识的提升，使用电能代替传统的液化气、天然气成为家庭厨房电器的发展趋势。而作为传统灶具替代品的电磁炉成为人们的最佳选择。但是，为了能产生和燃气相同的热量，电磁炉通常功率较大，电能消耗也非常明显，而如何在保证电磁炉产生热量的同时减小能源消耗成为相关人员研究的重点。本文结合实际工作经验，对影响电磁炉能效的相关因素进行研究，并提出提升电磁炉能效的研究方向。

关键词：电磁炉；线圈盘；微晶板

中图分类号：TM925.5 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）20-0081-02

Study on Factors Affecting Energy Efficiency of Induction Cooker

YU Qingxi

（Guangdong Xingong Electrical Appliance Co.， Ltd.，Raoping Guangdong 515700）

Abstract： With the continuous development of science and technology and the continuous improvement of people's living standard， the application of electric energy is more and more extensive. With the improvement of people's awareness of environmental protection， the use of electric energy instead of traditional liquefied petroleum gas and natural gas has become the development trend of household kitchen appliances. As an alternative to traditional cookers， induction cookers become the best choice for people. However， in order to produce the same heat as gas， the power of induction cooker is usually large， and the energy consumption is also very obvious. How to ensure the heat generated by induction cooker and reduce the energy consumption has become the focus of research. Combining with practical work experience， this paper studied the related factors affecting the energy efficiency of induction cooker， and put forward the research direction of improving the energy efficiency of induction cooker.

Keywords： induction cooker；coil tray；microcrystalline plate

1 电磁炉的工作原理

电磁炉的工作原理主要是利用电磁感应技术，将电能转化为热能。电磁炉的内部电路会将家庭用电电压（通常为50/60Hz的交流电压）转化为20～40kHz的高频率电压，而电流的转化过程通常是在电磁炉内的线圈中完成的，高速变化的电流在通过线圈时就会产生磁场，磁场内的磁力线通过金属器皿底部时，会因涡流效应而快速发热，从而加热金属器皿烹饪食物[1]。

2 影响电磁炉能效的相关因素

在电磁炉加热过程中，由于需要经过多个过程，因此，会导致产生的热量在加热过程中散失，从而影响电磁炉的能效。从当前的研究中来看，能量的损耗主要出现在热传导、对流、辐射和感应加热四部分，主要涉及的器件有以下几方面。

2.1 电磁炉内线圈和锅具的距离

通常情况下，烹饪锅具与电磁炉平面之间会存在一定的缝隙，这个缝隙的宽度实际上非常小，仅仅为0.5～1cm。理论上，锅具与线圈平面的距离越小，电磁炉的能效就越高。但是，当两者距离过小时，LC谐振过程中电压的最低点也就远离电压零点，导致IGBT零点的开通难以实现，从而加大IGBT开通的能量损耗。

线圈盘的主要作用是产生变化的磁场，金属器皿靠近磁场时就会切割磁场产生涡流，生成热量。从理论上来说，锅具距离线圈盘越近，切割的磁场密度就越大，产生的涡流也就越多，就能产生较大能效。但是，在实际使用中，由于线圈接近锅具后，谐振能量不足，在电磁炉使用小功率时，大部分能量损耗导致IGBT发热，能效降低。

2.2 线圈盘引发的能量损耗

线圈盘的主要参数有：品质因素（[Q]）、电感量（[L]）和电阻（[R]），其是使线圈盘加热的有效途径。其中，品质因素[Q]表示的是，在一定频率下，线圈盘的电抗值和电阻的比值，[Q]的值越大，表示的能量损耗越小、效率越高。

线圈主要由铜线或者铝线组成，铜线的电阻小于铝线，所以铜制的线圈盘性能要优于铝制线圈盘。线圈盘中磁条的主要功能是增加电感量，以避免线盘受到控制器的干扰。磁条的制作材料主要是铁氧体软磁，其需要的特性主要有：起始磁导率[ui]高、品质因素[Q]高、稳定性高、截止频率[fr]高。所以，磁条常常选用MnZn作为主要材料。

而线圈盘导致的能量损耗主要包括线圈损耗和磁条损耗。其中，线圈损耗的原因主要是：电磁炉的线圈主要由绞合线组成，绞合线的交流电阻相对于实心的导线交流电阻要小，主要是由于当导线中通过电流的频率比较高时，电流都分布在导线最外层的导体中，而使用多条绞合线就相当于加大了导体的横截面，所以，导线的交流电阻也就相对减小。同时，由于绞合线在制作时同时占用了导体长度和横截面积，所以集肤效应和邻近效应都被减小了。

线圈功率损耗主要表现在两部分：一是电流在通过线圈时所产生的热能；二是线圈在交变磁场下产生的涡流损耗。而通常情况下，热能功耗和导线的集肤效应有关，集肤效应和邻近效应所产生的损耗可以相加。通过对其进行计算可以得出，能量损耗受到导线中导体数量、电阻和感应电阻的影响。

在磁条损耗方面，磁条损耗的计算方法为：

磁条损耗（PD）=磁滞损耗（[Ph]）+涡流损耗（[Pe]）+剩余损耗（[Pc]） （1）

式（1）中，磁滞损耗[Ph]就是磁性材料在工作过程中反复磁化的现象，其中的矫顽力越大，材料所产生的磁滞回线所包含的面积也就越大。涡流损耗[Pe]是指磁芯中的交流磁通产生的损耗。涡流在产生磁芯损耗的同时，涡流电流中产生的磁通阻碍也会影响主磁通的变化，使磁通的有效面积减少，出现集肤效应。剩余损耗[Pc]是指磁性滞后效应所产生的损耗，即磁化和反磁化过程中导致的磁耗。

2.3 微晶板的导热

当烹饪器皿发热时，一部分热量会通过微晶板传导到电磁炉内，造成能量损失，这主要是热传导效应导致的热量损耗。此种原因导致的能量损耗与微晶板的隔热效果有密切联系，因此可以通过增加微晶板的隔热性能来减少热量损耗。

2.4 散热风扇

大功率电器在工作过程中通常会产生大量的热量，而这部分热量不能被电器利用，就相当于做无用功。电磁炉作为一种大功率电器，在运行时，炉腔内会产生大量热量，所以，需要在电磁炉内部安装一个散热风扇来降低炉内温度，保证电磁炉内各个器件正常使用。电磁炉在运行时产生的额外热量是不能被利用的。为了保证电磁炉内各个元器件的正常使用，还需要消耗一定能量，将热量排出，这就使电磁炉在运行时产生额外能耗，相当于降低了能效。

3 提升电磁炉能效的研究方向

①经过对线圈和锅具距离的分析可知，能量的损耗和锅具与线圈的距离存在一定关系，理论上距离越小，能耗散失的就越少，但距离过小又会对IGBT能耗产生影响，加大IGBT的能耗。所以，需要对IGBT能耗和散失能量进行综合评估。研究得出，如果高功率使用电磁炉，为了防止热量过多散失，可以适当减少锅具与线圈盘面的距离，而使用低功率进行加热时则可以适当增加二者的距离，减少IGBT能耗。由此，今后相关人员进行研究时，可以针对电磁炉与锅具之间的距离进行研究，研发微调距离的方法，达到减小能耗的目的。

②根据现有资料可知，传导电阻的大小和集肤效应密切相关，通过线圈的电流频率越大，体现出的集肤效应也就越明显。因此，如果导线中的导体直径足够小时，所产生的传导电阻也就可以忽略不计。另外，磁条和感应线圈之间存在一定的距离，这段距离会导致磁阻增加。由此，在进行磁感线圈和磁条设计时，要注意两者的距离，避免能耗增加。

4 结论

電磁炉的能耗分析及减小能耗的方法需要从整体上进行考虑。电磁炉工作时，多个部分会相互影响，从而增加能耗。只有对各个因素进行综合分析，找到最佳的能耗和功率平衡点，才能有效提升电磁炉的运行能效。电磁炉运行时的功率和电压较大，因此，需要在保障使用安全的情况下，从锅具、平台距离、导线电阻、工作功率、线圈密度等方面进行综合分析，探寻提升电磁炉能效的方法，减少能源消耗。

参考文献：

[1]徐明燕，李硕勇，曹小林.电磁炉防磁辐射的研究[J].科技创业家，2011（6）：218.