电磁灶元器件温升的优化

2020-11-24刘志伟梅阳寒熊长炜张良超张伟文

机械工程师 2020年11期

刘志伟，梅阳寒，熊长炜，张良超，张伟文

（东莞职业技术学院机电工程学院，广东东莞523808）

0 引言

由于家电行业发展的需要，竞争对手相继推出二级或一级能效的产品。一方面是解决成本压力太大的问题，另一方面是在技术方面需要突破。为适应市场的竞争，某公司必须重视二级能效的应用平台研究，加快技术突破的进程，为二级能效新机型的研究打下基础。

目前，大部分厂家的电磁炉产品热效率大部分标定为86%，待机功率大都可以满足2 W 以内，可达到三级能效要求。其中待机功率控制在2 W 以内，主要是电路工作时的待机消耗，基本上可以不增加成本的基础上满足能效要求[1-3]。而提高热效率涉及的因素较多，均会涉及电路板成本上升，因此如何提高热效率是各厂家开发和研究的重要问题[1-3]。很多电磁灶厂家纷纷对电磁灶的能效提升进行研究，希望能降低生产成本和提高能效等级，以增加产品销售的“亮点”。

本文围绕GB21456-2014《家用电磁灶能效限定值及能效等级》的标准要求，从系统的角度对家用电磁灶能效提升的关键技术进行研究。提出元器件温升余量平衡法，通过对电磁灶发热最大的元器件的温升测试，对照元器件的温升上限值，对元器件的材料和参数进行优化选择，节省的材料成本用于增加主回路的关键元器件的导电性能，以提高整个电磁灶的热效率。

1 温升测试要求

在规定的测试条件下，选择覆盖加热区域的最小规格标准锅(标准锅底部直径大于线圈盘有效直径)，测量加盖标准锅的质量；将相应标准锅置于冷态被测电磁灶加热单元中心，测试75 K 的温升，记录消耗的电能量E。试验环境温度为25 ℃，线圈盘≤140 K，电感≤120 K，IGBT表面≤60 K，电源线≤50 K，涤纶电容≤50 K。

控制好主回路的关键发热元器件的发热：控制好扼流圈、电容、桥堆和IGBT 的发热。每部分电路的参数都会影响到电磁灶的工作状态，影响热效率，而且这几部分参数非常复杂[4-5]。

经测试得到各元器件的温升，如表1 所示。当前电磁灶存在问题，温升余量不均衡，线圈盘和IGBT 温升余量过大，一定程序上造成材料的浪费。而扼流圈的温升过高，安全性不足，容易出现安全隐患。

表1 优化前温升数据

2 结构优化设计

2.1 关键元器件布置

针对而扼流圈的温升过高，202#锅具加热时为116.8 K，余量只有3.2 K，安全性较差，容易出现安全隐患。涤纶电容1 在202#锅具的温升为46.5 K 也是临近极限值，所以对扼流圈和涤纶电容1 的位置进行重新布置，与其它电容之间的位置隔开，不处于散热片和其它电容的下风处，以免散热片和电容的热量导致扼流圈的温升上升。三个电容与扼流圈一字排开，温升较低的电容放在散热片的背后(如图1)，以追求电磁灶主回路上元器件整体温升的平衡。

图1 主回路关键元器件布置

2.2 散热风道改进

改变部分关键元器件的参数并进行元器件的温升对比试验(如图2)，然后再进行改变风道结构进行试验，线圈盘的温升为110.1 K，有29.9 K 的余量，可以减小线圈盘的用料，把降低的成本用于增加影响热效率的元器件材料。IGBT 表面有19.6 K 的余量，在风道风量分配方面可以适当减少。为了降低扼流圈和涤纶电容1的温升，需要对散热风道进行改进。对于这两个元器件，把它们放置在靠风道的中间处，改进散热效果。

图2 风道优化设计

2.3 线盘结构优化

电磁加热依靠线盘产生高频振荡电流波形，在金属锅具上产生涡流而发热，所以系统的三大件是主板、线圈盘和锅具，三者匹配好才是一个完美的系统[6-7]。对关键组结构（如线圈盘和散热器等）进行改进，改善线圈盘发热，降低线圈盘的电阻阻值，提高Q 值，降低温升，增加磁条长度和磁通量以解决磁条的均衡和漏磁等问题[6-7]。影响线圈盘的因素有：1)线圈盘材质。铜材质线圈盘具有自身的热损耗小的特性，其Q 值比铝线盘要大，R 值比铝线盘小，所以在同等条件下，铜材质线圈盘热效率要高。2)绕线股数。绕线的股数越多，导线的横截面积增大，线圈盘的阻值降低，减少自身发热的损耗。3)磁条分布。磁条分布是否均横、是否有漏磁现象和磁通量是否足于屏蔽磁力线，将影响经过加热锅具磁力线，从而影响有效的加热效率。4)线盘结构。绕线和磁条的摆放，影响线盘的散热和磁力线的分布等。

经反复调整，确定了优化后的参数：线径×股数×圈数=0.37 mm×28 股×28 圈。磁条数为8 根，电感量L=（100±5）μH。