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電磁爐方案開發(fā)
電磁爐也叫電磁灶，是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行加熱工作的，是現(xiàn)代家庭烹飪食物的先進(jìn)電子炊具。它使用起來非常方便，可用來進(jìn)行煮、炸、煎、蒸、炒等各種烹調(diào)操作。特點(diǎn)：升溫快、熱效率高、無明火、無煙塵、無有害氣體、對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀美觀等優(yōu)點(diǎn)，能完成家庭的絕大多數(shù)烹飪?nèi)蝿?wù)，是實(shí)現(xiàn)廚房現(xiàn)代化不可缺少的新型電子炊具。
一、電器常用的加熱方式
家用電器大部分都是需要加熱的，利用高頻電壓或電流加熱通常有兩種方法：電介質(zhì)加熱和感應(yīng)加熱。
1、電介質(zhì)加熱
這是利用高頻電壓加熱，通常用來加熱不導(dǎo)電材料。當(dāng)高頻電壓加在兩極板層上，就會(huì)在兩極之間產(chǎn)生交變的電場。需要加熱的介質(zhì)處于交變的電場中，介質(zhì)中的極分子或者離子就會(huì)隨著電場做同頻的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)，從而產(chǎn)生熱量，達(dá)到加熱效果。比如微波爐加熱。
2、電磁感應(yīng)加熱
這是利用高頻電流加熱，通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)用含鐵質(zhì)鍋具底部放置爐面時(shí)，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流，渦流使鍋具鐵分子高速無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能（所以：電磁爐煮食的熱源來自于鍋具底部而不是電磁爐本身發(fā)熱傳導(dǎo)給鍋具，所以熱效率要比所有炊具的效率均高出近1倍）使器具本身自行高速發(fā)熱，用來加熱和烹飪食物，從而達(dá)到煮熟的目的，這就是感應(yīng)加熱的原理，電磁爐就是利用這中原理來工作的。
二、電磁爐方案的技術(shù)原理
1、電磁爐的電渦流理論
導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)，或者導(dǎo)體靜止但有隨時(shí)間變化的磁場，都可以造成磁力線與導(dǎo)體的相對切割。如圖2所示，在一根導(dǎo)體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，那么線圈就產(chǎn)生交變磁場。由于線圈中間的導(dǎo)體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路，閉合電路中的磁通量在不斷發(fā)生改變，所以在導(dǎo)體的圓周方向會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流，電流的方向沿導(dǎo)體的圓周方向轉(zhuǎn)圈就像一圈圈的漩渦，所以這種在整塊導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象。導(dǎo)體內(nèi)部的渦流會(huì)產(chǎn)生熱量，如果導(dǎo)體的電阻率小，則渦流很強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量就很大。
2、交變磁場的產(chǎn)生
電流電壓經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流電，又經(jīng)高頻電力轉(zhuǎn)換裝置使直流電變?yōu)槌^音頻的高頻交流電，將高頻交流電加在扁平空心螺旋狀的感應(yīng)加熱線圈上，由此產(chǎn)生高頻交變磁場。其磁力線穿透灶臺的陶瓷臺板而作用于金屬鍋。鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生渦流，使鍋具鐵分子高速無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，用來加熱和烹飪食物，從而達(dá)到煮食的目的。
3、電磁爐的結(jié)構(gòu)原理
在結(jié)構(gòu)上，電磁爐主要是由電子部分和結(jié)構(gòu)部分組成。電子部分顧名思義，就是電磁爐內(nèi)的電子元件，包括電子顯示屏、主板、線圈盤。結(jié)構(gòu)部分也就是電磁爐的陶瓷板、風(fēng)扇、電源線和塑膠上下蓋。電磁爐內(nèi)部的電路板通過對線圈產(chǎn)生高頻交變電流，從而產(chǎn)生封閉的交變磁場。當(dāng)鐵質(zhì)炊具放置在該交變磁場中，因?yàn)殍F的導(dǎo)磁性質(zhì)，磁場的磁力會(huì)使得鐵分子產(chǎn)生振動(dòng)，從而形成無數(shù)渦流，使鐵質(zhì)炊具自身產(chǎn)生熱量，該熱量通過鐵質(zhì)炊具傳遞給炊具內(nèi)的食物。
也可以把電磁爐的加熱原理理解成一個(gè)高頻變壓器。高頻變壓器的初級是電磁爐中的內(nèi)部線圈，次級是放置在電磁爐上的鐵質(zhì)炊具。當(dāng)電磁爐通上電之后，交變電流通過電磁爐內(nèi)部的線圈時(shí)，次級上產(chǎn)生了感應(yīng)電流，而電流在次級上由于電阻的作用產(chǎn)生了熱量。如果在該電磁爐上不存在次級，也就是電磁爐不放置鐵質(zhì)鍋具，那么電磁爐無法產(chǎn)生一個(gè)“變壓器”的作用，輸出功率將會(huì)大大降低。
4、電磁爐的加熱原理
那么是不是任何材質(zhì)的炊具放置在電磁爐上，電磁爐都可以與其產(chǎn)生一個(gè)交變磁場的發(fā)熱場呢?這就要分析電磁爐結(jié)構(gòu)。電磁爐的上接觸面是一塊結(jié)晶玻璃平板，具有高強(qiáng)度和耐沖擊的特性。接觸面下就是加熱線圈。電流通過加熱線圈產(chǎn)生磁場，電磁力通過鐵制品炊具或者搪瓷炊具就會(huì)產(chǎn)生渦流，使炊具自身高速加熱，再傳遞給食物。因?yàn)槭峭ㄟ^交變磁場來產(chǎn)生渦流，這就要求炊具需要具備導(dǎo)磁性。而炊具是通過自身電阻發(fā)熱再傳遞給食物，這也要求炊具電阻不能太大，不然產(chǎn)生的熱量不夠。純粹的不銹鋼制品由于其導(dǎo)磁性非常低，所以并不能在電磁爐上與其磁場產(chǎn)生大的渦流，加熱并不理想。電磁爐的炊具一般是鐵磁材料金屬或者鐵磁材料金屬復(fù)合物。另外，針對現(xiàn)在網(wǎng)上傳得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的輻射來說，電磁爐所產(chǎn)生的電磁場完全被線圈和炊具所形成的的回路吸收，所以并不存在釋放對人體有害的輻射這一說。
三、電磁爐能效的影響因素
在電磁爐加熱過程中，由于需要經(jīng)過多個(gè)過程，因此，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量在加熱過程中散失，從而影響電磁爐的能效。從當(dāng)前的研究中來看，能量的損耗主要出現(xiàn)在熱傳導(dǎo)、對流、輻射和感應(yīng)加熱四部分，主要涉及的器件有以下幾方面。
1、微晶板的導(dǎo)熱
當(dāng)烹飪器皿發(fā)熱時(shí)，一部分熱量會(huì)通過微晶板傳導(dǎo)到電磁爐內(nèi)，造成能量損失，這主要是熱傳導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致的熱量損耗。此種原因?qū)е碌哪芰繐p耗與微晶板的隔熱效果有密切聯(lián)系，因此可以通過增加微晶板的隔熱性能來減少熱量損耗。
2、電磁爐內(nèi)線圈和鍋具的距離
通常情況下，烹飪鍋具與電磁爐平面之間會(huì)存在一定的縫隙，這個(gè)縫隙的寬度實(shí)際上非常小，僅僅為0.5～1cm。理論上，鍋具與線圈平面的距離越小，電磁爐的能效就越高。但是，當(dāng)兩者距離過小時(shí)，LC諧振過程中電壓的最低點(diǎn)也就遠(yuǎn)離電壓零點(diǎn)，導(dǎo)致IGBT零點(diǎn)的開通難以實(shí)現(xiàn)，從而加大IGBT開通的能量損耗。
線圈盤的主要作用是產(chǎn)生變化的磁場，金屬器皿靠近磁場時(shí)就會(huì)切割磁場產(chǎn)生渦流，生成熱量。從理論上來說，鍋具距離線圈盤越近，切割的磁場密度就越大，產(chǎn)生的渦流也就越多，就能產(chǎn)生較大能效。但是，在實(shí)際使用中，由于線圈接近鍋具后，諧振能量不足，在電磁爐使用小功率時(shí)，大部分能量損耗導(dǎo)致IGBT發(fā)熱，能效降低。
3、線圈盤引發(fā)的能量損耗
線圈盤的主要參數(shù)有：品質(zhì)因素（Q）、電感量（L）和電阻（R），其是使線圈盤加熱的有效途徑。其中，品質(zhì)因素Q表示的是，在一定頻率下，線圈盤的電抗值和電阻的比值，Q的值越大，表示的能量損耗越小、效率越高。線圈主要由銅線或者鋁線組成，銅線的電阻小于鋁線，所以銅制的線圈盤性能要優(yōu)于鋁制線圈盤。線圈盤中磁條的主要功能是增加電感量，以避免線盤受到控制器的干擾。磁條的制作材料主要是鐵氧體軟磁，其需要的特性主要有：起始磁導(dǎo)率ui高、品質(zhì)因素Q高、穩(wěn)定性高、截止頻率fr高。所以，磁條常常選用MnZn作為主要材料。
而線圈盤導(dǎo)致的能量損耗主要包括線圈損耗和磁條損耗。其中，線圈損耗的原因主要是：電磁爐的線圈主要由絞合線組成，絞合線的交流電阻相對于實(shí)心的導(dǎo)線交流電阻要小，主要是由于當(dāng)導(dǎo)線中通過電流的頻率比較高時(shí)，電流都分布在導(dǎo)線最外層的導(dǎo)體中，而使用多條絞合線就相當(dāng)于加大了導(dǎo)體的橫截面，所以，導(dǎo)線的交流電阻也就相對減小。同時(shí)，由于絞合線在制作時(shí)同時(shí)占用了導(dǎo)體長度和橫截面積，所以集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)都被減小了。
線圈功率損耗主要表現(xiàn)在兩部分：一是電流在通過線圈時(shí)所產(chǎn)生的熱能；二是線圈在交變磁場下產(chǎn)生的渦流損耗。而通常情況下，熱能功耗和導(dǎo)線的集膚效應(yīng)有關(guān)，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所產(chǎn)生的損耗可以相加。通過對其進(jìn)行計(jì)算可以得出，能量損耗受到導(dǎo)線中導(dǎo)體數(shù)量、電阻和感應(yīng)電阻的影響。
4、散熱風(fēng)扇
大功率電器在工作過程中通常會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而這部分熱量不能被電器利用，就相當(dāng)于做無用功。電磁爐作為一種大功率電器，在運(yùn)行時(shí)，爐腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以，需要在電磁爐內(nèi)部安裝一個(gè)散熱風(fēng)扇來降低爐內(nèi)溫度，保證電磁爐內(nèi)各個(gè)器件正常使用。電磁爐在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的額外熱量是不能被利用的。為了保證電磁爐內(nèi)各個(gè)元器件的正常使用，還需要消耗一定能量，將熱量排出，這就使電磁爐在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生額外能耗，相當(dāng)于降低了能效。
四、提升電磁爐能效的方案技術(shù)
電磁爐的能耗分析及減小能耗的方法需要從整體上進(jìn)行考慮。電磁爐工作時(shí)，多個(gè)部分會(huì)相互影響，從而增加能耗。只有對各個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，找到最佳的能耗和功率平衡點(diǎn)，才能有效提升電磁爐的運(yùn)行能效。電磁爐運(yùn)行時(shí)的功率和電壓較大，因此，需要在保障使用安全的情況下，從鍋具、平臺距離、導(dǎo)線電阻、工作功率、線圈密度等方面進(jìn)行綜合分析，探尋提升電磁爐能效的方法，減少能源消耗。
1、電磁爐與鍋具的間距微調(diào)
經(jīng)過對線圈和鍋具距離的分析可知，能量的損耗和鍋具與線圈的距離存在一定關(guān)系，理論上距離越小，能耗散失的就越少，但距離過小又會(huì)對IGBT能耗產(chǎn)生影響，加大IGBT的能耗。所以，需要對IGBT能耗和散失能量進(jìn)行綜合評估。研究得出，如果高功率使用電磁爐，為了防止熱量過多散失，可以適當(dāng)減少鍋具與線圈盤面的距離，而使用低功率進(jìn)行加熱時(shí)則可以適當(dāng)增加二者的距離，減少IGBT能耗。由此，今后相關(guān)人員進(jìn)行研究時(shí)，可以針對電磁爐與鍋具之間的距離進(jìn)行研究，研發(fā)微調(diào)距離的方法，達(dá)到減小能耗的目的。
2、電磁爐磁感線圈與磁條設(shè)計(jì)
根據(jù)現(xiàn)有資料可知，傳導(dǎo)電阻的大小和集膚效應(yīng)密切相關(guān)，通過線圈的電流頻率越大，體現(xiàn)出的集膚效應(yīng)也就越明顯。因此，如果導(dǎo)線中的導(dǎo)體直徑足夠小時(shí)，所產(chǎn)生的傳導(dǎo)電阻也就可以忽略不計(jì)。另外，磁條和感應(yīng)線圈之間存在一定的距離，這段距離會(huì)導(dǎo)致磁阻增加。由此，在進(jìn)行磁感線圈和磁條設(shè)計(jì)時(shí)，要注意兩者的距離，避免能耗增加。
五、電磁爐的使用安全
（1）由于電磁爐的加熱原理是加熱器具的本身發(fā)熱，所以在使用過程中應(yīng)注意給炊具留下排氣孔。密封類的器具，如罐頭等，在電磁爐上直接加熱可能會(huì)引起密封制品爆炸。
（2）電磁爐需要采用三孔插座，用戶在購買時(shí)需要注意，用戶切勿自行改裝。因?yàn)閮煽詹遄粠в械鼐€，容易產(chǎn)生瞬間打火，對于電磁爐這種大功率的電器非常危險(xiǎn)。
（3）電磁爐在使用過程中注意不要將插頭插在位于電磁爐正上方的插座上，避免由于電磁爐加熱食物時(shí)產(chǎn)生的蒸汽損壞電源。
（4）電磁爐底殼上有散熱的吸氣口和排氣口，用戶在使用過程中要注意不要堵塞電磁爐的吸氣口和排氣口。最好將電磁爐放在硬質(zhì)的桌面上，若桌面有桌布或者報(bào)紙，需要檢查吸氣口和排氣口是否被堵住。若電磁爐不能正常散熱，很可能導(dǎo)致電磁爐被燒壞。
（5）電磁爐完成工作依然會(huì)在內(nèi)部留存一定的溫度。所以在電磁爐完成工作后需要將加熱的物體及時(shí)拿開，將電磁爐放置在空氣流通的位置散熱。這樣有利于延長電磁爐的使用壽命。
（6）在使用電磁爐烹調(diào)食物時(shí)要注意炊具的選用。炊具必須是具有導(dǎo)磁性和電阻適中的。如純鐵的器具、含鐵量較多的鐵質(zhì)合金器具或者搪瓷均可以。陶瓷、塑料等器具電磁爐是無法加熱的。
（7）在使用電磁爐的同時(shí)切勿使用有電流發(fā)生驟變較為頻繁的電器，如電焊機(jī)、沖擊鉆、電錘等高功率的電器。在使用電磁爐時(shí)，若同時(shí)使用這些高功率電器，容易引起電磁爐的損壞。若要同時(shí)使用這些大功率的電器，必須要選擇有過流保護(hù)的裝置，或者選擇穩(wěn)定的電源。
（8）在電磁爐使用過程中，若出現(xiàn)不正常的停機(jī)或者報(bào)警等異常情況，一定要停止使用電磁爐，并且與廠家聯(lián)系，及時(shí)維修或者更換，千萬不要自行拆卸維修。
（9）擦洗電磁爐時(shí)應(yīng)該拔掉電源，并且在電磁爐冷卻后開始擦洗。電磁爐的面板可以用去污粉、牙膏或則汽車車蠟?zāi)Σ梁笤儆酶蓛舻拿聿料?；電磁爐其他部位只能用干凈的軟毛巾擦拭，可以沾水擦拭，也可以用中性洗潔精擦拭后再用濕毛巾擦去殘?jiān)浑姶艩t切勿直接侵入水中清洗或者沖洗，這樣會(huì)損壞電磁爐的電子元件；電磁爐的吸氣罩可以拆卸下來直接用水沖洗；長時(shí)間不使用電磁爐需要將機(jī)體擦洗干凈，晾干后再收藏起來，切勿將電磁爐收藏在潮濕的環(huán)境，可以在收藏空間內(nèi)放置一些干燥劑和蟑螂藥。
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