电磁炉磁场和涡流分布仿真研究

靖红军　王昌雷

摘 要：采用ANSYS建立电磁炉有限元模型，对电磁炉工作时的磁场和涡流分布进行了仿真。结果显示，磁芯对线圈产生的磁场具有明显的束缚作用，随着磁芯相对磁导率的减小，其对磁场的束缚作用明显减小，而且相同区域的磁通量密度也逐渐减小；电磁炉的涡流分布呈圆环形，且分布在锅的底部，仿真结果与实际情况吻合。

关键词：电磁炉 磁场 相对磁导率 涡流

中图分类号：TM924 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（b）-0003-02

电磁炉作为一种常见的家用电器，广泛应用于人们的生活中，其能效对节能减排和人们的生活有重要意义，而其能效高低与电磁炉的线圈结构、磁芯和锅的结构等因素密切相关[1]。该文通过ANSYS软件建立电磁炉有限元仿真模型，仿真电磁炉工作过程中的磁场分布，分析了解其涡流分布和感应加热特点[2]，并与实际测试情况进行对比分析，从而了解电磁炉工作特点。

1 电磁炉仿真

电磁炉仿真模型由五部分组成；L型磁芯、铜线圈、锅、水以及周围的空气，仿真中所有区域的单元类型都为SOLID236，并根据情况定义了不同区域的电磁自由度。

1.1 磁场分布

电磁炉磁芯的相对磁导率设为10 000，线圈中电流的频率设为20 kHz，此时在线圈周围会感应产生交变的磁场。仿真获得的电磁炉磁场分布如图1所示。

由于图中为所有部分产生磁通量密度的叠加显示，并不是非常直观，但仍然可以发现6个对称分布L型磁芯的轮廓，以及中心部分的一个环形区域，这说明磁芯对线圈产生的磁场有明显的束缚作用。

为更加直观的了解磁通量密度的分布情况，同时仿真获得了线圈和锅之间空气部分的磁通量密度云图如图2所示。将其与实验测得的电磁炉磁场分布情况（图3）进行对比，可以发现，二者的分布较为相似，在磁芯外端对应的6个区域，其磁通量密度相对于周围区域较强，中心部分区域最强，最外围部分则最小。

对于电磁炉的磁场分布，影响因素较多，有磁芯和锅的相对磁导率，磁芯和线圈盘的形状及分布等。从图4与图2的对比中可以看出，随着磁芯相对磁导率的减小，对磁通量密度的分布有以下几个影响；（1）磁芯外端对应6个区域与周围区域磁通量密度的差值减小，逐渐一致；（2）中间环形区域扩大，并且与中心的差值也减小；（3）中间环与磁芯外端对应6个区域之间部分的磁通量密度增大，并介于二者之间。

总体而言，磁芯相对磁导率的减小，其对磁场的束缚作用明显减小，而且相同区域的磁通量密度也减小。

1.2 涡流分布

线圈中的交流电会有感应磁场产生，而该交变的磁场又会在锅中产生涡流。由ANSYS可以得到锅中形成的涡流如图5～6中所示。从图中可以发现以下几点；（1）涡流整体呈圆环型，但在磁芯对应的区域，涡流的方向与磁芯的方向垂直；（2）涡流在锅底部的一个环形区域最大，在最中心区域和最外部都较小；（3）由图6更可以看出，涡流主要分布在锅底部的下沿。

实验中，若使用电磁炉持续加热直至将锅中的水烧干，可以发现在中间的一个环形区域会留下明显的水痕，这表明其温度最高，这与仿真中在这个环形区域的涡流最大是完全一致的。

2 结语

通过ANSYS建立电磁炉有限元模型，仿真分析了电磁炉的磁场和涡流分布，得出以下结论。

（1）磁芯对线圈产生的磁场有明显的束缚作用，磁芯相对磁导率减小，其对磁场的束缚作用也明显减小。

（2）涡流整体呈圆环型，在一个环形区域最大，在最中心区域和最外部都较小，且分布在锅底部的下沿。

参考文献

[1] 韩永霞，张敏.电磁炉的加热性能仿真研究[J].机电一体化，2010，16（9）：44-47.

[2] 荣文霞.感应加热中三维涡流场的有限元分析及工程应用[D].西安：西安理工大学，2011.