利用鋁材實現(xiàn)電磁感應(yīng)的鍋具研究

曾 錦 艷

江門安諾特炊具制造有限公司，廣東 江門529000

利用鋁材實現(xiàn)電磁感應(yīng)的鍋具研究

曾 錦 艷

江門安諾特炊具制造有限公司，廣東 江門529000

通常電磁爐不對鋁鍋進行加熱，普遍認(rèn)為鋁材質(zhì)不能通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生熱量．通過實驗和理論分析論證，電磁爐不對鋁鍋進行加熱是由于集膚效應(yīng)確定的感應(yīng)厚度范圍的鋁材質(zhì)的電阻過小造成的．當(dāng)將鋁材的厚度減薄至一定程度，便可通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生可應(yīng)用級別熱量．當(dāng)負(fù)載鍋具的等效電阻和電磁爐的等效電阻相當(dāng)時，可以通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生最大熱量．當(dāng)鋁材的厚度為0.035 mm時，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生熱量的功率利用率為55.9%．

電磁爐；電磁感應(yīng)；鋁材；熱量；功率利用率

市面上能買到的可用于電磁爐感應(yīng)鍋具基本都是通過鐵感應(yīng)來實現(xiàn)加熱的．曾有報道尚朋堂在全球推出了首款鋁鍋加熱電磁爐SR-1808，可到目前為止加熱鋁鍋的電磁爐在市面上最終也沒有能夠推廣，更沒有完全靠鋁材質(zhì)來感應(yīng)的鍋具的面世．而能夠查到的資料都比較一致地認(rèn)為，鋁鍋具不能有效地通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生可用于烹飪的熱量．

1 鋁箔的電磁感應(yīng)實驗

電磁爐是采用磁場感應(yīng)渦流原理，利用高頻的電流通過環(huán)形線圈(電磁爐內(nèi)部發(fā)熱線圈盤)產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)磁場磁力線通過導(dǎo)體鍋底時產(chǎn)生渦流，使鍋體本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱鍋內(nèi)食物．

1.1 鋁箔+絕緣板感應(yīng)實驗

圖1 鋁箔+絕緣板樣品Fig.1 Sample of aluminum foil and insulation board

1.2 鋁箔+鋁鍋感應(yīng)實驗

將厚度為0.035 mm的雙面導(dǎo)電的純度為99.5%的鋁箔貼在底徑為180 mm的導(dǎo)電鋁鍋底部，放在Brandt T1-1028型2200 W的電磁爐爐頭上，此電磁爐的輸出端連接功率測試儀表，鋁箔層朝下貼著電磁爐進行感應(yīng)功率測試．圖2為鋁箔+鋁鍋樣品．測試結(jié)果表明，無感應(yīng)功率輸出．

圖2 鋁箔+鋁鍋樣品Fig.2 Sample of aluminum foil and aluminum pan

通過鋁箔+絕緣板感應(yīng)實驗和鋁箔+鋁鍋感應(yīng)實驗結(jié)果可知：鋁層薄到一定程度時，可以通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生可應(yīng)用級別的熱量，但將鋁箔貼到鋁鍋上時，鋁箔和鋁鍋成為一個整體，就失去了其作為薄層的作用而導(dǎo)致無電磁感應(yīng)現(xiàn)象，就像單鋁鍋無法產(chǎn)生感應(yīng)熱一樣．

2 結(jié)果分析

圖3為線圈盤和鍋具．電磁爐中的線圈盤由圓形平面骨架上緊密繞制的一匝匝線圈構(gòu)成(圖3(a))，通常在平面線圈的背面要放置一些鐵氧體磁條，呈放射狀布置(圖3(a)中虛線)，作用是提高線圈盤的電感量和約束磁力線，以減弱磁場對其它電路的干擾．

圖3 線圈盤和鍋具(a)線圈盤示意圖；(b)感應(yīng)加熱示意圖；(c)鍋具底部環(huán)形電流示意圖Fig.3 Coil and pan (a) schematic diagram of the coil plate；(b) schematic diagram of induction heating；(c) schematic diagram of the current at the bottom of the pan

電磁爐的感應(yīng)加熱工作示意圖(圖3(b))可見，其負(fù)載就是所使用的鍋具．由電磁感應(yīng)原理可知，線圈盤中通過交變的高頻電流，會在線圈盤的半徑方向產(chǎn)生閉合的磁力線．當(dāng)這些磁力線通過鍋具底部時，在鍋具底部沿圓周感應(yīng)產(chǎn)生環(huán)形電流(圖3(c))，這個電流的方向總是與線圈盤中電流的方向相反．在鍋具底部電流流通的區(qū)域，就是被磁力線切割的區(qū)域，其呈圓環(huán)狀．

由電流密度的集膚效應(yīng)可知，鍋具底部靠近線圈盤的表面具有最大的電流密度，從鍋具表面向內(nèi)電流密度呈指數(shù)衰減．因此，在電流流通的圓環(huán)上，電流流通截面基本是固定的，不會受鍋具底厚度的影響，而存在鍋體表面具有一定厚度的電阻就是電磁爐的負(fù)載電阻，這個厚度可由集膚效應(yīng)進行定量．電磁爐在鍋具上產(chǎn)生的熱源就是高頻電流在電阻上產(chǎn)生的焦耳熱．

通常線圈盤的線圈平面到鍋具底部表面的距離為5～15 mm，有一部分磁力線并不穿過鍋具，而是從這個間隙中通過，造成部分功率的損失．圖4為電磁爐負(fù)載的等效電路，其中L1是感應(yīng)線圈的電感，R1是感應(yīng)線圈的電阻，L2是負(fù)載鍋具的電感，R2是負(fù)載鍋具的等效電阻．

圖4 負(fù)載等效電路圖Fig.4 Load equivalent circuit diagram

在電磁爐的電流應(yīng)用范圍15～30 kHz的高頻段，進行電路分析時將各電感的感抗XL分別等效為一個電阻，則電磁爐自身的電阻R爐=R1+XL1，負(fù)載鍋具的電阻R鍋=R2+XL2．

在負(fù)載鍋具存在的情況下，發(fā)生電磁感應(yīng)金屬的電阻將是感應(yīng)線圈的等效電阻，這個等效的電阻包括線圈本身的電阻R爐及由鍋具負(fù)載所引起的電阻R鍋．為了方便分析，將整個感應(yīng)器系統(tǒng)所引起的電阻視同等效電阻R=R爐+R鍋．

由鍋具負(fù)載所引起的電阻R鍋，事實上是感應(yīng)線圈通過磁場傳遞給鍋具的能量損耗，這個能量損耗就是用來加熱鍋具的有效能量．根據(jù)焦耳定律，這個有效熱量Q可表示如下：

3 結(jié) 論

當(dāng)鋁層薄到一定程度時，其引起的電阻變大，當(dāng)其大小跟電磁爐自帶的電阻相當(dāng)時，就能通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生較大的可應(yīng)用級別的熱量．因此，單鋁的電磁感應(yīng)發(fā)熱確實存在，只要使其電阻提高到一定級別，并使線圈盤的線圈平面到鍋具底部表面的距離盡可能貼近，利用鋁材的電磁感應(yīng)實現(xiàn)鍋具加熱是可行的．

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[2] 趙鑫欣,譚興. 從渦旋電流談電磁爐鍋具的選擇[J].物理教學(xué)探討，2016(8) ：58-60.

[3] 黃江德. 電磁爐負(fù)載特性研究及控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

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[6] 李燕.首臺鋁鍋加熱電磁爐誕生[J].電子科技雜志，2003(24) ：10．

Research on the electromagnetic induction cooker with aluminum material

ZENG Jinyan

AnotechInternational，Jiangmen529000，China

Usually the electromagnetic cooker can’t heat aluminum pan, it is generally believed that aluminum material cannot produce heat by electromagnetic induction. Through experimental and theoretical analysis, the induction cooker does not heat the aluminum pan is due to the skin effect to determine the thickness of the induction caused by the resistance is too small. When the thickness of the aluminum material is reduced to a certain extent, the application level heat can be generated by electromagnetic induction. Moreover, when the equivalent resistance of the load cooker is equivalent to the equivalent resistance of the induction cooker, the maximum heat can be generated by electromagnetic induction. In this paper, when the thickness of aluminum material is 0.035mm, and the power utilization rate of heat generated by electromagnetic induction is 55%.

induction cooker；electromagnetic induction；aluminum；heat；power utilization

2017-02-24

曾錦艷(1983-)，女，廣東江門人，碩士，工程師．

1673-9981(2017)02-0094-03

O441.4

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