電磁爐能效提升及熱效率分析

家用電磁爐產(chǎn)品屬于小功率電磁加熱系統(tǒng)，主要在2200W以下，其能效一般都是三級（熱效率86%以上），二級能效（熱效率88%以上）都非常少。目前提升能效的方法大多聚焦在線圈盤上，其實(shí)能效是一門系統(tǒng)學(xué)科，不是某一個(gè)部件來決定的，本文從系統(tǒng)的角度對小功率電磁爐能效提升作一個(gè)探討。

電磁爐框架

電磁加熱依靠線圈盤產(chǎn)生高頻振蕩電流波形，在金屬鍋具上產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，所以系統(tǒng)的三大件是主板、線圈盤和鍋具，三者匹配好才是一個(gè)完美的系統(tǒng)，國家標(biāo)準(zhǔn)為了測試能效制定了標(biāo)準(zhǔn)鍋的要求，要想在能效上達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，那么設(shè)計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)鍋?zhàn)鳛閰⒄?，然而在用戶家里是各種各樣的鍋，所以電磁爐就算標(biāo)注二級能效，那也是用國家標(biāo)準(zhǔn)鍋得出的結(jié)論，在用戶使用中又得另當(dāng)別論了，因?yàn)槿蠹械腻伨咦兞?，系統(tǒng)也就變了。

我們首先來看線圈盤，線圈盤的線圈目前采用銅材料和鋁材料，金屬材料有一個(gè)電阻溫度系數(shù)k，是指金屬材料在不同的溫度下，其阻值不同。

故根據(jù)其特性又分為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的金屬材料：

正溫度系數(shù)材料溫度越高，其阻值越大；

負(fù)溫度系數(shù)材料當(dāng)溫度越高，阻值越小。

金屬的電阻溫度系數(shù)k與溫度的關(guān)系如下：

K為常數(shù)，銅材料K=234.5，鋁材料K=228.1，注意這是大寫的K，小寫的k為電阻溫度系數(shù)，T為線的溫度，金屬的電阻溫度系數(shù)通常都是以20℃為參照給出參數(shù)，故計(jì)算公式里面有個(gè)“20”。

例如銅線的電磁爐線圈盤，在20℃時(shí)的直流阻值為R=100mΩ，此時(shí)電阻溫度系數(shù)為1，若功率為2200W時(shí)通過的電流為10A，那么損耗在線圈盤上的功率為P=I2R=10A*10A*0.1Ω=10W

若是線圈的溫度達(dá)到100℃時(shí)，電阻溫度系數(shù)k=1+((100-20)/234.5)=1.34，此時(shí)的電阻R=1.34*100 mΩ=134 mΩ，那么損耗在線圈盤上的固有功率為P=I2R=10A*10A*0.134Ω=13.4W，功耗多增加了3.4W。

所以在低頻情況下金屬材料的阻值與溫度相關(guān)，而在高頻情況下，金屬材料的阻值還與頻率相關(guān)，導(dǎo)線中電流的頻率越高，電子就會(huì)越趨于導(dǎo)線表面（類似皮膚），而不經(jīng)過導(dǎo)線內(nèi)部實(shí)心，這就是“集膚效應(yīng)”。集膚效應(yīng)的結(jié)果就是使導(dǎo)線的阻抗變大，相同的電流下發(fā)熱就會(huì)嚴(yán)重許多。這也就是電磁爐線圈盤為什么要多股漆包線的原因。那么具體要多少股，集膚效應(yīng)到底有多大影響呢？這就需要一個(gè)可量化的參數(shù)叫集膚深度，集膚深度指導(dǎo)體中電流密度減小到導(dǎo)體截面表層電流密度的1/e(e為自然底數(shù)e=2.71828183）處的深度。

集膚深度定義

集膚深度的公式如下，單位為米（m）：

k：材料的電阻溫度系數(shù)

ρ：材料的電阻率

ω：角頻率

μ：材料的磁導(dǎo)率

比如銅線在20℃，工作頻率25Khz時(shí):

k=1+((20-20)/234.5)=1

ρ=1.75×10-8 Ω·m

ω=2πf

μ=4π×10-7 H/m

代入公式得到（注意單位轉(zhuǎn)換成了mm）

若是銅線在100℃時(shí):

代入公式得到（注意單位轉(zhuǎn)換成了mm）

從以上可以看出，頻率越高集膚深度越小，其阻值就越小，損耗功率就越高。溫度越高時(shí)，集膚深度會(huì)增大，損耗的功率反而會(huì)降低。銅線阻值與溫度和頻率息息相關(guān)，溫度越高其直流阻值變大，交流阻值受集膚效應(yīng)的影響有增有減，那么整體的損耗功率我想也未必會(huì)增大，也有可能會(huì)降低，最終會(huì)穩(wěn)定在某一個(gè)數(shù)值吧。

那么在能效里面，肯定是功率損耗越小，能效越高，降低線圈盤的溫升，肯定會(huì)使損耗變小。而線圈與鍋具中間隔著微晶板，為了諧振參數(shù)中間還會(huì)存在一些空隙，我們都知道這個(gè)空隙越小，磁能損耗也會(huì)變小，能效就越高，但是空隙變小后散熱能力下降，使線圈的溫度又上升了，這是一個(gè)矛盾體。

電磁爐框架

線圈盤透過微晶板給鍋具加熱的同時(shí)，鍋具的熱量也會(huì)熱傳導(dǎo)給微晶板，微晶板的熱量又會(huì)傳導(dǎo)給線圈盤，最后通過風(fēng)道空隙把熱量帶走，實(shí)際上就間接帶走了負(fù)載的熱量，從而降低了能效，那么有沒有辦法阻止帶走微晶板的熱量呢？我想在風(fēng)道空隙層加入隔熱材料，這樣微晶板的熱量就不會(huì)傳導(dǎo)給線圈盤，且線圈盤的溫升也會(huì)降低，同時(shí)微晶板的熱量也只傳遞給鍋具，能效自然也就提高了。能效提升設(shè)想如下圖所示。

電磁爐能效提升系統(tǒng)設(shè)想