電磁調理器コイルのFEAインダクタンス計算

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誘導加熱について

誘導加熱は、電磁誘導によって導電体 (通常は強磁性体や金属) を加熱するプロセスです。導体に発生する熱は、導体に誘導される渦電流によるものです。最も単純な形式では、誘導加熱器は、高周波交流電流が通過するコイルで構成されます。この高周波交流電流は急速に交番磁界を発生させ、導体内に渦電流を発生させます。渦電流は導体を加熱する原因であり、電流の流れに対する抵抗が高いほど、加熱が大きくなります。渦電流が導体を加熱するこの現象は、ジュール効果と呼ばれます。

図 1 -誘導を使用して導電棒を加熱する

伝導と誘導を対比する必要があります。誘導加熱の場合、熱は対象物の内部で発生し、対象物は熱源に接触する必要はありません。したがって、誘導は急速な加熱を容易にします。誘導炉、誘導溶接、誘導調理器具など、誘導が使用される多くのアプリケーションがあります。この記事の残りの部分は、誘導調理アプリケーションについてです。

IHクッキングとは？

電磁調理器の場合、通常は強磁性材料で作られた調理容器が電磁誘導によって加熱されます。これを、炎または電気コイルによって加熱された同じ容器と比較してください。誘導加熱により、容器の温度が急激に上昇します。図2に示すように、銅のコイルが容器の下に置かれます。コイルと容器の間にセラミックの層もあります。これは一般にトッププレートと呼ばれます。

図 2 - IH 調理器具の要素

銅コイルに高周波交流電流を流すと、容器内に大きな渦電流が誘導されます。容器の表面抵抗により急速に加熱され、調理が可能になります。現在、調理容器に使用される材料の選択肢がありますが、容器は鋳鉄や特定のグレードのステンレス鋼などの強磁性材料で作られていることを強くお勧めします.アルミニウムまたは銅の容器を使用することはお勧めしません (ホット プレートとして機能する強磁性ディスクを含めることで、調理器具を変更してアルミニウムまたは銅を使用できます)。強磁性材料の使用には、2 つの利点があります。

1. 電気抵抗は純粋な導体よりも高いため、生成される熱はより多くなります。
2. 強磁性材料の表皮深さ (これについては後のブログ記事で詳しく説明します) は、純粋な導体よりも低いため、表面抵抗が大きくなり、ジュール熱が高くなります。

IH調理が魅力的な理由とは？

1. エネルギー効率に優れています。より高い熱効率で、より速く、より一貫した加熱を提供します。 2001 年の米国エネルギー省(DOE) の技術文書によると、電磁調理器のエネルギー伝達効率は 84% であるのに対し、滑らかなトップの非誘導電気ユニットの場合は 74% です。
2. 加熱性能は均一で、ガスバーナーに匹敵します。
3. 調理容器が存在しない場合、または十分な大きさでない場合、制御システムは通常、加熱要素をシャットダウンします。
4. 調理面が平らで、熱くなりすぎて焦げたり、こぼれた食べ物がくっついたりしないため、掃除やメンテナンスが簡単です。図 3 は、熱が容器内でのみ生成されることを示しています。

図 3 -熱は容器内でのみ生成され、上部プレートでは生成されません

標準的な電磁調理器のコイル配置を使用したシミュレーション

図 4 は、IH 調理に使用できるコイルと鉄心の配置の CAD モデルを示しています。シミュレーションは、EMS for SolidWorks を使用して、24 KHz で AC 励起を使用して実行されました。コイルのインダクタンスを計算し、磁束密度を可視化しました。

図 4 - IH 調理に使用する典型的なコイルの CAD モデル

ソフトウェアによって計算されたインダクタンス値は 92.67 マイクロ ヘンリーであり、実験室での測定結果 (93.8 マイクロ ヘンリー) と非常によく比較されました。図 5 にコイルと鉄心の磁束密度のプロットを示します。

図5 -コイルと鉄心の磁束密度のプロット

結論

エネルギー効率の高い調理器具の完璧なソリューションをシェフに提供したのはエンジニアです。 EMS for SolidWorks は、エンジニアが調理アプリケーション用のさまざまなタイプの誘導コイル配置を設計およびシミュレーションするのに役立ちます。 EMS は SolidWorks に完全に組み込まれているため、SolidWorks の設計を直接シミュレートできるため、変換による CAD データの損失を回避できます。