IH調理器のFEMシミュレーション：SOLIDWORKS内EMSによるIH調理器鍋の最適化

IH調理

IH 調理は、私たちのキッチンで広く使用されるようになりました (図 1 [1])。高効率、安全性、清潔さなどのいくつかの利点のおかげで、世界中で人気が高まっています.[2]、[3].誘導調理器具の主な欠点は、鉄およびステンレス鋼 [2]。

IH 調理の物理的原理は、高周波電流を導体パンの下にある撚り線コイルに流すことで構成されます。コイルによって生成された高周波磁場は、鍋の内側に渦電流を誘導し、ジュール効果現象による熱を引き起こします。表皮効果現象により、ほとんどの誘導電流は、表皮深さと呼ばれる鍋のわずかな厚さに集中します。図 1 は動作原理を示しています [4]。

効率を高いレベルに維持するには、最適な材料特性を使用して、使用済みパンの渦損失を可能な限り大きくする必要があります。電気抵抗率と比透磁率は、IH 調理システムの熱出力において重要な役割を果たします [5]。この記事の目的は、最適な材料特性と IH 調理器具の鍋の厚さを見つけて、可能な限り最高の火力を得ることです。

問題の説明

この記事では、電磁調理器のシミュレーションについて説明します。この目的のために、EMS for SOLIDWORKS 内の電熱連成解析が使用されます。渦損失、巻線損失、および温度予測結果が計算されます。
シミュレートされたシステムは、鍋とアルミニウム リング、フェライト コア、およびガラス製の断熱材から構成されています [5]。鍋には、加熱された材料として水が含まれています。シミュレートされたモデル ジオメトリを図 3 に、SOLIDWORKS 内で構築された 3D CAD モデルを図 4 に示します。寸法 、 とはそれぞれ 98.5 mm、135.5 mm、168.3 mm です。
この解析では、2 つの銅巻きコイルが定義されています。各コイルには、23.4 kHz の周波数で 24 A rms を伝導する 10 ターンがあります。

IHクッカーポットの最適化

誘導調理問題は、SOLIDWORKS 内の EMS の AC 磁気モジュールを使用して分析されます。このモジュールは、周波数領域で線形および非線形の電磁方程式を解き、定常状態および過渡的な熱、構造、運動、および外部回路に結合する機能を備えており、いかなる種類のエクスポートおよびインポートも必要ありません。結果の。渦電流問題、ワイヤレス電力伝送、誘導加熱プロセス、NDT アプリケーションなどの分析に役立ちます。

最初のセクション (シナリオ 1 および 2) では、EMS の AC 磁気モジュールを使用して、時間変化する磁束が存在する場合に鍋内の誘導電流によって生成される渦損失を計算しました。シミュレーションは、さまざまな材料特性を使用して確立されました。 2 番目のセクションでは、熱分析を実行して、2 つの異なる一般的な材料の温度変化を比較しました。非定常熱解析と組み合わせた AC 磁気スタディが必要です。最後に、最後のセクションで、鍋の底の厚さを変更しました。パンの厚さに対する渦損失がプロットされます。この目的のために、パラメータ化されたAC磁気シミュレーションが利用されました。

シナリオ 1:比透磁率を変化させ、電気抵抗率を一定に保つ
電気抵抗率はに一定に維持されます。比透磁率の範囲は100～1500です。それぞれの場合について EMS によって計算された渦損失が図 5 にプロットされています。渦損失はまで増加してその次、下の図から見えるようにだんだん落ちてしまいます。

シナリオ 2:電気抵抗率を変化させ、比透磁率を一定に保つ
このシナリオでは、相対透磁率はで不変に維持されて電気抵抗率はからまで変化されました。熱出力対電気抵抗率を図 6 に示します。渦損失はで1.5kWから増加してで1.8kWに達する。その後 で1.1kW に減少します。

以前の分析から、電気抵抗率がとの相対透磁率で約 1.8kW の最適な熱出力が得られます。

鍋の材質が異なる電磁調理器の電磁熱分析:
以前の分析に基づいて、2 つの一般的な材料が選択されます。この分析は、各材料ケースの温度変化に対する渦損失の影響を示します。表 1 は、各材料の特性と結果として生じる熱出力を示しています。過渡熱に結合された AC 磁気モジュールは、IH 調理システムの温度応答を分析するために使用されます。 IH 調理システムは回転対称であるため、計算時間を節約するためにモデルのごく一部 (1/48) のみがシミュレートされます。図 7 (a) と 7 (b) は、2 分後の鍋の温度分布を示しています。図 8 の曲線は、各鍋の時間に対する温度上昇を示しています。これらの図からの結論として、一般的な材料 1 で作られた鍋は、一般的な材料で作られた 2 番目の鍋よりも速く、より高く加熱されます。

	一般資料 1	一般資料 2
相対透磁率	400	1500
電気抵抗率	2e-6	9.7e-7
熱伝導率	80	80
比熱	444	444
質量密度	7860	7860
発生する火力	1801.198 西	1384.8W

鍋の厚みが異なるIH調理器の電磁熱分析：EMSは、パラメータ化されたスタディによる最適化分析を保証します。この機能を使用して、幾何学的パラメーターとシミュレーション パラメーターの両方を最適化できます。現在の例では、ポットの底の厚さが変化します。各厚さでの渦損を捉えて、図 10 にプロットします。下の図は、ポット内の渦損が厚さ 1 mm から高くなり、1.5 mm からほぼ一定になることを示しています。この挙動は主に表皮効果現象によるものです。図 11 は、パンの厚さに対する渦損失密度のアニメーションを示しています。

結論

IHクッキングシステムでは、ジュール効果現象によって熱に変換される鍋内部の渦損失は、材料特性（電気抵抗率、比透磁率）、周波数、鍋の厚さなどのいくつかのパラメータに依存します。 EMS電磁調理器の鍋のさまざまなシナリオとケースを調査および分析するために使用されました。使用したなべの材質や厚みを変えました。渦損失と温度の結果が計算され、さまざまな変数の関数としていくつかのスタディ ケースについてプロットされました。渦損失は、電気抵抗率が高く、比透磁率が低いほど高い値に達します。厚さが大きくなると、電力損失は一定になるまで増加し続けます。これらの材料特性と誘導パンの特定の厚さを使用すると、最適な熱出力を得ることができます。
EMS は、高効率を維持するために誘導パンで使用される材料を研究および最適化するのに役立ちます。

参考文献

[1]:https://www.consumerreports.org/electric-induction-ranges/pros-and-cons-of-induction-cooktops-and-ranges/
[2]:https://www.nytimes.com/2010/04/07/dining/07induction.html
[3]:http://www.nicecook.in/facts-about-induction-cookers/induction-cooker-pros-and-cons
[4]:http://garnisoldanella.com/induction-cooktop-frequency/induction-cooktop-frequency-how-does-an-induction-cooktop-work-its-cooking-mechanism-4-burner-gas-cooktop/
[5]:Li Qiu, XiboWen, Hongshen Liand Tiegang Li.Study on effect of material property on thermal power in induction cooker system with finite element method.  International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 46, no. 1, pp. 35-42, 2014
[6]:DaigoYonetsu and Yasushi Yamamoto. Estimation Method for Heating Efficiency of Induction Heating Cooker by Finite Element Analysis.The Journal of the Institute of Electrical Installation Engineers of Japan,2014 Volume 34 Issue 5 Pages 339-345