一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘制造技术

本发明专利技术公开了一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，包括线圈盘、变换器，所述线圈盘包括线圈盘磁芯与线圈盘绕组，还包括等效阻抗变换网络，所述等效阻抗变换网络与线圈盘绕组和变换器连接，电磁炉线圈盘绕组至少含有一个抽头，线圈盘绕组各部分均对锅具加热。本发明专利技术的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，通过选取不同的端口或抽头，可改变谐振单元中线圈盘各部分绕组的自感与互感，进而实现不同的等效阻抗变换，优化变换器的输出特性，并扩大电磁炉锅具材质的适用范围，同时结合提高工作频率和线圈盘绕组匝数的方法，增大锅具等效阻值与线圈盘等效阻值的比值，可在不改变电路结构与器件应力的前提下，提高炉盘加热效率。

A coil disc of electromagnetic furnace considering both circuit optimization and high efficiency heating of hearth

【技术实现步骤摘要】
一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘
本专利技术涉及电磁炉加热技术，具体涉及一种至少含有一个抽头与一组附加电容的电磁炉线圈盘，以及电磁炉线圈盘的等效阻抗变换方法。
技术介绍
电磁炉利用感应涡流对金属锅具进行加热，即在线圈盘中通入高频交流电流产生交变磁场，利用电磁感应使锅具底部产生涡流，通过涡流的焦耳热效应直接对锅具加热。与传统的加热方式相比，电磁炉无需明火或传导热，其加热效率比传统炉具高40％，使用环境安全卫生，无需铺设专门的燃气管道，安装便捷，可适应多种场合，具有广大的应用市场。现有的电磁炉加热效率一般为86％，仍有较大的提升空间。为了提高加热效率，即提高锅具折合电阻与线圈本身交流电阻的比值，要求线圈盘和锅具间有较高的互感，这对电磁炉的锅具材质提出了较高的要求。相关效率测试和分析结果表明：在相同的电磁炉线圈盘与工作频率下，不锈钢锅具相比铝锅，其加热效率提高了35％。由此可见，提高电磁炉线圈盘和锅具间的互感是提高电磁炉加热效率的有效方法。目前，国内外电磁炉制造厂商基本采用多层材料复合型锅底的锅具，该锅具通过在锅底添加高磁导率的不锈钢材料，增强锅具与线圈盘间的互感。另一方面，可通过提高工作频率来提高加热效率。线圈盘耦合到锅具中的感应电势提高，则锅具折合到原边的等效电阻将增大。但是随着工作频率提升，集肤效应与邻近效应使得线圈有效导电截面积减小，线圈盘自身交流电阻也将增大。日本HatayaM,OkaY,UmetaniK,etal.Novelthinheatingcoilstructurewithreducedcopperlossforhighfrequencyinductioncookers[C]//InternationalConferenceonElectricalMachines&Systems.IEEE,2017.提出一种新的线圈盘绕组与磁芯结构，其线圈由厚度接近集肤深度的矩形线叠压而成，以减小集肤效应带来的铜损，并在不同匝线圈之间加入软磁材料使得电流均匀分布在导线截面上，减小了由邻近效应产生的铜损。采用这种新型线圈可有效降低线圈交流损耗，进而通过提高工作频率来提高线圈加热效率。然而，一般电磁炉使用Litz线作为线圈盘，其交流电阻很小，因此使用新型线圈盘以进一步减小其交流电阻，对提升线圈盘加热效率的作用十分有限。同时，对于小功率电磁炉而言，其使用的单管准谐振变换器对线圈盘等效阻抗值有严格要求。由上述分析可知，在一定频率范围内，通过提高工作频率可提高电磁炉加热效率。但是，在高频下实际的线圈等效感值大于变换器要求的线圈等效感值，对此需减少线圈盘匝数以减小线圈等效感值。与此同时，线圈盘匝数减小将导致锅具折合阻值的减小，这与提高锅具加热效率的目的相悖。另外，锅具折合电阻与线圈盘匝数的平方成正比，而线圈交流电阻与线圈盘匝数成线性关系，则通过提高线圈盘匝数可提高加热效率。但是，线圈等效电感也与线圈盘匝数平方成正比，在线圈盘匝数增大时，线圈等效感值远大于变换器所要求的线圈等效感值，导致电磁炉无法工作在准谐振状态。较大的开关损耗将进一步降低其加热效率，严重时甚至损坏开关管。因此，在不改变电磁炉电路结构前提下，独立、解耦的线圈盘等效阻抗值是使得上述提高加热效率方法有效实施的关键。为了获得独立、解耦的线圈盘等效阻抗值，可通过谐振网络实现线圈盘等效阻抗值的变换。将原有的线圈盘接入谐振网络，通过电感电容谐振可实现电磁炉线圈盘的等效阻抗变换。再串入附加电感可使得谐振网络的阻抗值满足电磁炉准谐振要求。为了实现阻抗变换，可利用附加电容与电磁炉线圈盘串并联构造谐振单元，再结合附加变压器实现电磁炉线圈盘等效阻抗变换。然而附加变压器将增大电磁炉线圈盘的体积重量，并进一步增大铜损；同时，若在单管准谐振变换器中加入变压器和谐振网络，线圈盘阻抗模型将等效为极大的激磁电感与电阻并联，进而导致单管准谐振变换器无法工作在准谐振状态。因此针对小功率电磁炉用的单管准谐振变换器，需进一步设计其阻抗变换网络。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，包括线圈盘磁芯、带抽头的线圈盘绕组与附加电容，该线圈盘绕组通过抽头或端口与变换器相接，其两端与附加电容并联构成谐振单元，以实现电磁炉线圈盘等效阻抗值的独立、解耦以及变换。同时，结合提高线圈盘绕组匝数和工作频率的措施，可提升电磁炉加热效率和改善变换器输出特性。另外，通过切换抽头可实现不同的等效阻抗变换，以此可扩大电磁炉的锅具适用范围。技术方案：一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，包括线圈盘、变换器，所述线圈盘包括线圈盘磁芯与线圈盘绕组，还包括等效阻抗变换网络，所述等效阻抗变换网络与线圈盘绕组和变换器连接。进一步地，所述变换器包括电源Ud、谐振电容Cr1、开关管Q、二极管D，其中电源Ud的正极与谐振电容Cr1第一端连接，其公共端为变换器输出端，开关管Q集电极、二极管D阴极与谐振电容Cr1的第二端连接，其公共端构成变换器输入端，开关管Q发射极、二极管D阳极与电源Ud负极连接；所述等效阻抗变换网络包括附加电感Ls、第一切换开关S1、第二切换开关S2、附加电容Cr2，所述线圈盘绕组具有两个端口，附加电容Cr2设置在第一端口与第二端口之间线圈盘绕组设置N个抽头，N为大于等于1的自然数，变换器输入端与第一切换开关S1连接，变换器的输出端连接附加电感Ls的第一端，附加电感Ls的第二端连接第二切换开关S2，N为1时，第二切换开关S2可切换至第一端口、第二端口，第一切换开关S1可切换至抽头；N为大于1的自然数时，第二切换开关S2可切换至第一端口、第二端口或第i个抽头，i为大于等于1且小于等于N的自然数，第一切换开关S1可切换至第j个抽头，i≠j，两个切换开关连接的端口或抽头之间的线圈盘绕组为一条支路，其余部分线圈盘绕组串联附加电容Cr2构成另一条支路，两条支路并联构成谐振单元，且各部分均对锅具加热。进一步地，所述变换器包括电源Ud、谐振电容Cr1、开关管Q、二极管D，其中电源Ud的正极与谐振电容Cr1第一端连接，其公共端为变换器输出端，开关管Q集电极、二极管D阴极与谐振电容Cr1的第二端连接，其公共端构成变换器输入端，开关管Q发射极、二极管D阳极与电源Ud负极连接；所述等效阻抗网络还包括附加电感Ls、附加电容Cr2、附加电容Cr3，所述附加电感Ls的第一端与变换器输出端连接，附加电感Ls的第二端连接线圈盘绕组第一端口，附加电容Cr2的第一端连接变换器的输入端，附加电容Cr2的第二端连接线圈盘绕组第二端口，变换器输入端与线圈盘绕组第一端口之间连接一个附加电容Cr3，线圈盘绕组与附加电容Cr2串联形成一个串联支路，再与附加电容Cr3并联构成谐振单元；所述线圈盘绕组各部分均对锅具加热。进一步地，将附加电容Cr3替换为一个谐振电感Lr。进一步地，所述等效阻抗变换网络中的各电感可与线圈盘绕组一起绕制在线圈盘磁芯上，并加入磁芯减小与锅具之间的耦合，以提高磁芯利用率；或者分别单独绕制在独立磁芯上，以调整各电感的感值。进一步地，谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，所述线圈盘绕组等效阻值Requ、等效感值Lequ与附加电感Ls的感值优化计算公本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，包括线圈盘、变换器，所述线圈盘包括线圈盘磁芯与线圈盘绕组，其特征在于，还包括等效阻抗变换网络，所述等效阻抗变换网络与线圈盘绕组和变换器连接。

【技术特征摘要】
1.一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，包括线圈盘、变换器，所述线圈盘包括线圈盘磁芯与线圈盘绕组，其特征在于，还包括等效阻抗变换网络，所述等效阻抗变换网络与线圈盘绕组和变换器连接。2.根据权利要求1所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，所述变换器包括电源Ud、谐振电容Cr1、开关管Q、二极管D，其中电源Ud的正极与谐振电容Cr1第一端连接，其公共端为变换器输出端，开关管Q集电极、二极管D阴极与谐振电容Cr1的第二端连接，其公共端构成变换器输入端，开关管Q发射极、二极管D阳极与电源Ud负极连接；所述等效阻抗变换网络包括附加电感Ls、第一切换开关S1、第二切换开关S2、附加电容Cr2，所述线圈盘绕组具有两个端口，附加电容Cr2设置在第一端口与第二端口之间，线圈盘绕组设置N个抽头，N为大于等于1的自然数，变换器输入端与第一切换开关S1连接，变换器的输出端连接附加电感Ls的第一端，附加电感Ls的第二端连接第二切换开关S2，N为1时，第二切换开关S2可切换至第一端口、第二端口，第一切换开关S1可切换至抽头；N为大于1的自然数时，第二切换开关S2可切换至第一端口、第二端口或第i个抽头，i为大于等于1且小于等于N的自然数，第一切换开关S1可切换至第j个抽头，i≠j，两个切换开关连接的端口或抽头之间的线圈盘绕组为一条支路，其余部分线圈盘绕组串联附加电容Cr2构成另一条支路，两条支路并联构成谐振单元。3.根据权利要求1所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，所述变换器包括电源Ud、谐振电容Cr1、开关管Q、二极管D，其中电源Ud的正极与谐振电容Cr1第一端连接，其公共端为变换器输出端，开关管Q集电极、二极管D阴极与谐振电容Cr1的第二端连接，其公共端构成变换器输入端，开关管Q发射极、二极管D阳极与电源Ud负极连接；所述等效阻抗网络还包括附加电感Ls、附加电容Cr2、附加电容Cr3，所述附加电感Ls的第一端与变换器输出端连接，附加电感Ls的第二端连接线圈盘绕组第一端口，附加电容Cr2的第一端连接变换器的输入端，附加电容Cr2的第二端连接线圈盘绕组第二端口，变换器输入端与线圈盘绕组第一端口之间连接一个附加电容Cr3，线圈盘绕组与附加电容Cr2串联形成一个串联支路，再与附加电容Cr3并联构成谐振单元。4.根据权利要求3所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，将附加电容Cr3替换为一个谐振电感Lr。5.根据权利要求2、3、4任一项所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，所述等效阻抗变换网络中的各电感可与线圈盘绕组一起绕制在线圈盘磁芯上，并加入磁芯减小与锅具之间的耦合，以提高磁芯利用率；或者分别单独绕制在独立磁芯上，以调整各电感的感值。6.根据权利要求2所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，所述线圈盘绕组等效...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈乾宏，李志斌，张帅，张之梁，任小永，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32