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FEM-Simulation eines Induktionskochers: Optimierung von Induktionskochgeschirrtöpfen mit EMS in SOLIDWORKS

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Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
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Induktionskochen

Induktionskochen ist in unseren Küchen weit verbreitet (Abbildung 1 [1]). Es wird auf der ganzen Welt immer beliebter, dank mehrerer Vorteile wie hoher Effizienz, Sicherheit, Sauberkeit usw. [2], [3]. Der Hauptnachteil des Induktionskochgeschirrs ist die Verwendung spezifischer Gefäße aus ferromagnetischen Materialien wie z Eisen und Edelstahl [2].

Das physikalische Prinzip des Induktionskochens besteht darin, einen Hochfrequenzstrom in eine verseilte Spule zu leiten, die sich unter einer elektrischen Leiterplatte befindet. Die von der Spule erzeugten hochfrequenten Magnetfelder induzieren Wirbelströme in der Pfanne, die durch das Joule-Effekt-Phänomen Wärme erzeugen. Fast die induzierten Ströme konzentrieren sich aufgrund des Hauteffektphänomens auf eine kleine Pfannendicke, die als Hauttiefe bezeichnet wird. Abbildung 1 zeigt das Arbeitsprinzip [4].

Um die Effizienz auf einem hohen Niveau zu halten, sollte der Wirbelverlust in der gebrauchten Pfanne durch optimale Materialeigenschaften so hoch wie möglich gehalten werden. Der spezifische elektrische Widerstand und die relative Permeabilität spielen eine wichtige Rolle für die Wärmeleistung des Induktionskochsystems [5]. In diesem Artikel sollen die optimalen Materialeigenschaften und die Dicke eines Induktionskochgeschirrs ermittelt werden, um die höchstmögliche Wärmeleistung zu erzielen.

Induktionskochfeld in einer Wohnküche installiert [1]
Abbildung 1: Induktionskochfeld in einer Wohnküche installiert [1]
Induktionsherd Prinzip [4]
Abbildung 2 - Induktionsherdprinzip [4]

Problembeschreibung

Dieser Artikel behandelt die Simulation eines Induktionsherdes. Zu diesem Zweck wird eine gekoppelte elektrothermische Analyse innerhalb von EMS für SOLIDWORKS verwendet. Wirbelverluste, Wicklungsverluste und die vorhergesagten Temperaturergebnisse werden berechnet.
Das simulierte System besteht aus einer Pfanne und einem Aluminiumring, einem Ferritkern und einer Wärmedämmung aus Glas [5]. Die Pfanne enthält Wasser als erhitztes Material. Die simulierte Modellgeometrie ist in Abbildung 3 dargestellt, während das in SOLIDWORKS erstellte 3D-CAD-Modell in Abbildung 4 dargestellt ist x indice p espace fin d'indice , z indice p espace fin d'indice und z indice w espace fin d'indice sind jeweils 98,5 mm, 135,5 mm und 168,3 mm.
Für diese Analyse werden zwei Kupferwicklungen definiert. Jede Spule hat 10 Windungen, die 24 A effektiv bei einer Frequenz von 23,4 kHz leiten.

Geometrische Parameter des simulierten Modells

Abbildung 3 - Geometrische Parameter des simulierten Modells [6]
Querschnittsansicht des simulierten CAD-Modells
Abbildung 4 - Querschnittsansicht des simulierten CAD-Modells

Optimierung eines Induktionskochtopfes

Induktionskochprobleme werden mit dem Wechselstrommagnetmodul von EMS in SOLIDWORKS analysiert. Es löst lineare und nichtlineare elektromagnetische Gleichungen im Frequenzbereich mit der Fähigkeit, mit stationären und transienten thermischen, strukturellen, beweglichen und externen Schaltkreisen gekoppelt zu werden, ohne irgendeine Art zu exportieren und zu importieren von Ergebnissen. Es hilft bei der Analyse von Wirbelstromproblemen, drahtloser Energieübertragung, Induktionserwärmung und ZfP-Anwendungen usw.

Im ersten Abschnitt (Szenarien 1 und 2) wurde das Wechselstrommagnetmodul von EMS zur Berechnung der Wirbelverluste verwendet, die durch den induzierten Strom in der Pfanne bei einem zeitlich variierenden Magnetfluss erzeugt werden. Die Simulation wurde mit unterschiedlichen Materialeigenschaften erstellt. Im zweiten Abschnitt wurde eine thermische Analyse durchgeführt, um die Temperaturentwicklung für zwei verschiedene generische Materialien zu vergleichen. Eine Wechselstrom-Magnetstudie in Verbindung mit einer transienten thermischen Analyse ist erforderlich. Schließlich wurde im letzten Abschnitt die Dicke des Pfannenbodens variiert. Der Wirbelverlust gegen die Pfannendicke ist aufgetragen. Zu diesem Zweck wurde auf eine parametrisierte magnetische Wechselstromsimulation zurückgegriffen.

Szenario 1: Variieren der relativen Permeabilität und Konstanthalten des spezifischen elektrischen Widerstands
Der spezifische elektrische Widerstand bleibt fest bei 9.7 Kalligrafie und Glanzzeit 7 fin de l'exposant omega majuscule Kalligrafie m espace und die relative Permeabilität reicht von 100 bis 1500. Die von EMS für jeden Fall berechneten Wirbelverluste sind in Abbildung 5 dargestellt. Der Wärmeverlust (Wirbelverlust) steigt mit der relativen Permeabilität bis zum Erreichen eines Maximums bei Sie müssen sich für 400 Espace anmelden dann fällt es ab, wie aus der folgenden Abbildung hervorgeht.

Wirbelverlustdiagramm gegen relative Permeabilität

Abbildung 5 - Diagramm des Wirbelverlusts im Verhältnis zur relativen Permeabilität

Szenario 2: Variieren des spezifischen elektrischen Widerstands und Konstanthalten der relativen Permeabilität
In diesem Szenario bleibt die relative Permeabilität unverändert bei dem Wert von Sie müssen sich für 400 Espace anmelden während der elektrische Widerstand variiert von rho égal à 1 calligraphique und puissance moins 5 fin de l'exposant omega majuscule calligraphique m espace zu rho égal à 2 calligraphique und puissance moins 7 fin de l'exposant omega majuscule calligraphique m espace Die Wärmeleistung im Verhältnis zum spezifischen elektrischen Widerstand ist in Abbildung 6 dargestellt. Der Wirbelverlust steigt von 1,5 kW bei rho égal à 1 calligraphique und puissance moins 5 fin de l'exposant omega majuscule calligraphique m espace 1.8kW erreichen bei rho égal à 2 calligraphique und puissance moins 5 fin de l'exposant omega majuscule calligraphique m espace dann sinkt es auf 1,1kW bei rho égal à 2 calligraphique und puissance moins 7 fin de l'exposant omega majuscule calligraphique m espace .

Wirbelverlust im Vergleich zum spezifischen elektrischen Widerstand

Abbildung 6 - Wirbelverlust im Verhältnis zum spezifischen elektrischen Widerstand

Aus den bisherigen Analysen geht ein Gattungsmaterial mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von rho égal à 2 calligraphique und puissance moins 6 fin de l'exposant omega majuscule calligraphique m espace und eine relative Permeabilität von Sie müssen sich für 400 Espace anmelden ergibt eine optimale Wärmeleistung von ca. 1,8kW.

Elektromagnetische Thermoanalyse eines Induktionsherdes mit unterschiedlichem Topfmaterial:
Basierend auf den vorherigen Analysen werden zwei generische Materialien ausgewählt. Diese Analyse zeigt den Einfluss des Wirbelverlusts auf die Temperaturentwicklung jedes Materialfalls. In Tabelle 1 werden die Eigenschaften und die resultierende Wärmeleistung jedes Materials wiedergegeben. Das mit der Transiententhermie gekoppelte Wechselstrommagnetmodul dient zur Analyse des Temperaturverhaltens des Induktionskochsystems. Aufgrund der Rotationssymmetrie des Induktionskochsystems wird nur ein kleiner Teil (1/48) des Modells simuliert, um Rechenzeit zu sparen. Die 7 (a) und 7 (b) zeigen die Temperaturverteilung der Pfanne nach 2 Minuten. Die Kurve in Abbildung 8 zeigt den Temperaturanstieg über die Zeit jeder Pfanne. Aus diesen Figuren geht hervor, dass die Pfanne aus Gattungsmaterial 1 schneller und höher erwärmt wird als die zweite Pfanne aus Gattungsmaterial 2. Sie entspricht der Pfanne mit höherem spezifischen Widerstand und geringerer Durchlässigkeit.

Allgemeines Material 1 Allgemeines Material 2
Relative Durchlässigkeit 400 1500
Elektrischer widerstand 2e-6 omega majuscule calligraphique m espace 9.7e-7 omega majuscule calligraphique m espace
Wärmeleitfähigkeit 80 80
Spezifische Wärme 444 444
Massendichte 7860 7860
Erzeugte Wärmekraft 1801,198 W 1384,8 W
Temperatur des Topfes nach 120 s: (a) Grundstoff 1, (b) Grundstoff 2
Abbildung 7 - Temperatur des Topfes nach 120 s: (a) Grundstoff 1, (b) Grundstoff 2
Temperaturentwicklung des Pfannenbodens über der Zeit
Abbildung 8 - Temperaturentwicklung des Pfannenbodens über der Zeit
Temperaturanstieg der Pfanne aus Gattungsmaterial 1 und des Wassers
Abbildung 9 - Temperaturanstieg der Pfanne aus Gattungsmaterial 1 und des Wassers

Elektromagnetische Thermoanalyse eines Induktionsherdes mit unterschiedlicher Topfstärke: EMS gewährleistet die Optimierungsanalyse durch parametrisierte Untersuchung. Mit dieser Funktion können sowohl geometrische als auch Simulationsparameter optimiert werden. Im aktuellen Beispiel wird die Bodendicke des Topfes variiert. Der Wirbelverlust bei jeder Dicke wird erfasst und in Abbildung 10 dargestellt. Die folgende Abbildung zeigt, dass der Wirbelverlust im Topf ab 1 mm Dicke höher und ab 1,5 mm nahezu konstant wird. Dieses Verhalten hängt hauptsächlich vom Phänomen des Hauteffekts ab. Fig. 11 zeigt eine Animation der Wirbelverlustdichte gegenüber der Pfannendicke.

Variation der thermischen Leistung der Pfanne gegenüber der Dicke ihres Bodens

Abbildung 10 - Variation der Wärmeleistung der Pfanne in Abhängigkeit von der Dicke des Bodens
Animation der Wirbelverlustdichte über der Pfannendicke
Abbildung 11 - Animation der Wirbelverlustdichte in Abhängigkeit von der Pfannendicke

Fazit

Beim Induktionskochsystem hängt der Wirbelverlust in der Pfanne, der durch das Joule-Effekt-Phänomen in Wärme umgewandelt wird, von mehreren Parametern ab, wie z. B. den Materialeigenschaften (spezifischer elektrischer Widerstand, relative Permeabilität), der Frequenz, der Dicke der Pfanne usw. EMS wurde verwendet, um verschiedene Szenarien und Fälle einer Induktionsherdpfanne zu untersuchen und zu analysieren. Die Materialeigenschaften und die Dicke der verwendeten Pfanne wurden variiert. Wirbelverlust- und Temperaturergebnisse wurden für mehrere Studienfälle in Abhängigkeit von den verschiedenen Variablen berechnet und aufgezeichnet. Der Wirbelverlust erreicht hohe Werte für einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand und eine geringere relative Permeabilität. Mit zunehmender Dicke steigt die Verlustleistung weiter an, bis sie konstant wird. Die Verwendung dieser Materialeigenschaften und der spezifischen Dicke in der Induktionspfanne ermöglicht eine optimale Wärmeleistung.
EMS hilft, das in der Induktionspfanne verwendete Material zu untersuchen und zu optimieren, um eine hohe Effizienz zu gewährleisten.

Verweise

[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