FEA Induktivitätsberechnung einer Induktionsherdspule

Über Induktionserwärmung

Induktionserwärmung ist ein Prozess zum Erwärmen eines elektrischen Leiters (normalerweise ferromagnetische Materialien und Metalle) durch elektromagnetische Induktion. Die im Leiter erzeugte Wärme ist auf die im Leiter induzierten Wirbelströme zurückzuführen. In der einfachsten Form besteht eine Induktionsheizung aus einer Spule, durch die ein hochfrequenter Wechselstrom geleitet wird. Dieser hochfrequente Wechselstrom verursacht ein schnell wechselndes Magnetfeld, das dann Wirbelströme im Leiter verursacht. Je mehr Wirbelströme für die Erwärmung des Leiters verantwortlich sind, desto höher ist der Widerstand gegen den Stromfluss, desto höher ist die Erwärmung. Dieses Phänomen der Erwärmung des Leiters durch Wirbelströme wird als Joule-Effekt bezeichnet.

Abbildung 1- Ein leitender Stab wird durch Induktion erhitzt

Man muss zwischen Leitung und Induktion kontrastieren. Bei der Induktionserwärmung wird die Wärme im Inneren des Objekts erzeugt und das Objekt muss nicht mit der Wärmequelle in Kontakt sein. Daher erleichtert die Induktion ein schnelles Erhitzen. Es gibt viele Anwendungen, bei denen Induktion verwendet wird, wie Induktionsofen, Induktionsschweißen, Induktionskochgeräte usw. Der Rest dieses Artikels befasst sich mit Induktionskochanwendungen.

Was ist Induktionskochen?

Beim Induktionsherd wird ein üblicherweise aus einem ferromagnetischen Material bestehendes Kochgefäß durch Induktion erwärmt. Stellen Sie dies demselben Gefäß gegenüber, das durch eine Flamme oder eine elektrische Spule erhitzt wurde. Induktionserwärmung bewirkt einen raschen Temperaturanstieg des Gefäßes. Wie in Abbildung 2 dargestellt, befindet sich eine Kupferspule unter dem Gefäß. Es gibt auch eine Keramikschicht zwischen der Spule und dem Gefäß. Dies wird üblicherweise als Deckplatte bezeichnet.

Abbildung 2 - Elemente des Induktionskochgeräts

Wenn hochfrequenter Wechselstrom durch die Kupferspule geleitet wird, werden im Gefäß große Wirbelströme induziert. Der Oberflächenwiderstand des Gefäßes erwärmt es schnell, was das Kochen ermöglicht. Nun gibt es eine Auswahl des für das Kochgefäß verwendeten Materials. Es wird jedoch dringend empfohlen, das Gefäß aus einem ferromagnetischen Material wie Gusseisen oder bestimmten Edelstählen herzustellen. Es wird nicht empfohlen, Aluminium- oder Kupfergefäße zu verwenden (Sie können Aluminium oder Kupfer mit Änderungen am Gargerät verwenden, indem Sie eine ferromagnetische Scheibe einbauen, die als Heizplatte fungiert). Die Verwendung von ferromagnetischem Material hat zwei Vorteile:

1. Der elektrische Widerstand ist höher als bei reinen Leitern und daher wird mehr Wärme erzeugt.
2. Die Hauttiefe (mehr dazu in einem späteren Blogbeitrag) von ferromagnetischem Material ist geringer als bei reinen Leitern und daher gibt es einen höheren Oberflächenwiderstand, was zu einer höheren Joule-Erwärmung führt.

Warum ist induktionsbasiertes Kochen attraktiv?

1. Es ist energieeffizient. Es sorgt für eine schnellere und gleichmäßigere Erwärmung mit höherer thermischer Effizienz. Laut einem technischen Dokument des S. Department of Energy (DOE) aus dem Jahr 2001 beträgt der Wirkungsgrad der Energieübertragung für einen Induktionsherd 84% gegenüber 74% für ein elektrisches Gerät ohne Induktion mit glatter Oberseite.
2. Die Heizleistung ist gleichmäßig und vergleichbar mit einem Gasbrenner.
3. Eine Steuerung schaltet normalerweise das Heizelement ab, wenn das Kochgefäß nicht vorhanden oder nicht groß genug ist.
4. Sie sind leicht zu reinigen und zu pflegen, da die Kochfläche flach ist und nicht zu heiß wird, um verschüttetes Essen zu verbrennen und festzuhalten. Abbildung 3 zeigt, dass nur im Gefäß Wärme entsteht.

Abbildung 3 - Wärme wird nur im Gefäß und nicht in der oberen Platte erzeugt

Simulation mit einer Standard-Induktionsherdspulenanordnung

Abbildung 4 zeigt ein CAD-Modell einer Anordnung aus Spule und Eisenkern, die für das Induktionskochen verwendet werden kann. Eine Simulation wurde unter Verwendung von EMS für SolidWorks unter Verwendung einer Wechselstromanregung bei 24 kHz durchgeführt. Die Induktivität der Spule wurde berechnet und die magnetische Flussdichte sichtbar gemacht.

Abbildung 4 - CAD-Modell einer typischen Spule, die zum Induktionskochen verwendet wird

Der von der Software berechnete Induktivitätswert betrug 92,67 Mikro-Henry und war sehr gut mit dem Labormessergebnis (93,8 Mikro-Henry) vergleichbar. Abbildung 5 zeigt die Auftragung der magnetischen Flussdichte in der Spule und den Eisenkernen.

Abbildung 5 - Die Auftragung der magnetischen Flussdichte in der Spule und den Eisenkernen

Fazit

Es sind Ingenieure, die den Köchen die perfekte Lösung für ein energieeffizientes Kochgerät gegeben haben. Mit EMS for SolidWorks können Ingenieure verschiedene Arten von Induktionsspulenanordnungen für Kochanwendungen entwerfen und simulieren. Da es vollständig in SolidWorks eingebettet ist, kann EMS SolidWorks-Konstruktionen direkt simulieren und so den Verlust von CAD-Daten aufgrund von Übersetzungen vermeiden.