【Ansys Maxwell】模擬電磁爐IH感應加熱分析
- IH (Indution Heating) 感應加熱原理
IH電磁爐是透過電磁感應的感應加熱 (Indution Heating) 方式來讓鍋底產生熱，再讓熱源藉由鍋子材質的熱導係數將熱均勻傳遞至整個鍋體。
感應加熱讓鍋子產生熱的過程，主要是家用電源經由IH電磁爐內部變頻器轉換而會在IH電磁爐內的線圈施加一高頻電流 (約20k~60kHz)，因為集膚效應的關係而會在鍋底表面流過渦電流，並產生焦耳損 (Joule Loss) ，此損耗也是造成鍋子溫度上升的主要熱源，而鍋子材質的導電率、相對導磁率也會影響焦耳損產生的多寡。
IH電磁爐與IH電鍋的差異，在於IH電磁爐僅在鍋底下方有感應加熱線圈，所以僅會從鍋底受熱，而IH電鍋則會在鍋底、鍋頂甚至是鍋壁都會有感應加熱線圈，因此更能讓鍋子平均受熱。
此案例主要探討的是當IH電磁爐分別使用鑄鐵鍋、鋁鍋進行加熱時，兩者的焦耳損差異，主要是透過Maxwell的Eddy Current求解器來模擬IH電磁爐感應加熱的分析。
圖片參考摩堤IH電磁爐
圖片參考Panasonic IH電子鍋 (1)
圖片參考Panasonic IH電子鍋 (2)
首先須新增Eddy Current求解類型，建立電磁爐線圈、鍋子模型，並包含空氣層。
將線圈材料設為銅，鍋子材料則分別設定為鑄鐵、鋁，輸入鑄鐵、鋁材料特性，於線圈施加一交流電流源，可透過公式計算出集膚深度。
為了能有效並確保精準考慮集膚效應的影響，可於上述所算出的集膚深度至少設置兩層網格。
求解後可觀看其焦耳損雲圖結果，也就是渦電流損，而較大的熱損主要會集中在集膚效應的深度，從渦電流分布狀況，可瞭解其鍋底受熱是否均勻，進而改善感應線圈及磁路設計來提高加熱效率。
於Maxwell內建計算器輸入計算式，計算鑄鐵鍋、鋁鍋的渦電流損耗值各為6284W、143W，由此可知鑄鐵鍋發熱瓦數高於鋁鍋相當多，其產生熱能的效果也較為優異。