宋　波，田　忠，王　旭，丁衛(wèi)東

（電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731）

電磁熱水器磁屏蔽有限元分析

宋波，田忠，王旭，丁衛(wèi)東

（電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731）

為降低電磁熱水器工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾，需要進(jìn)行磁屏蔽的設(shè)計(jì)。針對(duì)某電磁熱水器，采用有限元軟件仿真對(duì)高頻和低頻屏蔽方式的屏蔽效能及其對(duì)系統(tǒng)效率的影響展開研究。研究屏蔽殼厚度、兩線圈距離及其電流相位差等因素對(duì)熱水器產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：該電磁熱水器更宜采用高頻屏蔽方式，兩線圈電流反相、縮小兩線圈間距等措施可降低熱水器周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度，更有利于磁屏蔽的設(shè)計(jì)。

磁屏蔽；有限元；感應(yīng)加熱；電磁熱水器

0　引　言

電磁熱水器基本原理是將交流電通過線圈，通過磁場(chǎng)耦合使內(nèi)部磁芯感應(yīng)出渦流來產(chǎn)熱［1-2］。為了保證功率，交流電強(qiáng)度和頻率必須足夠大，此時(shí)會(huì)在附近空間產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)，影響人體健康和周圍電子設(shè)備的使用，同時(shí)會(huì)降低熱水器的效率。所以有必要采取屏蔽措施來降低熱水器工作時(shí)周圍空間的磁場(chǎng)。

目前國內(nèi)外尚未見到有關(guān)電磁熱水器磁屏蔽的研究。一般感應(yīng)加熱設(shè)備的磁場(chǎng)屏蔽常采用主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽兩種方式［3-5］。

其中，被動(dòng)屏蔽使用高電導(dǎo)率或高磁導(dǎo)率的低損耗材料制作成封閉形狀來限制磁場(chǎng)，多層屏蔽效果更好；主動(dòng)屏蔽由補(bǔ)償線圈構(gòu)成，依靠其產(chǎn)生的磁場(chǎng)來抑制主設(shè)備的磁場(chǎng)泄漏。

1　磁屏蔽類型及原理

磁場(chǎng)屏蔽，按頻率可分為低頻磁場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽［6-7］。從電磁兼容角度講，低頻指100 kHz以下，本熱水器以20 kHz準(zhǔn)方波供電，其基波屬于低頻范圍，但是較靠近此限值，一次以上諧波已超出此限值。所以，將高頻和低頻磁屏蔽的方式都進(jìn)行仿真測(cè)試，對(duì)比二者的屏蔽效果。

1.1低頻磁場(chǎng)屏蔽

低頻磁場(chǎng)的屏蔽一般利用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料對(duì)騷擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路，常用的屏蔽材料有鐵、硅鋼片、坡莫合金等。對(duì)于一個(gè)磁導(dǎo)率為μ，長l，截面積為Ac的磁性元件，若磁通路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻，則磁路理論［8］表明：

式中：F=Hl——磁勢(shì)；

Φ=BAc——磁通量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；

K=l/μAc——磁阻。

磁路理論與電路理論相似，電路理論中的基爾霍夫電壓、電流定律也能對(duì)應(yīng)到磁路中。熱水器加一個(gè)鐵磁屏蔽殼后，屏蔽殼內(nèi)的磁通與泄漏到屏蔽殼外的磁通可視為并聯(lián)，由于鐵磁材料磁導(dǎo)率μ遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率μ0，磁通將大部分通過屏蔽殼形成回路，而只有很小的部分泄漏到殼外空氣中，這樣起到磁場(chǎng)屏蔽的作用。屏蔽殼體的磁阻越小，則屏蔽的效果越理想。由磁阻的表達(dá)式可知，所用鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ越高，屏蔽殼越厚（即Ac越大），則磁阻越小。為了獲得好的屏蔽效果，需要使用高磁導(dǎo)率材料，并使屏蔽殼足夠厚，有時(shí)需要多層屏蔽。因此，低頻磁屏蔽往往造價(jià)昂貴笨重。當(dāng)屏蔽殼需要開縫時(shí)，應(yīng)盡量使縫隙沿磁力線方向，因?yàn)榇怪贝帕€開縫會(huì)導(dǎo)致磁阻增大［9］。

1.2高頻磁場(chǎng)屏蔽

低頻磁場(chǎng)屏蔽的方法不能用于高頻磁場(chǎng)，因?yàn)殍F磁材料在高頻時(shí)損耗很大，磁導(dǎo)率明顯下降。高頻磁場(chǎng)屏蔽采用的是電導(dǎo)率高的良導(dǎo)體，其原理是利用電磁感應(yīng)在屏蔽殼表面產(chǎn)生渦流的反磁場(chǎng)來達(dá)到屏蔽的目的。如圖1所示，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)要阻止原來磁場(chǎng)的變化，其效果是大大減小原磁場(chǎng)垂直于屏蔽殼的分量，使磁力線繞行，從而減小泄漏到殼外的磁通［10］。

所用導(dǎo)體材料電導(dǎo)率越高，渦流越強(qiáng)，屏蔽效果越好。屏蔽殼不需太厚，因?yàn)楦哳l下趨膚效應(yīng)導(dǎo)致渦流僅在屏蔽殼表層流過，一般取屏蔽殼的厚度為0.2～0.8mm。對(duì)于銅，20kHz下，其趨膚深度為0.47mm。

圖1　高頻下的渦流效應(yīng)

2　有限元仿真結(jié)果與分析

本文針對(duì)一款工作頻率為20kHz，額定功率6 kW的快速電磁熱水器進(jìn)行分析。其內(nèi)部存在兩組加熱線圈，水依次流過，經(jīng)過兩次升溫。線圈采用銅絞合線，磁芯等效為純鐵。單個(gè)加熱線圈結(jié)構(gòu)見圖2，基本參數(shù)見表1。

圖2　加熱線圈模型

表1　加熱線圈基本參數(shù)

實(shí)際中進(jìn)行磁屏蔽設(shè)計(jì)并不容易，特別是對(duì)于低頻磁屏蔽的設(shè)計(jì)，對(duì)厚度的要求使加工難度增大，而高磁導(dǎo)率材料也較昂貴。另外，由于環(huán)境電磁的復(fù)雜性，磁屏蔽效果的檢測(cè)很困難，需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備。采用計(jì)算機(jī)軟件仿真可以克服這兩個(gè)困難。Ansoft Maxwell作為世界著名的商用低頻電磁場(chǎng)有限元軟件之一，在工程電磁領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼猓?1］。本文以銅殼代表高頻屏蔽方式，以鐵殼代表低頻屏蔽方式。

2.1二維瞬態(tài)磁場(chǎng)分析

對(duì)于單個(gè)線圈，可建立二維RZ模型，二維求解對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求低，求解快，且理論上與三維等效。在距離線圈5cm處加屏蔽殼，距屏蔽殼20cm處加測(cè)試線。

利用Ansoft的circuit editor為線圈加載激勵(lì)，如圖3所示，電源為頻率20 kHz，幅度±155 V的準(zhǔn)方波。

圖3　線圈加載激勵(lì)

為了保證結(jié)果準(zhǔn)確同時(shí)盡量減小仿真開銷，采集0～1ms內(nèi)觀測(cè)線處磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的瞬時(shí)變化，得到結(jié)果如圖4所示?？芍?jīng)過1ms后場(chǎng)量已穩(wěn)定，所以采集950～1000μs之間的一個(gè)周期的場(chǎng)量圖，采集間隔為1μs。

圖4　1ms內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化

當(dāng)屏蔽殼厚度為1 mm時(shí)，未加任何屏蔽、銅殼屏蔽、鐵殼屏蔽3種情況下觀測(cè)線處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化情況，如圖5所示。曲線的時(shí)刻為0.95～1ms之間磁感應(yīng)強(qiáng)度最大的時(shí)刻?？梢姡?dāng)屏蔽殼厚度為1mm時(shí)，銅殼的屏蔽效能明顯優(yōu)于鐵殼。

增大屏蔽殼厚度為5mm時(shí)，兩種屏蔽方式的效能如圖6所示?？梢?，增大銅殼的厚度屏蔽效能改善甚微，但增大鐵殼的厚度屏蔽效能改善極大。這與之前的分析一致，低頻磁屏蔽增大厚度能降低屏蔽體的磁阻從而提高屏蔽效能，而高頻屏蔽方式由于趨膚效應(yīng)，渦流只在導(dǎo)體表層分布，所以增大厚度并不會(huì)明顯提升屏蔽效能。

圖5　屏蔽殼厚度為1mm時(shí)觀測(cè)線處的磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖6　屏蔽殼厚度為5mm時(shí)觀測(cè)線處的磁感應(yīng)強(qiáng)度

除了屏蔽效能外，屏蔽殼對(duì)系統(tǒng)效率的影響也需要衡量。為此，利用Maxwell的場(chǎng)計(jì)算器分別對(duì)鐵芯和屏蔽殼上的歐姆損耗積分，得到損耗隨時(shí)間的變化如圖7所示。其中紅色曲線為鐵芯上功率損耗，紫色線為屏蔽殼上的功率損耗。由圖可知，屏蔽殼厚度為1mm時(shí)，銅屏蔽殼上歐姆損耗峰值約為3 W，而鐵殼約為62W。

可以看出，當(dāng)屏蔽殼厚度為較小時(shí)（1～5 mm），銅殼的屏蔽效果以及對(duì)系統(tǒng)效率的影響都要優(yōu)于鐵殼。

圖7　鐵芯和屏蔽殼上功率分布隨時(shí)間的變化曲線

2.2三維渦流場(chǎng)分析

由于本熱水器有兩個(gè)加熱線圈，無法建立等效的二維模型，所以建立三維的渦流求解模型，如圖8所示，藍(lán)色面為觀測(cè)面，粉色線為觀測(cè)線。下面分析兩線圈電流相位差以及兩線圈距離對(duì)磁場(chǎng)分布的影響。

圖8　熱水器加熱線圈三維模型

圖9　兩線圈加載不同相位的激勵(lì)時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度

當(dāng)兩線圈距離13cm時(shí)，兩線圈加載電流相位差0°，90°，180°時(shí)的場(chǎng)量分布如圖9所示。其中觀測(cè)線上所測(cè)值取自線上平均磁感應(yīng)強(qiáng)度最大時(shí)的相位（渦流求解可給出0°到360°的值）?？芍?，當(dāng)兩線圈加載激勵(lì)相位差180°時(shí)，周圍空間磁場(chǎng)強(qiáng)度最低，可降低磁屏蔽設(shè)計(jì)的難度。

給兩線圈加載相位差180°激勵(lì)，將距離縮小至7cm。此時(shí)觀測(cè)線上B的分布情況如圖10所示。可見，兩線圈距離靠近可降低周圍空間磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖10　減小兩線圈距離后的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

3　結(jié)束語

本文對(duì)電磁熱水器磁屏蔽進(jìn)行了基于有限元方法的軟件仿真，得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于本電磁熱水器，用銅殼進(jìn)行屏蔽比鐵殼效果好，而且對(duì)系統(tǒng)效率影響更小。這并不違背磁屏蔽設(shè)計(jì)的原則，因?yàn)楸疚牡拇牌帘卧O(shè)計(jì)有兩個(gè)特點(diǎn)：雖然激勵(lì)工作頻率為20kHz，屬于低頻，但其含高次諧波分量；考慮成本、體積、加工難度等因素，屏蔽殼不能太厚，而低頻磁屏蔽對(duì)厚度要求較高。

2）為了降低線圈周圍磁場(chǎng)，具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使兩線圈激勵(lì)的相位差為180°，并且使兩線圈的距離盡量小。

［1］陸玲霞，汪雄海.電磁水熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電工程，2012，19（6）：52-54.

［2］DAVIES E J.General theory of eddy current couplings and brakes［J］.Proceedings of the Institution of Electrical Engineers，1966，113（5）：825-837.

［3］SERGEANT P，DUPRE L，MELKEBEEK J.Active and passive magnetic shielding for stray field reduction of an inductionheaterwithaxial flux［J］.IEE Proc Electr Power Appl，2005，152（5）：1359-1364.

［4］PETER L S，LUC R D，MARC D W，et al.Optimizing active and passive magnetic shields in induction heating by a genetic algorithm［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2003，39（6）：3486-3496.

［5］SERGEANT P，HECTORS D，DUPRE L，et al.Thermal analysis of magnetic shields for induction heating［J］.IET Electr Power Appl，2009，6（3）：543-510.

［6］路宏敏.工程電磁兼容［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004：75-113.

［7］姚淳，郭祥玉.電磁屏蔽技術(shù)探討［J］.電源技術(shù)運(yùn)用，2005，8（4）：36-41.

［8］ERICKSON R W.Fundamentals of power electronics［M］. Secaucus：Kluwer Academic Publishers，2000：97-102.

［9］王巖.用傳輸線輸入阻抗原理確定屏蔽體屏蔽性能［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2007.

［10］徐亮.縫隙對(duì)屏蔽效能的影響分析［J］.信息與電子工程，2008（3）：19-22.

［11］趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用［M］.北京：水利水電出版社，2010：145-153.

（編輯：李妮）

Magnetic shielding analysis of electromagnetic water heaters by finite element method

SONG Bo，TIAN Zhong，WANG Xu，DING Weidong
（Research Institute of Electronic Science and Technology，University of Electronic Science and Technology，Chengdu 611731，China）

In order to reduce the magnetic interference of electromagnetic water heaters in work，it is necessary to design magnetic shielding.Certain eletromagnetic water heaters were selected as the object of study.Finite element software was used to simulate the shielding effectiveness of lowand-high frequency shielding methods and its impact on system efficiency.It is aimed to analyze the effect of the shielding case thickness，distance and currunt phase of two coils on the magnetic field strength generated by the electromagnetic water heaters.The experimental results suggest that the high-frequency shielding method is more suitable than the low-frequency shielding method，and the measures to invert the current phase of two coils or to shorten the distance thereof can reduce the magnetic field strengtharoundthesewaterheaters，whichismore favorable for magnetic shielding design.

magnetic shielding；finite element；induction heating；electromagnetic heater

A

1674-5124（2016）07-0131-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.027

2015-07-03；

2015-08-13

宋波（1989-），男，河北滄州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闊o線電能傳輸。