电磁炉能效提升及热效率分析

家用电磁炉产品属于小功率电磁加热系统，主要在2200W以下，其能效一般都是三级（热效率86%以上），二级能效（热效率88%以上）都非常少。目前提升能效的方法大多聚焦在线圈盘上，其实能效是一门系统学科，不是某一个部件来决定的，本文从系统的角度对小功率电磁炉能效提升作一个探讨。

电磁炉框架

电磁加热依靠线圈盘产生高频振荡电流波形，在金属锅具上产生涡流而发热，所以系统的三大件是主板、线圈盘和锅具，三者匹配好才是一个完美的系统，国家标准为了测试能效制定了标准锅的要求，要想在能效上达到国家标准，那么设计以标准锅作为参照，然而在用户家里是各种各样的锅，所以电磁炉就算标注二级能效，那也是用国家标准锅得出的结论，在用户使用中又得另当别论了，因为三大件中的锅具变了，系统也就变了。

我们首先来看线圈盘，线圈盘的线圈目前采用铜材料和铝材料，金属材料有一个电阻温度系数k，是指金属材料在不同的温度下，其阻值不同。

故根据其特性又分为正温度系数和负温度系数的金属材料：

正温度系数材料温度越高，其阻值越大；

负温度系数材料当温度越高，阻值越小。

金属的电阻温度系数k与温度的关系如下：

K为常数，铜材料K=234.5，铝材料K=228.1，注意这是大写的K，小写的k为电阻温度系数，T为线的温度，金属的电阻温度系数通常都是以20℃为参照给出参数，故计算公式里面有个“20”。

例如铜线的电磁炉线圈盘，在20℃时的直流阻值为R=100mΩ，此时电阻温度系数为1，若功率为2200W时通过的电流为10A，那么损耗在线圈盘上的功率为P=I2R=10A*10A*0.1Ω=10W

若是线圈的温度达到100℃时，电阻温度系数k=1+((100-20)/234.5)=1.34，此时的电阻R=1.34*100 mΩ=134 mΩ，那么损耗在线圈盘上的固有功率为P=I2R=10A*10A*0.134Ω=13.4W，功耗多增加了3.4W。

所以在低频情况下金属材料的阻值与温度相关，而在高频情况下，金属材料的阻值还与频率相关，导线中电流的频率越高，电子就会越趋于导线表面（类似皮肤），而不经过导线内部实心，这就是“集肤效应”。集肤效应的结果就是使导线的阻抗变大，相同的电流下发热就会严重许多。这也就是电磁炉线圈盘为什么要多股漆包线的原因。那么具体要多少股，集肤效应到底有多大影响呢？这就需要一个可量化的参数叫集肤深度，集肤深度指导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的1/e(e为自然底数e=2.71828183）处的深度。

集肤深度定义

集肤深度的公式如下，单位为米（m）：

k：材料的电阻温度系数

ρ：材料的电阻率

ω：角频率

μ：材料的磁导率

比如铜线在20℃，工作频率25Khz时:

k=1+((20-20)/234.5)=1

ρ=1.75×10-8 Ω·m

ω=2πf

μ=4π×10-7 H/m

代入公式得到（注意单位转换成了mm）

若是铜线在100℃时:

代入公式得到（注意单位转换成了mm）

从以上可以看出，频率越高集肤深度越小，其阻值就越小，损耗功率就越高。温度越高时，集肤深度会增大，损耗的功率反而会降低。铜线阻值与温度和频率息息相关，温度越高其直流阻值变大，交流阻值受集肤效应的影响有增有减，那么整体的损耗功率我想也未必会增大，也有可能会降低，最终会稳定在某一个数值吧。

那么在能效里面，肯定是功率损耗越小，能效越高，降低线圈盘的温升，肯定会使损耗变小。而线圈与锅具中间隔着微晶板，为了谐振参数中间还会存在一些空隙，我们都知道这个空隙越小，磁能损耗也会变小，能效就越高，但是空隙变小后散热能力下降，使线圈的温度又上升了，这是一个矛盾体。

电磁炉框架

线圈盘透过微晶板给锅具加热的同时，锅具的热量也会热传导给微晶板，微晶板的热量又会传导给线圈盘，最后通过风道空隙把热量带走，实际上就间接带走了负载的热量，从而降低了能效，那么有没有办法阻止带走微晶板的热量呢？我想在风道空隙层加入隔热材料，这样微晶板的热量就不会传导给线圈盘，且线圈盘的温升也会降低，同时微晶板的热量也只传递给锅具，能效自然也就提高了。能效提升设想如下图所示。

电磁炉能效提升系统设想