Стан і перспективи мультифізичного моделювання індукційних кухонних плит

Abstract

Індукційні плити являють собою відносно новий клас сучасної електропобутової техніки – кухонні електричні плити, які розігрівають металевий посуд вихровими струмами, які створюються електромагнітним полем частотою 20-100 кГц. Представляє значний інтерес дослідження мультифізичних (електромагнітних, теплових і механічних) процесів, що протікають в індукційних плитах в процесі їх експлуатації, а також розробка методики розрахунку і проектування їх конструктивних елементів. Отримані результати мають бути розраховані на використання в практиці конструювання побутових індукційних плит, а також у навчальному процесі для підготовки фахівців за відповідною навчальною програмою. Кількість опублікованих робіт, присвячених комп’ютерному моделюванню процесів в індукційних кухонних плитах, на багато порядків менше, ніж кількість публікацій з питань добре розвинутого чисельного аналізу мультифізичних явищ у промислових індукційних нагрівачах. У статті наведено огляд і аналіз публікацій, головним чином опублікованих у закордонних виданнях, присвячених мультифізичному комп’ютерному моделюванню електромагнітних і теплових процесів і явищ в індукційних кухонних плитах і посуді, що нагрівається. Запропоновані напрямки подальших досліджень: доцільно врахувати при застосуванні метода скінчених елементів залежності електрофізичних та теплофізичних властивостей матеріалів від температури, а також нелінійні магнітні властивості (основні криві намагніченості) феромагнітних матеріалів. Математичне моделювання розподілу зв’язаних полів доцільно розпочати у двовимірній постановці (значно більш складна тривимірна постановка та відповідне програмне забезпечення можуть бути використані пізніше для уточнення отриманих результатів).

Induction cookers are a relatively new class of modern electrical household appliances – kitchen electric stoves that heat metal dishes with eddy currents generated by an electromagnetic field witha frequency of 20-100 kHz. Of considerable interest is the study of multiphysical (electromagnetic, thermal, and mechanical) processes occurring in induction cookers during their operation, as well as the development of methods for calculating and designing their structural elements. The results obtained should be intended for use in the practice of designing domestic induction cookers, as well as in the educational process for training specialists in the relevant curriculum. The number of published papers devoted to computer simulation of processes in induction cookers is many orders of magnitude less than the number of publications on the issues of well-developed numerical analysis of multiphysical phenomena in industrial induction heaters. The paper presents a review and analysis of publications, mainly published abroad devoted to multiphysical computer modeling of electromagnetic and thermal processes and phenomena in induction cookers and heated dishes. The directions for further research have been proposed: it is advisable to take into account, when applying the finite element method, the dependencies of the electrophysical and thermal properties on temperature, as well as the nonlinear magnetic properties (main magnetization curves) of ferromagnetic materials. Mathematical modelling of the distribution of coupled fields should be started in a two-dimensional formulation (a much more complicated three-dimensional formulation and the corresponding software can be used later to refine the results).