基于旋转电磁理论的食品加热器的研究

摘要

目前我国经济的快速发展、不断变化的人口结构及经济结构的改革，驱使能源消费迅猛增长，能源安全问题也成为能源发展的焦点。电加热技术作为安全有效的能源方式，长期以来很受重视，电热学也因此发展成了一门集电气工程、热工学及材料学等学科为一体的交叉学科。本文以食品加热器(专利号CN200510010136.1)为背景，对其进行了基础研究工作。首先，通过介绍现有的几种电热方式以及应用，引出了动态电磁感应加热概念；简介了国内外单兵野战口粮加热的发展，分析现今这些加热方法的优缺点。然后，提出食品加热器的机体结构，介绍了其工作原理，建立了其等效磁路模型。然后从电机与电器的温升反问题出发，在电磁场和经验公式的基础上，建立起了食品加热器的热功率数学理论模型和热路模型。其次，对食品加热器的侧部类永磁同步电机结构进行了二维有限元分析。分析了静态时气隙磁场分布规律和漏磁分布情况，通过改变气隙大小、磁钢充磁方式，来评定气隙磁场的变化，从减少漏磁的角度，对加热器结构进行优化，并对新结构的气隙磁场进行了比较分析。在转速一定的情况下，对加热器各类热功率进行数值分析，并给出不同转速下的热功率与转速变化规律；从热功率与转矩特性对新结构进行评定，理论验证新结构优于原加热器结构。最后，设计了实验装置，测试了不同转速下加热器的温升曲线，并与仿真结果进行了比较论证。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外综述

1.2.1 传统的电热方式

1.2.2 电磁感应加热

1.2.3 军队加热食品的方法

1.3 本课题主要研究的内容

第2章 食品加热器的数学模型

2.1 食品加热器的基本结构和工作原理

2.2 食品加热器的磁路模型

2.2.1 永磁体磁路模型

2.2.2 外磁路的等效磁路

2.2.3 食品加热器的等效磁路

2.2.4 等效磁路各参数的标幺值

2.2.5 等效磁路的解析解

2.3 电机损耗分析

2.3.1 铁心中的基本铁耗

2.3.2 电气损耗

2.3.3 其他损耗

2.4 食品加热器发热的数学模型

2.4.1 铁心中的磁滞热功率

2.4.2 铁心中的涡流热功率

2.4.3 短路绕组中的短路电流热功率

2.4.4 食品加热器发热的数学模型

2.4.5 食品加热器的热路模型

2.5 本章小结

第3章 食品加热器的静磁场分析

3.1 引言

3.2 二维有限元模型的建立

3.2.1 模型结构

3.2.2 模型中使用的材料属性

3.3 气隙磁场分析

3.3.1 气隙磁密的空间分布图

3.3.2 气隙磁场特性分析

3.3.3 磁密截面图

3.4 改变气隙尺寸气隙磁场的变化情况

3.5 改变充磁方式气隙磁场的变化情况

3.6 添加隔磁装置的转子结构加热器的磁场分析

3.7 本章小结

第4章 食品加热器的热功率分析

4.1 引言

4.2 模型的建立

4.3 转速一定时食品加热器的热功率分析

4.3.1 短路铜条中的热功率

4.3.2 实心铁心中的涡流热功率

4.3.3 实心铁心中的磁滞热功率

4.3.4 食品加热器侧部热功率分析

4.4 转速变化时食品加热器的热功率分析

4.4.1 不同转速下食品加热器的侧部热功率

4.4.2 总热功率随着转速变化的情况

4.5 改进结构的热功率分析

4.5.1 短路电流热功率

4.5.2 实心铁心中的涡流热功率

4.5.3 实心铁心中的磁滞热功率

4.5.4 总热功率

4.5.5 转速变化时改进结构的热功率

4.5.6 改进结构转矩波动情况

4.6 本章小结

第5章 食品加热器的实验研究

5.1 试验平台的搭建

5.2 温升曲线的测定

5.3 实测温升值与热路模型温升值的比较

5.4 实测温升值与仿真的热功率值的比较

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢