一種轉(zhuǎn)盤(pán)式微波爐腔體性能優(yōu)化的研究

張磊 李法民 李維雨 鮑鑫 陳喜 袁怡磊

(惠而浦（中國(guó)）股份有限公司 安徽合肥 230088)

1 引言

隨著微波爐的普及和人們生活水平的提高，用戶(hù)使用微波爐不單單是出于微波加熱功能的需要，更重要的是用微波爐進(jìn)行各種復(fù)雜的烹調(diào)，所以對(duì)微波爐的煮食性能提出了更高的要求。同時(shí)隨著國(guó)家對(duì)家用廚房電器的標(biāo)準(zhǔn)的修改和提高，在標(biāo)準(zhǔn)方面也對(duì)微波爐的性能提出了更高的要求。

2 微波仿真優(yōu)化和性能比對(duì)

本文所研究是一種前期生產(chǎn)的微波爐，其性能相對(duì)而言比較差，通過(guò)對(duì)其優(yōu)化使其性能得到進(jìn)一步提升。此種轉(zhuǎn)盤(pán)微波爐的基本腔體是一個(gè)長(zhǎng)方形的空腔，其長(zhǎng)、寬、高分別為295mm、290mm、195mm，盛放食物的玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)放在微波爐的底部中間位置，用戶(hù)在使用時(shí)把食物放在玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)的位置上進(jìn)行加熱，所以對(duì)家用微波爐的均勻性提出了更高的要求。為了使食物能被均勻加熱，爐腔內(nèi)電磁場(chǎng)能量分布應(yīng)均勻。如果能量分布不均勻，用戶(hù)用其進(jìn)行煮食時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)部分過(guò)熟，部分不熟的現(xiàn)象；如果用戶(hù)忘記放食物啟動(dòng)微波爐，則會(huì)出現(xiàn)聚焦、熔軸等現(xiàn)象；在按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，也不滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于微波爐性能的要求。

對(duì)微波爐加熱均勻性而言，除了所加熱食物自身的特點(diǎn)和容器的形狀以外，腔體的結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，決定了電磁場(chǎng)在爐腔中的分布。電磁場(chǎng)在腔體內(nèi)分布要均勻，否則加熱不均勻直接影響了食物被加熱的效果，這就對(duì)微波爐的腔體結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。筆者通過(guò)微波仿真軟件對(duì)影響加熱均勻性的腔體進(jìn)行分析研究，并通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比優(yōu)化前后性能的提升情況。

2.1 微波仿真和優(yōu)化

微波仿真使用的是ansoft公司hfss高頻仿真軟件，大致仿真的步驟如下[1-3]。

（1）對(duì)腔體進(jìn)行建模；

（2）設(shè)置材料參數(shù)；

（3）設(shè)置計(jì)算類(lèi)型和波端口；

（4）設(shè)置邊界條件；

（5）設(shè)置分析；

（6）數(shù)據(jù)處理。

首先對(duì)優(yōu)化前的腔體進(jìn)行建模，優(yōu)化所研究的微波爐是一種21L轉(zhuǎn)盤(pán)式微波爐，其腔體是一個(gè)矩形諧振腔，主要有右側(cè)面的微波源、波導(dǎo)、玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)、前面板、后面板、爐門(mén)、扼流圈、門(mén)內(nèi)貼膜、云母片等組成。微波爐爐腔內(nèi)具體的材料參數(shù)見(jiàn)表1。其中表1中材料4參考自文獻(xiàn)[2]，其余材料參考自文獻(xiàn)[4]。腔體內(nèi)剩余材料的設(shè)置來(lái)自軟件的材料庫(kù)。

由于只是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，所以從節(jié)約的原則，盡量使其更改小，效果優(yōu)。優(yōu)化中所采用的方法是在原腔體的左側(cè)進(jìn)行間隔2mm的距離進(jìn)行拉伸仿真，找出電場(chǎng)的變化規(guī)律，經(jīng)過(guò)多次仿真優(yōu)化，在左側(cè)拉伸24mm時(shí)通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)中間場(chǎng)強(qiáng)明顯減弱，四周場(chǎng)強(qiáng)優(yōu)分布明顯比優(yōu)化前均勻。優(yōu)化前和左側(cè)拉伸24mm時(shí)最佳優(yōu)化的場(chǎng)分布云圖，分別如圖1和圖2所示。左側(cè)的拉伸使微波爐的腔體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而改變電場(chǎng)在爐腔中的分布。

從空載仿真云圖圖1可以看出，腔體優(yōu)化前微波在爐腔中心位置場(chǎng)強(qiáng)比較集中。從云圖圖2中可以看出，優(yōu)化后場(chǎng)強(qiáng)分布相對(duì)比較均勻。左側(cè)的拉伸改變了爐腔中場(chǎng)的分布，通過(guò)仿真，能夠比較清晰地觀察場(chǎng)在爐腔中的分布的大致情況，優(yōu)化后中間場(chǎng)強(qiáng)明顯減弱，而四周場(chǎng)強(qiáng)明顯增強(qiáng)。圖3和圖4分別為優(yōu)化前后的模型圖。

2.2 優(yōu)化前后的性能對(duì)比

隨機(jī)抽取優(yōu)化前的腔體和優(yōu)化后所做的腔體手板件，進(jìn)行實(shí)際的性能測(cè)試，并對(duì)比優(yōu)化前后的性能參數(shù)。通過(guò)實(shí)際的對(duì)比驗(yàn)證，以客觀的數(shù)據(jù)和圖片直接反應(yīng)優(yōu)化后的效果。

2.2.1 空載測(cè)試

通過(guò)在線生產(chǎn)的微波爐空載測(cè)試時(shí)，微波運(yùn)行約5分鐘出現(xiàn)熔滾輪軸現(xiàn)象，見(jiàn)圖5。優(yōu)化后的微波爐手板件經(jīng)過(guò)實(shí)際的空載測(cè)試，連續(xù)滿(mǎn)功率運(yùn)行30分鐘后，滾輪軸完好無(wú)損，見(jiàn)圖6。

優(yōu)化前微波場(chǎng)在中間集中，優(yōu)化后微波場(chǎng)在中間減弱，場(chǎng)分布均勻。根據(jù)傳輸線理論[5]，優(yōu)化前波導(dǎo)與腔體不匹配，微波大多數(shù)被滾輪軸吸收；經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，波導(dǎo)與腔體匹配，微波部分被腔體和玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)吸收，部分被反射回到微波源，整機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)熱量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

表1 介質(zhì)材料表

表2 優(yōu)化前均勻性測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 優(yōu)化后均勻性測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 腔體優(yōu)化前后的煮食對(duì)比測(cè)試

圖2 腔體優(yōu)化后的仿真云圖

圖3 腔體優(yōu)化前的模型

圖4 腔體優(yōu)化后的模型

圖5 腔體優(yōu)化前試驗(yàn)軸

圖6 腔體優(yōu)化后試驗(yàn)軸

圖7 試驗(yàn)容器在轉(zhuǎn)盤(pán)中的放置方式

2.2.2 均勻性的前后比對(duì)測(cè)試

按照家用微波性能標(biāo)準(zhǔn)[6]中要求的容器和具體的轉(zhuǎn)盤(pán)微波爐試驗(yàn)方法，即5點(diǎn)法對(duì)優(yōu)化前后的加熱均勻性進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)容器按照?qǐng)D7的方式進(jìn)行放置。具體的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。

通過(guò)實(shí)際的加熱均勻性測(cè)試，腔體優(yōu)化前中間1號(hào)點(diǎn)溫度最高，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)平均值相差3.5℃，說(shuō)明在小負(fù)載時(shí)中間場(chǎng)仍然最強(qiáng)。通過(guò)優(yōu)化后，中間1號(hào)點(diǎn)溫度降低，5號(hào)點(diǎn)溫度最高，最高點(diǎn)溫度與最低點(diǎn)溫度平均相差1.85℃。通過(guò)均勻性對(duì)比測(cè)試，優(yōu)化后的腔體在小負(fù)載情況下，場(chǎng)分布也更加均勻，整機(jī)均勻性提高了約8個(gè)點(diǎn)。

2.2.3 煮食的前后比對(duì)測(cè)試

煮食性能的好壞，是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題，它給用戶(hù)最直觀和最親身的感受，檢驗(yàn)微波爐的性能最直接的就是煮食性能測(cè)試。按照微波爐的性能標(biāo)準(zhǔn)[6]和企業(yè)煮食標(biāo)準(zhǔn)[7]中5項(xiàng)最直接的方法對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。表4是腔體優(yōu)化前后的煮食測(cè)試結(jié)果，每個(gè)項(xiàng)目規(guī)定相應(yīng)的等級(jí)，按照企業(yè)煮食標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其評(píng)價(jià)，其中5為最高等級(jí)，1為最低等級(jí)，3等級(jí)包含3等級(jí)以上為及格。其中，雙杯試驗(yàn)中有對(duì)稱(chēng)和偏置兩種放置方式，本試驗(yàn)選擇最苛刻的偏置放置進(jìn)行測(cè)試。

通過(guò)對(duì)實(shí)際煮食性能直觀的測(cè)試，優(yōu)化后的腔體均勻性更好。腔體優(yōu)化前5項(xiàng)總的等級(jí)為14，腔體優(yōu)化后等級(jí)為16.3，提高了2.3，并且在優(yōu)化前松軟蛋糕測(cè)試項(xiàng)目的評(píng)價(jià)不及格。優(yōu)化后的腔體在不同形狀的食物和容器下，整體煮食性能比優(yōu)化前的更優(yōu)。

3 結(jié)論

影響微波爐加熱均勻性的因素很多，對(duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)微波爐而言，除了腔體自身因素，還有食物和容器的形狀和大小等。本文通過(guò)對(duì)腔體的優(yōu)化來(lái)提高腔體內(nèi)場(chǎng)的分布，以此來(lái)改變腔體對(duì)加熱食物均勻性的影響。在優(yōu)化的過(guò)程中，以仿真為手段，以實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)結(jié)果直觀的感受和測(cè)量，對(duì)比優(yōu)化前后腔體的變化情況。通過(guò)對(duì)空載、加熱均勻性、以及煮食試驗(yàn)看出，優(yōu)化后的腔體性能得到了提升。

[1] 巨漢基. 微波爐腔體電磁場(chǎng)分布仿真及尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]：[電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文]，成都：電子科技大學(xué)，2008.

[2] 顧小衛(wèi)、蒙林、孫宜琴等.微波爐爐腔內(nèi)電磁場(chǎng)仿真[J].電子器件，2008：804-806

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[5] 廖承恩. 微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《家用微波爐 性能測(cè)試方法》 GB/T 18800-2008.

[7] 企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn).HFSY-2013.微波爐煮食實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[Z].合肥：生活電器技術(shù)部，2013.