本实用新型涉及电磁炉加热技术，具体涉及一种至少含有一个抽头与一组附加电容的电磁炉线圈盘，以及电磁炉线圈盘的等效阻抗变换方法。
背景技术：
：电磁炉利用感应涡流对金属锅具进行加热，即在线圈盘中通入高频交流电流产生交变磁场，利用电磁感应使锅具底部产生涡流，通过涡流的焦耳热效应直接对锅具加热。与传统的加热方式相比，电磁炉无需明火或传导热，其加热效率比传统炉具高40％，使用环境安全卫生，无需铺设专门的燃气管道，安装便捷，可适应多种场合，具有广大的应用市场。现有的电磁炉加热效率一般为86％，仍有较大的提升空间。为了提高加热效率，即提高锅具折合电阻与线圈本身交流电阻的比值，要求线圈盘和锅具间有较高的互感，这对电磁炉的锅具材质提出了较高的要求。相关效率测试和分析结果表明：在相同的电磁炉线圈盘与工作频率下，不锈钢锅具相比铝锅，其加热效率提高了35％。由此可见，提高电磁炉线圈盘和锅具间的互感是提高电磁炉加热效率的有效方法。目前，国内外电磁炉制造厂商基本采用多层材料复合型锅底的锅具，该锅具通过在锅底添加高磁导率的不锈钢材料，增强锅具与线圈盘间的互感。另一方面，可通过提高工作频率来提高加热效率。线圈盘耦合到锅具中的感应电势提高，则锅具折合到原边的等效电阻将增大。但是随着工作频率提升，集肤效应与邻近效应使得线圈有效导电截面积减小，线圈盘自身交流电阻也将增大。日本hatayam,okay,umetanik,etal.novelthinheatingcoilstructurewithreducedcopperlossforhighfrequencyinductioncookers[c]//internationalconferenceonelectricalmachines&systems.ieee,2017.提出一种新的线圈盘绕组与磁芯结构，其线圈由厚度接近集肤深度的矩形线叠压而成，以减小集肤效应带来的铜损，并在不同匝线圈之间加入软磁材料使得电流均匀分布在导线截面上，减小了由邻近效应产生的铜损。采用这种新型线圈可有效降低线圈交流损耗，进而通过提高工作频率来提高线圈加热效率。然而，一般电磁炉使用litz线作为线圈盘，其交流电阻很小，因此使用新型线圈盘以进一步减小其交流电阻，对提升线圈盘加热效率的作用十分有限。同时，对于小功率电磁炉而言，其使用的单管准谐振变换器对线圈盘等效阻抗值有严格要求。由上述分析可知，在一定频率范围内，通过提高工作频率可提高电磁炉加热效率。但是，在高频下实际的线圈等效感值大于变换器要求的线圈等效感值，对此需减少线圈盘匝数以减小线圈等效感值。与此同时，线圈盘匝数减小将导致锅具折合阻值的减小，这与提高锅具加热效率的目的相悖。另外，锅具折合电阻与线圈盘匝数的平方成正比，而线圈交流电阻与线圈盘匝数成线性关系，则通过提高线圈盘匝数可提高加热效率。但是，线圈等效电感也与线圈盘匝数平方成正比，在线圈盘匝数增大时，线圈等效感值远大于变换器所要求的线圈等效感值，导致电磁炉无法工作在准谐振状态。较大的开关损耗将进一步降低其加热效率，严重时甚至损坏开关管。因此，在不改变电磁炉电路结构前提下，独立、解耦的线圈盘等效阻抗值是使得上述提高加热效率方法有效实施的关键。为了获得独立、解耦的线圈盘等效阻抗值，可通过谐振网络实现线圈盘等效阻抗值的变换。将原有的线圈盘接入谐振网络，通过电感电容谐振可实现电磁炉线圈盘的等效阻抗变换。再串入附加电感可使得谐振网络的阻抗值满足电磁炉准谐振要求。为了实现阻抗变换，可利用附加电容与电磁炉线圈盘串并联构造谐振单元，再结合附加变压器实现电磁炉线圈盘等效阻抗变换。然而附加变压器将增大电磁炉线圈盘的体积重量，并进一步增大铜损；同时，若在单管准谐振变换器中加入变压器和谐振网络，线圈盘阻抗模型将等效为极大的激磁电感与电阻并联，进而导致单管准谐振变换器无法工作在准谐振状态。因此针对小功率电磁炉用的单管准谐振变换器，需进一步设计其阻抗变换网络。技术实现要素：发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，包括线圈盘磁芯、带抽头的线圈盘绕组与附加电容，该线圈盘绕组通过抽头或端口与变换器相接，其两端与附加电容并联构成谐振单元，以实现电磁炉线圈盘等效阻抗值的独立、解耦以及变换。同时，结合提高线圈盘绕组匝数和工作频率的措施，可提升电磁炉加热效率和改善变换器输出特性。另外，通过切换抽头可实现不同的等效阻抗变换，以此可扩大电磁炉的锅具适用范围。技术方案：一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，包括线圈盘、变换器，所述线圈盘包括线圈盘磁芯与线圈盘绕组，还包括等效阻抗变换网络，所述等效阻抗变换网络与线圈盘绕组和变换器连接。进一步地，所述变换器包括电源ud、谐振电容cr1、开关管q、二极管d，其中电源ud的正极与谐振电容cr1第一端连接，其公共端为变换器输出端，开关管q集电极、二极管d阴极与谐振电容cr1的第二端连接，其公共端构成变换器输入端，开关管q发射极、二极管d阳极与电源ud负极连接；所述等效阻抗变换网络包括附加电感ls、第一切换开关s1、第二切换开关s2、附加电容cr2，所述线圈盘绕组具有两个端口，附加电容cr2设置在第一端口与第二端口之间线圈盘绕组设置n个抽头，n为大于等于1的自然数，变换器输入端与第一切换开关s1连接，变换器的输出端连接附加电感ls的第一端，附加电感ls的第二端连接第二切换开关s2，n为1时，第二切换开关s2可切换至第一端口、第二端口，第一切换开关s1可切换至抽头；n为大于1的自然数时，第二切换开关s2可切换至第一端口、第二端口或第i个抽头，i为大于等于1且小于等于n的自然数，第一切换开关s1可切换至第j个抽头，i≠j，两个切换开关连接的端口或抽头之间的线圈盘绕组为一条支路，其余部分线圈盘绕组串联附加电容cr2构成另一条支路，两条支路并联构成谐振单元，且各部分均对锅具加热。进一步地，所述变换器包括电源ud、谐振电容cr1、开关管q、二极管d，其中电源ud的正极与谐振电容cr1第一端连接，其公共端为变换器输出端，开关管q集电极、二极管d阴极与谐振电容cr1的第二端连接，其公共端构成变换器输入端，开关管q发射极、二极管d阳极与电源ud负极连接；所述等效阻抗网络还包括附加电感ls、附加电容cr2、附加电容cr3，所述附加电感ls的第一端与变换器输出端连接，附加电感ls的第二端连接线圈盘绕组第一端口，附加电容cr2的第一端连接变换器的输入端，附加电容cr2的第二端连接线圈盘绕组第二端口，变换器输入端与线圈盘绕组第一端口之间连接一个附加电容cr3，线圈盘绕组与附加电容cr2串联形成一个串联支路，再与附加电容cr3并联构成谐振单元；所述线圈盘绕组各部分均对锅具加热。进一步地，将附加电容cr3替换为一个谐振电感lr。进一步地，所述等效阻抗变换网络中的各电感可与线圈盘绕组一起绕制在线圈盘磁芯上，并加入磁芯减小与锅具之间的耦合，以提高磁芯利用率；或者分别单独绕制在独立磁芯上，以调整各电感的感值。进一步地，谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，所述线圈盘绕组等效阻值requ、等效感值lequ与附加电感ls的感值优化计算公式如下：其中，所述线圈盘绕组中与切换开关s1、切换开关s2相接的部分为绕组一w1，所述线圈盘绕组中去除绕组一的部分绕组为绕组二w2，cr2为附加电容cr2的电容值，lsum与rsum分别为所述线圈盘绕组等效感值与等效阻值，lset与rset分别为要求感值与要求阻值，以满足变换器输出特性，l1与r1分别为绕组一的等效感值与等效阻值，r2为绕组二的等效阻值，m12与rm12分别为绕组一与绕组二之间的互感与互阻。进一步地，所述线圈盘绕组与附加电容cr2串联形成一个串联支路，再与附加电容cr3并联构成谐振单元，所述谐振单元与附加电感ls串联接入变换器，所述谐振单元的谐振频率ωr与工作频率ωs相等，如式(5)所示，所述线圈盘绕组等效阻值requ、感值lequ与附加电感ls优化为式(6)～(8)所示关系：其中，cr2为所述附加电容cr2的电容值，cr3为附加电容cr3的电容值，lsum与rsum分别为所述线圈盘绕组等效感值与等效阻值，lset与rset分别为要求感值与要求阻值。进一步地，所述线圈盘绕组与附加电容cr2串联形成一个串联支路，再与谐振电感lr并联构成谐振单元，该谐振单元进而与附加电感串联接入变换器，所述谐振电感和附加电感可绕制在线圈盘磁芯或独立磁芯上，所述谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，所述线圈盘绕组等效阻值requ、感值lequ与附加电感ls优化计算公式如下：lset＝lequ＝ls lr(11)ls＝lset-lr(12)其中，cr2为附加电容cr2的电容值，lr为谐振电感lr的电感值，lsum与rsum分别为所述线圈盘绕组等效感值与等效阻值，lset与rset分别为要求感值与要求阻值。进一步地，通过切换开关可改变线圈盘与变换器相接端口，同时改变附加电容、附加电感以及谐振电感，可实现不同的电磁炉线圈盘等效阻抗变换，进而适应不同输入电压与不同的工作频率，并扩大电磁炉对不同材料锅具的适用范围；其中，所述附加电容由多个电容构成，通过继电器可改变其容值，所属附加电感以及谐振电感分别由多个电感构成，通过继电器可改变其感值。进一步地，所述线圈盘绕组沿垂直于气隙的平面绕制成单层或多层，在气隙垂直方向的平面几何形状为圆形、正多边形或以上形状的组合；线圈盘磁芯结构为u型，导磁材料优选为铁氧体，以提高磁场强度并减小成本；所述线圈盘绕组、附加电感以及谐振电感的导线优选为litz线，以减小线圈盘损耗并减小线圈盘生产成本，所述附加电容可选用薄膜电容或cbb电容。本实用新型具有如下有益效果：1、本实用新型设计了一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，通过并联附加电容和串联附加电感可实现电磁炉线圈盘阻抗变换，以满足变换器对线圈盘的阻抗要求。2、本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，在不改变原电路拓扑基础上，通过调整阻抗变换后线圈盘的等效阻抗值，在相同输出功率下，可对变换器中器件的电压应力、电流应力以及变换器效率进行优化。3、本实用新型中一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，通过切换抽头可实现不同的等效阻抗变换，扩大电磁炉线圈盘的锅具适用范围。4、本实用新型中一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，通过适当提高主绕组的匝数和工作频率，可以有效提高对不同材质锅具的加热效率，同时结合阻抗变换可满足变换器对电磁炉线圈盘的阻抗要求。附图说明图1为传统的电磁炉线圈盘结构示意图；图2为本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘采用抽头结构的示意图；图3为本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘只采用附加电容的结构示意图；图4为本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘采用谐振电感与附加电容的结构示意图；图5(a)为本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘采用单抽头方式的结构示意图，图5(b)为本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘采用三抽头方式的结构示意图；图6为本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘的等效电路图；图7为负载为铁制锅具时本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘的阻抗变换电路仿真波形图；图8为不同电磁炉线圈盘等效阻抗的器件应力曲线图；图9为负载为铝制锅具时本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘的阻抗变换电路仿真波形图；图10(a)为负载为铝制锅具采用传统电磁炉线圈盘的电路仿真波形图；图10(b)为负载为铝制锅具采用本实用新型一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘的电路仿真波形图；图11为负载为铝制锅具时不同匝数、频率下的炉盘加热效率曲线图。具体实施方式下面结合附图对本实用新型作更进一步的解释。传统电磁炉线圈盘如图1，由整段绕组绕制而成，将绕组的第一端口、第二端口接入变换器。由于线圈盘等效电阻rsum等效为线圈盘自身交流电阻rcoil与锅具折合电阻rpan之和，则炉盘加热效率ηcoil＝ppan/(ppan pcoil)＝rpan/rsum＝rpan/(rpan rcoil)。与普通电感类似，锅具折合电阻rpan与线圈盘绕组总匝数nsum的平方成正比，而线圈盘自身交流电阻rcoil与nsum成线性关系，因此通过提高nsum可提高炉盘加热效率ηcoil。但随着nsum提高，线圈盘等效感值lsum也随之提升，从而导致变换器输出功率下降，或者无法工作在准谐振状态进而损坏igbt。而随着工作频率ωs提高，由于锅具底部感应出的涡流集肤深度减小，锅具折合电阻rpan将增大，而线圈盘绕组使用litz线绕制，在一定频率范围内其交流阻值rcoil基本不变化，因此通过提高ωs可提高炉盘加热效率ηcoil。但随着ωs提高，线圈盘等效感值将远大于变换器准谐振状态所需感值，同样会造成变换器输出功率下降，或者无法工作在准谐振状态进而导致igbt损坏。由此可见，独立、解耦的线圈盘等效感值与等效阻值，是使得提升炉盘加热效率方法有效实施的关键。实施例一：图5(a)为本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘第一实施例的结构示意图，如图5(a)所示，第一实施例中，线圈盘绕组w以单层、整段的方式绕制，以减小线圈盘体积与重量，从绕组中引出抽头a，线圈盘绕组通过端口①、②与附加电容cr2并联连接构成谐振单元。其中端口①与抽头a间的绕组为w1，端口②与抽头a间的绕组为w2。附加电感ls一端通过切换开关s1与端口①或端口②连接，即与谐振单元串联构成阻抗变换网络，进而与变换器输出端相接。其中附加电感ls可与线圈盘绕组一起绕制在线圈盘磁芯上，并加入磁芯减小与锅具之间的耦合，以提高磁芯利用率；或者单独绕制在独立磁芯上，以调整附加电感ls感值。本实用新型的电磁炉线圈盘通过抽头a与变换器输入端相接。其中线圈盘绕组可采用lize线、铜皮、铜管绕制，也可采用pcb绕组等方式，附加电容可选用cbb电容或薄膜电容。与普通电感类似，锅具折合电阻rpan与nsum的平方成正比，而线圈盘自身交流电阻rcoil与nsum成线性关系，因此提高nsum可提高炉盘加热效率ηcoil。而随着工作频率ωs增大，由于锅具底部感应出的涡流集肤深度减小，锅具折合电阻rpan将增大，而线圈盘绕组使用litz线绕制，在一定频率范围内其交流阻值rcoil基本保持不变，因此提高ωs可提高炉盘加热效率ηcoil。但随着nsum、ωs提高，线圈盘等效感值lsum也随之变化，无法满足变换器要求。本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，通过端口①、②与附加电容cr2并联连接构成谐振单元，从而实现线圈盘等效阻值rsum变换。其中，谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，如式(1)所示；而本实用新型的电磁炉线圈盘等效阻值requ优化为变换器要求阻值rset，即谐振单元等效阻值rres优化为rset，如式(2)所示。式(2)中，l1为绕组w1的等效感值，m12为绕组w1与绕组w2之间的互感，r1为绕组w1的等效阻值，r2为绕组w2的等效阻值，rsum为线圈盘绕组总等效阻值，rm12为绕组w1与绕组w2之间的互阻。谐振单元通过与附加电感ls串联进一步实现等效感值变换，则本实用新型的电磁炉线圈等效感值lequ＝ls lres，其中附加电感ls优化为变换器要求感值lset与谐振单元等效感值lres之差，其值如式(3)所示。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，利用谐振单元阻抗变换的特性，使nsum、ωs提升后的本实用新型的电磁炉线圈盘等效阻抗值zequ满足变换器要求，在不损害变换器输出特性的前提下有效提高了炉盘加热效率。同时，zequ还影响着变换器的输出特性。当requ增大时，在相同输出功率条件下，器件电压应力将增大，而电流应力减小。同时，针对不同的requ，变换器对lequ也有特定要求，以实现零电压开通与准谐振过程。在特定的igbt器件应力要求下，通过设置抽头位置、附加电容cr2以及附加电感ls，可调整zequ为最优值。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，利用谐振单元阻抗变换的特性，可实现变换器输出特性的优化。另外，当负载锅具材料发生变化时，各部分绕组等效阻抗也随之改变。通过切换附加电容cr2，使谐振单元的谐振频率ωr仍与工作频率ωs相等即满足式(1)。通过切换开关s1可改变线圈盘绕组与附加电感ls的连接端口，进而改变本实用新型的电磁炉线圈盘等效阻抗zequ，此时requ如式(4)所示，ls需满足式(5)。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，在负载锅具材料变化后，使线圈盘等效阻抗值依旧满足变换器要求，有效扩大了电磁炉锅具的适用范围。实施例二：图5(b)为本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘第二实施例的结构示意图，如图5(b)所示，第二实施例中，线圈盘绕组w以双层、整段的方式绕制，以增大各部分绕组之间的互感并提高线圈盘绕组的加热效率，从绕组中引出抽头a、抽头b与抽头c，抽头a、b、c可设置在双层绕组中的任意位置，线圈盘绕组通过端口①、②与附加电容cr2并联连接构成谐振单元。其中抽头a与抽头b之间的绕组为w1，整段绕组除去w1其余部分为w2，抽头a与抽头c之间的绕组为w3，整段绕组除去w3其余部分为w4。附加电感ls通过抽头a与谐振单元串联构成阻抗变换网络，进而与变换器输出端相接。其中附加电感ls可与线圈盘绕组一起绕制在线圈盘磁芯上，并加入磁芯减小与锅具之间的耦合，以提高磁芯利用率；或者单独绕制在独立磁芯上，以调整附加电感ls感值。变换器输入端通过切换开关s1与抽头b或抽头c相接。与实施例一相同，随着nsum、ωs提高，炉盘加热效率ηcoil提高，但线圈盘等效感值lsum也随之变化，无法满足变换器要求。本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，通过端口①、②与附加电容cr2并联连接构成谐振单元，从而实现线圈盘等效阻值rsum变换。其中，谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，如式(1)所示；而电磁炉线圈盘等效阻值requ优化为变换器要求阻值rset，即谐振单元等效阻值rres优化为rset，如式(2)所示。谐振单元通过与附加电感ls串联进一步实现等效感值变换，则电磁炉线圈等效感值lequ＝ls lres，其中附加电感ls优化为变换器要求感值lset与谐振单元等效感值lres之差，其值如式(3)所示。与实施例一相同，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，利用谐振单元阻抗变换的特性，使nsum、ωs提升后的本实用新型的电磁炉线圈盘等效阻抗值zequ满足变换器要求，在不损害变换器输出特性的前提下有效提高了炉盘加热效率。同时，在特定的igbt器件应力要求下，通过设置抽头位置、附加电容cr2以及附加电感ls，可调整zequ为最优值。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，利用谐振单元阻抗变换的特性，可实现变换器输出特性的优化。另外，当负载锅具材料发生变化时，各部分绕组等效阻抗也随之改变。通过切换附加电容cr2，使谐振单元的谐振频率ωr仍与工作频率ωs相等即满足式(1)。通过切换开关s1可改变线圈盘绕组与变换器的连接端口，进而改变本实用新型的电磁炉线圈盘等效阻抗zequ，此时requ如式(6)所示，ls需满足式(7)。式(6)、(7)中，l3为绕组w3的等效感值，m34为绕组w3与绕组w4之间的互感，r3为绕组w3的等效阻值，r4为绕组w4的等效阻值，rsum为线圈盘绕组总等效阻值，rm34为绕组w3与绕组w4之间的互阻。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，在负载锅具材料变化后，使线圈盘等效阻抗值依旧满足变换器要求，有效扩大了电磁炉锅具的适用范围。实施例三：图3为本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘第三实施例的结构示意图，如图3所示，第三实施例中，线圈盘绕组w以单层、整段的方式绕制，以减小线圈盘体积与重量，线圈盘绕组通过端口②与附加电容cr2串联连接形成一个串联支路，再与附加电容cr3并联构成谐振单元。附加电感ls通过端口①与谐振单元串联构成阻抗变换网络，进而与变换器输出端相接。其中附加电感ls可与线圈盘绕组一起绕制在线圈盘磁芯上，并加入磁芯减小与锅具之间的耦合，以提高磁芯利用率；或者单独绕制在独立磁芯上，以调整附加电感ls感值。本实用新型的电磁炉线圈盘通过两组附加电容的公共点与变换器输入端相接。与实施例一相同，随着nsum、ωs提高，炉盘加热效率ηcoil提高，但线圈盘等效感值lsum也随之变化，无法满足变换器要求。本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，通过端口②与附加电容cr2串联连接形成一个串联支路，再与附加电容cr3并联构成谐振单元，从而实现线圈盘等效阻值rsum变换。其中，谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，如式(8)所示。而本实用新型的电磁炉线圈盘等效阻值requ优化为变换器要求阻值rset，即谐振单元等效阻值rres优化为rset，如式(9)所示。谐振单元通过与附加电感ls串联进一步实现等效感值变换，则本实用新型的电磁炉线圈等效感值lequ＝ls lres，其中附加电感ls优化为变换器要求感值lset与谐振单元等效感值lres之差，其值如式(3)所示。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，利用谐振单元阻抗变换的特性，使nsum、ωs提升后的本实用新型的电磁炉线圈盘等效阻抗值zequ满足变换器要求，在不损害变换器输出特性的前提下有效提高了炉盘加热效率。同时与实施例一类似，在特定的igbt器件应力要求下，通过设置附加电容cr2、附加电容cr3以及附加电感ls，可调整zequ为最优值。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，利用谐振单元阻抗变换的特性，可实现变换器输出特性的优化。另外，当负载锅具材料发生变化时，各部分绕组等效阻抗也随之改变。通过切换附加电容cr2与附加电容cr3，使谐振单元的谐振频率ωr仍与工作频率ωs相等，即满足式(8)，并改变requ。通过切换附加电感ls，使其满足式(10)，进而改变lequ。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，在负载锅具材料变化后，使线圈盘等效阻抗值依旧满足变换器要求，有效扩大了电磁炉锅具的适用范围。实施例四：图4为本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘第四实施例的结构示意图，如图4所示，第四实施例中，线圈盘绕组w以单层、整段的方式绕制，以减小线圈盘体积与重量，线圈盘绕组通过端口②与附加电容cr2串联形成一个串联支路，再与谐振电感lr并联构成谐振单元。谐振单元通过端口①与附加电感ls串联构成阻抗变换网络，进而与变换器输出端相接。其中谐振电感lr、附加电感ls可与线圈盘绕组一起绕制在线圈盘磁芯上，并加入磁芯减小与锅具之间的耦合，以提高磁芯利用率；或者单独绕制在独立磁芯上，以调整附加电感ls感值。本实用新型的电磁炉线圈盘通过谐振电感lr与附加电容cr2的公共端与变换器输入端相接。与实施例一相同，随着nsum、ωs提高，炉盘加热效率ηcoil提高。但随着nsum、ωs提高，线圈盘等效感值lsum也随之变化，无法满足变换器要求。本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，通过端口②与附加电容cr2串联形成一个串联支路，再与谐振电感lr并联构成谐振单元，从而实现线圈盘等效阻值rsum变换。其中，谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，如式(11)所示；而本实用新型的电磁炉线圈盘等效阻值requ优化为变换器要求阻值rset，即谐振单元等效阻值rres优化为rset，如式(12)所示。谐振单元通过与附加电感ls串联进一步实现等效感值变换，则本实用新型的电磁炉线圈等效感值lequ＝ls lres，其中附加电感ls优化为变换器要求感值lset与谐振单元等效感值lres之差，其值如式(13)所示。ls＝lset-lres＝lset-lr(13)因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，利用谐振单元阻抗变换的特性，使nsum、ωs提升后的本实用新型的电磁炉线圈盘等效阻抗值zequ满足变换器要求，在不损害变换器输出特性的前提下有效提高了炉盘加热效率。同时与实施例一类似，在特定的igbt器件应力要求下，通过设置附加电容cr2、谐振电感lr以及附加电感ls，可调整zequ为最优值。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，利用谐振单元阻抗变换的特性，可实现变换器输出特性的优化。另外，当负载锅具材料发生变化时，各部分绕组等效阻抗也随之改变。通过切换附加电容cr2与谐振电感lr，使谐振单元的谐振频率ωr仍与工作频率ωs相等，即满足式(11)，并改变requ。通过切换附加电感ls，使其满足式(13)，进而改变lequ。因此，本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，在负载锅具材料变化后，使线圈盘等效阻抗值依旧满足变换器要求，有效扩大了电磁炉锅具的适用范围。测试实例一：为验证本实用新型实现电磁炉线圈盘阻抗变换的可行性，以附图5(b)所示电磁炉线圈盘为例，进行了仿真验证。线圈盘绕组w以双层、整段的方式绕制，以增大各部分绕组之间的互感并提高加热效率，从绕组中引出抽头a、抽头b与抽头c，抽头a、b、c可设置在双层绕组中的任意位置，线圈盘绕组通过端口①、②与附加电容cr2并联连接构成谐振单元。其中抽头a与抽头b之间的绕组为w1，整段绕组除去w1其余部分为w2，抽头a与抽头c之间的绕组为w3，整段绕组除去w3其余部分为w4。附加电感ls通过抽头a与谐振单元串联构成阻抗变换网络，进而与变换器输出端相接。其中附加电感ls可单独绕制，也可与线圈盘绕组一起绕制在线圈盘磁芯上，但需加入额外磁芯以屏蔽与锅具pan、线圈盘绕组w的耦合。变换器输入端通过切换开关s1与抽头b或抽头c相接。线圈盘磁芯采用u型磁芯，线圈盘各绕组均采用lize线绕制，附加电容采用cbb电容。本实施例的线圈盘具体参数如下表：表1附图5(b)所示电磁炉线圈盘的等效电路图如图6，其中l1、r1分别表示绕组w1的等效感值与阻值，l2、r2分别表示w2的等效感值与阻值，m12表示绕组w1与w2之间的互感，rm12表示两部分绕组之间的互感电阻，ls表示附加电感，cr2为附加电容。首先利用利用有限元仿真软件ansysmaxwell2d对电磁炉线圈盘进行仿真，仿真结果如表2所示。表2其中l(n1,n1)与r(n1,n1)分别表示绕组w1的等效感值与阻值，l(n2,n2)与r(n2,n2)分别表示绕组w2的等效电感与等效电阻之和，l(n1,n2)与r(n1,n2)分别表示绕组w1与绕组w2之间的互感与互感电阻。以ansysmaxwell2d仿真的各部分绕组等效阻抗值作为电路参数，利用电路仿真软件saber对其阻抗变换原理进行电路仿真，仿真结果如图7，其中uin为电源输入电压，urms为电源输入电压有效值，iin为电源输入电流，irms为电源输入电流有效值，pin为电源输入功率，pavg为电源输入功率平均值。利用计算得到电源视在功率s与无功功率q，再通过有功功率p、无功功率q与irms可计算其等效阻抗值，结果如表3，其中requ、lequ分别为电磁炉线圈盘等效阻值于等效感值。表3f/khzirms/avrms/vs/vap/wq/varrequ/ωlequ/μh400.30867.0712.1820.66552.0786.98686.81通过设置抽头位置和选择不同的附加电感，可改变电磁炉线圈盘的等效阻抗值zequ，同时改变单管准谐振变换器的输出特性。在输出功率po＝2000w时，其应力-等效电阻特性曲线如图8，其中uqcmax为igbt集电极最高电压，iqmax为igbt集电极最大电流，requ为电磁炉线圈盘等效阻值。所选用igbt的ice＝40a，vce＝1350v，在此选择等效电阻requ＝7ω，以获得最佳的输出特性。测试实例二：下面同样以测试实例一中的电磁炉线圈盘为例，利用有限元仿真软件ansysmaxwell2d，进一步描述本实用新型的所提出的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，可以适用于不同材料锅具的原理。该测试实例具体参数与测试实例一相同，见表1。电磁炉线圈盘采用3抽头结构，在不锈钢锅具时选取抽头a、b，抽头a、b间线圈盘绕组匝数n1＝15；在铝制锅具时选取抽头a、c，抽头a、c间线圈盘绕组匝数n3＝6。负载为不锈钢锅具时的电磁炉各部分绕组等效阻抗值，经过阻抗变换后的等效阻抗值与测试实例一相同，在此不再进行描述。负载为铝制锅具时，通过有限元仿真其线圈盘各部分等效阻抗值如表4、表5所示。表4表5其中l(n1,n1)与r(n1,n1)分别表示绕组w3的等效感值与阻值，l(n2,n2)与r(n2,n2)分别表示绕组w4的等效感值与阻值，l(n1,n2)与r(n1,n2)分别表示绕组w3与绕组w4之间的互感与互感电阻，l(coilsum,coilsum)与r(coilsum,coilsum)分别表示线圈盘整体等效电感lsum与等效电阻rsum。以ansysmaxwell2d仿真的各部分绕组等效阻抗值作为电路参数，利用电路仿真软件saber对其阻抗变换原理进行电路仿真，仿真结果如图9，其中uin为电源输入电压，urms为电源输入电压有效值，iin为电源输入电流，irms为电源输入电流有效值，pin为电源输入功率，pavg为电源输入功率平均值。利用计算得到的电源视在功率s与无功功率q，再通过有功功率p、无功功率q与irms可计算其等效阻抗值，结果如表6，其中requ、lequ分别为电磁炉线圈盘等效阻值于等效感值。选用igbt的ice＝30a，vce＝1200v，若采用传统的电磁炉线圈盘结构，在此igbt应力限制下，其输出波形如图10(a)所示，其中po为输出功率，pavg为输出功率平均值，iq为igbt集电极电流，iqmax为igbt集电极电流最大值，uqc为igbt集电极电压，uqcmax为igbt集电极电压最大值。可看出在uqcmax＝1059v时，输出功率po仅达到129w，远低于电磁炉加热功率的要求，因此铝锅无法作为电磁炉负载锅具使用；而使用本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，选择抽头a、c，其等效电阻requ＝7ω，其输出波形如图10(b)所示，在uqcmax＝915v时输出功率po达到497w，可用于小功率电磁炉使用。因此，通过切换不同的抽头、附加电容与附加电感，可以改变各部分绕组的自感与互感，进而改变阻抗变换值，实现不同材料锅具的有效加热，扩大电磁炉线圈盘的锅具适用范围。表6f/khzirms/avrms/vs/vap/wq/varrequ/ωlequ/μh400.19427.0711.37320.26691.34717.077142.10测试实例三：下面以附图5(b)中所示的电磁炉线圈盘为例，具体描述本实用新型所提出的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，可以提高加热效率的原理。线圈盘等效电阻rsum等效为线圈盘自身交流电阻rcoil与锅具折合电阻rpan串联，炉盘加热效率ηcoil＝ppan/(ppan pcoil)＝rpan/rsum＝rpan/(rpan rcoil)，因此以rpan与rsum的比值作为炉盘加热效率参考值。线圈盘磁芯采用u型磁芯，线圈盘各绕组均采用lize线绕制，附加电容采用cbb电容。本实施例的线圈盘具体参数如表7：表7与普通电感类似，锅具折合电阻rpan与nsum的平方成正比，而线圈盘自身交流电阻rcoil与nsum成线性关系，因此通过提高nsum可提高炉盘加热效率ηcoil；而随着工作频率ωs提高，随着集肤深度减小，锅具折合电阻rpan将增大，而线圈盘绕组使用litz线绕制，其交流阻值rcoil基本与频率无关，因此通过提高ωs可提高炉盘加热效率ηcoil。同时利用抽头将线圈盘接入变换器，结合附加电容、附加电感构成阻抗变换网络，可使线圈盘等效阻抗值满足变换器设计要求与器件应力限制。利用磁场仿真软件分别对20khz与40khz的线圈盘进行磁场仿真，ηcoil＝rpan/rsum如图11所示。可看出从ωs＝20khz、nsum＝18时的ηcoil＝58.98％，到ωs＝40khz、nsum＝58时的ηcoil＝85.23％，炉盘加热效率ηcoil提高了26.25％，因此该实用新型的线圈盘可显著提高锅具加热效率。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，包括线圈盘、变换器，所述线圈盘包括线圈盘磁芯与线圈盘绕组，其特征在于，还包括等效阻抗变换网络，所述等效阻抗变换网络与线圈盘绕组和变换器连接。
2.根据权利要求1所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，所述变换器包括电源ud、谐振电容cr1、开关管q、二极管d，其中电源ud的正极与谐振电容cr1第一端连接，其公共端为变换器输出端，开关管q集电极、二极管d阴极与谐振电容cr1的第二端连接，其公共端构成变换器输入端，开关管q发射极、二极管d阳极与电源ud负极连接；所述等效阻抗变换网络包括附加电感ls、第一切换开关s1、第二切换开关s2、附加电容cr2，所述线圈盘绕组具有两个端口，附加电容cr2设置在第一端口与第二端口之间，线圈盘绕组设置n个抽头，n为大于等于1的自然数，变换器输入端与第一切换开关s1连接，变换器的输出端连接附加电感ls的第一端，附加电感ls的第二端连接第二切换开关s2，n为1时，第二切换开关s2可切换至第一端口、第二端口，第一切换开关s1可切换至抽头；n为大于1的自然数时，第二切换开关s2可切换至第一端口、第二端口或第i个抽头，i为大于等于1且小于等于n的自然数，第一切换开关s1可切换至第j个抽头，i≠j，两个切换开关连接的端口或抽头之间的线圈盘绕组为一条支路，其余部分线圈盘绕组串联附加电容cr2构成另一条支路，两条支路并联构成谐振单元。
3.根据权利要求1所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，所述变换器包括电源ud、谐振电容cr1、开关管q、二极管d，其中电源ud的正极与谐振电容cr1第一端连接，其公共端为变换器输出端，开关管q集电极、二极管d阴极与谐振电容cr1的第二端连接，其公共端构成变换器输入端，开关管q发射极、二极管d阳极与电源ud负极连接；所述等效阻抗网络还包括附加电感ls、附加电容cr2、附加电容cr3，所述附加电感ls的第一端与变换器输出端连接，附加电感ls的第二端连接线圈盘绕组第一端口，附加电容cr2的第一端连接变换器的输入端，附加电容cr2的第二端连接线圈盘绕组第二端口，变换器输入端与线圈盘绕组第一端口之间连接一个附加电容cr3，线圈盘绕组与附加电容cr2串联形成一个串联支路，再与附加电容cr3并联构成谐振单元。
4.根据权利要求3所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，将附加电容cr3替换为一个谐振电感lr。
5.根据权利要求2、3、4任一项所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，所述等效阻抗变换网络中的各电感可与线圈盘绕组一起绕制在线圈盘磁芯上，并加入磁芯减小与锅具之间的耦合，以提高磁芯利用率；或者分别单独绕制在独立磁芯上，以调整各电感的感值。
6.根据权利要求2所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，所述线圈盘绕组等效阻值requ、等效感值lequ与附加电感ls的感值优化计算公式如下：
其中，所述线圈盘绕组中与切换开关s1、切换开关s2相接的部分为绕组一w1，所述线圈盘绕组中去除绕组一的部分绕组为绕组二w2，cr2为附加电容cr2的电容值，lsum与rsum分别为所述线圈盘绕组等效感值与等效阻值，lset与rset分别为要求感值与要求阻值，l1与r1分别为绕组一的等效感值与等效阻值，r2为绕组二的等效阻值，m12与rm12分别为绕组一与绕组二之间的互感与互阻。
7.根据权利要求3所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，包括线圈盘磁芯与线圈盘绕组，所述线圈盘绕组与附加电容cr2串联形成一个串联支路，再与附加电容cr3并联构成谐振单元，所述谐振单元与附加电感ls串联接入变换器，所述谐振单元的谐振频率ωr与工作频率ωs相等，如式(5)所示，所述线圈盘绕组等效阻值requ、感值lequ与附加电感ls优化为式(6)～(8)所示关系：
其中，cr2为所述附加电容cr2的电容值，cr3为附加电容cr3的电容值，lsum与rsum分别为所述线圈盘绕组等效感值与等效阻值，lset与rset分别为要求感值与要求阻值。
8.根据权利要求4所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，包括线圈盘磁芯与线圈盘绕组，所述线圈盘绕组与附加电容cr2串联形成一个串联支路，再与谐振电感lr并联构成谐振单元，该谐振单元进而与附加电感串联接入变换器，所述谐振电感和附加电感可绕制在线圈盘磁芯或独立磁芯上，所述谐振单元的谐振频率ωr优化为与工作频率ωs相等，所述线圈盘绕组等效阻值requ、感值lequ与附加电感ls优化计算公式如下：
lset＝lequ＝ls lr(11)
ls＝lset-lr(12)
其中，cr2为附加电容cr2的电容值，lr为谐振电感lr的电感值，lsum与rsum分别为所述线圈盘绕组等效感值与等效阻值，lset与rset分别为要求感值与要求阻值。
9.根据权利要求2、3、4任一项所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，通过切换开关可改变线圈盘与变换器相接端口，同时改变附加电容、附加电感以及谐振电感，可实现不同的电磁炉线圈盘等效阻抗变换，进而适应不同输入电压与不同的工作频率，并扩大电磁炉对不同材料锅具的适用范围；其中，所述附加电容由多个电容构成，通过继电器可改变其容值，所属附加电感以及谐振电感分别由多个电感构成，通过继电器可改变其感值。
10.根据权利要求2、3、4任一项所述的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，其特征在于，所述线圈盘绕组沿垂直于气隙的平面绕制成单层或多层，在气隙垂直方向的平面几何形状为圆形、正多边形或以上形状的组合；线圈盘磁芯结构为u型，导磁材料为铁氧体，以提高磁场强度并减小成本；所述线圈盘绕组、附加电感以及谐振电感的导线为litz线，以减小线圈盘损耗并减小线圈盘生产成本，所述附加电容可选用薄膜电容或cbb电容。
技术总结本实用新型公开了一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，包括线圈盘、变换器，所述线圈盘包括线圈盘磁芯与线圈盘绕组，还包括等效阻抗变换网络，所述等效阻抗变换网络与线圈盘绕组和变换器连接，电磁炉线圈盘绕组至少含有一个抽头，线圈盘绕组各部分均对锅具加热。本实用新型的一种兼顾电路优化和炉盘高效加热的电磁炉线圈盘，通过选取不同的端口或抽头，可改变谐振单元中线圈盘各部分绕组的自感与互感，进而实现不同的等效阻抗变换，优化变换器的输出特性，并扩大电磁炉锅具材质的适用范围，同时结合提高工作频率和线圈盘绕组匝数的方法，增大锅具等效阻值与线圈盘等效阻值的比值，可在不改变电路结构与器件应力的前提下，提高炉盘加热效率。
技术研发人员：陈乾宏;李志斌;张帅;张之梁;任小永
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2019.02.01
技术公布日：2020.06.09
