Analysis and optimization of the efficiency of induction heating applications with litz-wire planar and solenoidal coils

Optimization of the efficiency of an induction heating application is essential in order to improve both reliability and performance. For this purpose, multi-stranded cables with litz structure are often used in induction heating applications. This paper presents an analysis and optimization of the efficiency of induction heating systems focusing on the optimal copper volume of the winding with respect to different constraints. The analysis is based on the concept of a one-strand one-turn coil, which captures the dissipative effects of an induction heating system and reduces the number of variables of the analysis. An expression for the efficiency of the induction heating system is derived. It is found that, with the geometry and the other parameters of the system fixed, efficiency depends on the copper volume of the windings. In order to use this result to optimize the efficiency of an application, volume restrictions, the packing factor and the window utilization factor are also considered. The optimum frequency for an induction heating system is also studied in this work. An experimental verification for both planar and solenoidal cases is also presented

A recursive methodology for modelling multi-stranded wires with multilevel helix structure

Multi-stranded litz wires are commonly used in magnetic devices for power electronics applications at medium-high frequency range, from several kHz up to hundreds of kHz. For these applications, litz-wire structure favours the uniformity of driven current in the cross-sectional area of conductors, alleviating ac losses (skin and proximity effects) and improving the global efficiency of the application. These features are achieved by means of a special cable arrangement consisting of many isolated fine copper strands twisted together according to the manufacturing process. Often, the manufacturing process involves several twisting steps where bundles of moderate number of strands are successively twisted resulting in intricate cable structures. We present a mathematical description of the trajectories of copper strands with the purpose of obtaining the cable losses by means of Finite Element Analysis (FEA) simulation tools. Moreover, a nomenclature for this multilevel structures is also proposed. Parameters as the number of twisting steps, number of strands, strand diameter or pitch length, are included in this representation, allowing to compare the performance of different manufacturing solutions

Analysis and Modeling of the Forces Exerted on the Cookware in Induction Heating Applications

We present a semianalytical model for calculating the forces exerted on cookware in domestic induction heating applications. The developed model is based on the Maxwell''s stress tensor and is also based on the existing semianalytic expressions of the electromagnetic fields in planar induction heating systems, which are expressed in terms of Fourier-Bessel series. Taking advantage of the axial symmetry of usual domestic induction heating systems, the flux of the vertical component of the Maxwell''s stress tensor is analytically integrated and the vertical force is obtained. The proposed model captures both eddy currents and magnetization that occurs in typical ferromagnetic cookware. The model is verified by means of two-dimensional Finite Element simulations and also is tested by means of measurements of the change of the weight experimented by cookware due to the forces during the heating process

Design and Implementation of a Test-Bench for Efficiency Measurement of Domestic Induction Heating Appliances

The operation of a domestic induction cooktop is based on the wireless energy transfer from the inductor to the pot. In such systems, the induction efficiency is defined as the ratio between the power delivered to the pot and the consumed power from the supplying converter. The non-transferred power is dissipated in the inductor, raising its temperature. Most efficiency-measuring methods are based on measuring the effective power (pot) and the total power (converter output). While the converter output power is directly measurable, the measurement of the power dissipation in the pot is usually a cause of inaccuracy. In this work, an alternative method to measure the system’s efficiency is proposed and implemented. The method is based on a pot with a reversible base to which the inductor is attached. In the standard configuration, the inductor is placed below the pot in such a way that the delivered power is used to boil water, and the power losses are dissipated to the air. When the pot base is flipped, the inductor is immersed into the water. In this case the losses in the inductor also contribute to heating up and boiling the water. The induction efficiency is calculated from the boiling rates in both configurations. A commercial inductor was tested under real working conditions with consistent results

Sistema inalámbrico de alimentación inductivo de baja potencia para transferencia de energía a gran distancia

La transferencia inalámbrica de energía está considerada entre las tecnologías emergentes más atractivas del siglo XXI. En este documento se exponen los fundamentos aplicados a un sistema de alimentación inalámbrico de baja potencia para operar a mayores distancias de las habituales. Se presenta el sistema IPT a nivel hardware y software, y su implementación sobre un prototipo funcional

Ajuste de la autoinductancia de bobinados espirales en PCB de doble capa para sistemas IPT de baja potencia

Establecida ya como una de las tecnologías más populares de la última década, la transferencia inalámbrica de energía (WPT) ha llegado para quedarse. La transferencia por métodos inductivos (IPT) que se realiza a través de los bobinados transmisor y receptor, acoplados a una cierta distancia, es la más extendida en dispositivos de alta gama. En este documento se presenta el análisis a partir de un modelo de elementos finitos (FEA) de bobina 2D, que puede servir como punto de partida para el ajuste de los parámetros eléctricos de una bobina construida directamente sobre la propia PCB, para su uso en sistemas IPT de baja potencia

Caracterización de las propiedades magnéticas de recipientes de inducción. Aplicación al cálculo de la impedancia equivalente de un sistema inductor-recipiente

Con el presente Trabajo Fin de Máster se pretende desarrollar una metodología para poder caracterizar el equivalente ΔR-Leq de los recipientes usados como carga en encimera de inducción. Este procedimiento nos permitirá calcular la impedancia de la carga a partir de la conductividad eléctrica σ y permeabilidad magnética relativa del material μr , donde esta última tendrá una forma compleja expresada como suma de la componentes real e imaginaria. Para ello se ha dispuesto de un permeámetro, para poder medir la permeabilidad e incluir su parte compleja en su cálculo, ya que es representativa de las perdidas en este tipo de materiales. Los ficheros obtenidos mediante el PERMAC, serán usados para poder graficar mediante vectores su comportamiento no lineal, y como parte de la simulación mediante FEM para la obtención de una ΔR y Leq de la carga. Como parte del trabajo, se ha realizado el mecanizado de un recipiente de inducción para la extracción de una muestra y usarla como probeta de ensayo en el permeámetro. Con esta muestra, dos probetas de calibrado del permeámetro y el procedimiento descrito anteriormente, nos va a permitir realizar una comparación de resultados y obtener el equivalente eléctrico de cada una de ellas. Como aplicación se incluirá una simulación con Simulink, en la que se introducen los valores obtenidos en COMSOL de la carga para observar el comportamiento no lineal en un sistema completo de inducción

Estimación del factor de acoplamiento en sistemas IPT mediante las relaciones dimensionales de transmisor y receptor

In relation to the increasing implementation of inductive wireless power transfer systems in premium devices, this work presents an analysis using finite element models to establish a relationship between the coupling coefficient, the geometry of the windings, and the distance set between them. Also, simulation results have been validated with experimental measurements of two small coils facing each other at various distances.En relación con la creciente implantación de los sistemas de alimentación inductiva en dispositivos de gama alta, en este trabajo se presenta un análisis mediante modelos de elementos finitos para establecer una relación entre el coeficiente de acoplamiento, la geometría de los bobinados, y la distancia fijada entre ellos. También, se han validado los resultados de simulación con medidas experimentales de dos bobinados de pequeñas dimensiones enfrentados a varias distancias

Sistema inalámbrico de alimentación inductivo de baja potencia para transferencia de energía a gran distancia

La transferencia inalámbrica de energía está considerada entre las tecnologías emergentes más atractivas del siglo XXI. En este documento se exponen los fundamentos aplicados a un sistema de alimentación inalámbrico de baja potencia para operar a mayores distancias de las habituales. Se presenta el sistema IPT a nivel hardware y software, y su implementación sobre un prototipo funcional

Modelado electrotérmico de un proceso de calentamiento por inducción para aplicaciones industriales

Este trabajo describe el procedimiento seguido para modelar electromagnética y térmicamente una carga de templado por inducción compuesta de acero 42CrMo4, para lo que deben considerarse la dependencia con el nivel de campo magnético y temperatura de las propiedades físicas del material. Los resultados obtenidos mediante simulación numérica muestran la existencia de un comportamiento crítico entorno a la temperatura de Curie. Finalmente, se ha realizado una comparación entre los resultados de simulación y las mediciones experimentales para evaluar la utilidad del modelado propuesto