Rigorous electromagnetic modelling of domestic induction heating systems

Developing of a rigorous electromagnetic model of induction heating system is a quite complex task. Since the model should describe electromagnetic prospective of the system operation it should consider different parameters such as inductor properties, its geometry, material and feeding voltage, load material properties, thickness, ferrite characteristics and aluminum shielding. More than that, the model must cope all the magnetic couplings and interactions of the system. The main object of the following work was to develop a design tool which would allow to simulate the full-wave system and its operation taking into account either geometrical or electromagnetic parameters of the system. The design tool should posses the parametrical flexibility in order to analyze different cases of use, different configurations of the system sizes and distances between internal parts. It should allow to carry on simulations of the system operation and to calculate all the induced currents in the load, their distribution and values, to evaluate current distribution in ferrite substrate and aluminum shielding. The model must give a rigorous evaluation of the input impedance of the system, because the input impedance is the main parameter for the electronic control system. Considering the fact that modern inductors for induction cookers are mostly winded using Litz-wire, one of the object was also to develop accurate model of the complex geometry of a Litz-wire. This thesis is organized as follows. Chapter 2 contains overview analysis of actual research presented in literature dedicated to induction cooking sphere. The materials of the system structure are analyzed in chapter 3. The full analytical electromagnetic model has been proposed in chapters 4 and 5. These chapters contain the explanation of derived equations which describe electric and magnetic fields in each part of the system, the model equation system as analytical representation of electromagnetic processes in the system, and finally its numerical solution in linear matrix equation. Litz-wire structure is analyzed in the 6th chapter. Beginning with the simple examples the full complex internal geometry has been modeled and plotted via 3-D model. Concluding the model developing, chapter 7 represents full experimental validation of each step of the modeling. Inaccuracies, errors, corrections and practical considerations are also mentioned there.

Lo sviluppo di un modello elettromagnetico rigoroso del sistema di riscaldamento a induzione è un compito piuttosto complesso. Poiché il modello dovrebbe descrivere un’analisi elettromagnetica del funzionamento del sistema, si devono prendere in considerazione diversi parametri quali le proprietà dell’induttore, la sua geometria, il materiale e la tensione di alimentazione, le proprietà del materiale di carico, lo spessore, le caratteristiche della ferrite e la schermatura dell’alluminio.Inoltre, il modello deve considerare tutti gli accoppiamenti magnetici e le interazioni del sistema. Lo scopo principale del seguente lavoro era quello di sviluppare uno strumento di progettazione che permettesse di simulare il sistema full-wave ed il suo funzionamento, tenendo conto sia dei parametri geometrici che elettromagnetici del sistema. Lo strumento di progettazione deve possedere la flessibilità parametrica al fine di analizzare i differenti casi di impiego e le diverse configurazioni delle dimensioni del sistema e delle distanze tra le parti interne. Ciò permette di portare avanti le simulazioni del funzionamento del sistema e di calcolare tutte le correnti indotte nel carico, la loro distribuzione ed i loro valori, di valutare la distribuzione di corrente nel substrato di ferrite e nella schermatura di alluminio. Il modello deve offrire una valutazione rigorosa dell’impedenza di ingresso del sistema, poiché essa è il parametro principale per il sistema di controllo elettronico. Considerando il fatto che gli induttori moderni per cucine ad induzione sono per lo più avvolti con filo Litz, uno degli scopi era quello di sviluppare un modello accurato della geometria complessa di un filo Litz. Questa tesi è organizzata nel modo seguente. Il secondo capitolo contiene un'analisi panoramica dello stato dell’arte nell’ambito della cottura ad induzione. I materiali del sistema vengono analizzati nel terzo capitolo. Il modello elettromagnetico completo è proposto nel quarto e nel quinto capitolo. Questi capitoli contengono la spiegazione di equazioni derivate che descrivono i campi elettrici e magnetici in ogni parte del sistema, il sistema di equazioni del modello come rappresentazione analitica dei processi elettromagnetici nel sistema e, infine, la sua soluzione numerica come equazione matriciale lineare. La struttura del filo Litz è analizzata nel sesto capitolo. A partire da semplici esempi l’intera geometria interna è stata modellata analiticamente ed in 3-D. Per concludere il modello di sviluppo, il settimo capitolo rappresenta la completa conferma sperimentale di ogni fase della modellazione. Incertezze, errori, correzioni e considerazioni pratiche sono ivi menzionate.