無焰加熱器的結構及其機理分析
陳磊，侯云鵬，程樹康
(哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：分析了軍隊野戰(zhàn)食品加熱方法的優(yōu)缺點，提出了無焰加熱器的結構，并介紹了其工作原理。對無焰加熱器實心鐵心中的磁滯和渦流熱功率及短路繞組中的短路電流熱功率進行了理論分析，給出了計算方法。結合具體樣機進行了實驗研究，表明該無焰加熱器的可行性。
關鍵詞：無焰加熱器；結構；熱功率
0 引 言
不論是作戰(zhàn)，還是野外工作，人們都需要進食，因此對野戰(zhàn)食品或方便食品的加熱是必不可少的。目前單兵野戰(zhàn)口糧熱食化主要通過兩條途徑。一種是通過固體燃料產(chǎn)生熱量來實現(xiàn)日糧的加熱。，這種方式有明火產(chǎn)生。但有些條件下加熱食品不能使用明火，例如在戰(zhàn)場上使用明火會暴露目標，造成不必要的人員和裝備損失；在森林或化工廠等危險場合使用咀火會引起火災或爆炸等。另一種是通過化學反應放熱來實現(xiàn)口糧的加熱，這種方式不產(chǎn)生明火，又稱“無火化學加熱”。無火口糧加熱器主要由化學反應劑和激活劑組成，平時化學反應劑和激活劑相互隔離，使用時通過一定的方式使兩者接觸，發(fā)生化學反應，并放出熱量。熱量以熱傳導和輻射的方式對口糧進行加熱。具有代表性的化學反應劑主要有生石灰、鐵、鋁、鎂等，激活劑主要是水和氧氣。但是這種食品加熱方法也存在先天不足，首先是化學藥劑發(fā)熱量低，且是一次性使用，極大地增加了后勤運力和士兵攜行負擔；其次是加熱食品時需要使用水，而水在戰(zhàn)場上彌顯珍貴；第三是化學藥劑受潮后會失效，要求在生產(chǎn)、運輸、儲存過程中嚴格密封，給后勤保障帶來許多不便，并增加了制造成本，第四是大量使用后會造成環(huán)境污染。因此，尋找一種能完全無煙、無焰、無污染的野戰(zhàn)加熱食品的方法成了當今的熱點。
電加熱技術是一種無煙、無焰、無二次污染的加熱技術。有別于傳統(tǒng)的電加熱方式，從電機損耗與溫升的反問題出發(fā)考慮，利用電磁理論中旋轉電機損耗的概念和成因，采用適當?shù)牟牧�、結構和方法，將輸入的能量完全地充分地轉換為熱能，得到了動態(tài)電磁感應加熱的概念。其利用永磁體和鐵磁物質相對運動切割磁力線，在閉合線圈中感應旋轉電勢的電流效應，和旋轉磁場中的塊狀鐵心的渦流效應及磁滯效應綜合加熱。無焰電磁加熱裝置(專利號cN200410044061．4)是一種可重復使用的無火焰、無煙、無污染的電磁食品加熱器。這種加熱器是由人工手搖提供能量，利用磁滯、渦流和二次感應電流發(fā)熱原理加熱食品，同戰(zhàn)士的飯盒組合在一起，可以重復使用，加熱食品的速度和溫度可隨意控制，使用方便，結構簡單、緊湊，可靠性高。
1無焰加熱器的結構及工作原理
圖1為無焰電磁加熱裝置結構示意圖，它由保溫筒、無焰加熱器和增速機構組成。保溫筒由內外壁及填充在內外壁之間的保溫材料構成，食品可放置在保溫筒和無焰加熱器上板之間的空腔內加熱。增速機構中四個直齒輪嚙合實現(xiàn)增速，兩個傘齒輪與搖把實現(xiàn)運動方向轉向90o。這樣，通過手搖搖把，增速機構將輸入轉速提高，帶動無焰加熱器發(fā)
熱，從而將保溫筒內的食品加熱。
圖2為無焰加熱器的裝配圖，它由上定子部件、下定子部件、轉子部件、軸承和機殼構成。定子部件由實心鐵心和繞組構成，其中繞組由銅線繞制，并首尾相接成短路狀態(tài)；轉子部件由轉子鐵心、永磁體和軸構成，轉子鐵心為實心結構，永磁體呈環(huán)形鑲嵌在轉子鐵心，相鄰磁鋼N、s極交錯排列(如圖3所示)，轉子鐵心同定子鐵心同軸配置，中間形成軸向氣隙。其熱量是當外力作用于軸，轉子部件旋轉，定子鐵心切割磁力線，在定子繞組中產(chǎn)生感應電勢形成的短路電流以及定子鐵心中產(chǎn)生的磁滯和渦流而產(chǎn)生。
2無焰加熱器的機理分析
忽略機械和雜散損耗的熱功率，電機損耗一般可分為鐵心中的磁滯和渦流損耗以及繞組中的銅損。無焰加熱器作為電機損耗與溫升的反問題，對應電機的損耗，其熱源主要有三部分構成：實心鐵心中的磁滯和渦流熱功率，以及短路繞組中的短路電流熱功率。下面分別討論。
2 1鐵心中的磁滯熱功率
磁滯損耗是交變磁場中鐵磁材料受到周期性的反復磁化作用引起的鐵磁物質磁疇取向改變或磁疇壁移動的結果。磁滯損耗的大小與磁滯回環(huán)的面積成正比，而磁滯回環(huán)的面積隨著磁感應強度的增加而增加，很容易理解磁滯損耗與交變磁化的頻率、磁場強度和鐵心材 |
