Ev tipi indüksiyonlu ocak bobinlerinin tasarımı ve homojen pişirme parametrelerinin incelenmesi
Design of household induction cooker coils and examination of homogeneous cooking parameters
Yazar: ALİ BUĞRA BUĞDAY
Danışman: DOÇ. DR. SELİN ÖZÇIRA ÖZKILIÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektromanyetik indüksiyon = Electromagnetic induction ; Endüksiyonla ısıtma = Induction heating ; Endüksiyonla ısıtma sistemleri = Induction heating systems ; Endüksiyonlu ısıtma cihazı = Induction heating equipment

Özet:
İndüksiyonlu ısıtma, iletken malzemelerin temassız, hızlı ve verimli ısıtılmasını sağlar. İndüksiyon ısıtma teknolojisinin günümüzde birçok uygulama alanı vardır. Endüstride, ev eşyalarında, medikal uygulamalar da kullanılırlar. Verimli ve hızlı ısıtma, güvenlik, hassas kontrol ve temizlik gibi avantajları vardır. Ev tipi indüksiyonlu ocaklar, değişken manyetik alan oluşturarak tencerenin direkt olarak ısıtılmasını sağlar. Yüksek frekanslı evirici kullanılarak düz spiral bobinde değişken manyetik alan oluşturulur. Tencerede oluşan ısı, zaman içinde değişen manyetik alanın tencere tabanında oluşturduğu girdap akımlarının sonucudur.  İndüksiyonlu ısıtma 3 ana bölüme ayrılabilir; Güç elektroniği, Kontrol teknikleri, manyetik eleman tasarımı. İndüksiyon ocaklardaki bobin ve yük grubu; ferromanyetik tencere, düz spiral bobin, ferrit nüveler ve alüminyum plakadan oluşur.
Ev tipi indüksiyon ocaklarda elektronik devre yapısı olarak, yarım köprü seri rezonans eviriciler ve tek anahtarları paralel rezonans eviriciler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bobin tasarımı da kullanılacak evirici tipine göre yapılmalıdır. 
Bu çalışmada ev tipi indüksiyonlu ocaklarda kullanılan indüksiyon bobinlerinin tasarımı yani manyetik eleman tasarımı konusu ele alınmıştır. İndüksiyonlu ocak bobini 3 boyutlu olarak modellenmiş ve ANSYS/Maxwell programı kullanılarak manyetik analizler yapılmıştır. ANSYS/Maxwell içerisinde bulunan "Eddy Current" analiz yöntemi kullanılmıştır. Yapılan analizlerde yarım köprü seri rezonans evirici devre yapısı kullanıldığı kabul edilmiştir. Bu devre yapısında kullanılabilecek anahtarlama frekansı, rezonans kapasitörünün değeri, bobin akımının maksimum değeri, bobin sargısının yüksekliği, disk – bobin arasındaki hava aralığı belirlenmiştir. Anahtarlama frekansı, rezonans kapasitörünün değerlerinden yola çıkarak yük altındaki endüktans değeri bulunmuştur. Anahtarlama frekansını kullanarak girme derinliği hesaplanıp, uygun tel kesiti bulunmuş ve malzeme seçimi yapılmıştır.  Tasarlanacak bobinin mekanik ölçüleri belirlenmiştir; iç çap, dış çap, yükseklik. Bir sarımın kesit alanı belirlenip, akım yoğunluğu ve bir sarımda bulunan tel sayısı hesaplanmıştır. Kullanılan ferrit sayısının ve pozisyonunun endüktansa, ferrite akı yoğunluğuna ve tencere tabanındaki akı yoğunluğuna etkisi incelenmiştir. Sargı yüksekliğindeki değişikliklerin sistemdeki etkileri incelenmiştir.
Çalışma kapsamında ev tipi indüksiyonlu ocaklarda yaygın olarak kullanılan yuvarlak bobinlerin yerine kullanılabilecek yuvarlak köşeli dikdörtgen bobin tasarımı yapılmıştır.
Çalışma sonucunda indüksiyon ocak bobin tasarımı yapılmış ve uygun tasarım yapabilmek için akış diyagramı çıkartılmıştır . İndüksiyon bobin tasarımının akış diyagramı  ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılması prototip sürecini oldukça hızlandırır ve maliyet avantajı sağlar.

Abstract:
Induction heating provides contactless heating of conductive materials. Nowadays, induction heating technology has many application areas. It is becoming preferred technology in industry, household appliances, medical applications. It has advantages such as efficient and heating quickly, safety, precise control and cleaning. Domestic induction cookers create an alternating magnetic field which allows the pot to be heated directly. An alternating magnetic field is created in the flat spiral coil using a high frequency inverter. The heat generated in the pan is the result of eddy currents created by the magnetic field changing over time at the bottom of the pan. Induction heating can be divided into three main parts: power electronics, control techniques, magnetic element design. 
Coil and load group in induction cookers; ferromagnetic pot consists of flat spiral coil, ferrite cores and aluminum plate. Half-bridge series resonant inverters and single-switch parallel resonance inverters are widely used as electronic circuit topology in the domestic induction cookers. Coil should be designed according to the circuit topology. In this study, the designing of induction coils which are used in household induction cookers, that is, magnetic element design, is discussed.
The induction cooker coil is modeled in 3D and electromagnetic analysis were made by using ANSYS/Maxwell.The "Eddy Current" analysis was used in ANSYS/Maxwell. 
Series resonance half-bridge inverter circuit topology is assumed to be used in the analysis. 
The coil is design to be used with series resonance half-bridge inverter circuit topology.
The switching frequency that can be used in this circuit structure, the value of the resonant capacitor, the maximum value of the coil current, the height of the coil winding, the air gap between the disc and the coil have been determined. Inductance and capacitance were calculated based on the switching frequency. Penetration depth was calculated by using the switching frequency and the proper wire cross-section was calculated, and the materials was selected. The mechanical dimensions of the coil which includes inner diameter, outer diameter, height is determined.
The cross-sectional area of a winding was obtained, the current density and the number of wires in a winding were calculated. The effects of the number and positions of ferrite is investigated.
Ferrite flux density and flux density in the bottom of the pan were obtained from simulations
The effects of changes in winding height on the system were analyzed. In additition, two different rounded rectangle coils are designed, which can be an alternative of the circular coils which are used in domestic induction cookers. As a result of the study, seven different induction cooker coils are designed and flow diagrams are created in order to explain method of designing induction coils. 
Flow diagrams and finite element simulations accelerate the prototype process and provide cost advantage.