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Foyer de cuisson par induction modulable à rayonnement ré- duit et procédé de réalisation
La présente invention concerne un foyer de cuisson alimenté en courant électrique à haute fréquence et son procédé de réalisation.
Le chauffage par induction consiste à générer des courants dits de Foucault dans une pièce conductrice de l'électricité par l'intermédiaire d'un champ magnétique. Le champ magnétique est généré par un inducteur adapté à la zone de la pièce à chauffer qui est parcouru par un courant alternatif. Le courant alternatif est lui même produit par un générateur qui adapte la fréquence et l'amplitude du courant pour assurer le chauffage désiré.
Dans le cas de la cuisson par induction, l'objet à chauffer est un récipient conducteur de l'électricité. Bien que l'invention ci-dessous décrite puisse être appliquée aux matériaux amagnétiques du type cuivre ou aluminium, on s'intéressera plus particulièrement à la chauffe de matériaux magnétiques (aciers doux, fontes, inox magnétiques). Le récipient est en général d'un diamètre compris entre 120 et 280 mm et d'une épaisseur comprise entre 1 et 4 mm pour les applications grand public. Les diamètres peuvent atteindre 450 mm et l'épaisseur 10 mm pour les applications professionnelles.
L'application de la formule de l'épaisseur de peau dans le récipient de perméabilité magnétique relative fla et de conductivité électrique a :
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entraîne l'utilisation d'une fréquence :
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de l'ordre de 10-50 kHz pour chauffer efficacement des fonds ferritiques d'épaisseur minimum 1 mm. La tension d'alimentation du réseau de distribution 50 ou 60 Hz est en
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général redressée et filtrée ; la fréquence d'excitation est produite par l'intermédiaire d'un générateur en général à résonance. Ce générateur est connecté sur un inducteur en général plat (appelé pan cake ) placé en vis à vis du fond de la casserole à chauffer sous un matériau isolant électrique et jouant le rôle de support, en général, une plaque en verre vitrocéramique.
Une des difficulté de ce système connu est de pouvoir chauffer de façon homogène et adaptée des récipients inconnus à priori, de matériaux, formes et diamètres divers.
Le concepteur d'un tel produit réalise un compromis en proposant un inducteur de diamètre intermédiaire entre le plus petit et le plus grand récipient à chauffer, en général environ 180 mm. Avec la diffusion de plus en plus large de ce type de cuisson, les constructeurs proposent maintenant en plus des foyers spécialisés de diamètres variés adaptés plus spécialement à un type de récipient : foyers de 140 mm pour de petits récipients, foyers de 220 mm pour de grands récipients, voire foyers de 280 mm pour de très grands récipients. Plus le foyer est grand et plus la puissance doit être importante.
Chaque foyer est donc alimenté par un générateur différent ce qui n'est pas une solution industriellement et économiquement intéressante. En étudiant l'inducteur, il est possible de faire en sorte, notamment en jouant sur le nombre de tours et l'espace entre 2 tours successifs, que l'impédance complexe Z = R + j. L. en charge d'inducteurs de différents diamètres soit à peu près identique, ce qui permet d'utiliser des générateurs identiques sur des foyers de dimensions différentes. La puissance qui est alors définie pour le foyer de plus grand diamètre est limitée pour les foyers de petits diamètres. Ceci n'est pas non plus économiquement intéressant car dans ce cas, on utilise des générateurs de forte puissance pour leur faire transmettre une puissance faible.
Certains constructeurs utilisent un générateur de forte puissance pour alimenter différents foyers par l'intermédiaire d'un commutateur électromécanique. Cette solution permet de régler la puissance d'un foyer à l'autre par la variation du rapport cyclique mais cette solution n'est
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pas satisfaisante sur le plan de la cuisson et du bruit en fonctionnement. Il faut enfin noter que l'impédance (L, R) d'un inducteur augmente en fonction du nombre de tours. Les inducteurs classiques sont formés d'un toron de plusieurs fils de faible section bobinés en spirale, soit les tours les uns autours des autres, soit si l'interspire doit être variable, sur une matrice.
Un inducteur de petite dimension aura donc une impédance plus faible qu'un inducteur plus grand et le générateur transmettra, en première approximation, une
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p = p puissance P = R. I plus forte dans les petits inducteurs ce qui est l'inverse du but recherché.
Enfin, dans le cas classique d'utilisation d'un inducteur à simple bobine, le centre de la charge qui correspond au centre de la bobine est relativement grand et n'est pas chauffé par induction et donc la répartition thermique peut ne pas être acceptable si le récipient ne possède pas de bonnes caractéristiques de diffusion de la chaleur.
Une seconde difficulté du système connu est de ne pas rayonner de champ magnétique dans l'environnement proche de l'inducteur sur lequel peut se trouver l'utilisateur. En effet, le système doit pouvoir travailler avec des petits récipients voire avec des récipients décentrés. Si le rapport taille de l'inducteur/taille du récipient est grand, alors le couplage devient médiocre et le rendement énergétique en est affecté. Ceci a pour effet de générer un champ de fuite important dans le proche environnement de l'inducteur. La limitation de ce champ était rendu obligatoire jusqu'alors par les normes de compatibilité électromagnétique. On assiste depuis peu à une réduction encore plus forte des niveaux autorisés en raison de l'exposition possible de l'utilisateur de l'appareil à ces champs de fuite et aux effets potentiels sur sa santé.
L'adaptation de la taille du système inducteur en fonction de la charge, présentée dans le document EP- 92 400 362.2 est un moyen de réduire le champ de fuite. Mais ce moyen n'est pas suffisant même si par hypothèse l'adaptation se faisait spire à spire.
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Il est connu d'autre part de mettre des inducteurs en phase et en opposition deux à deux, ces inducteurs étant en série pour être parcouru par un courant identique.
Ce dernier concept, connu depuis longtemps (document EP- 86 17 273) est difficile à appliquer car si un inducteur simple est divisé en morceaux d'inducteurs, cela diminue considérablement l'effet d'inductance mutuelle entre une spire et les autres spires de son environnement ce qui entraîne une diminution de l'impédance de l'inducteur. Le courant reste alors important même si le concepteur choisit un système générateur adapté pour les impédance faibles.
De plus les spires étant parcourues par le courant total du générateur, leur section doit être importante ce qui est une difficulté supplémentaire pour placer un nombre adéquat de spires (ampères-tours) sous la charge à chauffer. En conséquence il faut tenter de diminuer quand même la section du conducteur et donc laisser l'inducteur chauffer, l'inducteur pouvant alors être refroidit par la charge (document FR-96 05 978). Cette solution est intéressante mais elle est difficile à réaliser et elle implique une augmentation significative de la température de l'interface ce qui enlève un des intérêt du chauffage par induction qui permet d'avoir un support de cuisson froid d'où des risques accrus d'accident par des brûlures.
La présente invention a pour but de proposer un inducteur de cuisson par induction de réalisation simple et d'impédance élevée permettant d'être associé à d'autres inducteurs similaires pour former un foyer de cuisson par induction et dont les associations en parallèle ou en sérieparallèle et en opposition de phase permettent de réaliser une gamme complète de foyers tout en maintenant un niveau de perturbation magnétique très bas quel que soient la forme et le type du récipient à chauffer sur le foyer ou plus généralement la surface de chauffage.
A cet effet l'invention concerne un foyer de cuisson par induction du type défini ci-dessus caractérisé par :
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a au moins un inducteur formé d'un grand nombre de spires avec au moins un conducteur, le conducteur a une section rectangulaire de faible épaisseur, le grand côté de la section étant parallèle à l'axe d'enroulement du conducteur formant les spires, 'un isolant de faible épaisseur au minimum entre les spires voisines, 'l'enroulement a une forme sensiblement rectangulaire en vue en plan.
Cet inducteur d'impédance élevée et d'encombrement réduit peut être alimenté par un seul générateur de faible puissance ; il peut également être associé à d'autres couples d'inducteurs générateurs pour former des surfaces de cuisson de tailles et de puissances différentes.
Le bobinage de l'inducteur en spirale, est obtenu en enroulant le conducteur suivant une forme rectangle de fa- çon à couvrir une surface en regard du récipient à chauffer.
Les spires successives ne sont pas forcément toutes jointives.
De manière générale, l'épaisseur de l'isolant est faible c'est-à-dire selon l'invention cette épaisseur représente moins de la moitié de l'épaisseur du conducteur.
D'une façon intéressante pour disposer de puissance tout en conservant le caractère modulaire, l'inducteur est formé par l'enroulement de plusieurs conducteurs indépendants, en parallèle ou en série parallèle.
Il peut être particulièrement intéressant de bobiner simultanément plusieurs conducteurs isolés les uns des autres pour former un inducteur. Ces différents conducteurs peuvent alors être mis en parallèle ce qui augmente la section utile de cuivre tout en minimisant les effets de peau et de proximité dans le cuivre ce qui diminue les pertes de l'inducteur. Ceci est utile si le courant dans l'inducteur reste élevé malgré la mise en parallèle d'inducteurs, par exemple pour des appareils de cuisson professionnels dont la puissance est élevée.
L'intérêt majeur de ce bobinage simultané n'est cependant pas de réduire encore les pertes dans les inducteurs mais de pouvoir coupler plusieurs générateurs
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sur un même inducteur en les raccordant aux différents conducteurs de l'inducteur pour réaliser des foyers de cuisson de puissance élevée à partir de générateurs de puissance réduite.
Suivant l'invention, l'isolant est déposé sur le conducteur avant son enroulement pour former l'inducteur. Cet isolant peut également être enroulé en même temps que l'on enroule le conducteur, notamment dans le cas où l'inducteur comporte plusieurs bobines enroulées en même temps et alimentées par des générateurs différents ce qui peut entraîner des différences de potentiel importantes entre les bobines différentes. L'isolant bobiné peut de même être apte à supporter des températures élevées ou du moins beaucoup plus élevées que les vernis utilisés pour isoler électriquement les conducteurs qui ne résistent pas en général à des température
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supérieures à 220 C.
Une combinaison des isolation est envisageable, dans ce cas, l'isolant préalablement déposé assure une isolation minimale entre spires et l'isolant enroulé assure une isolation renforcée entre des bobines différentes.
Enfin il est intéressant que l'isolant comporte une résine thermodurcissable ce qui permet, par élévation de température, d'agglomérer l'ensemble.
Pour former un foyer de cuisson il est particulièrement intéressant de combiner plusieurs inducteurs en parallèle ou en série/parallèle sur un unique générateur.
Il est possible de connecter quatre inducteurs en parallèle, chacun étant en opposition de phase par rapport à son proche voisin de façon à ce que les flux magnétiques des inducteurs voisins soient cumulatifs sous la charge. On réalise ainsi un inducteur qui en première approximation (en négligeant les effets d'inductance mutuelle entre les inducteurs) possède une impédance en charge égale à (4Z) = Z ; cela correspond à l'impédance d'un inducteur classique mais le taux de rayonnement dans le proche environnement de la casserole est très bas car il y a autant d'inducteurs en phase que d'inducteurs en opposition de phase.
L'inducteur est préférentiellement positionné de façon à ce qu'un côté soit parallèle à l'avant de la table de cuisson pour que le
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rayonnement soit minimisé particulièrement dans la zone où se trouve l'utilisateur.
Un des avantages considérables de mettre des inducteurs en parallèle, est que le courant total du foyer de cuisson se distribue entre les inducteurs, soit dans l'exemple ci-dessus, 1/4. Les pertes dans l'inducteur étant fonction du carré du courant P =cuivre. 12, elles sont divisées par 16, ce qui autorise d'utiliser un conducteur unique de section faible pour réaliser les bobines élémentaires. Dans le cas où l'on connecte ces quatre inducteurs, deux en série et deux en parallèle, le courant dans les deux branches en série supposées identiques sera divisé par deux et donc les pertes par quatre.
Il peut être intéressant de réaliser des couplages série parallèle dans le cas du bobinage simultané de plusieurs bobines car si l'inducteur fait N tours, chaque bobine n'en fera que N/2 tours et il peut être difficile d'obtenir sur une bobine une impédance de 4 x Z permettant à l'inducteur final d'atteindre une impédance Z par la mise en parallèle des 4 bobines. Dans ce dernier cas, il suffira d'atteindre l'impédance Z car la mise en série de deux bobines donnera une impédance 2xZ et la mise en parallèle des deux doubles bobines redonnera l'impédance Z recherchée.
Ce type d'inducteur minimisant les pertes est très économique. En effet, un inducteur doit ramener en charge une impédance donnée, qui en première approximation, est une fonction des caractéristiques géométriques des spires, de la bobine et du nombre de tours (ampères-tours). Le fait d'avoir des conducteurs très proches augmente très significativement l'effet d'inductance mutuelle des spires et permet d'obtenir des impédances très fortes avec une longueur utile de conducteur réduite. Un tel inducteur utilise 15 à 20 % de cuivre en moins qu'un inducteur connu, pour des performances supérieures.
La répartition thermique dans un inducteur connu, à simple bobine est relativement médiocre, car les courants induits sont nuls au centre de la charge centrée sur l'inducteur et ils sont maximum au niveau du demi rayon de l'inducteur.
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Selon l'invention l'inducteur étant remplacé par des inducteurs élémentaires, la zone froide de même que la zone < < chaude sont réparties en des zones plus petites dont la température est aisément réparties par la conduction thermique dans le récipient et assure donc une meilleure homogénéité de chauffe.
Diviser le courant par 4 environ (pour quatre inducteurs) est intéressant si le courant, donc la puissance du foyer, est importante. Pour des puissances très importantes, on augmente le nombre de bobines en parallèles ce qui a aussi pour effet d'augmenter la taille de la zone de chauffe ; ces puissances importantes sont dédiées à des récipients de diamètres importants.
Pour des puissances plus faibles, il n'est pas nécessaire de diviser autant le courant et deux bobinages en parallèles suffisent. On a par contre une augmentation du champ de fuite sur les côtés de la table et il est alors intéressant, comme pour le bobinage simultané de plusieurs bobines, de réaliser chaque inducteur unitaire en reliant en série et en opposition de phase deux inducteurs d'impédance Z, l'impédance finale étant (2Z//2Z) et le niveau de fuite électromagnétique étant de nouveau très réduit sur le côté.
Suivant une caractéristique avantageuse dans le sens indiqué ci-dessus, les inducteurs voisins sont branchés sur l'alimentation à haute fréquence pour engendrer des flux magnétiques additifs sous la charge.
Dans le même ordre d'idées, le foyer comprend un nombre égal d'inducteurs pour chacun des deux sens du flux si bien qu'à une certaine distance, le rayonnement magnétique est compensé.
Il est également intéressant de combiner au foyer un ou plusieurs capteurs de température ayant : * des bandes conductrices de chaleur placées entre au moins deux inducteurs voisins, * ces bandes étant reliées au capteur proprement dit pour lui transmettre la température.
Dans le cas d'un foyer comportant plusieurs inducteurs utilisables séparément ou par groupes non dédiés,
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c'est-à-dire des inducteurs voisins qui peuvent être combinés en un nombre relativement quelconque, il est intéressant de visualiser les inducteurs mis en oeuvre et pour cela le foyer comporte : * un moyen de signalisation lumineuse formé de segments lumi- neux installés entre deux inducteurs voisins, 'un circuit de commande comprenant un capteur détectant la présence d'un objet à chauffer au dessus d'un inducteur pour commander des segments lumineux associé à cet induc- teur.
La modularité des foyers réalisés avec des inducteurs selon l'invention est particulièrement intéressante si chaque inducteur est alimenté par un générateur associé.
L'invention permet de réaliser des foyers de cuisson par induction ou plus généralement des surfaces de chauffe avec un ou plusieurs foyers, formés chacun d'un ou plusieurs inducteurs associés.
Dans le sens de la présente invention l'expression foyer de cuisson par induction désignera indistinctement un foyer au sens classique du terme c'est-à-dire une zone de chauffe pour un récipient ou une surface de chauffe à plusieurs zones de chauffe combinées, comme par exemple dans l'art antérieur, un foyer avant et un foyer arrière , l'un de faible puissance, l'autre de forte puissance. Mais contrairement à l'art antérieur le foyer avant et le foyer arrière peuvent être composés de plusieurs inducteurs notamment de plusieurs inducteurs modulaires et en particulier chacun peut être composé de 4 inducteurs selon l'invention.
Il est également particulièrement avantageux pour faciliter la fabrication des foyers de cuisson par induction et en améliorer le caractère modulaire dès la fabrication des inducteurs, en réalisant un inducteur comprenant : * une surface supérieure constituée par une couche protec- trice, d'isolation électrique et éventuellement d'isolation thermique, sous laquelle est placé l'inducteur, * une couche de matériau à forte perméabilité magnétique et faible conductivité électrique comme de la ferrite sous
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l'inducteur pour boucler le circuit magnétique de l'inducteur, * un écran électromagnétique pouvant jouer le rôle de dissipateur de chaleur sous la couche de ferrite, * une plaque de circuit imprimé portant les composants du générateur associé à l'inducteur,
cette plaque étant installée sous l'écran-dissipateur, les composants de puissance du générateur nécessitant un refroidissement étant en contact thermique avec celui-ci, 'les conducteurs d'alimentation de l'inducteur étant directement connectés au circuit imprimé.
Dans un tel inducteur ou groupe d'inducteurs, les composants de la plaque de circuit imprimé sont situés sur la face supérieure c'est-à-dire du côté du dissipateur combiné à la couche de ferrite et à l'inducteur, alors que la face inférieure de la plaque de circuit imprimé sert uniquement à relier les différents composants ou supporter les composants miniatures montés en surfaces (CMS).
Dans ce cas il est particulièrement intéressant que les conducteurs de l'inducteur traversent le circuit imprimé et soient soudés à la vague en même temps que les connections des composants du circuit imprimé, par la face inférieure du circuit imprimé.
L'inducteur selon l'invention se réalise par le bobinage d'un ou plusieurs conducteurs. Le bobinage se réalise de manière particulièrement avantageuse en bobinant l'inducteur à partir de ses spires extérieures. Ceci permet de garantir la forme et la taille de la bobine ce qui est particulièrement important lorsque l'on juxtapose des bobines. Pour cela, la spire extérieure est plaquée contre une matrice possédant la taille et la forme désirée et la machine de bobinage spécifique réalise la bobine par plaquage successif des spires contre cette-spire extérieure, la tolérance de la bobine étant reportée sur son centre sans incidence particulière sur les caractéristiques de la bobine.
De manière plus particulière : - on place les conducteurs de l'inducteur pour leur faire traverser le circuit imprimé et on les soude à la vague en
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même temps que les connections des composants du circuit imprimé, par la face inférieure du circuit imprimé, - on enroule le conducteur formant les spires de l'inducteur à réaliser en partant de la spire extérieure mis à la forme voulue et on place les spires successives à l'intérieur de cette spire extérieure, - on donne à la spire extérieure une forme rectangulaire, no- tamment carrée, - on enroule simultanément plusieurs conducteurs pour former un inducteur à plusieurs conducteurs.
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels : * La figure 1 est une vue en perspective schématique d'un in- ducteur à un seul conducteur selon l'invention,
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* La figure 2 est une vue en perspective schématique d'un in- ducteur à deux conducteurs indépendants, * La figure 3 est une vue en perspective schématique d'un in- ducteur formé par un enroulement de quatre conducteurs in- dépendants, * La figure 4 est une vue en perspective d'un groupement de quatre inducteurs combinés pour former un foyer de cuisson,
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* La figure 5 est une vue en perspective d'une surface de cuisson formée d'un foyer avant et d'un foyer arrière,
* La figure 6 est une vue en perspective schématique montrant la forme et l'emplacement du capteur de température * La figure 7 montre un ensemble d'inducteurs selon l'invention, combinés pour former un foyer à zone de chauffe non dédiées, * La figure 8 est une vue en coupe d'un inducteur ou groupe d'inducteurs combinés à leur (s) générateur (s).
Selon les figures l'invention concerne un foyer de cuisson par induction alimenté en courant à haute fréquence. Dans toute la description les expressions cuisson ou chauffe sont considérées comme synonymes. Le foyer se compose d'un ou plusieurs inducteurs tel que celui représenté schématiquement à la figure 1. Cet inducteur 1 est composé d'un grand nombre de spires formées d'un conducteur 11 de
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section rectangulaire de faible épaisseur c'est-à-dire dont le grand côté est parallèle à l'axe d'enroulement ZZ (axe vertical) (conducteur sur chant).
L'enroulement réalisé avec le conducteur 11 a une forme en vue en plan rectangulaire ou carrée. Dans le schéma de la figure 1, les angles 111 des sommets sont exagérément accentués. En fait ces angles sont en général plus ou moins arrondis.
Cet enroulement se fait selon l'invention à partir de la spire extérieure qui est plaquée dans une empreinte possédant la forme désirée, le bobinage se faisant en plaquant successivement les spires contre la spire précédente jusqu'à l'obtention du nombre de tours souhaité.
Les extrémités du conducteur portant les références 14,15 servent à son alimentation électrique.
Les spires du conducteur 11 sont représentées écartées, c'est-à-dire sans contact. L'intervalle entre les spires est occupé par un isolant de faible épaisseur. Cette faible épaisseur correspond selon l'invention, à une épaisseur inférieure de préférence, très sensiblement, à l'épaisseur (e) du conducteur 11 ; cette épaisseur (e) est elle-même faible vis-à-vis de la hauteur (h) du conducteur 11.
La figure 2 montre un inducteur 2 à deux conducteurs 21 et 22 avec un isolant 23 entre les spires des conducteurs.
L'inducteur de forme générale rectangulaire pour faciliter la juxtaposition de plusieurs inducteurs, est notamment de forme sensiblement carrée.
L'isolant 23 entre les spires du conducteur 21 et du conducteur 22 peut être un isolant déposé sur les conducteurs avant leur enroulement. Cet isolant peut également être constitué par un ruban enroulé en même temps que les conducteurs 21,22. Une combinaison entre un isolant déposé et un isolant enroulé peut aussi être envisagé.
Enfin cet isolant peut être ou comporter une résine thermodurcissable ce qui permet de figer l'enroulement par simple élévation de température.
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Dans le cas d'un isolant enroulé, la tranche supérieure de l'inducteur n'est pas couverte par l'isolant.
Cette tranche se trouve par contre sous une couche d'isolant électrique résistant à la température comme le mica aussi mince que possible qui recouvre l'inducteur pour l'isoler électriquement.
La figure 3 montre un inducteur 3 réalisé par l'enroulement de quatre conducteurs 31,32, 33,34 séparés chaque fois par un isolant fin entre les spires non représenté. Ces quatre conducteurs 31,32, 33,34 de section rectangulaire comme les conducteurs 21 et 22 précédent, sont électriquement indépendants.
La figure 4 montre la juxtaposition de quatre inducteurs 1 du type de ceux décrits ci-dessus, pour former par exemple un foyer de cuisson par induction. Ces inducteurs peuvent être associés en parallèle ou en série/parallèle.
Comme le montre cette figure, pour atténuer, voire compenser le champ électromagnétique à faible distance à côté du foyer et notamment dans les 4 directions dont deux sont représentés par les points Hf, les inducteurs sont deux à deux en opposition de phase. Le champ magnétique vu aux points Hf sera donc composé d'une partie d'un champ en phase et d'une partie quasiment identique d'un champ en opposition de phase, la résultante étant quasiment nulle. Sous la charge, les champs de deux inducteurs voisins seront a flux cumulatifs comme par exemple le champ Hc. Ceci permet d'associer le flux des inducteurs et donc d'augmenter leur impédance par augmentation de l'effet de mutuelle inductance ainsi que d'améliorer par la même la répartition des courants induits donc de la température dans la charge à chauffer.
La mise en opposition de phase se fait généralement par la connexion physique de l'inducteur. Dans le cas de l'alimentation d'une zone de cuisson comportant plusieurs inducteurs par plusieurs générateurs, les phases respectives des inducteurs, donc des générateurs, peuvent être définies par la commande de ces derniers. Il peut même être avantageux de faire de la modulation de phase pour moduler le champ magnétique au niveau des charges et dans leur proches environ-
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nements pour contrôler finement la puissance dans les charges et pour minimiser les pertes magnétiques.
Dans les différents inducteurs ci-dessus le conducteur a préférentiellement une section rectangulaire, à savoir que son épaisseur est faible devant sa hauteur et il est enroulé sur champ. A titre d'exemple, on réalise un inducteur en bobinant 50 spires d'un seul conducteur de section 0,5 x 2 mm sur une empreinte carré de coté 110 mm, chaque spire étant isolée des spires voisines par un isolant électrique haute température comme de la tresse de verre dont l'épaisseur est la plus faible possible, par exemple 0,1 mm.
On réalise de cette manière un inducteur carré de coté 110 mm et dont le centre carré fera 110-2 x 50 x (0,5 + 2 x 0,1)) = 40 mm de coté et dont l'impédance en charge, c'est à dire en présence d'un récipient adapté, est d'environ 4 fois l'impédance (L, R) en charge d'un inducteur classique de dimensions beaucoup plus importantes (diamètre 220 mm par exemple).
Associer des générateurs n'est pas une chose facile car en général, les charges sont différentes. Réaliser ainsi les inducteurs garantit que les impédances en charge des différents conducteurs seront quasiment identiques et donc permet sans difficultés majeures d'associer des générateurs qui pourront alors travailler à des fréquences identiques. Cette multiplication de conducteurs augmente cependant l'espace entre les conducteurs raccordés à un même générateur et donc les dimensions de l'inducteur ce qui n'est pas un problème car le foyer sera alors de puissance élevée, capable de transmettre la puissance de plusieurs générateurs. Il est intéressant de ne pas raccorder tout les inducteurs en parallèle mais d'effectuer des branchements série/parallèle ce qui impose un nombre de tours moindres pour les inducteurs élémentaires.
Une extension intéressante consiste à réduire encore plus la section de cuivre et d'isolant ainsi que les dimensions de la spire extérieure, de façon à réaliser des inducteurs unitaires très petits et dont l'impédance est très élevée. On réaliser par exemple un inducteur de 60 spires de
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0,2 mm de large par 2 mm de haut avec un isolant interspire de 0,1 mm ayant une forme carré de coté 50 mm d'où un centre intérieur carré de coté = 50-2 x 60 x (0,2 + 0,1)) = 14 mm.
On réalise un foyer en connectant en parallèle ou en série parallèle ces inducteurs unitaires et le rayonnement magnétique global est très réduit, la répartition thermique étant de même encore grandement améliorée.
Ce principe permet de réaliser une gamme complète de foyers de cuisson de différentes tailles en ajoutant des inducteurs élémentaires pour avoir toujours un nombre sensiblement égal d'inducteurs en phase et d'inducteurs en opposition de phase.
L'ajout d'inducteurs en parallèle diminue l'impédance globale de l'inducteur et donc augmente le courant et la surface de cuisson. On rétablit ainsi la logique grand foyer-grande puissance, ce qui était impossible avec des inducteurs simples pour lesquels plus le nombre de tours est important, plus l'impédance est forte donc plus le courant est faible quand la surface du foyer augmente.
Dans un tel système, l'adaptation de la taille du récipient à la taille du foyer est moins importante, car
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lorsqu'une charge recouvre un inducteur, son inductance diminue fortement et la réactance Loo étant supérieur à R, l'impédance globale Z=+'. Z,. & ) de l'inducteur recouvert dimi- nue donc le courant, augmente dans les inducteurs situés sous la charge. Les autres inducteurs sont alimentés mais le fait qu'ils soient de petite taille et en opposition de phase, réduit considérablement le champ de fuite du système. Il est donc possible, grâce à l'invention, de proposer des surfaces de chauffe adaptables à des récipients de diamètres et de formes variées tout en minimisant les champs de fuite et optimisant les répartitions thermiques dans les récipients.
La figure 5 montre une surface de chauffe ou de cuisson ayant quatre inducteurs 1 selon la figure 1 et quatre inducteurs 2 selon la figure 2. Les inducteurs 1 forment un foyer de cuisson au sens usuel du terme, de même que les inducteurs 2. La surface de chauffe est entourée par un trait mince.
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En fait, les inducteurs 1 constituent un foyer avant , de puissance normale et les inducteurs 2 constituent un foyer arrière de puissance forte, l'ensemble formant une plaque de cuisson dite à deux feux .
Les inducteurs 1 sont alimentés par un générateur 4 et les inducteurs 2 par un générateur 5. En fait, seul le conducteur 22 (voir figure 2) des inducteurs 2 est alimenté par le générateur 5 alors que le conducteur 21 est alimenté par le générateur 4 par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation 6.
Ce dispositif de commutation 6 permet sur commande de brancher le générateur 4 soit sur les inducteurs 1 soit sur le second conducteur 11 des inducteurs 2. Par simplicité, les inducteurs avant et la partie 21 des inducteurs arrière ont un point électrique commun ce qui permet l'utilisation d'un dispositif de commutation simplifié. Les différents inducteurs composant les foyers sont reliés entre eux comme indiqué ci-dessus, en parallèle ou en série-parallèle avant d'être reliés au dispositif de commutation.
Cet ensemble de cuisson délivre une puissance réglable comprise entre 0 et une valeur maximale P, de façon indépendante sur les deux foyers, le foyer arrière de plus grand dimension étant plus approprié pour des récipients de grande taille. En cas de besoin d'une puissance importante demandée par ce foyer, le foyer avant est temporairement arrêté et on connecte les deux générateurs sur le foyer arrière auquel ils peuvent délivrer une puissance réglable de 0 à 2 x P.
La figure 6 montre l'emplacement d'un capteur de température entre les bobines constituant le foyer. Dans un système classique, on utilise parfois une feuille de métal conducteur thermique comme le cuivre ou l'aluminium, qui recouvre une partie du foyer et dont le but est de ramener une information moyennée de la température de la charge à un capteur situé au centre du foyer dans la zone ou le champ inducteur est quasiment nul. Cette feuille, dans le cas d'inducteurs Haute Fréquence, est découpée pour éviter au
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mieux la transformation de courants induits en son sein et est de dimension réduite.
Malgré cela, cette feuille est quand même le siège de courants de Foucault, car elle est dans le champ maximum de l'inducteur et étant positionnée au-dessus de l'inducteur, elle génère un entrefer préjudiciable à l'efficacité du système.
Dans le cas présent, il est possible d'utiliser un élément beaucoup plus simple, plaque mince ou fil, et de mettre cet élément en dehors du champ principal des bobines, tout en étant dans la zone de chauffe du foyer comme le montre le croquis non limitatif reproduit sur la page des figures. Ce système peut être composé de deux fils méplats en forme de croix, le centre de la croix étant plaqué au capteur de type CTN par exemple chargé de mesurer la température du foyer de façon a avoir un contact thermique adéquat. Ce système ne génère aucune surépaisseur et est le siège de courants induits très limité. Sa zone d'action est importante et sa construction est très économique.
La figure 6 montre cette disposition d'inducteurs 60 en damier qui permet de placer dans l'intervalle entre quatre inducteurs 60 un capteur de température 7 formé de branches 71 et 72 conductrices de chaleur. Ces branches sont placées en croix dans l'intervalle de chaque fois deux inducteurs voisins. Les branches 71 et 72 transfèrent la température qu'ils prennent, vers le point central 73 ou est placé un élément sensible à la température (non représenté). Celui-ci reçoit ainsi une température moyenne ; il est relié au circuit de commande du foyer pour éviter les surchauffes du foyer et de sa charge en cas de mauvais réglages ou pour asservir éventuellement la température en réglant la puissance.
Il est également possible de placer entre les inducteurs, des segments lumineux reliés à un circuit de commande non représenté, comprenant un capteur qui détecte la présence d'un objet à chauffer sur le ou les inducteurs et commande l'éclairage de l'ensemble des segments éclairants entourant la zone de chauffe utilisée. De façon avantageuse et connu, on utilise la variation d'impédance des inducteurs
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lorsqu'ils sont recouverts par une charge comme capteur. Un tel moyen est particulièrement intéressant lorsque les inducteurs ne sont pas associés à un foyer particulier mais constituent globalement une surface de chauffe utilisable d'une manière très souple et non pas des foyers localisés. De façon avantageuse, ce dispositif d'éclairage est alimenté par le champ magnétique des inducteurs qu'il entoure.
Ceci permet de moduler la puissance de l'éclairage suivant la puissance des foyers. Ce dispositif permet de ne plus utiliser de sérigraphie sur les plans de cuisson pour matérialiser les zones de chauffe. Il peut être envisagé dans ce cas, d'affecter des couleurs différentes à des foyers différents.
La figure 7 montre un ensemble d'inducteurs 50 du type de ceux décrits ci-dessus. Ces inducteurs sont juxtaposés et ils peuvent être branchés unitairement ou par paquets d'inducteurs sur des générateurs non représentés, en fonction de la puissance à fournir et des inducteurs utilisés.
La figure 8 montre très schématiquement une vue en coupe d'un foyer 100 selon l'invention.
Ce foyer se compose d'une couche protectrice 101 par exemple en verre vitrocéramique qui constitue la surface sur laquelle on place l'objet à chauffer 99. Sous la couche protectrice et d'isolation électrique, voire thermique, 101 se trouve le ou les enroulements 102 constituant l'inducteur. Sous cet inducteur se trouve une couche de matière à forte perméabilité magnétique et faible conductivité électrique comme de la ferrite 103 qui assure le bouclage du circuit magnétique et sous la couche de ferrite, il y a un dissipateur 104 (radiateur) de préférence en aluminium qui, en même temps qu'il évacue la chaleur, forme un écran anti-magnétique vers le bas.
Sous ce dissipateur 104 avec par exemple des bords en retrait 1041 et des ailettes de radiateur 1042 se trouve une plaque de circuit imprimé 105 portant les composants 1051, 1052,1053, 1054,1055 du générateur haute fréquence. Ces composants 1051-1055 sont placées sur le dessus de la plaque 105 et leur broches traversent la plaque 105 pour être soudées.
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Le dissipateur 104 forme un canal de ventilation 1043 avec des ailettes 1044 tournées vers le canal du côté de l'inducteur 102 ; le canal est traversé par un courant d'air généré par un ventilateur non représenté.
Les broches 1021,1022 de l'enroulement de l'inducteur 102 traversent également l'ensemble ainsi que la plaque de circuit imprimé 105 pour dépasser vers le bas. Il est particulièrement intéressant lorsque l'ensemble est ainsi simplement assemblé, de souder les connecteurs 1021,1022 directement au circuit imprimé de la plaque 105 en procédant par exemple par un soudage à la vague. Ce type de connexion est rendu possible en raison de la division du courant dans les branches des inducteurs en parallèle. En effet, le courant dans un inducteur classique est de plusieurs dizaines d'ampères ce qui nécessite une connexion de puissance en général effectué par un système de cosses vissées particulièrement onéreux.
Le fait d'avoir soit divisé le courant dans des branches parallèles, soit d'utiliser des générateurs de faibles puissances autorise alors en combinaison avec un conducteur d'inducteur type méplat, de pouvoir souder directement ce méplat, après décapage éventuel de son vernis d'isolation électrique, sur le circuit imprimé de la carte d'alimentation de puissance ce qui est particulièrement économique. Avantageusement, une ou plusieurs des broches des inducteurs passent avant de passer à travers la plaque 105, à travers un ou plusieurs capteur de courant 1055 permettant ainsi de connaître les courant dans un ou plusieurs inducteurs.
Une telle configuration, en plus de son caractère modulable, possède l'avantage d'être particulièrement compacte et permet de réaliser des appareils de cuisson par induction d'épaisseur réduite.
Il peut aussi être avantageux d'affecter à chaque inducteur unitaire son isolation électrique, son circuit magnétique, son écran et da façon générale, tous les éléments qu'il possède dans un ensemble d'inducteurs, et de considérer cet inducteur comme un composant tout à fait standard venant se connecter au circuit imprimé de la carte puissance.
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Enfin, le radiateur commun qui peut être en une seule partie ou en plusieurs parties en contact thermique, peut être relié à un potentiel filtré de la carte électronique de puissance de façon à limiter les courants capacitifs entre l'inducteur et sa charge. De façon avantageuse, cette liaison électrique se fait naturellement par l'intermédiaire d'un composant de puissance qui est monté directement sur le radiateur sans isolation, le collecteur d'un transistor de puissance relié à son boîtier par exemple.
Les moyens de ventilation équipant l'inducteur ventilent le dissipateur et le circuit électronique ; ces moyens n'ont pas été représentés. On utilise de façon avantageuse, un ventilateur pour refroidir plusieurs modules. Cet ensemble inducteur est particulièrement facile à refroidir en raison de l'espace laissé entre les bobines voisines qui permet le passage d'un flux d'air.