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Die
Erfindung geht aus von einem Induktionskochfeld nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zum Herstellen eines Induktionskochfelds
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
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Aus
der
US 4,467,162 ist
ein Induktionskochfeld mit wenigstens einer Kochfläche und
wenigstens einer unterhalb der Kochfläche angeordneten Heizspule,
die um wenigstens eine Spulenachse gewunden ist, bekannt. Eine Richtung
der Spulenachse verläuft
senkrecht zu der Kochfläche.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, ein gattungsgemäßes Induktionskochfeld bereitzustellen,
das auch an Kochtöpfe
mit einem kleinen Durchmesser hinsichtlich der induktiven Energieübertragung
gut koppelt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein
einfach herstellbares Induktionskochfeld bereitzustellen, dessen
Impedanz einfach an einen die Heizspule mit Strom versorgenden Umrichter
anpassbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Patentansprüche
1 und 13 gelöst, während vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen
werden können.
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Die
Erfindung geht aus von einem Induktionskochfeld mit wenigstens einer
Kochfläche
und wenigstens einer unterhalb der Kochfläche angeordneten Heizspule,
die um wenigstens eine Spulenachse gewunden ist.
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Es
wird vorgeschlagen, dass eine Richtung der Spulenachse wenigstens
eine Komponente in einer parallel zu der Kochfläche verlaufenden Ebene hat.
Durch die erfindungsgemäße Ausrichtung
der Spulenachse kann erreicht werden, dass auch die oberhalb der
Kochfläche
verlaufenden, von der Heizspule erzeugten Flusslinien eine im Vergleich
zu den Feldverteilungen bekannter Induktionskochfelder große Komponente
in der Ebene der Kochfläche
haben, so dass eine gute Kopplung an einen auf der Kochfläche aufge stellten
Kochtopf auch bei nicht genau mittiger Platzierung des Kochtopfs
und bei kleinen Durchmessern des Kochtopfs erreichbar ist. Die Feldverteilung
weist dann auch im Mittel eine Vorzugsrichtung in der Richtung der
Komponente auf.
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Als „Kochfläche" soll in diesem Zusammenhang
ein insbesondere kreisförmiger
Bereich des Induktionskochfelds bezeichnet werden, der dazu vorgesehen
ist, im Betrieb unmittelbar einen Kochtopf zu tragen und in mechanischem
Kontakt zu einem Boden des Kochtopfs zu stehen. Als „Komponente" wird in diesem Zusammenhang
eine senkrechte Projektion des Einheitsvektors der Richtung auf
die Ebene bezeichnet, die unabhängig
von einem Abstand der Ebene von der Kochfläche ist.
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Je
größer der
Anteil des Betragsquadrats der Komponente an dem Betragsquadrat
des Richtungsvektors ist, desto besser ist die Kopplung. Besonders vorteilhaft
sind Ausgestaltungen der Erfindung, in denen die Spulenachse zumindest
im Wesentlichen parallel zu der Kochfläche verläuft, so dass auch die Flusslinien
oberhalb der Kochfläche
im Wesentlichen parallel zu der Kochfläche verlaufen. Induktionskochfelder
mit derart ausgerichteten Heizspulen können durch eine flach gewickelte
Spule besonders flach gebaut sein. Als „im Wesentlichen parallel" sollen in diesem
Zusammenhang auch zwei Richtungen bezeichnet werden, die um höchstens
20° voneinander abweichen.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass das Induktionskochfeld ein Mittel zum Beeinflussen
der Flusslinien des von der Heizspule erzeugten Magnetfelds umfasst.
Dadurch können
Streuverluste vermindert werden und eine Impedanz der Kochfläche bzw.
der Heizspule kann hinsichtlich einer bevorzugten Impedanz eines
die Heizspule speisenden Umrichters optimiert werden. Im Gegensatz
zu herkömmlichen
Induktionskochfeldern, deren Umrichter an die Impedanz der Heizspule
angepasst sind, kann die Impedanz der Heizspule an die Impedanz
des Umrichters angepasst werden, so dass ein besonders kostengünstiger
Umrichter zum Einsatz kommen kann.
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Wenn
das Mittel aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
gefertigt ist, kann gewährleistet
werden, dass eine Reluktanz bzw. ein magnetischer Widerstand des
Mittels bei der Umrichterfrequenz größer ist, und zwar insbesondere
um ein Vielfaches größer als
eine Reluktanz der das Mittel umgebenden Luft. Dies hat zur Folge,
dass die Flusslinien des von der Heizspule erzeugten Magnetfelds kaum
in das Mittel eindringen. Die Flussli nien werden gewissermaßen von
dem Mittel verdrängt
bzw. annihiliert. Als geeignete und kostengünstige Materialien haben sich
beispielsweise Aluminium und Kupfer erwiesen.
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Eine
flache Bauweise und eine gute Abschirmung nach unten können erreicht
werden, wenn das Mittel zum Beeinflussen der Flusslinien des von
der Heizspule erzeugten Magnetfelds sich in einer parallel zu der
Kochfläche
verlaufenden Ebene erstreckt.
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Ist
die Heizspule zwischen dem Mittel und der Kochfläche unterhalb der Kochfläche angeordnet,
kann der magnetische Fluss durch das Mittel sicher nach oben in
die Richtung der Kochfläche
umgelenkt werden bzw. das Magnetfeld kann nach unten abgeschirmt
werden. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung könnten weitere
Bereiche des Mittels seitlich von der Heizspule angeordnet sein,
um eine Einkopplung der elektromagnetischen Energie in einen auf
der Kochfläche
angeordneten Kochtopf weiter zu verbessern.
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Umfasst
das Induktionskochfeld ein Haltemittel zum Halten des Mittels an
der Heizspule in einem vorgegebenen Abstand, kann der Abstand einerseits
sicher kontrolliert werden und andererseits durch eine Änderung
des Haltemittels oder durch eine Änderung einer Montagekonfiguration
des Haltemittels in einer einfachen Weise an eine bevorzugte Impedanz
eines die Heizspule speisenden Umrichters angepasst werden.
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Dabei
sind flexibel einsetzbare Baugruppen mit einer Heizspule, einem
Haltemittel und einem Mittel zum Beeinflussen der Flusslinien herstellbar, wenn
der Abstand abhängig
von einer Impedanz eines Umrichters wählbar ist. Es wäre prinzipiell
sogar eine durch einen Aktor vermittelte, automatische Anpassung
des Abstands während
des Betriebs denkbar.
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Eine
große
Feldstärke
ist erreichbar, wenn die Heizspule einen Kern aus einem Material
mit hoher Permeabilität
hat, und zwar insbesondere, wenn das Material ein Ferrit ist.
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Eine
feste Wicklung der Heizspule kann sichergestellt werden, wenn der
Kern einen Flansch aufweist, der ein Abrutschen der Windungen der Heizspule
in der Richtung der Spulenachse verhindert.
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Wenn
der Kern flach ausgebildet ist und mit seiner breiten Seite parallel
zu der Kochfläche
ausgerichtet ist, kann trotz der parallel zu der Kochfläche verlaufenden
Spulenachse ein flach bauendes Induktionskochfeld erreicht werden.
Seine Breite senkrecht zur Spulenachse und in der Ebene der Kochfläche kann
beispielsweise vorteilhaft mehr als dreimal so groß oder mehr
als fünfmal
so groß wie
seine Höhe
senkrecht zur Kochfläche
sein, wobei die Breite besonders vorteilhaft zumindest der Größenordnung nach
einem typischen Radius eines Kochtopfs entspricht, also etwa zwischen
5 und 15 cm beträgt.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Induktionskochfelds
wobei eine Heizspule, die um wenigstens eine Spulenachse gewunden
ist, unterhalb einer Kochfläche
angeordnet wird.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Spulenachse derart ausgerichtet wird,
dass die Richtung der Spulenachse wenigstens eine Komponente in
der Ebene der Kochfläche
hat. Dadurch können
die oben genannten Vorteile hinsichtlich der guten Kopplung an Kochtöpfe mit
vergleichsweise kleinem Durchmesser erreicht werden.
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Wird
ferner ein Mittel zum Beeinflussen der Flusslinien des von der Heizspule
erzeugten Magnetfelds in einem vorgegebenen Abstand unterhalb der Heizspule
angeordnet, kann in einer einfachen Weise die Impedanz der Heizspule
an eine Impedanz des Umrichters angepasst werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 ein
Induktionskochfeld mit einer Heizspule und einem Mittel zum Beeinflussen
der Flusslinien des von der Heizspule erzeugten Magnetfelds in einem
Vertikalschnitt und
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2 die
Heizspule aus 1 mit einem Kern aus hochpermeablem
Material in einer Draufsicht.
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1 zeigt
schematisch ein Induktionskochfeld mit wenigstens einer Kochfläche 10 und
einer unterhalb der Kochfläche 10 angeordneten
Heizspule 12, die um eine Spulenachse 14 gewunden
ist. Das Induktionskochfeld umfasst neben der in 1 dargestellten
Kochfläche 10 noch
drei weitere, hier nicht dargestellte Kochflächen, die unterschiedliche
Größen aufweisen
und unter denen jeweils eine weitere Heizspule von der Art der in 1 dargestellten Heizspule 12 angeordnet
ist. Die weiteren Heizspulen haben in der Richtung ihrer jeweiligen
Spulenachse unterschiedliche Längen 16 (2).
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Die
Kochfläche 10 ist
ein drucktechnisch gekennzeichneter Bereich einer Glaskeramikplatte 18 aus
Ceran. Die Kochfläche 10 ist
dazu vorgesehen, während
eines Kochvorgangs einen Kochtopf 20 zu stützen, der
induktiv durch die Heizspule 12 geheizt wird.
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Hier
und im Folgenden bezeichnen die Begriffe „oberhalb", „unterhalb" und Ähnliches
die entsprechenden Richtungen in der Einbaukonfiguration des Induktionskochfelds,
in welcher die Kochfläche 10 horizontal
verläuft
und in welcher die Heizspule 12 unterhalb der Kochfläche 10 angeordnet
ist.
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Die
Richtung der Spulenachse 14 hat wenigstens eine Komponente
in einer parallel zu der Kochfläche 10 verlaufenden
Ebene. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
verläuft
die Spulenachse 14 sogar genau parallel zu der Kochfläche 10.
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Unterhalb
der Heizspule 12 der Kochfläche 10 weist das Induktionskochfeld
ein Mittel 22 zum Beeinflussen der Flusslinien 24 (2)
des von der Heizspule 12 erzeugten Magnetfelds auf.
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Das
Mittel 22, das aus einem nicht magnetisierbaren Material
mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gefertigt
ist, hat bei den relevanten Frequenzen einen höheren magnetischen Widerstand
bzw. eine größere Reluktanz
als die umgebende Luft, so dass die Flusslinien 24 des
Magnetfelds von dem Mittel 22 abgestoßen werden.
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Das
Mittel 22 zum Beeinflussen der Flusslinien 24 des
von der Heizspule 12 erzeugten Magnetfelds ist aus einem
dünnen,
ebenen Blech aus Aluminium gebildet, das sich in einer parallel
zu der Kochfläche 10 verlaufenden
Ebene erstreckt. Da die Heizspule 12 zwischen dem Mittel 22 und
der Kochfläche 10 unterhalb
der Kochfläche 10 angeordnet
ist, werden die Flusslinien 24 durch die abstoßende Wirkung des
Mittels 22 in Richtung der Kochfläche 10 und dementsprechend
auch in Richtung des Kochtopfs 20 umgelenkt, so dass die
Kopplung der Heizspule 12 mit dem Kochtopf 20 durch
das Mittel 22 verbessert wird, da weniger Feldenergie unterhalb
der Heizspule 12 bzw. unterhalb des Mittels 22 dissipiert
werden kann und das Magnetfeld nach oben in Richtung des Kochtopfs 20 gebündelt wird.
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Um
einen präzise
bestimmten Abstand 26 zwischen dem Mittel 22 und
der Heizspule 12 sicherzustellen, ist das Mittel 22 über ein
Haltemittel 28 aus Kunststoff in einem vorgegebenen Abstand 26 an
der Heizspule 12 gehalten.
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Der
vorgegebene Abstand 26 beeinflusst über die Intensität der durch
das Mittel 22 bedingten Modifikation des Magnetfelds der
Heizspule 12 die Impedanz der Heizspule 12. Der
Abstand 26 ist daher derart gewählt, dass die Impedanz der
Heizspule 12 möglichst
an die Impedanz eines die Heizspule 12 mit Strom versorgenden
Umrichters 30 angepasst ist, der hier nur sehr schematisiert
dargestellt ist. Der Abstand 26 ist abhängig von einer Impedanz des
Umrichters 30 wählbar.
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Die
Heizspule 12 ist um einen Kern 32 aus einem Material
mit hoher Permeabilität
gewickelt, und zwar um einen Kern 32 aus Ferrit. An beiden
Enden weist der Kern 32 einen Flansch 34, 36 auf,
der ein Abrutschen der Windungen der Heizspule 12 in der
Richtung der Spulenachse 14 verhindert. Die Flansche 34, 36 bilden
Polschuhe des von der Heizspule 12 und ihrem Kern 32 gebildeten
Elektromagneten.
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Der
Kern 32 ist flach ausgebildet und mit seiner breiten Seite
parallel zu der Kochfläche 10 ausgerichtet.
Seine Breite 38 senkrecht zur Spulenachse 14 und
in der Ebene der Kochfläche 10 ist
mehr als dreimal so groß wie
seine Höhe 40 senkrecht
zur Kochfläche 10.
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In
einem Verfahren zum Herstellen eines Induktionskochfelds der oben
beschriebenen Art wird die Heizspule 12, die um die Spulenachse 14 gewunden
ist, unterhalb der Kochfläche 10 angeordnet.
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Dabei
wird die Spulenachse 14 derart ausgerichtet, dass die Richtung
der Spulenachse 14 wenigstens eine Komponente in der Ebene
der Kochfläche 10 hat,
und zwar insbesondere so, dass die Spulenachse 14 parallel
zu der Kochfläche 10 verläuft.
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Vor
dem Befestigen der Heizspule 12 unterhalb der Kochfläche 10 wird
diese mit einem Mittel 22 zum Beeinflussen der Flusslinien 24 des
von der Heizspule 12 erzeugten Magnetfelds über ein
Haltemittel 28 aus Kunststoff zu einer gemeinsamen Baugruppe
verbunden. Das Haltemittel 28 gewährleistet, dass das Mittel 22 in
einem vorgegebenen, abhängig von
einer Impedanz des Umrichters 30 des Induktionskochfelds
bestimmten Abstand 26 unterhalb der Heizspule 12 angeordnet
wird.
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- 10
- Kochfläche
- 12
- Heizspule
- 14
- Spulenachse
- 16
- Länge
- 18
- Glaskeramikplatte
- 20
- Kochtopf
- 22
- Mittel
- 24
- Flusslinie
- 26
- Abstand
- 28
- Haltemittel
- 30
- Umrichter
- 32
- Kern
- 34
- Flansch
- 36
- Flansch
- 38
- Breite
- 40
- Höhe