DE2332049A1

DE2332049A1 - Induktionsheizapparat

Info

Publication number: DE2332049A1
Application number: DE2332049A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Hibino; Toshio Ito; Masatami Iwamoto; Fukutaro Kishimoto; Ikuko Nomura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1972-08-18
Filing date: 1973-06-23
Publication date: 1974-02-28
Also published as: DE2332049B2; FR2196568B1; JPS4938233A; DE2332049C3; JPS5217572B2; US3906181A; FR2196568A1; CA1014228A; IT991094B; GB1437973A

Description

2332CU9

ME-122 (193F-1159)

1A-522 23. Juni 1973

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA, Tokyo , Japan

Induktionsheizapparat

Die Erfindung betrifft einen Induktionsheizapparat mit einem Erreger zum Induktionsheizen eines aufzuheizenden Körpers.

Es sind bereits Induktionsheizapparate zum Induktionsheizen von aufzuheizenden Körpern bekannt, bei denen ein Erregerstrom üblicher Frequenz durch einen Erreger fließt, welcher ein alternierendes magnetisches Feld bildet. Der zu heizende Körper unterliegt einer starken alternierenden elektromagnetischen Kraft, deren Frequenz das Doppelte der Erregerstromfrequenz ist. Hierdurch gerät der aufzuheizende Körper in erhebliche Schwingungen und verursacht starke Geräusche. Aufgrund dieser Geräuschbildung sind bisher praktische Anwendungen dieses Heizgerätes ausgeschlossen gewesen.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Induktionsheizapparat zu schaffen, bei dem keinerlei Schwingungen und Geräusche auftreten können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß η Gruppen von äquivalenten Magnetkreisen vorgesehen sind, welche den aufzuheizenden Körper einschließen und welche nacheinanuf;i· durch einen Erregerstrom mit einer Phasendifferenz im bereich von

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ψ ,ο,β-ffl X 1,2 Grad erregbar sind.

Auf diese Weise werden die alternierenden Komponenten der elektromagnetischen Kraft, welche auf den aufzuheizenden Körper ausgeübt werden, vermindert oder beseitigt, wodurch Schwingungen und G-eräuschbildungen herabgesetzt oder eliminiert werden. Es ist insbesondere wirkungsvoll, den erfindungsgemäiBen Induktionsheizapparat mit einer herkömmlichen Frequenz zu betreiben und zum Beheizen eines Kochtopfes zu verwenden. Vorzugsweise ist die Zahl η gleich oder größer als 2. Die einzelnen Magnetkreise sind im wesentlichen äquivalent und sie umfassen den Erreger und den aufzuheizenden Körper.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäföen Induktionsheizapparates sind die η Gruppen von Magnetkreisen unterteilt,und die einzelnen Magnetkreise haben jeweils entgegengesetzte Drehrichtung des magnetischen Feldes, wodurch das Drehfeld insgesamt herabgesetzt oder beseitigt wird, so daß eine auf den aufzuheizenden Körper ausgeübte Drehkraft herabgesetzt oder beseitigt wird. Bei einer Ausführungsform mit zwei Gruppen von Magnetkreisen gemäß vorliegender Erfindung besteht eine bevorzugte Art der Erregung darin, dat man den Abstand zwischen der;: aufzuheizenaen Körper und dem Erregei* und das Material des aufzuheizenden Körpers derart wählt, daü der Magnetkreis durch einen Erregerstrom erregt wird, welcher etwa eine 45 °-Phasenverzögerung im Vergleich zur Spannung hat, während der andere Magnetkreis durch einen Erregerstrom erregt wird, welcher etwa einen 45 °-Phasenvorsprung gegenüber der Spannung hat. Dies wird durch einen Kondensator erreicht.

Im folgenden wi."d die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

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_ 3 —

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des aufzuheizenden Körpers (Kochtopf) des Induktionsheizapparates gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Kochplatte des Induktionsheizapparates gemäß Fig. 1, wobei Teile herausgebrochen s i nd ;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Erregers des Induktionsheizapparates gemäß Fig. 1 ;

Fig. 5 bis 7 schematische Darstellungen der Erregerschaltung des Induktionsheizapparates gemäß Fig. 1;

Fig. 8 einen Schnitt durch den Induktionsheizapparat unter Andeutung des Magnetstroms.;

Fig. 9 eine Draufsicht auf den Boden des Kochtopfes unter Darstellung der Wirbelströme;

Fig.10 bis 14 graphische Darstellungen der auf den aufzuheizenden Körper ausgeübten elektromagnetischen Kraft, wobei die Abszisse die Zeit darstellt und die Ordinate die Stromstärke, den magnetischen Fluß und die elektromagnetische Kraft;

Fig.15 eine Kennlinie der statischen elektromagnetischen Kraft bei 1 Ampere Erregerstrom bei dem erfindungsgemä'ien Induktionsheizapparat;

Fig.16 eine Kennlinie des Heizwertes bei einem Erregerstrom von 1 Ampere des erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates;

Fig. 17 eine zweite Ausführungsforrn des Kochtopfes des erfindungsgemäien Induktionshäzapparates;

Fig. 18 eine c.chematische Darstellung der Kochplatte für den Kochtopf gemäß Fig. 17;

■•'1k. 19 einen oc'mitt durch die zweite Ausführungsform des <ζ-γΠ mlungßgeniäSen Indukti onsheizapparates;

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BAD ORIGINAL

Pig.20 eine schematische Darstellung eines Erregers einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates;

Fig.21 einen Schnitt durch den Erregerstromkreis des Erregers gemäß Pig. 20;

Fig.22 einen Erreger einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates;

Fig.23 eine Darstellung des Erregerstromkreises für den Erreger gemäß Fig. 22;

Fig.24 eine schematische. Darstellung eines Erregers einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates ;

Fig.25 und 26 verschiedene Erregerstromkreise für den Erreger gemäß Fig. 24;

Fig.27 bis 30 verschiedene Ausführungsformen des Erregerstromkreises des erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates;

Fig.31 und 32 Vektordiagramme der elektrischen Kraft des Erregers;

Fig.33 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Eisenkerns für den Erreger des erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates ;

Fig.34,35 und 36 schematische Darstellungen verschiedener Teile eines Eisenkerns eines Erregers des erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates;

Fig.37 bis 40 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen der Eisenkerne eines Erregers des erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates,

Die Erfindung soll nun anhand eines Induktionsheizapparates zum Aufheizen eines Kochtopfes erläutert werden. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen metallischen aufzuheizenden Körper (Kochtopf), bei dem ein aus Eisen bestehendes Kochtopfteil 11 am Boden eine Kupferplatte oder eine Aluminiumplatte 12 trägt. Der Kochtopf 10 kann ein Eisenkochtopf oder ein Kupferkochtopf sein. Es ist jedoch bevorzugt, einen Kochtopf

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zu verwenden, welcher einen laminierten Boden aufweist, wenn man mit einer üblichen Frequenz arbeitet, da hierbei ein großer Wirkungsgrad und geringe Schwingungsentwicklung und Geräuschentwicklung gewährleistet sind.

Der eigentliche Heizkörper 20 hat eine Abdeckplatte 30 und einen äußeren Kasten 21 sowie einen Erreger 40 und einen Phasenverschiebungskondensator CL·. Ein Schalter 22, ein Stecker 23 und ein Kabel 24 sind ferner vorgesehen.

Die Abdeckplatte 30 unterstützt den Kochtopf 10 und schützt den Erreger 40.· Ferner trägt sie auch zum besseren Aussehen des Kochapparates bei. Eine Edelstahlplatte oder eine verstärkte Glasplatte oder dgl. mit hoher mechanischer und thermischer Festigkeit können als Abdeckplatte 30 verwendet werden. Der Erreger 40 umfaßt einen Eisenkern 50 und ein Joch 60 sowie vier Magnetpole 71 bis 74 und vier Erregerwicklungen 81 bis 84, welche um die vier Magnetpole gewickelt sind.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung der vier Erregerwicklungen 81 bis 84. Die Erregerwicklungen 81 und 83 auf zwei Magnetpolen 71 und 73 sind in Reihe mit der Stromquelle geschaltet, so daß sie einen ersten Erregerstromkreis 8OA bilden. Die Erregerwicklungen 82 und 84 sind um die beiden anderen Magnetpole 72 und 74 gewickelt und in Reihe geschaltet. Sie bilden den anderen Erregerstromkreis 8OB, in welchem in Phasenverschiebungskondensator Cj, liegt. Die Phasen der Erregerströme 1A, 1B in beiden Erregerstromkreisen sind um 90 ° gegeneinander verschoben, so daß der magnetische Fluß φ., |_B mit den in Fig. 5 dargestellten Polaritäten erzeugt wird. Die Symbole G) » (S) bezeichnen einen magnetischen Fluß, welcher aus dem Magnetpol nach oben heraustritt und die Symbol @ und bezeichnen einen magnetischen Fluß, welcher in umgekehrter Richtung verläuft.

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Fig. 6 und 7 zeigen Verdrahtungsdiagramme, "bei denen jeder der Magnetpole 71 Ms 74 in gleicher Richtung mit den Erregerwicklungen 81 bis 84 umwickelt ist und das jeweilige Ende der Wicklung wird durch einen schwarzen Punkt (*) angedeutet, um zu zeigen, wo die Verbindungsstelle liegt. Pig. 6 entspricht der Fig. 5. Andererseits sind in Fig. 7 zwei Wicklungen 71 und 73 parallelgeschaltet und zwei andere Wicklungen 72 und 74 sind ebenfalls parallelgeschältet. Das Joch 60, zwei Magnetpole 71,73 und der Kochtopf 40 bilden den Magnetkreis A. Das Joch 60, zwei Magnetpole 72, 74 und der Kochtopf 10 bilden den anderen Magnetkreis B. Die beiden Magnetkreise können äquivalente Magnetkreise mit dem gleichen magnetischen Aufbau und dem gleichen Widerstand sein.

Fig. 8 zeigt die Gestalt des magnetischen Flusses in den Magnetkreisen A und B. Der alternierende magnetische Fluß '|. oder (J5_R bildet den Magnetkreis A oder B, welcher durch die Pole 71 oder 72 durch die Kupferplatte 12 am Boden des Kochtopfes und durch den Eisenkochtopf 11 und wiederum durch die Kupferplatte 12 und zurück zum anderen Magnetpol 73 oder 74 verläuft. Im Boden des Kochtopfes und hauptsächlich in der Kupferplatte 12 wird durch den alternierenden magnetischen · Fluß (J5. oder IL ein Wirbelstrom gebildet, so daß aufgrund Joule'scher Verluste je nach dem Widerstand der Kupferplatte 12 der Kochtopf aufgeheizt wird.

Fig. 9 zeigt die Wirbelströme J, welche zu einem bestimmten Zeitpunkt am Boden des Kochtopfes aufgrund des alternierenden magnetischen Flusses J., ^_B gebildet werden.

Nun soll die elektromagnetische Kraft zwischen dem Erreger 40 und dem Kochtopf 10 für den Fall betrachtet werden, daß nur ein Magnetkreis A erregt wird, ohne daii der andere Magnetkreis B erregt wird.

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Die elektromagnetische Kraft besteht aus zwei Komponenten. Eine Komponente besteht an der Grenzfläche zwischen dem magnetischen .Teil 11 und dem Kochtopf 10 und äußert sich als Anziehungskraft zwischen dem Kochtopf 10 und dem Eisenkern Die andere Komponente ist eine Lorenz-Kraft zwischen dem Wirbelstrom J im Boden des Kochtopfes und dem Erregerstrom in den Erregerwicklungen 81 bis 84. Der Wirbelstrom hat eine Phasendifferenz von etwa 180 ° im Vergleich zum Erregerstrom. Demgemäß wirkt die Lorenz-Kraft als Abstoßungskraft und versucht somit, den Kochtopf 10 anzuheben.

Die Figuren 10 bis 14 zeigen die verschiedenen Bedingungen der auf den Kochtopf 10 ausgeübten 'elektromagnetischen Kraft. In jeder Figur bezeichnet die Abszisse die Zeit (in gleicher Skala) und die Ordinate die Stromstärke, den magnetischen Fluß oder die elektromagnetische Kraft. In Fig. 10 bezeichnet I. den Erregerstrom. In Fig. 11 bezeichnet φ. den magnetisehen-Fluß; F₁ die Anziehungskraft. In Fig. 12 bezeichnet J den Wirbelstrom und F„ die Abstoßungskraft. Die Anziehungskraft F. ist proprotional dem Quadrat des magnetischen Flusses <j). und ändert sich in der Zeit, und zwar mit einer Frequenz, welche gleich dem Doppelten der Erregerstromfrequenz ist.

Die AbstoSungskraft F« ist proportional dem Produkt des Erregerstroms T^ und des Wirbelstroms J und ändert sich mit der . Zeit, und zwar mit einer Frequenz, welche doppelt so groß ist, wie die Erregerstromfrequenz, genauso v/ie die Anziehungskraft. Die elektromagnetische Kraft F., welche insgesamt auf den Kochtopf 10 ausgeübt wird, ist eine Kombination deiv,Anziehungskraft F. und der Abstoßungskraft F«. Die zeitliche Änderung der elektromagnetischen Kraft F. wird durch die Kurve F. in Fig. 13 gezeigt. Diese kombinierte elektromagnetische Kraft F. hat die Form einer statischen Kraft, welcher eine alternierende elektromagnetische Kraft mit einer Frequenz, welche doppelt so groß ist wie die Erregerstromfrequenz, überlagert ist.

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^ G ■"""

Im Falle einer alternierenden elektromagnetischen Kraft vibriert der Kochtopf 10 in vertikaler Richtung und aufgrund dieses Vibrationseffektes entstehen Geräusche, welche von großem Nachteil sind. Versuche zeigen, daß die Schwingungsbeschleunigung größer als 1 G ist und daß der Lärm gröiäer als 70 Phon ist. Demgemäß konnten herkömmliche Geräte dieser Art nicht praktisch verwendet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Induktionsheizapparat ist jedoch die alternierende elektromagnetische Kraft theoretisch Null und nur die konstante statische elektromagnetische Kraft wird auf den Kochtopf ausgeübt, so daß keine Schwingungen oder Geräusche verursacht werden. Bei praktischer Anwendung zeigt der erfindungsgemäße Induktionsheizapparat nur vernachlässigbare Schwingungen und Geräusche. Im folgenden sollen diese Verhältnisse näher erläutert werden.

Bei den Ausführungsformen gemäß Figuren 1 bis 9 wird der Erregerstrom I. direkt von der Stromquelle in die Erregerwicklungen 81 und 83 des einen Erregerstromkreises 8OA über einen Schalter 22 geführt. Der Erregerstrom I. kann folgendermaßen angegeben werden

¹A ^{= 1}In ^Sin

Für den Erregerstromkreis 8OB gilt

Die Phase ist somit um 90 ° aufgrund des Kondensators C-g verschoben. Dieser phasenverschobene Strom fließt durch die Erregerwicklungen 82 und 84 des anderen Erregerstromkreises 8OB.

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Da die Erregerströme der Erregerstromkreise 8OA und 8OB eine Phasendifferenz von etwa 90 ° haben, so haben auch die magnetischen Flüsse (JL und |L eine Phasendifferenz von etwa 90 ° gegeneinander.

Pig. 14 zeigt für diesen Fall die elektromagnetische Kraft. Die auf den Kochtopf 10 aufgrund des alternierenden magnetischen Flusses ausgeübte alternierende elektromagnetische Kraft hat eine Frequenz, welche doppelt so hoch ist, wie die Frequenz des magnetischen Flusses. Demgemäß besteht zwischen den elektromagnetischen Kräften F. und F_B, welche durch die Erregerstromkreise 8OA und 8OB auf den Kochtopf 10 ausgeübt werden, eine Phasendifferenz von etwa 180 °. Da die magnetischen Widerstände der Magnetkreise A und B gleich sind, so sind auch die absoluten Werte der magnetischen Flüsse J. und ^₈ einander gleich. Demgemäß sind auch •die Absolutwerte der elektromagnetischen Kräfte F. und F^ einander gleich. Die gesamte auf dem Kochtopf ausgeübte Kräfte soll nun betrachtet werden.

Die alternierenden elektromagnetischen Kräfte aufgrund der zwei Erregerstromkreise 8OA und 8OB Eschen sich aus und die Gesamtheifckraft wird somit etwa Null, so daß lediglieh eine statische Kraft F übrig bleibt, welche keine zeitliche Änderung erfährt. Diese Kraft ist in Fig. 1,4 gezeigt.

Entsprechend dem genannten Phänomen ist die elektromagnetische Kraft in vertikaler Richtung, welche den Kochtopf zum Vibrieren bringen könnte, theoretisch gleich Null bei dem erfindungsgemäßen Induktionsheizapparat. Aus diesen Gründen erzeugt der Kochtopf keine Schwingungen und keine Geräusche. Es wurde experimentell festgestellt, daß die Schwingungsbeschleunigung weniger als 0,1 G beträgt und daß der Lärm weniger als 40 Phon (Horn) beträgt.

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Pig. 15 zeigt die statische elektromagnetische Kraft F einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates mit einem Eisenkochtopf (Permeabilität pr = 5 000), eines Kupferkochtopfes und eines Kupfer-Eisen-Kochtopfes. In Fig. 15 bezeichnet die Ordinate die statische elektromagnetische Kraft F pro 1 AT (Amperewicklung) des Erregerstroms und die Kurven a, b und c beziehen sich auf einen Eisenkochtopf, bzw. auf einen Kupferkochtopf bzw. auf einen Kupfer-Eisen-Kochtopf. Die Abszisse betrifft die Gesamtdicke des Bodens des Eisenkochtopfes bzw. des Kupferkochtopfes bzw. der Kupferplatte des Eisen-Kupfer-Kochtopfs. Die Dicke der Eisenplatte des Eisen-Kupfer-Kochtopfs beträgt 2 mm. Die elektromagnetische Kraft wird jedoch nicht beeinflußt, wenn die Dicke der Eisenplatte größer als etwa 1 mm ist.

Aus Fig. 15 kann man die folgenden Schlüsse ziehen:

(1) Die auf den Eisenkochtopf ausgeübte elektromagnetische Kraft ist eine relativ große Anziehungskraft;

(2) die auf den Kupferkochtopf ausgeübte elektromagnetische Kraft ist eine Abstoßungskraft, welche um etwa eine Größenordnung kleiner ist als diejenige, welche auf den Eisenkochtopf ausgeübt wird;

(3) bei einem Eisen-Kupfer-Kochtopf nimmt die Anziehungskraft mit zunehmender Dicke der Kupferplatte rasch ab, so daß die elektromagnetische Kraft bei Erhöhung der Dicke Null wird und dann zu einer abstoßenden Kraft wird.

In einem Bereich der Kupferplatte d von

0 < d< 1,5 (6)

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ist die elektromagnetische Kraft eine Anziehungskraft, welche kleiner ist als die auf den Eisenkochtopf ausgeübte Anziehungskraft. Insbesondere im Bereich von

1,3 < d < 1,5 . (7)

ist die elektromagnetische Kraft kleiner als die auf den Kochtopf ausgeübte Schwerkraft. Im Bereich von

1,5 < d < 1,7 (8)

jst die elektromagnetische Kraft eine schwache abstoßende Kraft, welche kleiner ist als die Schwerkraft, welche auf den Kochtopf ausgeübt wird, so daß der Kochtopf nicht abgehoben wird. Demgemäß ist die statische elektromagnetische Kraft F vorteilhafterweise im Bereich einer Dicke der Kupferplatte d von

0 < d < 1,7 (9)

besonders klein und insbesondere gilt -dies für den Bereich

1,3 < d < 1,7 (10).

Die durchschnittliche elektromagnetische Kraft nimmt mit der Dicke der Kupferplatte rasch ab, da die auf die Eisenteile ausgeübte Anziehungskraft rasch abnimmt, während die im wesentlichen auf die Kupferteile ausgeübte abstoßende Kraft nur langsam abnimmt. Die durch die statische elektromagnetische Kraft hervorgerufenen Schwingungen und Geräusche sind theoretisch Null. Es ist jedoch recht schwierig, akkurat äquivalente Magnetkreise A und B in der Praxis zu erzeugen. Demgemäß bleibt eine geringe alternierende Stromkomponente erhalten. In diesem Fall ist die alternierende Stromkomponente jedoch klein, wenn die statische elektromagnetische Kraft klein ist, so daß die Schwingungen und die Geräuschbildung stark herabgesetzt sin<^.Q 9809/0379

Fig. 16 zeigt den Heizwert für 1 AT (Amperewicklung) des Erregerstroms, wenn ein Eisenkochtopf, ein Kupferkochtopf oder ein Kupfer-Eisen-Kochtopf verwendet wird. In Fig. 16 bezeichnet die Abszisse ebenso wie die Abszisse in Fig. 15 die Dicke und die Kurven a, b und c beziehen sich auf einen Eisenkochtopf, einen Kupferkochtopf bzw. einen Kupfer-Eisen-Kochtopf. Fig. 16 zeigt klar, daß ein Kupfer-Eisen-Kochtopf sich ausgezeichnet zur Steigerung des Heizwertes eignet.

Die Figuren 15 und 16 zeigen charakteristische Daten eines spezifischen Aufbaus. Dasselbe gilt auch hinsichtlich aller anderen Partialstrukturen. Wenn eine Aluminiumplatte anstelle einer Kupferplatte im Kupfer-Eisen-Kochtopf vorgesehen ist, so ist die elektromagnetische Kraft stärker herabgesetzt. Die elektromagnetische Kraft, welche auf den Kochtopf ausgeübt wird, ist im Bereich einer Dicke von 2,1 - 2,7 mm der Aluminiumplatte kleiner als die auf den Kochtopf ausgeübte Schwerkraft und bei einer Plattendieke von 2,4 ist die elektromagnetische Kraft Null.

Das gleiche Phänomen wird beobachtet, wenn andere leitfähigen Materialien eingesetzt werden. Es gilt grundsätzlich,wenn ein Kochtopf eine ferromagnetische Platte und eine nicht-magnetische Platte mit einem höheren Leitfähigkeitskoeffizienten als die ferromagnetische Platte aufweist. Die Anziehungskraft und die Abstoßungskraft, welche auf den Kochtopf 10 ausgeübt werden, wurden oben erläutert. Es muß jedoch beachtet werden, daß bei dieser Ausführungsform das durch den Erreger 10 aufgebaute magnetische Feld ein Drehfeld ist, so daß auf den Kochtopf 10 ein Drehmoment ausgeübt wird. Eine Drehung des Kochtopfes kann in folgender Weise vermieden werden. Eine Möglichkeit besteht darin, eine genügende anziehende Kraft aufrechtzuerhalten, d. h. die auf den Kochtopf 10 ausgeübte statische magnetische Kraft F nicht herabzusetzen. Hierbei wird eine Drehung des Kochtopfes 10 aufgrund der verbleibenden anziehenden Kraft und der hierdurch verursachten

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Reibung verhindert. Ferner wird hierdurch verhindert, daß bei einer Neigung der Heizplatte der Kochtopf 10 nicht herabrutscht. Die andere Möglichkeit besteht darin, eine Drehung des Kochtopfs 10 durch eine besondere mechanische Ausbildung zu verhindern. Hierzu sei auf die Ausführungsformen gemäß Figuren 17 bis 19 verwiesen,wobei der Boden des Kochtopfes drei Vorsprlinge 13 trägt, welche in entsprechende konkave Ausnehmungen in der Deckplatte 30 der Heizplatte 20 eingreifen. Auf diese Weise kann eine Drehung des Kochtopfes 10 vollständig vermieden werden, so daß die statische elektromagnetische Kraft F auch etwa Null sein kann. Auch hierbei werden Schwingungen und Geräusche unterdrückt.

Fig. 20 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausflihrungsform dee Erregers mit sechs Magnetpolen im Eisenkern 50. Die Wicklungen 81 bis 86 sind um die sechs Magnetpole 71 bis 76 gewunden. In dieser Ausflihrungsform werden durch den Eisenkern 50 und durch den Kochtopf 10 drei äquivalente Magnetkreise A, B und G aufgebaut. Wie Fig. 21 zeigt, wird jeder der Erregerkreise 8OA, 8OB und 8OC durch je ein Paar Wicklungen 81 und 84; 82 und 85; 83 und 86 gebildet. Alternierende Ströme mit einer Phasendifferenz von 60 ° zueinander, wie

I_m sin Ort; I_m sind (tut + ^ % ); und I_m sin (iüt + | K). Diese Ströme fließen durch die drei Erregerkreise. Bei einem Induktionsheizapparat mit einem derartigen Erreger ist die auf den Kochtopf 10 ausgeübte alternierende elektromagnetische Kraft etwa Null. Biee hat folgende Gründe:

Die zeitliche Änderung der elektromagnetischen Kraft, welche auf den Kochtopf 10 ausgeübt wird, ist durch die drei Magnetkreise A, B und G gemäß Fig. 13 vorbestimmt. Die elektromagnetischen Kräfte der drei Magnetkreise haben jeweils eine Phasenverschiebung von 120 ° zueinander. Wenn diese nun kombiniert

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werden, so löscht sich die alternierende elektromagnetische Kraft aus und wird Null und nur die statische elektromagnetische Kraft verbleibt.

Pig. 22 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Erregers mit acht Magnetpolen. Acht Erregerwicklungen 81 bis 88 sind um die acht Magnetpole 71 bis 78 gewunden. Sie sind in zwei Gruppen 81,83; 85,87; sowie 82,84; 86 und 88 unterteilt, so daß zwei Erregerkreise 8OA und 8OB gemäß Pig. 23 gebildet werden. Alternierende Ströme mit einer Phasenverschiebung gegeneinander von etwa 90 °, wie I sin (jjt und I cos Cüt fließen durch die beiden Erregerkreise IOA und 8OB. Pig. 22 zeigt die relative Richtung der magnetischen Plüsse <$. und Aus obiger Beschreibung ergibt sich auch für diese Ausfiihrungsform der gleiche Effekt.

Beispiele für Erreger mit 4, 6 oder 8 Magnetpolen wurden angegeben. Das Gleiche gilt nun auch für einen Erreger mit einer Vielzahl von Magnetpolen, welche in zwei oder drei Gruppen von äquivalenten magnetischen Kreisen unterteilt werden können. Dabei werden die jeweiligen äquivalenten magnetischen Kreise durch die Magnetpole und den Kochtopf gebildet. Es besteht dabei eine Phasendifferenz von 90 ° bzw. 60 ° zwischen den Erregerströmen, welche den einzelnen Magnetkreisen zugeordnet sind.

Somit ist es bei einem Induktionsheizapparat mit einem Eisenkern und einem Kochtopf möglich, die vertikale Komponente der elektromagnetischen Kraft, welche andernfalls zu Schwingungen des Kochtopfes führen würde, auf Null zu bringen. Dies geschieht durch Unterteilung der Magnetkreise in η äquivalente Magnetkreise der gleichen Struktur und des gleichen Wider-Standes mit einer Phasendifferenz von —— zwischen alternierenden Erregerströmen für die Magnetkreise.

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In der Praxis ist es nicht stets erforderlich, die alternierende elektromagnetische Kraft Null werden zu lassen. Es genügt vielmehr auch, wenn diese derart gering ist, daß die Schwingungsbeschleunigung kleiner als 1 G ist, d. h. geringer als das Gewicht des Kochtopfes. Unter diesem Gesichtspunkt ist eine Phasenabweichung von + 20 $ möglich. Versuche haben gezeigt, daß die Schwingungsbeschleunigung kleiner als 1 G ist, bei einem Heizwert von 1 KW, wenn die Phasendifferenz um 20 /o abweicht. Bei obigen Ausführungsformen bildet der Erregerstrom ein Drehfeld im Kochtopf aus, so daß auf den Kochtopf in horizontaler Richtung ein elektromagnetisches Drehmoment ausgeübt wird. Die nachstehende Ausführungsform dient dazu, dieses nachteilige Drehmoment zu beseitigen.

Fig. 24 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Erregers. Er hat im wesentlichen die gleiche Struktur wie der Erreger gemäß Fig. 22, außer daß die Wicklungen anders verbunden sind. Fig. 25 zeigt eine Schaltung eines Erregerstromkreises, welche nicht zur Erzeugung eines Drehfeldes führt. Hierbei liegt eine alternierende Stromquelle zwischen dem Anfang der Wicklung 81 und dem Anfang der Wicklung 87 und es fließt z. B. ein Erregerstrom von I. = I sin Cut. Andererseits ist eine alternierende Stromquelle mit einer Phasenverschiebung von etwa 90 ° gegen die andere Stromquelle zwischen dem Anfang der Wicklung 82 und dem Anfang der Wicklung 88 eingeschaltet und es fließt z. B. ein Erregerstrom von I_fi = I cos (jät. Bei Verwendung eines derartigen Erregers in dem erfindungsgemäßen Induktionsheizapparat wird auf den Kochtopf durch den Erregerstrom keinerlei magnetisches Drehfeld ausgeübt. Darüber hinaus wird auch jegliche elektromagnetische Kraft, welche zu Vertikalschwingungen des Kochtopfes führen würde, verhindert. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das magnetische Feld sich nacheinander über die Wicklungen 81 - 88 - 87 erstreckt und daß sich andererseits das magnetische Feld gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung auf die Wicklungen

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82 - 83 - 84 - 85 erstreckt, so daß insgesamt keine Drehkraft ausgebildet wird.

Fig. 26 zeigt eine weitere Schaltung eines Erregerstromkreises, welche dem gleichen Zweck dient. Auch bei einem derart aufgebauten Induktionsheizapparat löschen sich beide Drehkräfte aus.

Die Figuren 27 bis 30 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform, wobei ein Erregerstromkreis 8OA für einen Magnetkreis A und ein Erregerstromkreis 8OB für einen anderen Magnetkreis B, welche einander äquivalent sind, vorgesehen sind. Die Kondensatoren C. und C-n sind in Reihe mit den Erregerkreisen 8OA, 8OB geschaltet und die Kondensatoren C.p, C^p sind parallel zu den Erregerkreisen 8OA, 8OB geschaltet. Eine Drossel L. ist in Reihe mit dem Erregerstromkreis 8OA geschaltet. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet die Elektrodenspannung und die Bezugszeichen I^ und L₀ bezeichnen die durch die Erregerkreise 8OA und 8OB fließenden Ströme.

Bei einer solchen Schaltung ist die Phase des Stroms I. des Erregerkreises 8OA um 45 ° gegenüber der Phase der Spannung V verzögert. Diese kann bei der Ausführungsform gemäß Fig. 27 durch geeignete Auswahl des Abstandes zwischen der Oberfläche des Eisenkerns und dem Boden des Kochtopfes und bei geeigneter Auswahl des Kochtopfmaterials erreicht werden. In diesem Fall ist die Widerstandskomponente des Erregerkreises 8OA gleich der Drosselkomponente. Wenn die Widerstandskomponente des Erregerkreises 8OA größer als die Drosselkomponente ist, so wird eine Drossel L. gemäß Fig. 28 in Reihe geschaltet, wodurch das gleiche Ergebnis erzielt wird. Wenn die Widerstandskomponente des Erregerstromkreises 8OA kleiner ist als die Drosselkomponente, so wird der Kondensator G. gemäß Fig. 29 in Reihe geschaltet, wobei das gleiche Ergebnis erzielt wird.

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Andererseits wird ein Kondensator CL· im Erregerstromkreis 8OB vorgesehen, so .daß die Phase des Stroms I,. derjenigen der Spannung V um 45 ° voranläuft.

Ein ähnlicher Effekt wird bei der Ausführungsform gemäß Pig. 30 erzielt. Der erfindungsgemäße Induktionsheizapparat hat eine alternierende elektromagnetische Kraft vom Wert Null und einen Leistungsfaktor oder Verlustwinkel vom Wert 1, so daß die Bereitstellung der elektrischen Energie vereinfacht werden kann.

Fig. 31 zeigt ein Leistungsvektordiagramm zur Veranschaulichung der Verhältnisse bei den Erregern bei einer Phasendifferenz, ungleich 45 °, zwischen der an den Anschlüssen anliegenden Spannung und dem durch die Erregerstromkreiee fließenden Strom gemäß Figuren 27 bis 30. In Fig. 31 ist auf der Ordinate die effektive Leistungskomponente aufgetragen und auf der Abszisse ist die ineffektive Leistungskomponente aufgetragen. Die Bezugszeichen P. und P-g bezeichnen die effektiven Leistungen, welche zu den Erregerkreisen 8OA und 8OB gelangen.

Damit die alternierende elektromagnetische Kraft den Wert Hull annimmt, sollte die effektive Leistung P. gleich P_ß sein. Die Bezugszeichen Q_A und Q-g bezeichnen die ineffektive Leistung, welche in die Erregerkreise 8OA und 8OB eingegeben wird und die Bezugszeichen T. und T^ bezeichnen die komplexe Leistung der Erregerkreise. Damit nun die alternierende elektromagnetische Kraft, welche auf den Kochtopf ausgeübt wird, Null wird, muß die Phasenverschiebung zwischen den elektrischen Strömen I. und Lg 90 ° betragen. Demgemäß muß die Phasendifferenz zwischen der komplexen Leistung T. und T-g ebenfalls 90 ° betragen. Die Referenz Q„ bezeichnet die ineffektive Leistung des Kondensators CL, welcher in Reihe mit dem Erregerkreis 8OB geschaltet ist, so daß zwischen der komplexen

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leistung T. und T^ eine Phasendifferenz von 90 ° besteht. Wenn die Phasendifferenz in den Erregerkreisen 8OA und 8OB zwischen der angelegten Spannung und dem Strom von 45 ° abweicht, so umfaßt die komplexe Leistung T = T.+ T-g, welche von der Stromquelle an alle Erregerkreise abgegeben wird, eine ineffektive Leistungskomponente und demgemäß ist in diesem Fall der Leistungsfaktor kleiner als 1.

Fig. 32 zeigt ein Leistungsvektordiagramm des erfindungsgemäßen Induktionsheizapparates. Bei der Ausführungsform gemäß Figuren 27 bis 30 hat der dem Erregerkreis 8OA zugeführte elektrische Strom I. eine Verzögerung gegenüber der angelegten Spannung von 45 °. Andererseits hat im Erregerkreis 8OB der elektrische Strom I-g gegenüber der angelegten Spannung einen Phasenvorlauf von 45 ° aufgrund des Kondensators 0-g. Demgemäß ergibt sich die folgende Beziehung, wobei die komplexe Leistung T = T.+ T^, welche von der Stromquelle an alle Erregerkreise abgegeben wird, die ineffektive Leistung nicht einschließt.

Demgemäß ist der Leistungsfaktor 1 und die Stärke der Stromquelle kann auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Wenn bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 27 die Widerstandskomponente des Erregerkreises durch geeignete Auswahl des Abstandes zwischen der Oberfläche des Eisenkerns und dem Boden des Kochtopfes und durch geeignete Auswahl des Kochtopfmaterials gleich der Reaktanzkomponente gemacht wird, ist das einzige zusätzliche Bauteil, welches bei dem Stromkreis erforderlich ist, ein Kondensator. Daher kann der Induktionsheizapparat sehr kompakt sein und die Einrichtungen

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für die Stromquelle und die Stromzuführung können äußeret einfach sein. Hierdurch werden die Herstellungskosten wesentlich gesenkt.

Bisher wurden Induktionsheizapparate, welche mit üblicher Frequenz betrieben werden, als praktisch unmöglich bezeichnet, da in diesem Fall eine starke Geräuschbelästung und starke Vibration auftreten. Erfindungsgemäß wird diese Schwierigkeit vollkommen beseitigt, so daß zum ersten mal sich die Möglichkeit eröffnet, Induktionskochapparate praktisch einzusetzen. Ein Frequenzumformer ist nicht erforderlich, so daß auch von dieser Seite her die Kosten äußerst gering sind. Erfindungsgemäß wird somit ein äußerst wirtschaftliches und hochwertiges Heizgerät geschaffen.

Fig. 33 zeigt eine Ausführungsform eines Eisenkerns mit vier Magnetpolen. Der Eisenkern 50 ist ein ringförmiger Wickelkern, welcher durch Aufwickeln eines Ferrosiliciumblechs in Spiralform hergestellt wurde. Danach werden Ausnehmungen eingeschnitten, so daß die Wicklungen aufgenommen werden können. Die Wicklungen 81 bis 84 befinden sich in den Ausnehmungen 51. Die Richtung des Ferrosiliciumbleches ist derart gewählt, daß Wirbelströme in möglichst geringem Maße auftreten, so daß die Eisenkernverluste auf ein Minimum herabgedrückt werden.' Der Eisenkern gemäß Fig. 33 ist einstückig ausgebildet. Im folgenden sollen Eisenkern gezeigt werden, bei denen das Joch die magnetischen Pole und falls erforderlich ein magnetisches Polstück getrennt ausgebildet sind.

Fig. 34 zeigt verschiedene Joche, wobei das Bezugszeichen 60a ein ringförmiges Joch aus eine aufgewundenen Ferrosiliciumblech zeigt. Das Bezugszeichen 60b bezeichnet ein ringförmiges Ferritjoch; das Bezugszeichen 60c bezeichnet ein quadratisches Ferritjoch; das Bezugszeichen 60d bezeichnet ein Joch aus Ferrit in Form eines quadratischen Rings; das Bezugszeichen 6Oe

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bezeichnet ein kreuzförmiges Joch aus Ferrosilieiumblechen und das Bezugszeichen 6Of bezeichnet ein kreuzförmiges Joch aus Ferrit.

Fig. 35 "bezeichnet verschiedene Magnetpole, wobei das Bezugszeichen 70a einen sektorförmigen Magnetpol aus Stahlblechen bezeichnet und wobei das Bezugszeichen 70b einen sektorförmigen Ferritpol und das Bezugszeichen 70c einen quadratischen Magnetpol aus Stahlblechen und das Bezugszeiehen 70d einen quadratischen Ferritpol und das Bezugszeiehen 70e einen zylindrischen Ferritpol bezeichnen.

Die Fig. 36 bezeichnet verschiedene Polstiicke, wobei das Bezugszeiehen 90a ein sektorförmiges Ferritpolstück bezeichnet und das Bezugszeiehen 90b ein quadratisches Ferritpolstück und das Bezugszeiehen 90c ein zylindrisches Magnetpolstück aus Ferrit bezeichnen.

Durch Zusammenbau der verschiedenen Joche, Magnetpole und Magnetpolstücke können verschiedene Eisenkerne erhalten werden. Fig. 37 zeigt eine Ausführungsform aus einem ringförmigen Joch 60a gemäß Fig. 34, aus einem sektorförmigen Magnetpol 70a gemäß Fig. 35 und aus einem Magnetpolstück 90a gemäß Fig. 36, welche miteinander verbunden sind.

Die Fig. 38 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem ringförmigen Joch 60a gemäß Fig. 34 und mit einem sektorförmigen Ferritmagnetpol 70b gemäß Fig. 35.

Fig. 39 zeigt eine weitere Ausführungsforn> mit einem Ringjoch 60a gemäß Fig. 34 und mit zylindrischen Ferritmagnetpolen 70e gemäß Fig. 35.

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Fig. 40 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem Joch, welches aus laminierten Platten 6Oe gemäß Fig. 34 besteht und mit quadratischen Magnetpolen, welche aus einzelnen Platten 7Od gemäß Fig. 35 "bestehen und das Bezugszeichen bezeichnet nicht-magnetische Teile mit einem hohen Widerstand, welche an einer Seite des magnetischen Pols 7Od vorgesehen sind, um den die Zwischenfläche passierenden magnetischen Fluß abzudichten, so daß die Eisenkemverluste herabgesetzt werden.

Die gezeigten Eisenkerne eignen sich hervorragend für den erfindungsgemäßen Induktionsheizapparat, da sie geeignete magnetische Daten zeigen und vom Material, Gewicht und Herstellung her wirtschaftlich sind.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

π J Induktionsheizapparat mit einem Erreger zum Induktionsheizen eines aufzuheizenden Körpers, gekennzeichnet durch η Gruppen von äquivalenten Magnetkreisen (A,B,G ...), welche den aufzuheizenden Körper (10) einschließen und welche nacheinander durch einen Erregerstrom mit einer Phasendifferenz im Bereich von

1~ χ ο, 8 r·* 1ψ- χ 1 ,2 Grad
erregbar sind.
2. Induktionsheizapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die η Gruppen von Magnetkreisen (A,B, ...) in zwei Gruppen unterteilt sind und daß die Richtungen des Magnetdrehfeldes einander entgegengesetzt sind.
3. Induktionsheizapparat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gruppen von im wesentlichen äquivalenten Magnetkreisen vorgesehen sind, und daß der Abstand zwischen dem aufzuheizenden Körper (10) und dem Erreger (40) und das Material des aufzuheizenden Körpers (10) derart gewählt sind, daß die Phase des Erregerstroms für den einen Magnetkreis um etwa 45 ° der Phase der angelegten Spannung nachläuft und daß die Phase des Erregerstroms des anderen Magnetkreises um etwa 45 ° der Phase der angelegten Spannung aufgrund eines Kondensators (G ) voranläuft.

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