DE2440343A1

DE2440343A1 - Erreger fuer ein induktionsheizgeraet

Info

Publication number: DE2440343A1
Application number: DE2440343A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Hibino
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1973-08-22
Filing date: 1974-08-22
Publication date: 1975-03-06
Also published as: SE7410586L; SE402852B; DE2440343B2; FR2241943B1; CA1020634A; IT1019943B; AU7222974A; GB1451846A; JPS5421977B2; JPS5043540A; FR2241943A1; US3980858A

Description

rilitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Tokyo / Dapan

Erreger für ein Induktionsheizgerät

Die Erfindung betrifft einen Erreger für ein Induktionsheizgerät zum Aufheizen eines Gegenstandes wie zB eines Kochtopfs. Der Erreger eignet sich insbesondere für Erregersysteme, ujelche mit üblicher Frequenz arbeiten. Es ist bekannt, zum Aufheizen von Gegenständen Induktionsheizgeräte zu verwenden, Diese beaufschlagen den zu heizenden Gegenstand, zB einen Kochtopf, mit einem magnetischen lüechselfeld. Das magnetische UJechselfeld tuird aufgrund eines Wechselstroms mit herkömmlicher Frequenz (5o bis 60 Hz) gebildet. Diese Geräte sind auch als Induktionskochgeräte bekannt. Es ist ferner bekannt, dass der Erreger zur Erzeugung des magnetischen UJechselfeldes im Induktionsheizgerät zwei oder drei scheibenförmige Eisenkerne mit Ringnuten und zwei oder drei ringförmigen Windungen, welche koaxial in die Ringnuten eingepasst sind, versehen ist. Dieser herkömmliche Erreger hat die folgenden Nachteile:

(1) Theoretisch kann man nur sehr schwer eine hohe Heizleistung erzielen;

(2) man kann eine geräuschbildende UJechselkomponente der elektromagnetischen Kraft, welche auf den Koch-

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topf ausgeübt wird, nur sehr schwer auf Null herabdrücken und
(3) es ist schwierig, den Eisenkern herzustellen.

Es wurde von den Erfindern bereits vorgeschlagen, einen Erreger mit vier [Klagnetpolen zu versehen, welche mit gleichem Abstand angeordnet sind und durch ein Goch verbunden sind, und wobei alle' vier lYlagnatpole Wicklungen tragen. Dabei sind die Wicklungen auf zwei Hflagnetpolen, welche nicht benachbart sind, auf einer diagonalen Linie verbunden, so dass ein erster Erregerkreis gebildet wird. Ein zweiter Erregerkreis wird durch Verbinden der Wicklungen des anderen Paars Magnetpole gebildet. Die Erregerkreise warden mit Erregerstrom mit einer Phasendifferenz von etwa 9o beaufschlagt. Bei Verwendung eines solchen Erregers werden dia oben erwähnten Nachteila, welche bei einem Erreger mit koaxialen Ringwicklungen auftreten, zum Teil überwunden. Es wurda jedoch festgastallt, dass bei Verwendung dieses verbesserten Erregers der Kochtopf ein Drehmoment erhält und dass die in vertikaler Richtung auf don Kochtopf ausgeübten elektromagnetischen Kräfte nicht im Gleichgewicht stehen, wenn der Kochtopf nicht mit genauer Zentrierung relativ zum Erreger angeordnet ist. Nur bei dieser speziellen Anordnung wird ein Vibrieren des Kochtopfes völlig vermieden.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Erreger für ein Induktionsheizgerät zu schaffen, bei dem Dreheffekte und Vibrationen und Bewegungen des zu heizenden Gegenstandes vermieden werden,und welcher gegebenenfalls mit Wechselstrom \/on 5o bis 60 Hz arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Erreger für ein Induktionsheizgerät gelöst, welcher einen zentralen Magnetpol und eine Vielzahl von peripheren lYlagnetpolen rund

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um den zentralen Magnetpol aufweist sowie ein Doch, welches die magnetischen Pole verbindet sowie Wicklungen um die magnetischen Pole, wobei ein erster Erregerkreis durch die um den zentralen Magnetpol gewickelte Erregerwicklung gebildet ist und wobei ein zweiter Erregerkreis durch die um die peripheren Magnetpole gewickelten Erregerwicklungen gebildet ist und wobei die Erregerkreise durch Erregerstrom mit einer Phasendifferenz von 7o bis 11 ο erregt sind.

Bei diesem erfindungsgemässen Erreger ist die UJechselkomponente der in vertikaler Richtung auf den Kochtopf ausgeübten elektromagnetischen Kraft Null, da die elektromagnetischen Kräfte im Gleichgewicht miteinander stehen, so dass der Kochtopf nicht vibriert und keine Geräusche erzeugt. Ferner beobachtet man keinen Resorptionseffekt. Vorzugsweise weist der Erreger sektorenförmige Eisenringjoche auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 einen Schnitt durch ein Induktionsheizgerät mit einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Erregers;

Figur 2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Erregers;

Figuren 3 a, b schematische Darstellungen der gegenseitigen Lagebeziehung der Polaritäten der Magnetpole de:3 Erregers gemäss Figur 2;

Figuren 4 a, b schematische Darstellungen der im Kochtopf durch den Erreger gemäss Figur 2 induzierten Wirbelströme;

Figur 5 a eine perspektivische Ansicht des Eisenkerns des arfindungsgemässen Erregers;

Figur 5 b ein Doch des Eisenkerns gemäss Figur 5 a;

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-A-

Figur 5 c einen zentralen Magnetpol des Eisenkerns gemäss Figur 5 a;

Figur 5 d_ einen peripheren Magnetpol des Eisenkerns gemäss Figur 5 a;

Figuren 6 a - c schematische Darstellungen weiterer

Ausführungsformen des zentralen Magnetpols;

Figuren 7 a - c schematische Darstellungen weiterer

Ausführungsformen der peripheren Magnetpole;

Figuren 8 a - c schematische Darstellungen weiterer

Ausführungsformen des Dochs des erfindungsgemässen Erregers und

Figur 9 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Erregers.

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein Induktionsheizgerät mit einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Erregers und Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des dabei verwendeten Erregers. In den Figuren 1 und 2 bedeutet das Bezugszeichen 1 einen zu beheizenden Gegenstand, zB einen Kochtopf. Der Kochtopf ist mit Wasser oder einem anderen zu kochenden Inhalt (1a) gefüllt. Der Kochtopf steht auf einer Deckplatte 2, welche einen Erreger 3 bedeckt. Der Erreger 3 umfasst einen Eisenkern 4 und ein Doch 5 sowie einen zentralen Magnetpol 6o und periphere Magnetpole 61 bis 64. Um den zentralen Magnetpol 6o ist eine Wicklung 7o vorgesehen und um die peripheren Magnetpolß 61 bis 64 sind Wicklungen 71 bis 74 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform sind die Wicklungen 71, 73 auf den peripheren Magnetpolen 61, 63 mit Linkswindung vorgesehen und din Wicklungen 72, 74 auf den peripheren Magnetpolen 62, 64 mit Rechtswindungen. Bei diesem Erreger bildet die Wicklung 7o auf dem zentralen Magnetpol den ersten Erregerkreis (zentraler Erregerkreis), während die Wicklungen 71 bis auf den peripheren Magnetpolen in Reihe zueinander geschaltet sind oder parallel zueinander oder in Reihe und parallel zueinander und den zweiten Erregerkreis (peripherer Erregerkreis) bilden. Diese beiden Erregerkreise werden erregt, indem man sie mit Wechselströmen I₁ und I₉ beaufschlagt,

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iuelcha eine Phasendifferenz won etwa 9o relativ zueinander (7o bis 11o ) aufweisen. Figur 3 zeigt die gegenseitigen Polaritäten der Magnetpole in einem bestimmten Zeitpunkt. Die Figur 3 a zeigt das Polaritätsmuster des magnetischen Flusses, welcher lediglich durch den zentralen Erregerkreis gebildet wird, und die Polarität der peripheren Magnetpole 61 bis 64 sind der Polarität des zentralen Magnetpols 6o entgegengesetzt.. In Figur 3 a bildet der zentrale Magnetpol 6o den N-PoI und die peripheren Magnetpole 61 bis 64 bilden S-PoIe und der magnetische Fluss bildet Schleifen zwischen dem zentralen Magnetpol und den peripheren Magnetpolen. Die Figur 3 b zeigt das Polaritätsmuster des magnetischen Flusses, welches lediglich durch den peripheren Erregerkreis gebildet wird. Die Polaritäten benachbarter Magnetpole sind dabei entgegengesetzt. In diesem Falle bildet der magnetische Fluss Schleifen zwischen den peripheren Magnetpolen und durchsetzt den zentralen Magnetpol nicht. Bei diesem Erregeraufbau beeinträchtigen sich die beiden Erregerkreise nicht. UJenn auf den Erreger ein zu heizender Gegenstand gestellt wird, so werden UJirbelströma in diesem Gegenstand erzeugt, und zwar aufgrund von sich kreuzenden alternierenden magnetischen Flüssen, welche separat durch die beiden Erregerkreise gebildet werden, und die zu Vibrationen des zu heizenden Gegenstandes führenden elektromagnetischen Kraftkomponenten heben sich gegenseitig auf, da die Phasendifferenz der beiden Erregerkreise etwa 9o beträgt, so dass keine Schwingungen auftreten und die Geräuschbelästigung minimal ist. Darüber hinaus hat der erfindungsgemässe Erreger den wesentlichen Vorteil, dass der'zu heizende Gegenstand nicht gedreht u/ird. Diese Tatsache wird anhand der Zeichnungen im folgenden näher erläutert.

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Figur 4 zeigt eins typische Verteilung des magnetischen Flusses und der UJirbelströme in dem zu heizenden Gegenstand. Figur 4 a zeigt den magnetischen Fluss, welcher durch den zentralen magnetischen Kreis gebildet wird. Dieser magnetische Fluss ist gross und erstreckt sich in der Witte des zu heizenden Gegenstandes 1 einwärts und an der Peripherie auswärts. Zu dieser Zeit bildet der Wirbelstrom einen geschlossenen Kreis D. Dieser Wirbelstrom weist eine Phasendifferenz von etwa 9o zum erregten magnetischen Fluss auf. Andererseits besteht eine Phasendifferenz von etwa 9o zwischen dem magnetischen Fluss des zentralen Erregerkreises und dem magnetischen Fluss das peripharen Erregerkreises. Weiterhin kreuzt der durch den paripheren Erregerkreis gebildete magnetische Fluss dan Nullpunkt, wenn der durch den zentralen Erregerkreis gebildete magnetische Fluss das Maximum erreicht,und somit ist die Änderung des magnetischen Flusses aufgrund des peripheren Erregerkreises maximal, wobei der Wirbelstrom A gebildet wird. Gemäss der Fleming¹ sehen Rechte-Hand-Regel soll nun die parallel zur Oberfläche des zu heizenden Gegenstandes verlaufende elektromagnetische Kraft in Betracht gezogen werden. Es ist laicht verständlich, dass sich weder eine radiale Komponente, noch eine Umfangskomponenta dar elektromagnetischen Kraft ausbildet. Figur 4 d zeigt eine typische Verteilung das magnetischen Flusses und des Wirbelstroms zu einem Zeitpunkt, zu dam die Stromphasa dia 1/4-Periode (9o ) im V^Lrgleich zu Figur 4 a durchläuft. Anhand der Fleming'sehen Rachta-Hand-Ragal erkennt man reicht, dass auch in diesem Fall auf den zu heizenden Gegenstand keine Drehwirkung, dh. keine elektromagnetische ΚτεPtkomponente in Umfangsrichtung ausgeübt wird. Man erkennt ±eicht, dass auch zu keiner anderen Zeit auf den zu heizenden Gegenstand ein Drehmoment ausgeübt wird.

Wenn.der zu heizende Gegenstand 1 nicht zentriert zum Erreger angeordnet ist, dh., wenn das Zentrum des zu heizen-

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den Gegenstandes 1 nicht mit dem Zentrum des Erregers zusammenfällt, so ujird die Ausbildung einer radialen Komponente der elektromagnetischen Kraft in Betracht gezogen. Es kann sich in diesem Fall eine Kraft ausbilden, welche den zu heizenden Gegenstand zur Mitte des Erregers führt, uienn man eine bestimmte Beziehung der Phasen der beiden Erregerströme wählt. Dies ist für die Praxis sehr vorteilhaft.

Die deutsche Patentanmeldung Nr. P 23 32 o49.2 beschreibt ein Induktionsheizgerät, welches mit den üblichen Frequenzen betrieben wird, wobei der zu heizende Gegenstand eine Innenbodenschicht aus ferromagnetischem Material» zB aus einer Eisenplatte, umfasst sovuie eine äussere Bodenschicht aus einem nichtmagnetischen hochleitfähigen Hflaterial, zB aus Aluminium oder Kupfer. Dieses vorgeschlagene Induktionsheizsystem führt zu einer hohen Heizleistung. Dabei besteht die Deckplatte 2 vorzugsweise aus Edelstahl oder aus einer Keramikplatte oder aus einer laminierten Platte mit einem hitzefesten Harz. Der erfindungsgemässe Erreger ist insbesondere vorteilhaft in Verbindung mit diesem vorgeschlagenen Induktionsheizsystem anwendbar.

Im folgenden sollen einige typische Ausführungsformen der Eisenkerne des erfindungsgemässen Erregers erläutert werden .

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform des Eisenkerns des erfindungsgemässen Erregers.

Figur 5 a zeigt den Cesamteisenkern, Figur 5 b einen Teil des Dochs, Figur 5 c den zentralen magnetischen Pol und Figur 5 d einen peripheren magnetischen Pol. Diese Teile sind durch Windungen einer Ferrosiliziumplatte gebildet. Das Doch 5 besteht insgesamt aus vier Bauteilen eines gewickelten Eisenkerns 5 a von Sektorgestalt,gemäss Figur 5 b.

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Der Magnetpol 60 ist kreisförmig und besteht aus einem gewickelten Eisenkern gemäss Figur 5 c und ist in der IMtte des Jochs 5 angeordnet. Die Magnetpole 61 bis 64 gemäss Figur 5 d sind elliptisch und bestehen aus gewickeltem Eisenmaterial. Sie sind an vier peripheren Stellen angeordnet. Der Gesamtaufbau ist in Figur 5 a dargestellt.

Bei Wahl eines solchen Aufbaues des Eisenkerns ist der magnetische Widerstand sehr gering¹ und die Verluste im Eisenkern sind gering, da lUirbelströme sich nur schwer ausbilden können. Die Richtung des magnetischen Flusses verläuft nämlich parallel zur Richtung der Oberfläche der gewickelten Eisenplatte. Der zentrale Magnetpol 60 muss nicht unbedingt kreisförmige Gestalt haben. Er kann gemäss Figur 6 a auch eine rechteckige Gestalt haben (gewickelter Eisenkern) oder eine Paketgestalt gemäss Figur 6 b oder die Gestalt eines oktogonal gewickelten Eisenkerns gemäss Figur 6 c oder dergleichen. Die Gestalt des Eisenkerns kann je nach den speziellen erwünschten Eigenschaften des Erregers ausgewählt werden.

Die Gestalt der peripheren Magnetpole 61 bis 64 muss nicht elliptisch gewählt werden. Die peripheren Magnetpole können sektorförmig aus gewickeltem Eisenmaterial gemäss Figur 7 a gebildet sein oder aus kreisförmig gewickelten Eisenmaterial gemäss Figur 7 b oder aus einem Eisenpaket gemäss Figur 7 c oder dergleichen.

Bei dem erfindungsgemässen Erreger ist der Eisenkern aus einem gewickelten Eisenkernmaterial oder aus einem paketförmigen Eisenmaterial aus einer Ferrosiliziumplatte gebildet. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die gleiche Wirkung zu erzielen, wann man sin magnetisches Material mit hohem Widerstand wählt, wie zB Ferrit.

Figur 8 zeigt weitere Ausführungsformen des Oochs, bestehend aus Ferrit. Figur 8 a zeigt ein Doch in Form einer

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kreisförmigen Platte; Figur B b zeigt in Doch in Kreuzform und Figur 8 c zeigt ein spezielles plattenförmiges Doch, bei dem die magnetisch irrelevanten Teile aus einer kreisförmigen Platte herausgeschnitten sind»

Bisher wurde eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Erregers mit vier peripheren Magnetpolen erläutert. Ähnliche Ergebnisse können jedoch auch bei Erhöhung'oder Senkung der Zahl der peripheren Magnetpole erwartet werden. Tflan kann zB 6, θ oder 2 periphere Magnetpole vorsehen, solange nur die Wicklungen auf den peripheren Magnetpolen miteinander zu einem Erregerkreis verbunden sind. Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform mit sechs peripheren Magnetpolen, wobei das Bezugszeichen 6o den zentralen Magnetpol und das Bezugszaichen 7o die Wicklung um den zentralen Magnetpol 6o bedeuten. Die Bezugszeichen 61 bis 66 bezeichnen die peripheren Magnatpole und die Bezugszeichen 71 bis 76 bezeichnen die Wicklungen um die peripheren Magnetpole 61 bis 66. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein Doch. Die Wicklung 7o um den zentralen Magnetpol dient als erster Erregerkreis und die Wicklungen 71 bis 76 um die peripheren Magnetpole sind in geeigneter Weise miteinander verbunden und bilden gemeinsam den zweiten Erregerkreis. Diese Erregerkreise werden mit einem Wechselstrom beaufschlagt, so dass zwei Erregerströme gebildet werden, welche eine Phasendifferenz von etwa 9o zueinander haben. Auf diese Weise werden die beiden Erregerkreise erregt, wobei der zu heizende Gegenstand aufgeheizt wird, ohne dass in vertikaler Richtung eine Vibration hervorgerufen wird · und ohne dass eine Drehbewegung hervorgerufen wird. Ein l/ersuch zeigt, dass die durch den zu heizenden Gegenstand ausgeübte Vibration weniger als 1 {ßj beträgt und dass eine ausgezeichnete Heizleistung bei einer Phasendifferenz im Bereich von 7o bis 11o für die beiden Erregerströme erzielt wird. Der Erreger übt auf den zu heizenden Gegenstand

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kaine Drehbewegung aus und die Vibration des zu heizenden Gagenstandes ist minimal, während andararseits dia Heizleistung maximal ist.

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Claims

Patentansprüche

1.1 Erreger für ein Induktionsheizgerät, gekennzeichnet -—"^- durch einen zentralen lYlagnetpol (6o) und eine Vielzahl von peripheren lYlagnetpolen (61 bis" 66) rund um den zentralen Magnetpol (6o) und ein Doch (5), welches die lYlagnetpole verbindet,und durch um die Magnetpole gewickelte Ulicklungen (7o bis 76), wobei ein erster Erregerkreis durch die Erregerwicklung um den zentralen lYlagnetpol gebildet ist und wobei ein zweiter Erregerkreis durch die Erregerwicklungen um die peripheren lYlagnetpole gebildet ist und wobei die beiden Erregerkreise mit Erregerstromquellen mit einer Phasendifferenz von 7o bis 11o verbunden sind.

2. Erreger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Doch (5) aus einer Vielzahl von gewickelten Eisenkernen besteht.

3. Erreger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lYlagnetpole aus einer gewickelten Eisenplatte bestehen.

4. Erreger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lYlagnetpola aus Ferrit bestehen.

5. Erreger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichn et, dass die peripheren lYlagnetpole Sektorgestalt haben.

6. Erreger nach einem der Ansprüche 1 bie 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zentralen (Ylagnet-

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pols die gleiche Höhe hat wie die Oberflächen der peripheren Magnetpole oder etiuas höher oder etwas niedriger ist.

7. Erreger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerkreise mit Stromquellen handelsüblicher Frequenz verbunden sind.

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