DE3741909A1 - Elektrische induktionsheizung mit verminderter emission von oberschwingungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Heizplatten und betrifft insbesondere Platten mit Induktionsheizung.

Die Induktionsheizung der Heizgefäße wird dadurch bewirkt, daß man in den Gefäßen einen Strom erzeugt, der durch ein variables magnetisches Feld induziert wird, wobei der in dem zu erwärmenden Teil induzierte Stromfluß eine Erwärmung desselben durch den Joule'schen Effekt hervorruft.

Das variable magnetische Feld wird erzeugt mit Hilfe eines Frequenzwandlers, welcher es auf der Basis der Frequenz der Netzspannung von 50 Hz erlaubt. Frequenzen von 25 bis 30 KHz zu erhalten.

Unbeachtet der verwendeten Technik (Transistor oder Thyristor) erzielt man die Frequenzumwandlung sei es durch umgeschaltete Entladung eines Kondensators in einer Selbstinduktivität, oder sei es durch schwingende Entladung einer Selbstinduktivität in einem Kondensator.

Die Analyse der verschiedenen bekannten Frequenzwandler zeigt, daß der Verlauf des Induktor-Stromes, welcher am Ausgang eines solchen Wandlers erhalten wird, von dem einer Sinuswelle weit entfernt ist und daß dieser Strom sich in eine Summe von Strömen zerlegen läßt, die aus einer Grundkomponente von 20 bis 40 KHz und einer gewissen Anzahl von Oberschwingungen (Harmonischen) gebildet wird. Die Grundfrequenz ist so gewählt, daß

• - eine wirksame Heizung des Gefäßes gewährleistet ist;
• - das Gehör des Menschen (oder der Haustiere) nicht beeinträchtigt wird;
• - sie nicht in den Frequenzbändern liegt, die für Rundfunkzwecke reserviert sind.

Wenn aber in wirksamer Weise in der Mehrzahl der Fälle Frequenzwandler für diesen Anwendungstyp eine Strahlung verwenden, die zwischen 20 und 40 KHz liegt, also den Rundfunk nicht stört, dann stören die Oberwellen von 5. Ordnung und mehr den Empfang, deren Frequenzen sich in den amplitudenmodulierten Radio-Empfangsbändern befinden (Langwelle, Mittelwelle, Kurzwelle).

Diese Oberwellen, die durch die Gleichrichter des Wandlers amplitudenmoduliert sind, stellen eine nicht vernachlässigbare Beeinträchtigung für eine Person dar, welche zu derselben Zeit ein Gefäß erwärmen will, wenn sie Radio hört. In der Tat gibt ein Radioempfänger, der auf die Oberschwingung abgestimmt ist, eine Modulation von 100 Hz im Falle einer einphasigen Gleichrichtung wieder und von 300 Hz im Falle einer dreiphasigen Gleichrichtung.

Bis jetzt wurden die Geräte mit Induktionsheizung im wesentlichen in Gemeinschaftsküchen und sind daher kein Gegenstand besonderer Studien gewesen, die auf eine Begrenzung der störenden Oberwellen-Abstrahlung gerichtet sind.

Darüber hinaus kann man bei bestimmten Heizgeräten dieses Typs die Gegenwart von "metallischen Käfigen" beobachten, die sowohl eine Tragfunktion erfüllen als auch in der Art eines Faraday-Käfigs zur Verminderung der Strahlung beitragen.

Bei der Erwägung, wo der Einsatz der Geräte mit Induktionsheizung sich auf dem Gebiet der individuellen Kücheneinrichtung gut entwickeln könnte, stellt eine Abschirmung, die lediglich mit Hilfe eines metallischen Käfigs vom genannten Typ erzielt wird, keine akzeptable Lösung dar.

Zunächst ist die Gegenwart einer Abschirmung ungenügend, weil die Abschirmung einen sehr wichtigen Betrag von Störungen hindurchläßt, welcher beispielsweise das Hören eines Transistorempfängers mit Amplitudenmodulation im Bereich einer Küche gewöhnlichen Ausmaßes verbietet.

An zweiter Stelle ist der Preis einer metallischen Abschirmung zu hoch, wenn man beabsichtigt, Geräte mit Induktionsheizung auf den Markt zu bringen, die für jedermann erschwinglich sind.

Um die empfindlichen Strahlungen zu vermindern, hat man vorgeschlagen den Induktor-Strom, welcher von dem Frequenzwandler erzeugt wird, beispielsweise dadurch zu entstören, daß man ihn deformiert bzw. verzerrt, damit er keine störenden Oberschwingungen erzeugt. Trotzdem erscheint eine solche Lösung schwierig, wenn man bedenkt, daß die Form des Signals eine Funktion bekannter Weise der Abmessungen und des Materials des zu erwärmdenden Gefäßes sein muß.

Darüber hinaus ist der Aspekt der "Umweltverschmutzung" allein durch Oberschwingungen höherer Ordnung unzureichend, um die Eigenschaften der Strahlung für diesen Typ von Geräten zu bewerten.

In der Tat schreibt der Gesetztgeber mit mehr oder weniger kurzer Verfallszeit die Abstrahlungsgrenzen für diesen Gerätetyp vor.

Beispielsweise ist in der BRD in dem Dokument VDE-871 bestimmt, daß die Grenze der Abstrahlung, welche von öffentlichen Geräten erreicht werden darf, die störende Strahlung erzeugen können, im Frequenzband von 9 KHz bis 150 KHz liegt und zwar bei 50 V/m auf 30 m.

Damit solche Geräte also eine Chance haben, sich auf dem Gebiet der Haushaltsgeräte zu entwickeln, ist es notwendig, daß sie zwei wesentlichen Kriterien bezüglich der Radio-Störungen genügen:

• - Der Wert des Grund-Magnetfeldes muß unterhalb der Grenzen liegen, die durch Normen gesetzt sind (es erscheint so, daß der Wert von 50 V/m auf 30 m wenigstens in Europa akzeptabel ist).
• - Die erzeugten Oberschwingungen müssen einen so beschaffenen Pegel haben, daß sie von einem Radioempfänger mit Amplitudenmodulation nicht wahrgenommen werden können.

Um zu diesem Ergebnis zu gelangen, hat eine Lösung darin bestanden, eine Kanalisation des Feldes in der Nähe des Induktors mit Hilfe eines Ferrittopfes einzurichten.

Auch wenn der Einsatz eines Ferrittopfes, der den Induktor einschließt, verbunden mit einer Abschirmung, eine Einhaltung der Normen oder gegenwärtigen Normungsvorschläge gestattet, stellt man fest, daß die Störung, welche von den Oberwellen eines Niveaus hervorgerufen werden, welches unterhalb der Normwerte liegt, einen Radioempfang verbieten, der für Amplitudenmodulation geeignet ist.

Der Erfindung zielt darauf ab, die Nachteile der elektrischen Heizplatten im Stand der Technik zu vermeiden und eine Heizplatte zu schaffen, welche, obwohl sie von realtiv einfachen Aufbau ist, eine große Heizeffizienz mit einem Oberwellen-Betrag verbindet, der auf ein Minimum reduziert ist.

Sie hat daher ein elektrisches Gerät mit Induktionsheizung zur Aufgabe, das eine Halterung für ein zu erwärmendes Gefäß und wenigstens einen flachen Induktor aufweist, der dazu bestimmt ist, von einem Frequenzwandler versorgt zu werden, wobei der Induktor durch eine erste Wicklung gebildet ist, die einen ersten Bewicklungs-Sinn hat und durch wenigstens eine zweite Wicklung, die durch wenigstens eine Windung gebildet wird, die einen Sinn hat, der demjenigen der ersten Wicklung entgegengesetzt und die mit diesem in Serie verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor durch wenigstens zwei Wicklungen von allgemein kreisförmiger Form gebildet ist, welche gemäß einer symmetrischen Konfiguration bezüglich der Mitte des Induktors angeordnet sind.

Gemäß einer bestimmten Eigenschaft der Erfindung wird der Induktor durch wenigstens zwei Wicklungen gebildet, die Magnetfelder abgeben, welche im Absolutwert gleich, aber von entgegengesetzter Phase sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht im Aufriß und im Schnitt eines Heizgerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein theoretisches Perspektivschema eines Induktors aus N Elementen;

Fig. 3 zeigt vergleichende Schemata der Strahlung, die durch einen Induktor und durch Induktoren gemäß der Erfindung mit zwei, vier und sechs Wicklungen erzeugt wird;

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer Variante des Induktors, die im Aufbau des erfindungsgemäßen Heizgerätes verwendet werden kann;

Fig. 4A ist eine schematische Ansicht eines Induktors, der dem der Fig. 4 analog ist, aber mit mehreren Gegen-Windungen versehen ist;

Fig. 5 ist eine schematische Draufsicht einer praktischen Ausführungsform eines Induktors mit zwei Wicklungen;

Fig. 6 ist eine Ansicht, analog derjenigen der Fig. 5, eines Induktors mit vier Wicklungen; und

Fig. 7 ist eine Ansicht, analog denen der Fig. 5 und 6, eines Induktors mit sechs Umfangswicklungen und zwei Zentralwicklungen.

Auf der Fig. 1 ist eine Induktions-Heizplatte dargestellt, welche eine Trageplatte 1 beispielsweise aus Glaskeramik aufweist, welche dazu bestimmt ist, einen Topf C zu tragen, welcher einen Anker (induit) bildet.

Unterhalb des Trägers 1 ist ein Induktor 2 angeordnet, der von einer Fassung 3 getragen ist.

Der Induktor 2 wird in dem vorliegenden Beispiel von zwei Wicklungen 4 und 5 gebildet, die dazu vorgesehen sind, von einem Strom versorgt zu werden, dessen Frequenz zwischen 25 und 30 KHz liegt, und zwar durch einen nicht dargestellten Frequenzwandler.

Die Wicklungen 4 und 5 haben dieselbe Induktivität und stellen in vorteilhafter Weise eine halbkreisförmige Form dar. Sie sind jeweils durch einen Kupferleiter gebildet, der aus verdrehten Drähten gebildet und flach eingewickelt ist, wobei ihr Wicklungssinn dergestalt gegenläufig ist, daß, wenn sie versorgt sind, sie magnetische Felder abgeben, die im Absolutwert gleich, aber in Phasenopposition sind.

Wie es klar in Fig. 5 dargestellt ist, ist ein Ferritstab 6 zur Isolation der Wicklungen 4 und 5 untereinander zwischen den gradlinigen Seiten der beiden halbkreisförmigen Wicklungen 4 und 5 angeordnet.

Zum Zwecke der theoretischen Vorführung betrachte man in der Fig. 2 einen Induktor mit N identischen Wicklungen, die dieselbe Anzahl von Windungen und denselben Durchmesser haben, wobei jede durch einen kleinen Kreis dargestellt ist, und N eine geradzahlige Zahl ist.

Man versieht jedes Element mit einem Index i

(i ε [0, N-1])

Der Aufbau dieses Induktors ist so beschaffen, daß zwei benachbarte Wicklungen von ihm von Strömen I im gegenläufigen Sinn durchflossen werden, und zwar dargestellt, daß das von einer Wicklung erzeugte Feld in Phasenopposition mit dem von den zwei benachbarten Wicklungen erzeugten Feld ist.

Man zeigt, daß das resultierende Feld, welches von dem Induktor in einem Punkt M erzeugt wird, welcher bei einer Entfernung L vom Zentrum O des Induktors liegt, durch folgende Beziehung gegeben ist:

wobei Ho das Feld ist, welches von einem einzelnen oder einpoligen Induktor ausgestrahlt wird, "äquivalent" mit einer Frequenz von 20 KHz, und R der Kreisradius, auf dem sich die Mittelpunkte der gewickelten Elemente des Induktors befinden, L < 10³ m bezeichnet den Abstand des Mittelpunkts des Induktors vom Meßpunkt M.

Die Auswertung dieser Beziehung zeigt, daß die Strahlung der Induktoren sich verringern, wenn man die Anzahl der Wicklungen erhöht, aus denen sie aufgebaut sind.

In der Fig. 3 sieht man einen einpoligen Induktor mit einer Strahlung von 60 db, und zwar in alle Richtungen bei einem Abstand L = 1 m vom Mittelpunkt des Induktors.

Ein Induktor mit zwei Wicklungen oder ein äquivalenter bipolarer Induktor zeigt eine Strahlung von 43 db gemäß der Linie, welche die Mittelpunkte der zwei Wicklungen verbindet, und eine Strahlung von 0 db gemäß einer Linie, die zwischen zwei Wicklungen verläuft und rechtwinklig zu der Linie ist, welche ihre Mittelpunkte verbindet.

Ein vierpoliger Induktor, dessen vier Wicklungen in einem Kreis einbeschrieben sind, zeigt eine Strahlung von 20 db gemäß der Linien, welche die Mittelpunkte der beiden diametral entgegengesetzten Wicklungen verbinden und eine Strahlung von 0 db auf einer Linie, die zwischen zwei benachbarten Wicklungen verläuft und rechtwinklig zu einer Linie ist, die ihre Mittelpunkte verbindet.

Ein sechspoliger Induktor, dessen sechs Wicklungen in einem Kreis einbeschrieben sind, zeigt eine Strahlung von 0 db auf einer Linie, die durch die Mittelpunkte der zwei diametral entgegengesetzten Wicklungen verläuft und eine Strahlung, die sich kaum von 0 db unterscheidet, auf einer Linie, welche zwischen den benachbarten Wicklungen verläuft.

Die oben genannten theoretischen Resultate berücksichtigen nicht die Absorbtion und die Reflektion der Strahlung durch ein Gefäß, das auf der Heizplatte angeordnet ist, welche erfindungsgemäß hergestellt ist, aber sie bestätigen das Interesse, einen Induktor mit Hilfe einer oder mehrerer Paare von Wicklungen zu verwirklichen, die gemäß symmetrischer Konfigurationen bezüglich des Mittelpunkts des Induktors angeordnet sind.

Man hat darüber hinaus experimentell gezeigt, daß mit einem Induktor mit sechs Wicklungen oder Polen die Abschwächung im Frequenzband von 150 KHz bis 305 KHz 20 db für die erste Oberschwingung beträgt, wobei die weiteren sich im Hintergrundrauschen verlieren.

Diese Verminderung des Oberschwingungs-Betrages bzw. der Oberwelligkeit, welche mit Hilfe eines Induktors mit mehreren Wicklungen oder Polen erzielt wird, wird erreicht auf Kosten der Erwärmungsleistung des Gefäßes, welche 70% mit einem einzelnen Induktor beträgt und welche im Falle einer Anordnung mit 6 Wicklungen auf einen Wert von 50% fällt.

Dennoch wird dieses Problem gelöst, indem man in geeigneter Weise zwischen den Wicklungen Ferritstäbe zur Kanalisation der von den Wicklungen erzeugten Feldlinien anordnet, wobei die Ferritstäbe dazu bestimmt sind, jeden Sektor des Induktors von einer Wicklung zur anderen zu isolieren. Diese Anordnung wird später unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 7 beschrieben.

Man kann zeigen, daß die Benutzung eines Induktors mit Wicklungen, die Felder mit Phasenopposition erzeugen, zu merklichen Abschwächungen sowohl der Grundfrequenz als auch der vom Induktor abgestrahlten Oberwellen führen kann.

Es ist möglich, daraus abzuleiten, daß ein einpoliger Induktor oder einer mit einer winzigen Wicklung "umweltverträglich" gemacht werden kann, indem man eine oder mehrere Gegenwindungen behält, die genau berechnet und zur Kompensation der Strahlung des Induktors angeordnet sind.

Eine solche Anordnung wird schematisch in der Fig. 4 dargestellt, auf der man sieht, daß der Induktor eine Wicklung 10 aufweist, welche spiralig in einem bestimmten Sinn gewickelt ist und deren äußere Windung 11 von einer Gegenwindung 12 umgeben ist, welche im umgekehrten Sinn gewickelt ist. Die Gegenwart einer einzigen Gegenwindung erlaubt es, eine Abschwächung der Strahlung von 10 db zu erzielen.

Es wäre in gleicher Weise möglich, mehrere Gegenwindungen vom genannten Typ einzusetzen, die in Funktion des Durchmessers des Gefäßes, welches auf die Platte gesetzt ist, eingeschaltet, bzw. umgeschaltet werden können.

Man würde dann Strahlungsniveaus erhalten, die denen ähnlich sind, welche für solche vielpoligen Induktoren gemessen werden, welche schematisch in der Fig. 3 dargestellt sind.

Die Fig. 4A stellt eine solche Anordnung dar, deren Wicklung 10 a, welche spiralig in einem bestimmten Sinn gewickelt ist, von mehreren Gegenwindungen 12 a umgeben ist, welche in Gegenrichtung gewickelt und in Serie mit dem Induktor 10 a geschaltet sind.

Mit jeder der Gegenwindungen 12 a ist ein Umschalt-Transistor 12 c verbunden, der dazu bestimmt ist, die entsprechende Gegenwindung mit einer der Anschlußklemmen des Induktors zu verbinden. Die Verbindung dieser oder jener Gegenwindung 12 mit der Anschlußspannung wird in Funktion des Durchmessers des zu erwärmenden Gefäßes gestaltet, und zwar durch den entsprechenden Transistor 12 c, der durch ein Signal leitend gemacht wird, welches an seine Basis durch eine geeignete, nicht gezeigte Befehlsvorrichtung angelegt wird.

In der Fig. 5 ist schematisch in der Fläche eine praktische Ausführungsform des Induktors mit zwei Wicklungen dargestellt, der in den Aufbau der Heizplatte der Fig. 1 paßt.

Dieser Induktor wird von zwei Wicklungen 4 und 5 gebildet, die jeweils ungefähr einem Halbkreis folgend gewickelt sind, wobei ihr Wickelsinn entgegengesetzt ist.

Diese beiden Wicklungen haben gleiche Induktivitäten dergestalt, daß wenn man ihren entgegengesetzten Wickelsinn berücksichtigt, sie magnetische Felder erzeugen, welche im Absolutwert gleich, aber in Phasenopposition sind, wenn sie von einem Frequenzwandler (nicht dargestellt) versorgt werden.

Die Wicklungen 4 und 5 sind durch einen Ferritstab 6 getrennt, und zwar für die Kanalisation der Feldlinien, welche zwischen ihren geradlinigen Seiten 13 und 14 angeordnet sind, welche den Durchmesser der Holzplatte verwirklichen.

Die Fig. 6 zeigt einen vierpoligen Induktor, der aus vier Wicklungen 15 bis 18 gewickelt ist, welche in der Form von Kreisvierteln gewickelt und jeweils in einem Quadranten eines Kreises angeordnet sind, der den nutzbaren Umfang des Induktors definiert.

Der Wickelsinn der beiden benachbarten Wicklungen ist entgegengesetzt.

Die Wicklungen 15 bis 18 sind voneinander durch Ferritstäbe 19 und 20 getrennt, welche ein Kreuz definieren.

Der in der Fig. 7 dargestellte Induktor ist ein Induktor, der von sechs Umfangswicklungen 21 gebildet ist, deren Mittelpunkte längs eines Umfangs angeordnet sind, und von zwei Zentralwicklungen 22, die halbkreisförmig gewickelt sind, und zwar analog zu denen des Induktors der Fig. 5.

Zwischen den Zentralwicklungen 22 ist ein Ferritstab 23 zwischengelagert, welcher gleichermaßen die Trennung der vier Umfangswicklungen 21 gewährleistet.

Die Umfangswicklungen 21, welche benachbart denen auf einer Seite und auf der anderen Seite des Ferritstabes 23 angeordneten sind, sind von diesen durch vier zusätzliche Ferritstäbe 24 getrennt.

Die soeben mit Bezug auf die Fig. 5 bis 7 beschriebenen Induktoren können durch Verwendung der Techniken der vielseitigen gedruckten Schaltungen oder mit Hilfe von Kupferkabeln mit mehreren Drähten bzw. Strahlungselementen verwirklicht werden.

Die Wicklungen eines Induktors sind vorteilhafterweise in Serie geschaltet, wodurch parasitäre Strahlungsschleifen aufgrund der Verbindungen der Wicklungen untereinander verringert werden.

Claims (7)

1. Elektrische Induktionsheizung mit einem Träger für ein zu erwärmendes Gefäß (C) und wenigstens einem flachen Induktor, der dazu bestimmt ist, von einem Frequenzwandler versorgt zu werden, wobei der Induktor durch eine erste Wicklung (4; 11) gebildet ist, die einen ersten Bewicklungssinn hat, und von wenigstens einer zweiten Wicklung (5; 12), die von wenigstens einer Windung gebildet ist, deren Sinn demjenigen der ersten Wicklung entgegengesetzt ist und die mit jenem in Serie geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor durch wenigstens zwei Wicklungen (4, 5; 15 bis 18; 21, 22) von allgemein kreisförmiger Form gebildet ist, welche in symmetrischer Konfiguration bezüglich der Induktor-Mitte angeordnet sind.

2. Induktionsheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch vier Wicklungen von kreisförmiger Form gebildet ist, die Seite an Seite längs eines Umfangs angeordnet sind, wobei zwei benachbarte Wicklungen entgegengesetzten Bewicklungssinn haben.

3. Induktionsheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch sechs Wicklungen (21) von kreisförmiger Form gebildet ist, die Seite an Seite längs eines Umfangs angeordnet sind, wobei zwei benachbarte Wicklungen entgegengesetzten Bewicklungssinn haben.

4. Induktionsheizung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (21), welche auf einem Umfang angeordnet sind, Umfangswicklungen darstellen, und daß sie ferner zwei Zentralwicklungen (22) aufweist, die von den Umfangswicklungen (21) umgeben und im Halbkreis gewickelt sind, wobei die Zentralwicklungen entgegengesetzten Bewicklungssinn haben und so angeordnet sind, daß ihre gradlinigen Seiten einander gegenüber liegen.

5. Induktionsheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Ferritkerne (6; 19, 20; 23, 24) zur gegenseitigen Trennung der Wicklungen (4, 5; 15 bis 18; 21, 22) aufweist.

6. Induktionsheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine zweite Wicklung (12) durch wenigstens eine Gegenwindung gebildet ist, welche zu der ersten Wicklung (10) konzentrisch ist.

7. Induktionsheizung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der ersten Wicklung mehrere Gegenwindungen (12 a) verbunden sind, die in Serie um die erste Wicklung herum befestigt sind und mit denen Umschalteinrichtungen (12 c) als Funktion des Durchmessers des zu erwärmenden Gefäßes verbunden sind, welche dazu bestimmt sind, die entsprechende Gegenwindung mit einer der Anschlußklemmen des Induktors zu verbinden.