DE3741909C2 - Elektrische Induktionsheizung mit verminderter Emission von Oberschwingungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Induktionsheizung mit einem Träger für ein zu erwärmendes Gefäß.

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 Selbstin­ duktivität, 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 Aus­ gang 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 Grundkom­ ponente von 20 bis 40 KHz und einer gewissen Anzahl von Ober­ schwingungen (Harmonischen) gebildet wird. Die Grundfrequenz ist so gewählt, daß

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

Wenn aber in wirksamer Weise in der Mehrzahl der Fälle Frequenzwandler für diesen Anwendungstyp eine Strahlung ver­ wenden, 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 amplituden­ modulierten 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 verwendet und sind daher kein Gegenstand besonderer Studien gewesen, die auf eine Begrenzung der störenden Oberwellen-Abstrahlung gerichtet sind.

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

Bei der Erwägung, wo der Einsatz der Geräte mit Induk­ tionsheizung sich auf dem Gebiet der individuellen Küchenein­ richtung 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 Frequenz­ wandler erzeugt wird, beispielsweise dadurch zu entstören, daß man ihn deformiert bzw. verzerrt, damit er keine stören­ den 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 erwärmenden Gefäßes sein muß.

Darüberhinaus 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 Gesetzgeber 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 Überschwingungen müssen einen so be­ schaffenen 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 In­ duktor einschließt, verbunden mit einer Abschirmung, eine Einhaltung der Normen oder der gegenwärtigen Normungsvor­ schläge gestattet, stellt man fest, daß die Störung, welche von den Oberwellen eines Niveaus hervorgerufen werden, wel­ ches unterhalb der Normwerte liegt, einen Radioempfang verbieten, der für Amplitudenmodulation geeignet ist.

EP 0 271 250 A1 beschreibt eine Induktions-Heizspule für ein Kochgerät, die aus einem in flacher Form gewundenen Leiter besteht. Ein Teil der äußer­ sten Windung oder einige der äußeren Windungen weisen gegensinnigen Windungssinn zu den restlichen Windungen der Spule auf.

FR 2 315 819 betrifft einen elektrischen Induktor für Heizzwecke und ein Gerät, das derartige Induktoren beinhaltet.

Der elektrische Induktor weist eine Anzahl von n Induktorelementen auf, die nebeneinander angeordnet sind, einen spulenförmigen Abschnitt besitzen und an eine Wechselspannungsquelle derart angeschlossen sind, daß zwei benach­ barte Induktorelemente gegenphasige magnetische Felder erzeugen. An einem anderen Abschnitt sind die Induktorelemente so zueinander angeordnet, daß mindestens ein Teil des magnetischen Flusses, der zwischen ihnen auftritt, die Induktorlelemente umläuft und sich wieder schließt.

DE-GM 77 37 613 beschreibt ein Induktions-Kochgerät mit einer Leistungs­ stufe, die einen Hochfrequenz-Oszillator enthält und an die eine Induktions-Heizspule angeschlossen ist, die unter einer Stellfläche für ein Kochgefäß angeordnet ist. Die Induktions-Heizspule weist dabei einen von der Kreis­ form abweichenden Grundriß auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Induktionsheizung zu schaffen, welche eine große Heizeffizienz und einen geringen Abstrahlungsbeitrag der Oberwellen aufweist und für die Beheizung unterschiedlicher Gefäßgrößen geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.

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 schematischen 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; und

Fig. 4 ist eine schematische Draufsicht 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 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 gewickelt ist, wobei ihr Wicklungssinn dergestalt gegenläufig ist, daß, wenn sie versorgt sind, sie magnetische Felder abgeben, die im Ab­ solutwert gleich, aber in Phasenopposition sind.

Der Ferritstab 6 dient zur Isolation der Wicklungen 4 und 5 untereinander und entspricht somit dem in Fig. 4 dargestellten Ferritstabs 23.

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 dergestalt, 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 H 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 Wick­ lungen 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 berücksich­ tigen nicht die Absorption und die Reflexion der Strahlung durch ein Gefäß, das auf der Heizplatte angeordnet ist, wel­ che 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 darüberhinaus experimentell gezeigt, daß mit einem Induktor mit sechs Wicklungen oder Polen die Abschwä­ chung 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. 4 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 einzigen Wicklung "umweltver­ träglich" gemacht werden kann, indem man eine oder mehrere Gegenwindungen behält, die genau berechnet und zur Kompen­ sation der Strahlung des Induktors angeordnet sind.

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

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

Der in der Fig. 4 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.

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. 4 beschriebenen Induktoren können durch Verwendung der Techniken der viel­ seitigen gedruckten Schaltungen oder mit Hilfe von Kupfer­ kabeln 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 (2)

1. Elektrische Induktionsheizung mit einem Träger für ein zu erwärmendes Gefäß (C) und zumindest einem flachen Induktor, welcher zwei halbkreisförmige Zentralwicklungen (22), welche in der Mitte des Induktors so angeordnet sind, daß sie sich zu einem Kreis ergänzen und gegensinnigen Wicklungssinn besitzen, und sechs kreisförmige periphere Wicklungen (21), deren Mittelpunkte nebeneinander auf einem Kreisumfang um die Zentralwicklungen (22) angeordnet sind, wobei jeweils benachbarte Wicklungen (21) gegen­ sinnigen Wicklungssinn besitzen, aufweist.

2. Elektrische Induktionsheizung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sie ferner Ferritkerne (23, 24) aufweist, um die peripheren Wicklungen (21) voneinander zu trennen, wobei einer der Ferritkerne (24) außerdem die Zentralwicklungen (22) voneinander trennt.