DE681018C - Heiz- und Kocheinrichtung nach dem Induktionsprinzip zum Anschluss an Wechselstrom - Google Patents

Heiz- und Kocheinrichtung nach dem Induktionsprinzip zum Anschluss an Wechselstrom

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DE681018C
DE681018C DES116760D DES0116760D DE681018C DE 681018 C DE681018 C DE 681018C DE S116760 D DES116760 D DE S116760D DE S0116760 D DES0116760 D DE S0116760D DE 681018 C DE681018 C DE 681018C
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induction
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DES116760D
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Dr-Ing Dr-Ing E H R Ruedenberg
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/10Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/12Cooking devices
    • H05B6/1209Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Induction Heating (AREA)

Description

  • Heiz- und Kocheinrichtung nach dem Induktionsprinzip zum Anschluß an Wechselstrom Die Erfindung bezieht .sich auf solche Heiz- und Kocheinrichtungen, bei denen die Erwärmung eines auf eine Heiz- bzw. Kochplatte aufgesetzten metallischem; Gefäßes durch Wirbelströme erzielt wird, die im Boden des Kochgefäßes von einem Elektromagnetsysbem ,erzeugt werden.
  • Ist die Erregerwicklung eines solchen Elektromagnetsystems für einphasigen Anschluß, aasgeführt, so entsteht und verschwindet aaserzeugte magnetische Feld im Takte des Wechselstromes. Das bei einphasigem. Anschluß auftretende Magnetfeld ist somit ein Wechselfeld. Wird die Erregerwicklung des Elektromagnetsysfiems jedoch mehrphasig, beispielsweise nach Art-der Ständerwicklung eines Drehstrozn@induktionsmotors, ausgeführt, so steht das von dem Elektromagnetsystemerzeugte Feld nicht örtlich .still, sondern es wandert ständig quer zur Erregerwicklung weiter. Ein solches Feld ist somit ein Wanderfeld. Beim Drehstrommotor schließt sich dieses Wanderfeld zu dem bekannten Drehfeld. Für induktiv wirkende Heiz- und Kocheinrichtungen hat die Anwendung eines Wanderfeldes den Vorteil, daß das magnetische Feld und.' somit die auf das. Kochgefäß ausgeübtes Anziehungskraft niemals durch Null geht, so daßß das bei einem Wechselfeld durch die periodisch verschwindende Anziehung @entstehende Schwingen und Brummen des Kochgefäßes vermieden wird. Die an verschiedenen Phasen des Wechselstromspeisenetzes liegenden einzelnen Erregerwicklungen einer solchen Anordnung werden. meinem ganz bestimmten Rhythmus, der durch die Phasenfolge des Speisenetzes bestimmt ist, nacheinander @erregt, so @daß sie hinsichtlich dieser per!-odischen Erregung den Erregerwicklungen von Wechselstrommaschinen ,gleichen. Die Erregerwicklungen der Heizplatte können also genau -so aufgebaut werden wie die Erregerwicklungen der We@chselstrommaschinen.
  • Bei rechteckigen Heizplatten ist eine solche Ausbildung der Erregerwicklungen auch ohne weiteres, möglich, da dann die rechteckige Heizplattenfläche gleichsam die Abwicklung des zylindrischen Erregerwicklungss ystems einer Wechselstrom@maschine darstellt. Die einzelnen Erregerwicklungen sind dann in zueinander parallelen, geraden Nuten über die rechteckige Heizplatten,-fl.äche verteilt.
  • Schwierigkeiten bereitet die Anordnung der Erregerwicklungen jedoch bei runden Heizplatten. Hier können die Erregerwicklungen nicht ohne weiteres: in zueinander parallelen geraden Nuten, untergebracht werden, da sie sonst verschiedene Längen aufweisen würden. Es ist daher vorgeschlagen, worden, bei runden Heizplatten :die Erregervicklungen in zueinander konzentrischen, runden Nuten unterzubringen. Werden, diese Erregerwicklungen an eine Wechselspannung angeschlossen, beispielsweise an die drei Phasen eines Drehstromnetzes, .so ist die Wirkungsweise hierbei ähnlich wie bei den rechteckigen Heizplatten, lediglich zeit dem- Unterschied, daß bei den rechteckigen Heizplatten das Erregerfeld quer über die gesamte Heizplattenfläche von einem Ende der Heizplatte bis zum anderen Ende wandert,' wähnend das Erregerfeld (Wanderfeld) bei der runden Heizplatte ringförmig ausgebildet isst und in radialer Richtung, d. h. also vom Außenrand der Heizplatte bis zum Mittelpunkt der Heizplatte, oder auch in umgekehrter Richtung wandert. Die runde Ausbildung der Erregerwicklungen hat den Vorteil, daß sich die von dem Elektromagnetsystem auf das Kochgefäß ausgeübten Anziehungskräfte stets gleichmäßig auf den Boden des, Kochgefäßes verteilen. Infolge der Gleichartigkeit der Erregerwicklungen der runden Heizplatte zu den Erregerwicklungen der rechteckigen Heizplatte ist es somit auch nahehegend; die Aufteilung der einzelnen Erregerwicklungen über den Radius der runden Heizplatte genau so vorzunehmen wie die Aufteilung der einzelnen Erregerwicklungen über die gesamte Breite der rechteckigen Heizplatte. Man würde daher auch bei der runden Heizplatte die einzelnen Erregerwicklungen mit untereinander gleicher Windungszahl ausführen. und sie auch in gleichen Abständen voneinander anordnen.
  • An. .sich ist eine solche Aufteilung der Erregerwicklungen über den Radius, der runden Heizplatten auch ohne weiteres: möglich. Allerdings hat sich herausgestellt, daS die runden Heizplatten unter Umständen :einen größeren Blindleistung .s.verbrauch als die rechteckigen Heizplatten haben. Aufgabe- der vorliegenden Erfindung ist es nun, diese Blindleistungserhöhüng wesentlich herabzusetzeA bzw. sogar völlig zu beseitigen.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis,. zugrunde, daß als Ursache für die größere Blindleistung der runden Heiz- und Kochplatten der im allgemeinen auftretende Streufluß in Luft anzustehen ist, da beim Wandein des Feldes über die runde Platte die Größe des Flusses im Eisen wechselt. Erfindungsgemäß werden daher die in konzentrisches Ringen in der Platte angeordneten Erregerwicklungen vom Plattenmittelpunkt nach dem Rande zu hinsichtlich ihrer Windungszahl und bzw. oder ihrer Lage zu,-einander (Polteilung) unterschiedlich ausgebildet, und zwar so, daß die jeweils durch zwei Ringzonen der Plattenoberfläche hindurchtretenden, gegeneinander phasenverschobenen magnetischen Teilflüsse entgegengesetzter Richtung gleiche Größe haben und sich somit trotz der Feldwanderung in jedem Augenblick aufheben.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, daß bei den runden Heizplatten die Erregerwicklungen nicht mehr in der für rechteckige Heizplatten zweckmäßigen Weise unter dem Gesichtspunkt gleicher Windungszahl und Wicklungsabstände. bemessen bzw. angeordnet werden, sondern unter denn Gesichtspunkt des geringsten Streuflusses, d. h. also unter dem Gesichtspunkt, daß sich die die Oberfläche der Heizplatte durchdringenden magnetischen Flüsse entgegengesetzter Richtung in jedem Augenblick aufheben: Die Heizeinrichtung nach der Erfindung bedeutet also eine grundlegende Abweichung von allen bisher bekannten oder vorgeschlagenen Heizeinrichtungen, denn :es ist keine induktiv beheizte Heiz- und Kocheinrichtung mit mehrphasigen Erregerwicklungen bekannt, bei der die Windungs.zahl oder die gegenseitigen Abstände der einzelnen Erregerwicklungen ungleich oder gar in der durch die Erfindung angegebenen Weise ungleich sind.
  • Für die Bemessung der Windungszahl: sowie deir gegenseitigen Abstände der Erregerwicklungen zur Herabsetzung des Streuflusses nach der Erfindung gibt :es, wie im vorstehenden schon angedeutet, verschiedene Möglichkeiten: Entweder werden ,nur die Windungszahlen der einzelnen Erregerwicklungen gegeneinander abgestuft, wobei die gegenseitigen Abstände der Wicklungen untereinander gleich groß bleiben, oder es, werden die gegenseitigen Abstände der einzelnen Erregerwicklungen. gegeneinander abgestuft, wobei die Windungszahlen der einzelnen Erregerwicklungen untereinander gleich 'groß bleiben, oder schließlich auch dadurch, daß beide Maßnahmen gleichzeitig in :einem einander entsprechenden Verhältnis. vorgenommen werden.
  • Weitere Einzelheiten hierüber sollen nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden.
  • Eine Heiz- und Kochplatte i, die heispielsweise aus geblättertem Eisen aufgebaut ist und eine Ringform mit den Halbmessernvi und v2 hat, ist mit den drei an Drehstrom angeschlossenen konzentrischen Pbasenwicklüngen FZ, S und T versehen. Auf die Heizplatte ist ein Kochgefäß ä aufgesetzt, das beispielsweise- aus Eisen besteht und an seiner Bodenfläche mit einem Kupferbelag 3 versehen ist. Die von der Platte r ausgehenden magnetischen Kraftlinien durchdringen den Kupferbelag 3 und .schließen sich über das eiserne Kochgefäß 2. Da die drei Erregerwicklungen R, S und T an den. verschiedenen Phasen des Drehstromnetzes liegen, entsteht sein Wanderfeld, daß sich in, radialer Richtung über die Plattenoberfläche fortbewegt und in gleicher Weise wie beim Drehfeld des Asynchronmotors jeweils mit einer ,größeren Anzahl von heitern gleichzeitig verkettet ist. Das magnetische Feld schließt sich also nicht um jede der drei Wicklungen R, S und T für .sich, sondern es umfaßt .stets alle drei Phasenwicklungen gleichzeitig. So tritt beispielsweise in einem bestimmten Augenblick ein Teil des magnetischere Flusses aus dem zwischen Plattenaußenrand und Wicklung T liegenden Teil der Plattenoberfläche heraus, durchläuft den Boden des Kochgefäßes und kehrt in den zwischen Platteninnenrand und Wicklung R liegenden Teil der Plattenoberfläche wieder zurück. Wären die Wicklungen R, S und T nach Art seiner normalen Wicklung einest Asyndhronmotors gleichmäßig über den Radius, der Plattenoberfläche verteilt, so würde der .zwischen Plattenaußenränd und Wicklung T liegende Teil der Plattenoberfläche infolge des großen: Radius erheblich größer sein als der zwischen Platteninnenrand und Wicklung R liegende Teil. Die Folge hiervon wäre, daß an dem zwischen Platteninnenrand und Wicklung R liegenden Teil eine große Streuung eintritt, und daß sich somit nicht der gesamte magnetische Fluß im Eisen. der Kocheinrichtung schließt.
  • Gemäß der Erfindung werden die einzelnen Erregerwicklungen des Elektromagnetsystems jedoch mit einer solchen Windungszahl ausgeführt und derart über dem Radius der Plattenoberfläche verteilt, daß sich die die Oberfläche der Heizplatte durchdringenden magnetischen Flüsse entgegengesetzter Richtung trotz der Feldwanderung in jedem Augenblick aufheben, d. h. also, daß sich der gesamte magnetische Fluß im Eisen der Heiz- und Kocheinrichtung -schließt.. Bezogen auf den oben betrachteten Augenblickswert des magnetischen Feldes bedeutet dies eine solche Bemessung und Anordnung der Erregerwicklungen, daß der magnetische Fluß in dem zwischen Plattenaußenrand und Wicklung T liegenden Teil der Plattenobetfiäche ebenso groß ist wie der magnetische Fluß in dem zwischen Platteninnenrand und Wicklung R liegenden Teil der Plattenoberfläche. Wie .eine solche Bemessung der erforderlichen Amperewindungen und eine derartige Verteilung des Strombelages über eine gegebene Fläche berechnet werden kann, ist dem Fachmann aus der Berechnung elektrischer Maschinen geläufig. Im vorliegenden Fall ist diese Berechnung beispielsweise unter dem Gesichtspunkt möglich, daß an verschiedenen Stellen der Plattenoberfläche, bei dem vorerwähnten Beispiel also am Plattenaußenrand und am Plattemirmenrand, verschieden große axiale Induktion B herrscht.
  • Bei der vorstehenden Erläuterung wurde der magnetische Fluß in verhältnismäßig großen Teilen der Plattenoberfläche betrachbet. Der Ausgleich de magnetischen Flusses wird jedoch um ,so besser, je kleiner die "der Bemessung zugrunde liegenden Flächenteile .sind. Ein völliger Ausgleich wird somit erst dann :erzielt, wenn für ein Differential d-, der Polteilung (Polbreiter) die gegeneinander phasenverschobenen magnetischen Teilflüsse (2Y-,r. dT . B) in jedem Augenblick gleichen Betrag haben. Die axiale Induktion B muß somit an den verschiedenen Stellen der Plattenoberfläche um :so kleiner sein, jegrößer der Radius r ist, sofern die örtliche Wandergeschwindigkeit v des Feldes bei je- dem Radius die gleiche ist, und zwar muß sich der Betrag der axialen Induktion B umgekehrt proportional mit dem Plattenradius r verändern.
  • Außer oder statt dieser häufig nicht wünschenswerten Änderung der ,axialen Induktion B in Abhängigkeit vom Plattenradius r kann zur Erfüllung der Bedingung, daß die Teilflüsse jederzeit gleich sein müssen, auch eine Änderung der örtlichen Wandergeschwindigkeit v des Feldes mit dem Radius vorgenommen werden. Da die Wandergeschwindigkeit proportional der. Polteilung ist, ist jedoch zur Konstanthaltung des Betrages der Teilflüsse die Geschwindigkeit v des Wanderfeldes mit dem Betrag der Induktion B durch die Beziehung B#v#r=konst. zu verbinden. Bei einer über die ganze Polteilung konstanten Induktion B muß sich also z. B. der Betrag der örtlichen Wandergeschwindigkeit v umgekehrt mit dem Plattenradius y verändern.
  • Ein Schaubild für einen solchen Fall ist in der Zeichnung unterhalb der Heizplatte wiedergegeben. Die Berechnung der erforderlichen Amperewindungen und der Verteilung des Strombelages, über die Plattenoberfläche erfolgt auch hier in der für elektrische Maschinen bekannten Weise. Die axiale Induktion B ist in Abhängigkeit von dem Plattenradius Y aufgetragen. Die Amplitude A der Induktion ist hierbei über die ganze Polteilung konstant. Der Abstand der drei Phasenwicklungen R, S und T nimmt mit zunehmendem Plattenradius, derart ab, daß die Wandergeschwindigkeit des Feldes mit zunehmendem Plattenradius verringert wird, während die axiale InduktionB über die gesamte Polteilung, also vom Innenradius r1 bis zum Außenradius r2 der Platte, konstant bleibt.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: Heiz- und Kocheinrichtung zum Anschluß an Wechselstrom, bei der die zu erzeugende Wärme meinem auf eine Heiz- oder Kochplatte aufgesetzten metallischen Kochgefäß durch Induktion mit Hilfe eines in der Kochplatte angeordneten Systems von Erregerwicklungen, die ein magnetisches Wanderfeld hervorrufen, -erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet; daß die in konzentrischen Ringen in der Platte angeordneten Erregerwicklungen vom Plattenmittelpunkt nach dem Rande zu hinsichtlich ihrer Windungszahl und bzw. oder ihrer Lage zueinander (Polteilung) unterschiedlich .ausgebildet sind, und zwar so, daß die jeweils durch zwei Ringzonen der Plattenoberfläche, z. B. durch die Ringzone zwischen Plattenaußenrandund Wicklung T und durch die Ringzone zwischen Platteninnenrand und Wicklung R; hindurchtretenden, gegeneinander phasenverschobenen magnetischen Teilflüsse entgegengesetzter Richtung gleiche Größe haben und sich somit in jedem Augenblick aufheben.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch r, dadurch ;gekennzeichnet, da,ß die axiale Induktion des Elektromagnetsystems mit zunehmendem Plattenradius abnimmt.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der das Elektromagnetsystem ein Wanderfeld mit örtlich gleichbleibender Wandergeschwindigkeit erzeugt, dadurch gekennzeichnet, da,ß sich der Betrag der axialen Induktion des Elektromagnetsystems umgekehrt proportional mit dem Plattenradius ändert: q..
  4. Einrichtung nach Anspruch r, dadurch ,gekennzeichnet, daü sich bei gleichbleibendem Betrag der axialen Induktion der Betrag der örtlichen Wandergeschwindigkeit umgekehrt proportional reit dern Plattenradius ändert.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch z bis q:, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus dem Plattenradius, dem Effektivwert der axialen Induktion und. der Polteilung für alle Stellen der Platte gleich groß ist.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2196568A1 (de) * 1972-08-18 1974-03-15 Mitsubishi Electric Corp
US4048458A (en) * 1976-05-21 1977-09-13 Illinois Tool Works Inc. Induction heating core structure and method of heating
WO2004106169A2 (de) * 2003-05-29 2004-12-09 Hubert Eric Walter Behältnis für vorportionierte speisen und/oder flüssigkeiten

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WO2004106169A3 (de) * 2003-05-29 2005-03-31 Hubert Eric Walter Behältnis für vorportionierte speisen und/oder flüssigkeiten

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