EP1122983A2 - Induktions-Gareinrichtung - Google Patents

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EP1122983A2
EP1122983A2 EP01101019A EP01101019A EP1122983A2 EP 1122983 A2 EP1122983 A2 EP 1122983A2 EP 01101019 A EP01101019 A EP 01101019A EP 01101019 A EP01101019 A EP 01101019A EP 1122983 A2 EP1122983 A2 EP 1122983A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
induction coil
carrier
cooking device
cooking
carrier device
Prior art date
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Granted
Application number
EP01101019A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1122983A3 (de
EP1122983B2 (de
EP1122983B1 (de
Inventor
Stefan Edenharter
Laurent Jeanneteau
Christian Eskildsen
Oerjan Lagercrantz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Electrolux Schwanden AG
Electrolux Rothenburg GmbH Factory and Development
Electrolux Home Products Denmark AS
Electrolux France SAS
Original Assignee
Therma AG
AEG Hausgeraete GmbH
Electrolux Home Products Denmark AS
Electrolux France SAS
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Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=26004197&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1122983(A2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Priority claimed from DE10006863A external-priority patent/DE10006863C2/de
Application filed by Therma AG, AEG Hausgeraete GmbH, Electrolux Home Products Denmark AS, Electrolux France SAS filed Critical Therma AG
Publication of EP1122983A2 publication Critical patent/EP1122983A2/de
Publication of EP1122983A3 publication Critical patent/EP1122983A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1122983B1 publication Critical patent/EP1122983B1/de
Publication of EP1122983B2 publication Critical patent/EP1122983B2/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/062—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2206/00—Aspects relating to heating by electric, magnetic, or electromagnetic fields covered by group H05B6/00
    • H05B2206/02—Induction heating
    • H05B2206/022—Special supports for the induction coils

Definitions

  • the invention relates to a cooking device.
  • Cooking devices with a cooktop are known with two or four cooking zones, with at least one below one of the cooking zones is high frequency by a generator controllable induction coil for inductive heating of cookware placed on the cooking zone.
  • the Induction coil is on a metallic support device fixed.
  • the invention has for its object a special Indicate cooking equipment with induction heating.
  • the invention is based on that obtained on the basis of measurements surprising observation that in the operation of the Induction heating device high-frequency interference currents occur can meet the limit values specified in the EN 55011 standard exceed if the carrier device to constant electrical potential is switched, in particular is grounded.
  • the invention proceeds from one of the measurements reasoned that excessive interference currents electrical capacitance between the induction coil and the carrier is responsible. Even with one electrical insulation of the induction coil from the carrier device, which have a direct charge flow at least largely prevented, still represents the induction coil and carrier means formed capacitor, especially in the high-frequency range typical for induction heating, as a kind of parasitic capacitance Weak point for displacement currents to constant potential there.
  • the carrier device accordingly at least exists in particular in the area of the carrier surface made of metal, for example made of aluminum, an aluminum alloy, copper or steel, the metal preferably used in the form of a sheet becomes.
  • the openings can be punched into the carrier surface.
  • the Recesses or indentations can be made in the support surface be imprinted.
  • the cooking device can be designed as an induction hob and then comprises at least one cooktop for setting up cookware, each induction coil arranged below an associated cooking zone of the hob plate is.
  • the frequency components of the electrical field of the generator are generally between a fundamental frequency about 20 kHz and about 100 kHz, preferably about 25 kHz, and range in the upper frequencies (harmonics) into the range of 10 MHz.
  • the control unit comprises in a particularly advantageous manner Embodiment a connectable to a mains voltage and electrically coupled with the constant potential Common mode filter unit for suppressing common mode interference.
  • the common mode filter unit preferably comprises two with one pole each of the mains voltage electrical connectable inductors connected in opposite directions, in particular a current-compensated toroidal choke with two a toroidally arranged coils, preferably each inductance via an associated capacitor electrically coupled to the constant potential is.
  • the induction coil comprises its underside also field guide, from one magnetically conductive material, especially a ferritic or dense material to guide the magnetic field the induction coil. Then there is the induction coil with their field guiding bodies on the carrier device.
  • the parasitic capacitance between the induction coil and the carrier device can now also by reducing the Feldleit stresses and the additional formed thereby Air or other dielectric material filled gaps be reduced.
  • the induction cooking device comprises a hob 1 on which in a Cooking zone a food container 2 is set up in which Food 6 is located.
  • a food container 2 In the bottom of the food container 2 is one Susceptor coil 5 shown.
  • an induction coil 3 Below the cooking zones of the Hob 1 is arranged an induction coil 3, the is designed as a flat coil with a plane aligned parallel to hob 1.
  • the induction coil 3 is, preferably by means of an adhesive connection, arranged on one or more field guiding bodies 4.
  • the field guide body or bodies 4 are on a support surface 70 of a carrier device 7, in particular also glued on, and preferably consist of a material with a high magnetic permeability and with the lowest possible electrical conductivity, for example a ferritic or densitic Material.
  • the adhesive layers are not only intended for fixation, but also electrically isolate the components from each other.
  • other fixation means can also be used to connect the induction coil 3 with the Feldleit stresses 4 or the carrier device 7 or the Feldleit stresses 4 provided with the carrier device 7 be, for example, a detachable connection like one Screw connection or snap connection.
  • the electrical insulation is then generally achieved by separate means.
  • FIG. 1 A special, known embodiment of the induction heating device is shown in FIG.
  • the induction coil 3 is arranged together with six in a star shape Feldleitmaschine 4 enclosed in a housing 15, the particular consists of a heat-resistant plastic.
  • the top side of the view is the bottom, with which the whole unit is placed on the carrier device becomes.
  • the carrier device 7 consists of an electrically conductive Material, especially metal, for example aluminum or an aluminum alloy, copper or one Steel, in particular from a metal sheet.
  • the carrier device 7 is box-shaped in the illustrated embodiment formed with the continuous support surface 70 the side facing the induction coil 3 and laterally of which the side walls protrude downwards.
  • an electrical control unit 8 is carried, which Induction coil 3 electrically controlled.
  • the screw 11 also provides an electrical connection between the Control unit 8 and the carrier device 7 ago, directly with the earth (mass) or more generally one essentially constant potential is connected.
  • the electrical connection the carrier device 7 to earth can also be independent from mechanical fastening with a separate electrical conductive connection, for example an electrical Cable and / or a clip wiring, realized become.
  • the control unit 8 supplies the induction cooking device during operation the induction coil 3 with a time variable electrical field (electrical voltage), the high-frequency components in the range from a basic frequency (Fundamental frequency) of 25 kHz.
  • a time variable electrical field electric voltage
  • the high-frequency components in the range from a basic frequency (Fundamental frequency) of 25 kHz.
  • By induction generates the induction coil 3 now a time-varying magnetic field, the flux density of which is shown in FIG B is designated and its field lines are shown in dashed lines are with the electrical field of the control unit 8 corresponding frequency spectrum.
  • the field guiding bodies 4 concentrate and concentrate the magnetic field B so that it is largely shielded from below.
  • the hob plate 1 which consists of a dielectric heat-resistant material, for example a glass ceramic, glass or a ceramic, and induces a in the susceptor coil 5 of the food container 2 electric current caused by Joule 's losses Food container 2 is heated.
  • the heating effect is general reinforced by the fact that a ferromagnetic Material is provided, creating additional thermal Energy through magnetic reversal processes in the material of the Food container 2 is free. It can also be the floor of the food container 2 simply made of ferromagnetic material consist.
  • a susceptor coil 5 is not absolutely necessary.
  • the carrier device 7 has the mechanical carrier function the functions for the induction coil 3 the heat dissipation from the induction coil 3 and homogenization the temperature distribution and the adjustment the resonance frequency.
  • the carrier device also shields 7 the electronic components of the control unit 8 from the magnetic field of the induction coil 3.
  • a measurement according to EN 55011 now showed that in this known induction cooking device according to FIG. 4, undesired interference currents (and interference fields caused thereby) occur in a specific high-frequency range, in particular in a range between 150 kHz and 500 kHz. It was also found that these interference currents are essentially due to a parasitic capacitance C D between the induction coil 3 and the carrier device 7. According to the invention it is therefore proposed to reduce this parasitic capacitance C D or even to eliminate it as far as possible.
  • the indentations 40 can be created in particular by embossing in the metal sheet and can be in a variety of embodiments and Design options are trained.
  • the depth of the Indentations 40 that increase the distance between Corresponds to induction coil 3 and carrier device 7, can in particular in the range between 0.2 mm and 5 mm, preferably in the range between 0.5 mm and 2 mm.
  • This Embodiment according to FIG 1 has the advantage that the electromagnetic shielding effect of the carrier device 7 largely preserved over the carrier surface 70 remains.
  • a number of openings 41 are now provided in the carrier surface 70 of the carrier device 7 below the field guiding bodies 4, which can be punched, for example. Through these openings 41, the capacitor surface opposite the induction coil 3 and formed by the carrier surface 70 is reduced and the parasitic capacitance C D is also reduced.
  • the openings 41 can also be designed differently. In the case of a circular induction coil 3, there is a radial arrangement of the openings 41 along radial rays offset with respect to one another, as shown, in particular the clear width of the openings 41 can increase towards the outside.
  • the field guiding bodies 4 are now only in the intermediate areas between the openings 41 on the support surface 70.
  • the shape and arrangement of the openings 41 in the carrier device 7 is preferably dependent on the desired shielding effect, which in turn depends on the frequency spectrum of the induction coil 3 and control unit 8 used, and the other properties, in particular the thermal properties, of the carrier device 7 chosen.
  • FIG. 3 A third possibility for reducing the parasitic capacitance C D between the induction coil 3 and the carrier device 7 is illustrated in FIG. 3.
  • an additional dielectric layer 10 is arranged as a spacer between the carrier surface 70 of the carrier device 7 and the field guiding bodies 4.
  • This dielectric layer 10 is selected as a function of the desired parasitic capacitance C D , in particular with regard to its layer thickness and its relative dielectric constant.
  • the layer thickness of the dielectric layer 10 can be chosen in particular in the range between 0.2 mm and 5 mm, preferably in the range between 0.5 mm and 2 mm.
  • the relative dielectric constant is preferably chosen to be as close as possible to 1.
  • the dielectric layer 10 can in particular be a film or even a sheet of high-temperature paper-like material which is bonded to the field guiding body 4 and the carrier surface 70.
  • the dielectric layer 10 can of course also be applied directly to the carrier device 7, for example by vapor deposition, sputtering or the like.
  • FIG. 5 shows an electrical circuit diagram for the control unit 8 of the induction cooking device according to FIGS. 1 to 4.
  • the mains voltage U N which corresponds to 230 V with a frequency of 50 Hz in the normal electricity network.
  • Two capacitors C1 and C2 and a rectifier bridge G are connected between the two phases of the mains voltage U N.
  • Two inductors L1 and L3 and a main switch S3 are connected in series in one of the two phases and another inductor L2 in the other phase.
  • a capacitor C3 or C4 goes from each phase into a branch which is connected to earth 9.
  • the two inductors L1 and L2 and the two capacitors C3 and C4 form a filter for suppressing common mode interference in the phases of the supply voltage U N (common mode noise filter).
  • the two inductors L1 and L2 can be formed in particular with a current-compensated toroidal choke with two opposing coils on a common toroid, but can of course also be realized with two separate components. Since the inductors L1 and L2 must also be able to pass the full mains voltage U N in push-pull mode (normal phase operation), the requirements for the coils with the toroidal core representing the inductors L1 and L2 are quite high. In order to avoid saturation of the core due to the push-pull disturbance, very high-quality magnetic materials are required.
  • the parasitic capacitance C D from the inductance L of the induction coil 3 to the carrier device 7 and thus to the earth 9 is connected via the capacitors C3 and C4 to the filter for suppressing common mode interference and brings the cores of the coils for the common mode interference caused by it the inductors L1 and L2 saturate even faster.
  • the reduction of the parasitic capacitance C D achieved according to the invention now has the great advantage that the component or components for the inductors L1 and L2 have to or have to meet lower requirements, thereby achieving considerable cost savings.
  • the part of the circuit shown on the right-hand side of the circuit diagram in accordance with FIG. 5 is one of several possible standard circuits for converting the mains voltage U N into the high-frequency voltage U HF required for operating the induction coil 3 with the inductance L.
  • This control circuit also known as a half bridge, contains two separately controllable electronic switches S1 and S2, for example semiconductor switching elements such as thyristors, bipolar power transistors, IGBTs, Darlington circuits or MCTs, as well as three capacitors C5, C6 and C7 and the rectifier bridge G. already mentioned.
  • the high-frequency voltage U HF is preferably in a frequency range above the basic frequency 25 kHz.
  • Other options (not shown, but used as standard) for generating the high-frequency voltage U HF are a single switch circuit and a full bridge circuit with four switches. The advantages of the measures according to the invention also come into play in these control circuits.
  • the induction cooking device can also be designed in another known embodiment with regard to the mechanical structure and the materials used and also with regard to the electrical conditions, for example according to one of the methods described in WO 97/20451 , WO 98/41061 , WO 98 / 41062 , WO 98/41063 or WO 98/41064 disclosed embodiments, in which case according to the invention appropriate means for reducing the capacity between the carrier and the coil are to be provided.

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Abstract

Die Gareinrichtung umfasst
  • a) wenigstens eine Induktionsheizeinrichtung zum Erzeugen eines zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes mit wenigstens einer Induktionsspule (3) und wenigstens einer Steuereinheit (8) zum Anlegen eines zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes an die Induktionsspule,
  • b) eine auf ein im Wesentlichen konstantes elektrisches Potential gelegte Trägereinrichtung (7) aus elektrisch leitfähigem Material mit einer Trägerfläche (70), auf der die Induktionsspule elektrisch isoliert angeordnet ist,
  • c) Mittel (10,40,41) zum Reduzieren der elektrischen Kapazität (CD) zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung.
    • Vorteile: geringere Gleichtaktstörungen, dadurch preiswertere Komponenten mit geringerer Performance einsetzbar

    Description

    Die Erfindung betrifft eine Gareinrichtung.
    Es sind Gareinrichtungen bekannt mit einer Kochfeldplatte mit zwei oder vier Kochzonen, bei der unterhalb wenigstens einer der Kochzonen eine durch einen Generator hochfrequent ansteuerbaren Induktionsspule zum induktiven Beheizen von auf der Kochzone aufgestelltem Kochgeschirr bekannt. Die Induktionsspule ist auf einer metallischen Trägereinrichtung fixiert.
    Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besondere Gareinrichtung mit Induktionsbeheizung anzugeben.
    Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
    Die Gareinrichtung umfasst zunächst
  • a) wenigstens eine Induktionsheizeinrichtung zum Erzeugen eines zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes mit wenigstens einer Induktionsspule (mit wenigstens einer Windung) und wenigstens einer Steuereinheit zum Anlegen eines zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes an die Induktionsspule sowie
  • b) eine auf ein im Wesentlichen konstantes elektrisches Potential gelegte Trägereinrichtung (Gehäuse, Chassis) aus elektrisch leitfähigem Material mit einer Trägerfläche, auf der die Induktionsspule, im Allgemeinen elektrisch isoliert, angeordnet ist.
    • Die Erfindung geht aus von der aufgrund von Messungen gewonnenen überraschenden Beobachtung, dass im Betrieb der Induktionsheizeinrichtung hochfrequente Störströme auftreten können, die nach der Norm EN 55011 vorgegebene Grenzwerte überschreiten, wenn die Trägereinrichtung auf konstantes elektrisches Potential geschaltet ist, insbesondere geerdet ist.
    Die Erfindung geht weiter aus von einer aus den Messungen gefolgerten Überlegung, dass für die Störströme eine zu hohe elektrische Kapazität zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung verantwortlich ist. Auch bei einer elektrischen Isolierung der Induktionsspule von der Trägereinrichtung, die einen direkten Ladungsfluss zumindest weitgehend verhindert, stellt immer noch der aus Induktionsspule und Trägereinrichtung gebildete Kondensator, besonders in dem für Induktionsbeheizung typischen Hochfrequenzbereich, als parasitäre Kapazität gewissermaßen eine Schwachstelle für Verschiebeströme zum konstanten Potential hin dar.
    Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, Mittel zum Reduzieren der elektrischen Kapazität zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung vorzusehen.
    Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Gareinrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
    Die Trägereinrichtung besteht demnach insbesondere zumindest im Bereich der Trägerfläche aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder Stahl, wobei das Metall vorzugsweise in Form eines Bleches verwendet wird.
    Die Mittel zum Reduzieren der elektrischen Kapazität zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung umfassen demnach in vorteilhaften, auch miteinander kombinierbaren Ausführungsformen:
    • wenigstens eine Zwischenlage (Abstandslage, Abstandshalter) aus dielektrischem Material, vorzugsweise mit einer niedrigen relativen Dielektrizitätskonstanten (möglichst nahe 1), zum Vergrößern des Abstandes zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung,
    • wenigstens einen Zwischenraum aus dielektrischem Gas wie Luft,
    • eine oder mehrere Öffnungen (Löcher) in der Trägerfläche der Trägereinrichtung zum Verringern von deren kapazitiv wirksamer Fläche,
    • eine oder mehrere Ausnehmungen oder Einbuchtungen in der Trägerfläche der Trägereinrichtung zum Vergrößern von deren Abstand zur Induktionsspule in diesen Bereichen, wobei die dadurch gewonnenen Zwischenräume mit dielektrischem festen oder gasförmigen Material gefüllt werden.
    Die Öffnungen können in die Trägerfläche gestanzt sein. Die Ausnehmungen oder Einbuchtungen können in die Trägerfläche eingeprägt sein.
    Die Gareinrichtung kann als Induktionskochstelle ausgebildet sein und umfasst dann wenigstens eine Kochfeldplatte zum Aufstellen von Kochgeschirr, wobei jede Induktionsspule unterhalb einer zugehörigen Kochzone der Kochfeldplatte angeordnet ist. Alternativ kann natürlich auch ein Garofen mit einem verschließbaren Garraum mit der Induktionsbeheizung gemäß der Erfindung ausgestattet werden.
    Die Frequenzanteile der elektrischen Feldes des Generators liegen im Allgemeinen oberhalb einer Grundfrequenz zwischen etwa 20 kHz und etwa 100 kHz, vorzugsweise etwa 25 kHz, und reichen in den Oberfrequenzen (Harmonischen) bis in den Bereich von 10 MHz.
    Die Steuereinheit umfasst in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform eine an eine Netzspannung anschließbare und mit dem konstanten Potential elektrisch gekoppelte Gleichtakt-Filtereinheit zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen. Die Gleichtakt-Filtereinheit umfasst vorzugsweise zwei mit jeweils einem Pol der Netzspannung elektrisch verbindbare gegensinnig verschaltete Induktivitäten, insbesondere eine stromkompensierte Ringkerndrossel mit zwei auf einem Ringkern gegensinnig angeordneten Spulen, wobei vorzugsweise jede Induktivität über einen zugehörigen Kondensator mit dem konstanten Potential elektrisch gekoppelt ist.
    Die Induktionsspule umfasst in einer vorteilhaften Weiterbildung-an ihrer Unterseite auch Feldleitkörper, aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferritischen oder densitischen Material, zum Führen des Magnetfeldes der Induktionsspule. Es liegen dann die Induktionsspule mit ihren Feldleitkörpern auf der Trägereinrichtung auf. Die parasitäre Kapazität zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung kann nun auch durch Reduzierung der Feldleitkörper und die dadurch gebildeten zusätzlichen mit Luft oder anderem dielektrischen Material gefüllten Zwischenräume verringert werden.
    Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der jeweils in einer schematischen Darstellung zeigen:
    FIG 1
    eine Induktionsgareinrichtung mit einer Trägereinrichtung mit Prägungen,
    FIG 2
    eine Induktionsgareinrichtung mit einer Trägereinrichtung mit Öffnungen,
    FIG 3
    eine Induktionsgareinrichtung mit einer Trägereinrichtung und einer zusätzlichen dielektrischen Schicht zwischen Trägereinrichtung und Feldleitmitteln,
    FIG 4
    eine Induktionsgareinrichtung, die dem Prinzip nach dem Stand der Technik entspricht,
    FIG 5
    eine elektrische Schaltung der Steuereinheit für eine Induktionsgareinrichtung,
    FIG 6
    eine Induktionsspulenanordnung gemäß dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht.
    Einander entsprechende Teile sind in den FIG 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
    In FIG 4 ist eine Induktionsgareinrichtung dargestellt, die deren Aufbau im Prinzip bekannt ist. Die Induktionsgareinrichtung umfasst eine Kochfeldplatte 1, auf der in einer Kochzone ein Gargutbehälter 2 aufgestellt ist, in dem sich Gargut 6 befindet. Im Boden des Gargutbehälters 2 ist eine Suszeptorspule 5 dargestellt. Unterhalb der Kochzonen der Kochfeldplatte 1 ist eine Induktionsspule 3 angeordnet, die als Flachspule ausgebildet ist mit einer im wesentlichen parallel zur Kochfeldplatte 1 ausgerichteten Ebene.
    Die Induktionsspule 3 ist, vorzugsweise mittels einer Klebeverbindung, auf einem oder mehreren Feldleitkörpern 4 angeordnet. Der oder die Feldleitkörper 4 sind auf einer Trägerfläche 70 einer Trägereinrichtung 7 angeordnet, insbesondere ebenfalls aufgeklebt, und bestehen vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität und mit einer möglichst geringen elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise einem ferritischen oder densitischen Material.
    Die Klebeschichten sind nicht nur zur Fixierung vorgesehen, sondern isolieren auch die Komponenten elektrisch voneinander. Anstelle einer Klebeverbindung können auch andere Fixierungsmittel zum Verbinden der Induktionsspule 3 mit den Feldleitkörpern 4 oder der Trägereinrichtung 7 oder der Feldleitkörper 4 mit der Trägereinrichtung 7 vorgesehen sein, beispielsweise eine lösbare Verbindung wie eine Schraubverbindung oder Rastverbindung. Die elektrische Isolierung wird dann im Allgemeinen mit getrennten Mitteln erreicht.
    Eine besondere, an sich bekannte Ausführungsform der Induktionsheizeinrichtung ist in FIG 6 dargestellt. Die Induktionsspule 3 ist zusammen mit sechs sternförmig angeordneten Feldleitkörpern 4 in einem Gehäuse 15 eingefasst, das insbesondere aus einem hitzebeständigen Kunststoff besteht. Die in der Ansicht oben liegende Seite ist die Unterseite, mit der die ganze Einheit auf die Trägereinrichtung aufgelegt wird.
    Die Trägereinrichtung 7 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Metall, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einem Stahl, insbesondere aus einem Metallblech. Die Trägereinrichtung 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel kastenförmig ausgebildet mit der durchgehenden Trägerfläche 70 an der der Induktionsspule 3 zugewandten Seite und seitlich davon nach unten ragenden Seitenwänden. Auf einer Bodenwand 71 ist eine elektrische Steuereinheit 8 getragen, die die Induktionsspule 3 elektrisch ansteuert. Insbesondere ist die Steuereinheit 8 mittels einer oder mehrerer Schrauben 11 an der Trägereinrichtung 7 befestigt. Die Schraube 11 stellt zugleich eine elektrische Verbindung zwischen der Steuereinheit 8 und der Trägereinrichtung 7 her, die direkt mit der Erde (Masse) oder allgemeiner einem im wesentlichen konstanten Potential verbunden ist. Die elektrische Verbindung der Trägereinrichtung 7 zur Erde kann auch unabhängig von der mechanischen Befestigung mit einer separaten elektrisch leitenden Verbindung, beispielsweise einem elektrischen Kabel und/oder einer Clips-Verdrahtung, verwirklicht werden.
    Die Steuereinheit 8 versorgt im Betrieb der Induktionsgareinrichtung die Induktionsspule 3 mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Feld (elektrischer Spannung), die hochfrequente Anteile im Bereich ab einer Grundfrequenz (Fundamentalfrequenz) von 25 kHz enthält. Durch Induktion erzeugt die Induktionsspule 3 nun ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld, dessen Flussdichte in der FIG 4 mit B bezeichnet ist und dessen Feldlinien gestrichelt dargestellt sind, mit einem dem elektrischen Feld der Steuereinheit 8 entsprechenden Frequenzspektrum. Die Feldleitkörper 4 konzentrieren und bündeln das Magnetfeld B, so dass es nach unten weitgehend abgeschirmt ist. Nach oben durchdringt das Magnetfeld B die Kochfeldplatte 1, die aus einem dielektrischen hitzebeständigen Material, beispielsweise einer Glaskeramik, Glas oder einer Keramik, besteht, und induziert in der Suszeptorspule 5 des Gargutbehälters 2 einen elektrischen Strom, der durch Joulesche Verluste den Gargutbehälter 2 erhitzt. Die Aufheizwirkung wird im Allgemeinen noch dadurch verstärkt, dass ein ferromagnetisches Material vorgesehen wird, wodurch zusätzliche thermische Energie durch Ummagnetisierungsprozesse im Material des Gargutbehälters 2 frei wird. Es kann dann auch der Boden des Gargutbehälters 2 einfach aus ferromagnetischem Material bestehen. Eine Suszeptorspule 5 ist nicht unbedingt erforderlich.
    Die Trägereinrichtung 7 hat neben der mechanischen Trägerfunktion für die Induktionsspule 3 zusätzlich die Funktionen der Wärmeabführung von der Induktionsspule 3 und Homogenisierung der Temperaturverteilung sowie der Anpassung der Resonanzfrequenz. Ferner schirmt die Trägereinrichtung 7 die elektronischen Komponenten der Steuereinheit 8 von dem Magnetfeld der Induktionsspule 3.
    Eine Messung nach EN 55011 ergab nun, dass bei dieser bekannten Induktionsgareinrichtung gemäß FIG 4 unerwünschte Störströme (und dadurch verursachte Störfelder) in einem bestimmten Hochfrequenzbereich auftreten, insbesondere in einem Bereich zwischen 150 kHz und 500 kHz. Es wurde ferner festgestellt, dass diese Störströme im Wesentlichen auf eine parasitäre Kapazität CD zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 zurückzuführen sind. Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, diese parasitäre Kapazität CD zu reduzieren oder sogar möglichst ganz zu eliminieren.
    Nun ist eine elektrische Kapazität eines Plattenkondensators, der hier in guter Näherung anwendbar ist, definiert durch die folgende Formel C = (ε0 εr A)/d, wobei ε0 die Elektrizitätskonstante im Vakuum ist, εr die relative Elektrizitätskonstante des zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 befindlichen dielektrischen Materials, A die wirksame Fläche des Plattenkondensators sowie d der Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten, also der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7, sind. Ausgehend von dieser Formel gibt es nun eine Reihe von Möglichkeiten, die parasitäre Kapazität CD zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 zu verringern:
    • Vergrößern des Abstandes zwischen Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 durch Einbringen zusätzlichen dielektrischen Materials, insbesondere einer dickeren Schicht oder einer zusätzlichen Schicht, oder eines zusätzlichen Luftzwischenraumes,
    • Verringern der einander gegenüberliegenden Flächen des aus Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 gebildeten Kondensators, insbesondere Verringerung der Trägerfläche 70,
    • Verwendung eines dielektrischen Zwischenmaterials zwischen Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 mit einer kleineren relativen Dielektrizitätskonstante.
    FIG 1 zeigt nun eine Möglichkeit, bei der die Trägerfläche 70 der Trägereinrichtung 7 durch Einbringen von Einbuchtungen 40 in diesen Bereichen weiter'von der Induktionsspule 3 beabstandet ist. Die Feldleitkörper 4 liegen dann nur noch in den außerhalb der Einbuchtung 40 liegenden Bereichen der Trägerfläche 70 der Trägereinrichtung 7 auf, während zwischen den Feldleitkörpern 4 und der nach unten ausgebuchteten Trägerfläche 70 der Trägereinrichtung 7 nunmehr luftgefüllte Zwischenräume gebildet sind. Die Einbuchtungen 40 können insbesondere durch Prägen in das Metallblech erzeugt sein und können in einer Vielzahl von Ausführungsformen und Gestaltungsmöglichkeiten ausgebildet werden. Die Tiefe der Einbuchtungen 40, die der Vergrößerung des Abstandes zwischen Induktionsspule 3 und Trägereinrichtung 7 entspricht, kann insbesondere im Bereich zwischen 0,2 mm und 5 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm, liegen. Diese Ausführungsform gemäß FIG 1 hat den Vorteil, dass die elektromagnetische Abschirmwirkung der Trägereinrichtung 7 über die Trägerfläche 70 weitgehend im wesentlichen erhalten bleibt.
    FIG 2 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der parasitären Kapazität CD zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7. Es sind nun in der Trägerfläche 70 der Trägereinrichtung 7 unterhalb der Feldleitkörper 4 mehrere Öffnungen 41 vorgesehen, die beispielsweise gestanzt sein können. Durch diese Öffnungen 41 wird die der Induktionsspule 3 gegenüberliegende, durch die Trägerfläche 70 gebildete Kondensatorfläche verringert und damit die parasitäre Kapazität CD ebenfalls reduziert. Auch die Öffnungen 41 können verschieden gestaltet werden. Bei einer kreisrunden Induktionsspule 3 bietet sich eine radiale Anordnung der Öffnungen 41 an entlang zueinander versetzter radialer Strahlen, wobei, wie dargestellt, insbesondere die lichte Weite der Öffnungen 41 nach außen hin zunehmen kann. Die Feldleitkörper 4 liegen nun wiederum nur in den Zwischenbereichen zwischen den Öffnungen 41 auf der Trägerfläche 70 auf. Die Gestalt und Anordnung der Öffnungen 41 in der Trägereinrichtung 7 wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der gewünschten Abschirmwirkung, die wiederum abhängig von dem verwendeten Frequenzspektrum der Induktionsspule 3 und Steuereinheit 8 gebildeten Induktionsheizeinrichtung ist, und der sonstigen Eigenschaften, insbesondere der thermischen Eigenschaften, der Trägereinrichtung 7 gewählt.
    Eine dritte Möglichkeit zur Reduzierung der parasitären Kapazität CD zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 ist in FIG 3 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform ist zwischen der Trägerfläche 70 der Trägereinrichtung 7 und den Feldleitkörpern 4 eine zusätzliche dielektrische Schicht 10 als Abstandhalter angeordnet. Diese dielektrische Schicht 10 wird in Abhängigkeit von der gewünschten parasitären Kapazität CD gewählt, insbesondere hinsichtlich ihrer Schichtdicke und ihrer relativen Dielektrizitätskonstanten. Die Schichtdicke der dielektrischen Schicht 10 kann insbesondere im Bereich zwischen 0,2 mm und 5 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm, gewählt werden. Die relative Dielektrizitätskonstante wird vorzugsweise möglichst nahe bei 1 gewählt. Die dielektrische Schicht 10 kann insbesondere eine Folie oder sogar ein Blatt aus hochtemperaturpapierähnlichem Material sein, das mit dem Feldleitkörper 4 und der Trägerfläche 70 verklebt wird. Alternativ kann die dielektrische Schicht 10 natürlich auch direkt auf die Trägereinrichtung 7 aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfen, Aufsputtern oder dergleichen.
    Selbstverständlich können die in den FIG 1 bis 3 dargestellten verschiedenen Möglichkeiten zur Reduzierung der parasitären Kapazität CD zwischen der Induktionsspule 3 und der Trägereinrichtung 7 auch in verschiedenen Varianten miteinander kombiniert werden.
    FIG 5 zeigt ein elektrisches Schaltbild für die Steuereinheit 8 der Induktionsgareinrichtung gemäß den FIG 1 bis 4. Auf der linken Seite des Schaltbildes liegt die Netzspannung UN an, die im normalen Stromnetz 230 V mit einer Frequenz von 50 Hz entspricht. Zwischen die beiden Phasen der Netzspannung UN sind zwei Kondensatoren Cl und C2 sowie eine Gleichrichterbrücke G geschaltet. Seriell in einer der beiden Phasen sind zwei Induktivitäten L1 und L3 sowie ein Hauptschalter S3 geschaltet und in die andere Phase eine weitere Induktivität L2. Ferner geht von jeder Phase ein Kondensator C3 bzw. C4 in einen Abzweig ab, der zur Erde 9 geschaltet ist.
    Mit den beiden Kondensatoren C1 und C2 sowie der Induktivität L3 ist ein differentieller Filter gebildet, der Gegentaktstörungen in den beiden Phasen der Netzspannung UN unterdrückt.
    Die beiden Induktivitäten L1 und L2 sowie die beiden Kapazitäten C3 und C4 bilden einen Filter zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen in den Phasen der Versorgungsspannung UN (common mode noise filter). Die beiden Induktivitäten L1 und L2 können insbesondere mit einer stromkompensierten Ringkerndrossel mit zwei gegensinnigen Spulen auf einem gemeinsamen Ringkern gebildet sein, aber natürlich auch mit zwei getrennten Komponenten verwirklicht werden. Da die Induktivitäten L1 und L2 zugleich die volle Netzspannung UN im Gegentaktbetrieb (gegenphasiger Normalbetrieb) durchlassen können müssen, sind die Anforderungen an die die Induktivitäten L1 und L2 darstellenden Spulen mit dem Ringkern recht hoch. Um eine Sättigung des Kerns durch die Gegentaktstörung zu vermeiden, sind nämlich recht hochwertige magnetische Materialien erforderlich.
    Die parasitäre Kapazität CD von der Induktivität L der Induktionsspule 3 zur Trägereinrichtung 7 und damit zur Erde 9 ist über die Kondensatoren C3 und C4 mit dem Filter zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen verbunden und bringt durch die von ihr verursachte Gleichtaktstörung den oder die Kerne der Spulen für die Induktivitäten L1 und L2 noch schneller in Sättigung. Die gemäß der Erfindung erzielte Reduzierung der parasitären Kapazität CD hat nun den großen Vorteil, dass die Komponente bzw. Komponenten für die Induktivitäten L1 und L2 geringeren Anforderungen entsprechen muss bzw. müssen und dadurch eine beträchtliche Kostenersparnis erreicht wird.
    Der an der rechten Seite des Schaltbildes gemäß FIG 5 dargestellte Teil der Schaltung ist eine von mehreren möglichen Standardschaltungen zur Umsetzung der Netzspannung UN in die zum Betrieb der Induktionsspule 3 mit der Induktivität L erforderliche Hochfrequenzspannung UHF. Diese auch als Halbbrücke (half bridge) bezeichnete Steuerschaltung enthält zwei getrennt ansteuerbare elektronische Schalter S1 und S2, beispielsweise Halbleiterschaltelemente wie Thyristoren, bipolare Leistungstransistoren, IGBTs, Darlingtonsschaltungen oder auch MCTs, sowie drei Kondensatoren C5, C6 und C7 und die bereits genannte Gleichrichterbrücke G. Die Hochfrequenzspannung UHF liegt vorzugsweise in einem Frequenzbereich oberhalb der Grundfrequenz 25 kHz. Andere - nicht dargestellte, aber standardmäßig eingesetzte - Möglichkeiten für die Erzeugung der Hochfrequenzspannung UHF sind eine Einschalterschaltung (single switch) und eine Vollbrückenschaltung (full bridge) mit vier Schaltern. Die Vorteile der Maßnahmen gemäß der Erfindung kommen auch bei diesen Steuerschaltungen zum Tragen.
    Anstelle der gezeigten Ausführungsbeispiele kann die Induktionsgareinrichtung, bezüglich des mechanischen Aufbaus und der verwendeten Materialien als auch bezüglich der elektrischen Verhältnisse, auch in einer anderen bekannten Ausführungsform ausgebildet sein, beispielsweise gemäß einer der in WO 97/20451, WO 98/41061, WO 98/41062, WO 98/41063 oder WO 98/41064 offenbarten Ausführungsformen, wobei dann gemäß der Erfindung wieder entsprechende Mittel zur Reduzierung der Kapazität zwischen Träger und Spule vorzusehen sind.

    Claims (12)

    1. Gareinrichtung mit
      a) wenigstens einer Induktionsheizeinrichtung zum Erzeugen eines zeitlich veränderlichen magnetischen Feldes mit wenigstens einer Induktionsspule (3) und wenigstens einer Steuereinheit (8) zum Anlegen eines zeitlich veränderlichen elektrischen Feldes an die Induktionsspule,
      b) einer auf ein im Wesentlichen konstantes elektrisches Potential gelegten Trägereinrichtung aus elektrisch leitfähigem Material mit einer Trägerfläche (70) für die Induktionsspule,
      c) Mitteln (10,40,41) zum Reduzieren der elektrischen Kapazität (CD) zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung.
    2. Gareinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zum Reduzieren der elektrischen Kapazität wenigstens eine zwischen der Induktionsspule und der Trägereinrichtung angeordnete Zwischenlage (10) aus dielektrischem Material, vorzugsweise mit einer niedrigen relativen Dielektrizitätskonstanten, umfassen.
    3. Gareinrichtung nach Anspruch, 1 oder Anspruch 2, bei der die Mittel zum Reduzieren der elektrischen Kapazität eine oder mehrere Öffnungen (41) in der Trägerfläche der Trägereinrichtung umfassen.
    4. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Mittel zum Reduzieren der elektrischen Kapazität eine oder mehrere Ausnehmungen oder Einbuchtungen (40) in der Trägerfläche der Trägereinrichtung umfassen.
    5. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Trägereinrichtung zumindest im Bereich der Trägerfläche aus Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium, Kupfer oder Stahl, besteht, insbesondere aus einem Metallblech.
    6. Gareinrichtung nach Anspruch 3 und Anspruch 5, bei der die Öffnungen in die Trägerfläche gestanzt sind.
    7. Gareinrichtung nach Anspruch 4 und 5, bei der die Ausnehmungen oder Einbuchtungen in die Trägerfläche eingeprägt sind.
    8. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einer Kochfeldplatte (1) zum Aufstellen von Kochgeschirr, wobei jede Induktionsspule unterhalb einer zugehörigen Kochzone der Kochfeldplatte angeordnet ist.
    9. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Frequenzanteile der elektrischen Feldes der Steuereinheit zwischen etwa 20 kHz und etwa 100 kHz, vorzugsweise über etwa 25 kHz, liegen.
    10. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der an einer Unterseite der Induktionsspule wenigstens ein Feldleitkörper (4) aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferritischen oder densitischen Material, angeordnet ist, wobei die Induktionsspule vorzugsweise mit ihren Feldleitkörpern auf der Trägereinrichtung aufliegt.
    11. Gareinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit eine an eine Netzspannung anschließbare und mit dem konstanten Potential elektrisch gekoppelte Gleichtakt-Filtereinheit zum Unterdrücken von Gleichtaktstörungen umfasst.
    12. Gareinrichtung nach Anspruch 11, bei der die Gleichtakt-Filtereinheit zwei mit jeweils einem Pol der Netzspannung elektrisch verbindbare gegensinnig verschaltete Induktivitäten umfasst, insbesondere eine stromkompensierte Ringkerndrossel mit zwei auf einem Ringkern gegensinnig angeordneten Spulen, wobei vorzugsweise jede Induktivität über einen zugehörigen Kondensator mit dem konstanten Potential elektrisch gekoppelt ist.
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