EP1122983B1 - Induktions-Gareinrichtung - Google Patents

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EP1122983B1
EP1122983B1 EP20010101019 EP01101019A EP1122983B1 EP 1122983 B1 EP1122983 B1 EP 1122983B1 EP 20010101019 EP20010101019 EP 20010101019 EP 01101019 A EP01101019 A EP 01101019A EP 1122983 B1 EP1122983 B1 EP 1122983B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
induction coil
cooking device
cooking
support surface
support
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP20010101019
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1122983A2 (de
EP1122983A3 (de
EP1122983B2 (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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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(B1) "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
Publication of EP1122983B1 publication Critical patent/EP1122983B1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1122983B2 publication Critical patent/EP1122983B2/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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 plate with two or four cooking zones, in which below at least one of the cooking zones by a generator high-frequency controllable induction coil for inductive heating of placed on the cooking zone cookware known.
  • the induction coil is fixed on a metallic carrier device.
  • the invention has for its object to provide a special cooking device with induction heating.
  • the invention is based on the surprising observation, based on measurements, that during operation of the Induction heating can occur high-frequency interference currents that exceed specified limits according to the standard EN 55011 when the carrier device is connected to a constant electrical potential, in particular grounded.
  • the invention further proceeds from a conclusion deduced from the measurements that an excessively high electrical capacitance between the induction coil and the carrier device is responsible for the interference currents. Even with an electrical insulation of the induction coil of the support device, which at least largely prevents a direct charge flow, still made of induction coil and carrier capacitor, especially in the typical for induction heating high frequency range, as a parasitic capacitance to a certain extent a weak point for displacement currents to the constant potential represents.
  • the carrier device consists in particular of metal, for example of aluminum, an aluminum alloy, copper or steel, at least in the region of the carrier surface, wherein the metal is preferably used in the form of a metal sheet.
  • the openings may be punched in the carrier surface.
  • the recesses or recesses may be embossed in the support surface.
  • the cooking device may be formed as an induction cooking and then includes at least one hob plate for setting up cookware, each induction coil is disposed below an associated cooking zone of the hob plate.
  • a cooking oven be equipped with a closable cooking chamber with the induction heating according to the invention.
  • the frequency components of the electric field of the generator are generally above a fundamental frequency between about 20 kHz and about 100 kHz, preferably about 25 kHz, and range in the harmonic frequencies up to the range of 10 MHz.
  • control unit comprises a common-mode filter unit that can be connected to a mains voltage and is electrically coupled to the constant potential to suppress common-mode interference.
  • the common-mode filter unit preferably comprises two oppositely connected inductors, in each case one pole of the mains voltage, in particular a current-compensated toroidal choke with two coils arranged in opposite directions on a toroidal core, wherein preferably each inductance is electrically coupled to the constant potential via an associated capacitor.
  • the induction coil comprises in an advantageous development on its underside also field guide body, of a magnetically conductive material, in particular a ferritic or densitic material, for guiding the magnetic field of the induction coil. There are then the induction coil with their Feldleit stressesn on the support device. The parasitic capacitance between the induction coil and the support means can now also be reduced by reducing the field guide bodies and the additional spaces filled with air or other dielectric material formed thereby.
  • FIG. 4 An Indutationsgar worn is shown, the structure of which is known in principle.
  • the Indu Vietnamese yogurtsgar shark comprises a hob plate 1, on which in a cooking zone a cooking product 2 is placed, in which food is 6.
  • a susceptor coil 5 is shown in the bottom of the Gargut experimentsers 2 .
  • an induction coil 3 is arranged, which is designed as a flat coil with a substantially parallel to the hob plate 1 aligned plane.
  • the induction coil 3 is arranged on one or more field-guiding bodies 4, preferably by means of an adhesive connection.
  • the one or more field guide 4 are arranged on a support surface 70 of a support means 7, in particular also glued, and are preferably made of a material having a high magnetic permeability and with the lowest possible electrical conductivity, such as a ferritic or densitic material.
  • the adhesive layers are not only intended for fixing, but also isolate the components electrically from each other.
  • other fixing means for connecting the induction coil 3 to the field conducting bodies 4 or the carrier device 7 or the field guide 4 may be provided with the support means 7, for example a releasable connection such as a screw or latching connection. Electrical isolation is then generally achieved by separate means.
  • FIG. 6 A special, known per se embodiment of the induction heater is in FIG. 6 shown.
  • the induction coil 3 is enclosed together with six star-shaped field guide bodies 4 in a housing 15, which consists in particular of a heat-resistant plastic.
  • the side up in the view is the bottom, with which the whole unit is placed on the carrier device.
  • the carrier device 7 consists of an electrically conductive material, in particular metal, for example aluminum or an aluminum alloy, copper or a steel, in particular of a metal sheet.
  • the support means 7 is in the illustrated embodiment, box-shaped with the continuous support surface 70 at the induction coil 3 side facing and laterally thereof downwardly projecting side walls.
  • an electric control unit 8 is worn, which drives the induction coil 3 electrically.
  • the control unit 8 is fastened to the carrier device 7 by means of one or more screws 11.
  • the screw 11 at the same time establishes an electrical connection between the control unit 8 and the carrier device 7, which is connected directly to the earth (ground) or, more generally, to a substantially constant potential.
  • the electrical connection of the carrier device 7 to the ground can also be realized independently of the mechanical fastening with a separate electrically conductive connection, for example an electrical cable and / or a clip wiring.
  • the control unit 8 supplies during operation of the Indu Vietnamesesgar dressed the induction coil 3 with a time-varying electric field (electrical voltage) containing high-frequency components in the range from a fundamental frequency (fundamental frequency) of 25 kHz.
  • a time-varying electric field electric voltage
  • the induction coil 3 now generates a time-varying magnetic field whose flux density in the FIG. 4 is denoted by B and whose field lines are shown in dashed lines, with a frequency spectrum corresponding to the electric field of the control unit 8.
  • the field guide 4 concentrate and concentrate the magnetic field B, so that it is largely shielded down.
  • the magnetic field B penetrates the cooking field plate 1, which consists of a dielectric heat-resistant material, for example a glass ceramic, glass or a ceramic, and induces an electric current in the susceptor coil 5 of the food container 2 which heats the food container 2 by Joule losses.
  • the heating effect is generally reinforced by the fact that a ferromagnetic material is provided, whereby additional thermal energy is released by Ummagnetleitersvone in the material of the Gargut mattersers 2. It can then be the bottom of the Gargut mattersers 2 simply made of ferromagnetic material.
  • a susceptor coil 5 is not essential.
  • the carrier device 7 additionally has the functions of dissipating heat from the induction coil 3 and homogenizing the temperature distribution and adapting the resonance frequency. Furthermore, the carrier device 7 shields the electronic components of the control unit 8 from the magnetic field of the induction coil 3.
  • FIG. 1 shows a possibility in which the support surface 70 of the support means 7 is further spaced from the induction coil 3 by introducing indentations 40 in these areas.
  • the field guide 4 are then only in the outside of the indentation 40 areas of the support surface 70 of the support means 7, while between the Feldleit stressesn 4 and the downwardly bulging support surface 70 of the support means 7 now air-filled Intermediate spaces are formed.
  • the indentations 40 may in particular be produced by embossing in the metal sheet and may be formed in a variety of embodiments and design options.
  • the depth of the indentations 40 which corresponds to the increase in the distance between the induction coil 3 and support means 7, may in particular be 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 is essentially substantially preserved via the carrier surface 70.
  • FIG. 2 shows a further possibility for reducing the parasitic capacitance C D between the induction coil 3 and the support means 7.
  • openings 41 which may be punched, for example.
  • the openings 41 can be designed differently. In the case of a circular induction coil 3, a radial arrangement of the openings 41 on radial rays offset relative to each other offers itself, wherein, as illustrated, in particular the inside width of the openings 41 can increase towards the outside.
  • the field guide 4 are now again only in the intermediate regions 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 is dependent on the used frequency spectrum of the induction coil 3 and the control unit 8 induction heating device, and the other properties, in particular the thermal properties, the carrier device 7 selected.
  • FIG. 3 A third possibility for reducing the parasitic capacitance C D between the induction coil 3 and the carrier device 7 is shown in FIG FIG. 3 illustrated.
  • 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 chosen as a function of the desired parasitic capacitance C D , in particular with respect to its layer thickness and its relative dielectric constants.
  • the layer thickness of the dielectric layer 10 can be selected 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 as close to 1 as possible.
  • the dielectric layer 10 may in particular be a foil or even a sheet of high-temperature paper-like material which is glued to the field guide 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 Indu Vietnamesesgar worn according to the 1 to 4 .
  • the mains voltage U N on which in the normal power supply corresponds to 230 V with a frequency of 50 Hz.
  • two capacitors C1 and C2 and a rectifier bridge G are connected.
  • two inductors L1 and L3 and a main switch S3 are connected and in the other phase, a further inductance L2.
  • a capacitor C3 or C4 departs from each phase into a branch which is connected to earth 9.
  • a differential filter is formed which suppresses differential mode noise in the two phases of the mains voltage UN.
  • the two inductors L1 and L2 and the two capacitors C3 and C4 form a filter for suppressing common mode noise 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 core choke with two opposing coils on a common ring core, but of course also be realized with two separate components. Since the inductors L1 and L2 at the same time must be able to pass the full mains voltage U N in push-pull operation (antiphase normal operation), the requirements for the inductors L1 and L2 representing coils with the toroidal core are quite high. In order to avoid saturation of the core by the push-pull interference, namely quite 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 via the capacitors C3 and C4 with the filter for Suppression of common-mode noise is connected and saturates the cores of the coils for the inductors L1 and L2 by the common-mode noise that they cause.
  • the reduction of the parasitic capacitance C D achieved in accordance with the invention now has the great advantage that the component or components for the inductors L1 and L2 must or must meet lower requirements and, as a result, a considerable cost saving is achieved.
  • the on the right side of the diagram according to FIG. 5 shown part of the circuit is one of several possible standard circuits for the implementation of the mains voltage U N in the required for the operation of the induction coil 3 with the inductance L high frequency voltage U HF .
  • This control circuit also referred to 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, Darlingtons circuits or MCTs, as well as three capacitors C5, C6 and C7 and the already mentioned rectifier bridge G.
  • the high-frequency voltage U HF is preferably in a frequency range above the fundamental frequency 25 kHz.
  • Other possibilities, not shown but standard, for generating the high frequency voltage U HF are a single switch and a full bridge with four switches. The advantages of the measures according to the invention also apply to these control circuits.
  • the Indu Vietnamese embodiments shown the Indu Vietnamese embodiments, with respect to the mechanical structure and the materials used as well as with respect to the electrical conditions, in another known embodiment be formed, for example, according to one of the 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 again appropriate means to reduce the capacitance between the carrier and Be provided coil.

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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
    1. 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
    2. 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 = ε 0 ε r A / d ,
    Figure imgb0001
    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 C1 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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