EP2127478A1 - Induktionskochfeld - Google Patents

Induktionskochfeld

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Publication number
EP2127478A1
EP2127478A1 EP07703206A EP07703206A EP2127478A1 EP 2127478 A1 EP2127478 A1 EP 2127478A1 EP 07703206 A EP07703206 A EP 07703206A EP 07703206 A EP07703206 A EP 07703206A EP 2127478 A1 EP2127478 A1 EP 2127478A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
alternating current
resonant circuit
frequency alternating
cookware
frequency
Prior art date
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Granted
Application number
EP07703206A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2127478B1 (de
EP2127478B2 (de
Inventor
Christian Breuninger
Albrecht Eiber
Martin Neumayer
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.)
WMF Group GmbH
Original Assignee
WMF Group GmbH
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Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=38472910&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP2127478(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by WMF Group GmbH filed Critical WMF Group GmbH
Publication of EP2127478A1 publication Critical patent/EP2127478A1/de
Publication of EP2127478B1 publication Critical patent/EP2127478B1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2127478B2 publication Critical patent/EP2127478B2/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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

Definitions

  • the invention relates to an induction hob and a method for inductive heating of cookware according to the preambles of claims 1 and 8.
  • An induction hob has an induction coil, which is traversed by a high-frequency alternating current.
  • the usual way applied induction frequencies are in a range of about 25 - 50 kHz.
  • a converter usually converts the low-frequency mains current into a high-frequency alternating current.
  • the induction coil is usually located below an existing example of glass ceramic cooktop.
  • the current-carrying induction coil generates a magnetic alternating field.
  • the alternating magnetic field induces strong eddy currents in a ferromagnetic material (eg chromium steel) of cookware, which leads to rapid heating of the material.
  • the eddy currents flow only in a thin surface layer of the soil.
  • the bottom of an induction cookware consists of a ferromagnetic layer and outside the penetration depth of the eddy currents of a thermally conductive material for better heat (transverse) distribution.
  • induction hobs compared to conventional cooking hobs are the very short reaction time with changes in setting, a relatively cool cooking plate, energy spas, especially with short cooking times and low prices.
  • induction hobs also have disadvantages.
  • a disadvantage is z. B. in that cookware can develop disturbing vibrations that are in the audible frequency range, which leads to a disturbing noise or hum. So far, it has been assumed that the natural frequencies of the cookware are crucial, as they can lead to large amplitudes and thus to high noise. When noise is to distinguish between cause and effect.
  • the cause of the noise is the stimulation of the cookware through the hob, the effect shows the cookware by the noise emission by mechanical vibrations. Measures on the cookware, such as shifting the resonance frequencies or vibration damping measures, such as attaching a rubber band o. ⁇ . Around the circumference of a cookware, have brought no significant improvements.
  • the present invention seeks to provide an induction hob and a method that reduce or eliminate the noise of cooking utensils on induction hobs.
  • the induction hob comprises a generator means, which in turn comprises means for smoothing or eliminating amplitude modulation of the high frequency alternating current flowing through the coil.
  • means for smoothing or eliminating amplitude modulation means that on the one hand a generated amplitude modulation is smoothed out or eliminated, or even not generated when the induction hob is operated with mains current.
  • the induction coil oscillates with the high-frequency induction frequency, but this vibration with low-frequency components with a frequency of z. B. 50 Hz (eg, with the mains frequency and their multiples) is modulated.
  • the amplitude modulation is generated by superposition of several oscillations.
  • the amplitude-modulated alternating current thus contains in addition to the operating frequency of a corresponding resonant circuit for the construction of the magnetic field further frequency components, for. B. off
  • the reaction of the cookware is not based solely on the high-frequency resonant circuit frequency for generating the magnetic field, but is caused by vibration overlays, resulting in the amplitude modulation lead, which forms the envelope of the induction frequency.
  • This envelope does not have to be symmetrical, but may also be skewed, and / or superimposed with other harmonic frequencies discontinuous, etc.
  • the high-frequency alternating current is not amplitude modulated, or the amplitude modulation of the high-frequency alternating current is smoothed or eliminated, the excitation of the cookware and thus its noise emission is reduced or prevented
  • the noise problem can be solved in a simple manner become.
  • the generator device may comprise an AC rectifier and a resonant circuit generator.
  • the AC rectifier generates DC power from the low frequency mains power.
  • the means for smoothing or eliminating are associated with the AC rectifier so as to smooth the unequal DC current produced by the AC rectifier.
  • the resonant circuit generator on a resonant circuit control / control wherein the power control is performed such that low-frequency oscillations are avoided in the resonant circuit.
  • low-frequency vibrations from the power control / regulation in the resonant circuit can be avoided, for example by means of suitable control algorithms.
  • the amplitude modulation of the high-frequency alternating current can also be smoothed or eliminated by a corresponding circuit technology in the resonant circuit generator.
  • the power control may be such that the amplitude fluctuations due to a non-smoothed direct current are compensated. This can be done for example by a pulse width control or regulation in the resonant circuit.
  • the means for smoothing or eliminating have a smoothing factor of about 40% -100%. More preferably, the smoothing factor is in a range of 70-100%. If the smoothing factor is 100%, then the amplitude modulation is 0. The high-frequency alternating current then lies between two parallel lines. If there is no smoothing, the envelope has periodic zero crossings. If the smoothing factor is greater than 0%, there are no periodically occurring zero point crossings in the envelope, so that the humming can be significantly reduced here as well.
  • the cookware is vibrated by the alternating magnetic field in such a way that no or only little noise development occurs.
  • Figure 1 shows the schematic structure of an induction hob according to the present invention.
  • Figure 2 shows schematically the amplitude modulated high frequency alternating current through the induction coil of the hob according to the prior art.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the pot reaction as a function of the amplitude-modulated alternating current.
  • Figure 4 shows a graphical representation of the envelopes of a measurement of the induction signal and the associated movement of the cookware.
  • Figure 5 shows the spectral content of induction excitation and cookware movement.
  • FIG. 6 shows a measuring arrangement for measuring the alternating magnetic field.
  • Figure 6a shows a schematic representation of the envelope with partially smoothed amplitude modulation.
  • FIG. 6b shows a measured envelope with pot response.
  • FIG. 7a shows a schematic representation of the complete smoothing of the amplitude modulation.
  • FIG. 7b shows a measurement which has a complete smoothing and the corresponding pot reaction.
  • Figure 8 shows schematically the amplitude of the rectified smoothed current or voltage supplied to the resonant circuit generator as a function of time.
  • Figure 9a shows schematically the non-smoothed current generated by the inverter.
  • FIG. 9b shows the partially smoothed current supplied to the resonant circuit generator.
  • FIG. 10 shows the profile of the current supplied to the resonant circuit generator as a function of time, without the use of a rectifier.
  • FIG. 11 shows an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 shows another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 shows still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an induction hob according to the present invention.
  • the induction hob 1 has a cooking surface 2, which is formed for example of glass ceramic. On this cooking surface is here a saucepan 10, at least in the lower, thin edge layer 11 of ferromagnetic material, for. B. chrome steel is formed. Outside the penetration depth of eddy currents, the cooking pot 10 may be formed of a thermally conductive material for better heat distribution.
  • an induction coil 3 is arranged below the cooking surface 2.
  • the induction coil 3 is supplied with high-frequency alternating current, so that a high-frequency alternating magnetic field 12 is generated.
  • the resulting alternating magnetic field 12 induced in the lower thin edge layer 11 of the bottom of the pot 10 eddy currents, which lead to the rapid heating of the material.
  • the induction field comprises a generator device 4 for generating the high-frequency alternating current, which is supplied to the coil 3.
  • the generator device 4 comprises, for example, as shown in Figures 11 and 12, an AC rectifier 20, which converts the AC power from the grid into a DC current.
  • the AC rectifier can, for. B. also a bridge circuit respectively.
  • the generator device 4 also includes a resonant circuit generator 8 with a corresponding resonant circuit control / control and means 5 for smoothing or eliminating an amplitude modulation, as will be explained in more detail below.
  • the resonant circuit generator 8 generates the high-frequency alternating current in a known manner, wherein the resonant circuit control 21 performs a power control, wherein, for example, the amplitude characteristic of the coil control or the power consumption of the coil can be used as control variable or reference variable.
  • the induction coil oscillates with the high-frequency induction frequency, but the high-frequency alternating current with a frequency of z. B. 50 Hz is amplitude modulated.
  • Figure 2 shows schematically the envelope of the amplitude modulated alternating current of the induction coil according to the prior art.
  • the amplitude-modulated alternating current contains in addition to the operating frequency of the resonant circuit to build up the magnetic field, so more frequency components, z. B.
  • the height of the amplitude as a function of time is shown as an envelope.
  • the frequency of the amplitude modulation can here z. B. 50 Hz and multiples thereof.
  • the induction frequency at which the coil oscillates corresponds to the frequency of the high-frequency alternating current flowing through the coil.
  • the induction frequency is high frequency z. > 20 kHz while the envelope of the current or line amplitudes is low frequency e.g. is clearly ⁇ 20 kHz and thus comes into the human hearing.
  • the reaction of the cookware is not based solely on the induced induction frequency, but on the superimposed frequency, ie the amplitude modulation, which forms the envelope of the periodically changing amplitudes.
  • This envelope does not have to be symmet- be formed table, but may also be wrong, and / or superimposed with other upper frequencies, unsteady, etc.
  • FIG. 3 shows the pot reaction as a function of the induction excitation.
  • the pot or the cookware 10 is also periodically excited in response to the amplitude modulation to vibrate. This periodic excitation is the cause of the noise.
  • the pot reaction is shown hatched, with the amplitude-modulated alternating current corresponding to the alternating current profile shown in FIG.
  • the vibration frequency of the cookware contains many frequency components up to the induction frequency.
  • the emitted sound in the audible range also contains a broad frequency spectrum.
  • FIG. 4 shows the envelopes of the measured alternating field 12 and the measured movements with which the cookware 10 oscillates.
  • the dotted lines show the vibration behavior of the cookware, while the solid lines show the envelope of the amplitude-modulated induction excitation.
  • the oscillation response of a commercial pot was here measured by laser Doppler vibrometry in a range up to 70 kHz.
  • FIG. 5 shows the spectral content of the induction excitation and the oscillations of the cookware of FIG. 4, wherein the induction frequencies are shown in solid lines, and the cookware frequencies are shown in dashed lines.
  • the resonant circuit frequency for generating the alternating current is not included.
  • the vibration response is shown here up to a range up to 1500 Hz.
  • the amplitude modulation is smoothed or completely eliminated. The higher the smoothing factor, the lower the excitation of the cookware. Therefore, according to the present invention, means 5 are provided for smoothing or eliminating amplitude modulation of the high frequency induction excitation of the well by the coil. This means that the amplitude modulation of the high-frequency alternating current flowing through the induction coil 3 is smoothed or eliminated or not even generated.
  • Figure 6a shows a schematic representation of a partial smoothing of the envelope, for example, the voltage / power amplitude or current amplitude in the resonant circuit. If the smoothing factor is 100%, as can be seen from FIG. 7a, only two parallel lines are recognizable, which limit the corresponding amplitude curve.
  • the smoothing factor is in a range of about 40 to 100%. But even at lower smoothing factors a noise reduction is noticeable.
  • the smoothing factor is 0% when the envelope has a t-axis zero crossing. In the smoothed amplitude modulation, there is no periodically zero crossing of the envelope.
  • FIGS. 6b and 7b the alternating magnetic field was measured as a function of time.
  • This measurement was carried out with the measuring arrangement shown in FIG. In this case, a conductor loop 30 between cooking surface 2 and bottom of the pot was inserted.
  • a commercial saucepan e.g., Topstar from WMF
  • the conductor loop had a diameter of 7 cm. In the conductor loop is induced by the magnetic alternating field between the stove and pot a voltage which was measured.
  • the pot reaction is represented as a function of time by the movement, measured by means of laser Doppler vibrometry, with which the pot oscillates.
  • the mechanical oscillation of the pot was measured with the laser Doppler vibrometer (LDV) shown in FIG. 6, which detects a punctual speed of the pot edge in the upper region in the horizontal direction.
  • LDV laser Doppler vibrometer
  • the smoothing factor is approximately 70%.
  • the smoothing factor is 100%.
  • the pot reaction is even lower with complete smoothing than with a smoothing factor of 70%.
  • a smoothing factor of 70% can reduce the pot reaction so much that the noise emission is significantly reduced.
  • means 5 for smoothing or eliminating amplitude modulation of the high-frequency alternating current must prevent low-frequency oscillation components from being present in the resonant circuit, since the pot, as previously explained, performs the mechanical vibrations analogous to the amplitude modulated electrical excitation.
  • means 5 for smoothing the 2-phase or 3-phase alternating current in the form of a capacitor 5 are already associated with the AC rectifier.
  • the resonant circuit generator 8, which also includes the resonant circuit control / control 21, can be assigned a further smoothing means 5, such as smoothing capacitors, filters, etc., which smooth out or eliminate the amplitude modulation.
  • the power control in the resonant circuit can also be carried out in such a way that low-frequency oscillations in the resonant circuit are avoided, which can be achieved, for example, by appropriate control algorithms with suitable software.
  • the amplitude modulation of the high-frequency alternating current can be prevented or the amplitude modulation of the high-frequency alternating current are at least smoothed, z. B. as shown in Figure 9b.
  • FIG. 12 is another possible embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 essentially corresponds to the exemplary embodiment in FIG. 11, with the exception that here no means 5 for smoothing or eliminating the amplitude modulation are assigned to the AC rectifier 20.
  • the rectified current generated by the AC rectifier 20 has periodically occurring fluctuations which can reach zero. These fluctuations are allowed. There is, for example, a subsequent compensation by including these fluctuations in the power control / regulation of the resonant circuit, z. B. by a pulse width control in the resonant circuit.
  • a further embodiment is shown, for example, in FIG. 13, in which a direct current source is used as the current source.
  • the means 5 are realized here by the DC power source. Any necessary means 5 are then assigned to the resonant circuit generator or the resonant circuit control / control, so that there is no amplitude modulation of the high-frequency alternating current here.
  • FIG. 10 shows an example of the amplitude characteristic here of the alternating current, which is then supplied to the resonant circuit generator 8.
  • the compensation of the now signed fluctuations is realized by the resonant circuit generator and the power control in the resonant circuit, as described above, by appropriate circuit technology in the resonant circuit or by a corresponding control of the resonant circuit.
  • FIGS. 11 to 13 are only examples of how a suitable high-frequency alternating current can be generated which does not generate humming in the cookware. It is essential, however, exclusively that the generator device generates a high-frequency alternating current flowing through the coil 3, which has no amplitude modulation, or a smoothed amplitude modulation, as shown in Figures 6 and 7. Thus, the noise of cooking utensils depending on the smoothing factor can be reduced or completely avoided.

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Description

Induktionskochfeld
Die Erfindung betrifft ein Induktionskochfeld sowie ein Verfahren zur induktiven Erwärmung von Kochgeschirr gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.
Solche Induktionskochfelder sind aus dem Stand der Technik bekannt und gewinnen immer mehr an Bedeutung. Ein Induktionskochfeld weist dabei eine Induktionsspule auf, die von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflössen wird. Die dabei üblicher Weise angewandten Induktionsfrequenzen liegen in einem Bereich von etwa 25 - 50 kHz. Bei der induktiven Beheizung wandelt gewöhnlicher Weise ein Umrichter den Netzstrom mit niedriger Frequenz in einen hochfrequenten Wechselstrom um. Die Induktionsspule befindet sich dabei üblicher Weise unterhalb eines beispielsweise aus Glaskeramik bestehenden Kochfeldes. Die stromdurchflossene Induktionsspule erzeugt dabei ein magnetisches Wechselfeld. Das magnetische Wechselfeld induziert in einem ferromagnetischen Material (z. B. Chromstahl) eines Kochgeschirrs starke Wirbelströme, die zur raschen Erwärmung des Materials führen. Die Wirbelströme fließen dabei nur in einer dünnen Randschicht des Bodens. Der Boden eines Induktionskochgeschirrs besteht aus einer ferromagnetischen Schicht und außerhalb der Eindringtiefe der Wirbelströme aus einem wärmeleitfähigerem Material zur besseren Wärme(quer)verteilung.
Vorteile der Induktionskochfelder sind im Vergleich zu herkömmlichen Kochfeldern die sehr geringe Reaktionszeit bei Änderungen der Einstellung, eine relativ kühle Kochplatte, Ener- gieerspamis, besonders bei kurzen Kochzeiten sowie niedrige Preise.
Dennoch bringen Induktionskochfelder auch Nachteile mit sich. Ein Nachteil liegt z. B. darin, dass Kochgeschirre störende Schwingungen entwickeln können, die im hörbaren Frequenzbereich liegen, wodurch es zu einer störenden Geräuschentwicklung bzw. Brummen kommt. Bislang ist man davon ausgegangen, dass hier die Eigenfrequenzen des Kochgeschirrs ausschlaggebend sind, da diese zu großen Amplituden und damit zu hoher Geräuschentwicklung führen können. Bei der Geräuschentwicklung ist zwischen Ursache und Wirkung zu unterscheiden. Die Ursache der Geräusche ist die Anregung des Kochgeschirrs durch das Kochfeld, die Wirkung zeigt das Kochgeschirr durch die Gerauschemission durch mechanische Schwingungen. Maßnahmen am Kochgeschirr, wie beispielsweise Verschieben der Resonanzfrequenzen oder schwingungsdämpfende Maßnahmen, wie Anbringen eines Gummibandes o. ä. um den Umfang eines Kochgeschirrs, haben keine nennenswerten Verbesserungen gebracht.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Induktionskochfeld sowie ein Verfahren bereit zu stellen, die die Geräuschentwicklung von Kochgeschirren auf Induktionskochfeldern reduzieren bzw. eliminieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Induktionskochfeld eine Generatoreinrichtung, die wiederum Mittel zum Glätten oder Eliminieren einer Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms, der durch die Spule fließt, umfasst. Der Ausdruck Mittel zum Glätten oder Eliminieren einer Amplitudenmodulation bedeutet, dass einerseits eine erzeugte Amplitudenmodulation geglättet oder eliminiert wird oder aber erst gar nicht erzeugt wird, wenn das Induktionskochfeld mit Netzstrom betrieben wird.
Untersuchungen am Kochfeld haben ergeben, dass die Induktionsspule zwar mit der hochfrequenten Induktionsfrequenz schwingt, diese Schwingung jedoch mit niederfrequenten Anteilen mit einer Frequenz von z. B. 50 Hz (z. B. mit der Netzfrequenz und deren Vielfachen ), moduliert ist. Die Amplitudenmodulation wird durch Überlagerung mehrerer Schwingungen erzeugt. Der amplitudenmodulierte Wechselstrom enthält somit neben der Betriebsfrequenz eines entsprechenden Schwingkreises zum Aufbau des Magnetfeldes weitere Frequenzanteile, z. B. aus
a) einem ungeglätteten, pulsierenden „Gleichstrom", der von einem Gleichrichter erzeugt wird und/oder
b) der Leistungssteuerung bzw. Leistungsregelung des Kochfeldes.
Es hat sich heraus gestellt, dass die Reaktion des Kochgeschirrs nicht ausschließlich auf der hochfrequenten Schwingkreisfrequenz zur Erzeugung des Magnetfeldes beruht, sondern bedingt wird durch Schwingungsüberlagerungen, die zu der Amplitudenmodulation führen, welche die Hüllkurve der Induktionsfrequenz bildet. Diese Hüllkurve muss nicht symmetrisch ausgebildet sein, sondern kann auch schief, und / oder mit weiteren Oberfrequenzen überlagert unstetig usw. sein.
Dadurch, dass gemäß der vorliegenden Erfindung der hochfrequente Wechselstrom nicht amplitudenmoduliert ist, bzw. die Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms geglättet bzw. eliminiert ist, wird die Anregung des Kochgeschirrs und damit dessen Geräuschemission vermindert bzw. verhindert Somit kann die Geräuschproblematik auf einfache Art und Weise gelöst werden.
Die Generatoreinrichtung kann dabei einen Wechselstromgleichrichter sowie einen Schwingkreisgenerator umfassen. Der Wechselstromgleichrichter erzeugt Gleichstrom aus dem niederfrequenten Netzstrom. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Mittel zum Glätten oder Eliminieren dem Wechselstromgleichrichter derart zugeordnet, dass der von dem Wechselstromgleichrichter erzeugte ungeglät- tete Gleichstrom geglättet wird. Somit wird eine Ursache für die Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms ausgeräumt, da dem Schwingkreis keine niederfrequenten Anteile von der Stromversorgung her zugeführt werden.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zum Glätten oder Eliminieren dem Schwingkreisgenerator zugeordnet sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Schwingkreisgenerator eine Schwingkreisre- gelung/steuerung auf, wobei die Leistungsregelung derart durchgeführt wird, dass niederfrequente Schwingungen im Schwingkreis vermieden werden. Somit können niederfrequente Schwingungen aus der Leistungssteuerung/regelung im Schwingkreis beispielsweise durch geeignete Regelalgorithmen vermieden werden. Somit kommt es auch hier zu keiner Überlagerung des hochfrequenten Wechselstroms mit niederfrequenten Schwingungen. Die Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms kann aber auch durch eine entsprechende Schaltungstechnik im Schwingkreisgenerator geglättet bzw. eliminiert werden. Wenn beispielsweise dem Schwingkreisgenerator kein geglätteter Gleichstrom zugeführt wird, kann die Leistungssteuerung derart erfolgen, dass die Amplitudenschwankungen aufgrund eines nicht geglätteten Gleichstroms kompensiert werden. Dies kann beispielsweise durch eine Pulsweitensteuerung bzw. Regelung im Schwingkreis vorgenommen werden. Vorteilhafter Weise weisen die Mittel zum Glätten oder Eliminieren einen Glättungsfaktor von ca. 40%-100% auf. Noch bevorzugter liegt der Glättungsfaktor in einem Bereich von 70-100%. Ist der Glättungsfaktor 100 %, so ist die Amplitudenmodulation 0. Der hochfrequente Wechselstrom liegt dann zwischen zwei parallelen Linien. Gibt es keine Glättung, hat die Hüllkurve periodisch auftretende Nullpunktsdurchgänge. Ist der Glättungsfaktor größer 0 %, so gibt es keine periodisch auftretende Nullpunktsdurchgänge in der Hüllkurve, so dass auch hier das Brummen deutlich reduziert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Kochgeschirr durch das magnetische Wechselfeld derart in Schwingung versetzt, dass es zu keiner bzw. nur geringer Geräuschentwicklung kommt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme der Figuren 1 bis 13 näher erläutert. Dabei zeigt die
Figur 1 den schematischen Aufbau eines Induktionskochfeldes gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 zeigt schematisch den amplitudenmodulierten hochfrequenten Wechselstrom durch die Induktionsspule des Kochfelds gemäß dem Stand der Technik.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung in Abhängigkeit des amplitudenmodulierten Wechselstroms die Topfreaktion.
Figur 4 zeigt eine graphische Darstellung der Hüllkurven einer Messung des Induktionssignals sowie der damit einhergehenden Bewegung des Kochgeschirrs.
Figur 5 zeigt den spektralen Inhalt von Induktionserregung und Kochgeschirrbewegung.
Figur 6 zeigt eine Messanordnung zur Messung des magnetischen Wechselfeldes.
Figur 6a zeigt in schematischer Darstellung die Hüllkurve mit teilweise geglätteter Amplitudenmodulation.
Figur 6b zeigt eine gemessene Hüllkurve mit Topfantwort.
Figur 7a zeigt in schematischer Darstellung die vollständige Glättung der Amplitudenmodulation. Figur 7b zeigt eine Messung, die eine vollständige Glättung aufweist und die entsprechende Topfreaktion.
Figur 8 zeigt schematisch die Amplitude des gleichgerichteten geglätteten Stroms oder Spannung, der dem Schwingkreisgenerator zugeführt wird in Abhängigkeit der Zeit.
Figur 9a zeigt schematisch den nicht geglätteten Strom, der vom Wechselrichter erzeugt wird.
Figur 9b zeigt den teilweise glätteten Strom, der dem Schwingkreisgenerator zugeführt wird.
Figur 10 zeigt den Verlauf des Stroms, der dem Schwingkreisgenerator in Abhängigkeit der Zeit zugeführt wird, ohne Verwendung eines Gleichrichters.
Figur 11 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 13 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt ein Induktionskochfeld gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Induktionskochfeld 1 weist eine Kochfläche 2 auf, die beispielsweise aus Glaskeramik gebildet ist. Auf dieser Kochfläche steht hier ein Kochtopf 10, der zumindest in der unteren, dünnen Randschicht 11 aus ferromagnetischem Material, z. B. Chromstahl gebildet ist. Außerhalb der Eindringtiefe von Wirbelströmen, kann der Kochtopf 10 aus einem wärmeleitfähigerem Material zur besseren Wärmeverteilung gebildet sein. Unterhalb der Kochfläche 2 ist eine Induktionsspule 3 angeordnet. Die Induktionsspule 3 wird mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist, so dass ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld 12 erzeugt wird.
Das so entstehende magnetische Wechselfeld 12 induziert in der unteren dünnen Randschicht 11 des Bodens des Topfes 10 Wirbelströme, die zur raschen Erwärmung des Materials führen.
Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Induktionsfeld einer Generatoreinrichtung 4 zum Erzeugen des hochfrequenten Wechselstroms, der der Spule 3 zugeführt wird. Die Generatoreinrichtung 4 umfasst dabei beispielsweise, wie in den Figuren 11 und 12 gezeigt ist, einen Wechselstromgleichrichter 20, der den Wechselstrom aus dem Netz in einen Gleichstrom wandelt. Der Wechselstromgleichrichter kann z. B. auch eine Brückenschaltung aufweisen. Weiter umfasst die Generatoreinrichtung 4 auch einen Schwingkreisgenerator 8 mit einer entsprechenden Schwingkreisregelung / -Steuerung und Mittel 5 zur Glättung oder Eliminierung einer Amplitudenmodulation, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Der Schwingkreisgenerator 8 erzeugt den hochfrequenten Wechselstrom in bekannter Weise, wobei die Schwingkreisreglung / -Steuerung 21 eine Leistungssteuerung (-regelung) durchführt, wobei z.B. als Regelgröße bzw. Führungsgröße der Amplitudenverlauf der Spulenan- steuerung bzw. die Leistungsaufnahme der Spule verwendet werden kann.
Wird nun beispielsweise der niederfrequente Netzstrom durch einen Wechselstromgleichrichter 20 und den Schwingkreisgenerator 8 in einen hochfrequenten Wechselstrom gewandelt, so schwingt die Induktionsspule zwar mit der hochfrequenten Induktionsfrequenz, wobei der hochfrequente Wechselstrom jedoch mit einer Frequenz von z. B. 50 Hz amplitudenmoduliert wird. Figur 2 zeigt schematisch die Hüllkurve des amplitudenmodulierten Wechselstroms der Induktionsspule gemäß dem Stand der Technik.
Der amplitudenmodulierte Wechselstrom enthält neben der Betriebsfrequenz des Schwingkreises zum Aufbau des Magnetfeldes, also weitere Frequenzanteile, z. B.
a) aus dem geglätteten Gleichstrom, der vom Wechselstromgleichrichter erzeugt wird sowie
b) einer Leistungssteuerung / -regelung des Kochfelds.
So entsteht der zuvor genannte amplitudenmodulierte Wechselstrom.
In Fig. 2 ist die Höhe der Amplitude in Abhängigkeit der Zeit als Hüllkurve dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, nimmt die Amplitude der Schwingung periodisch ab und zu. Die Frequenz der Amplitudenmodulation kann hier z. B. 50 Hz und Vielfache davon betragen. Die Induktionsfrequenz, mit der die Spule schwingt, entspricht der Frequenz des hochfrequenten Wechselstroms, der durch die Spule fließt. Die Induktionsfrequenz ist hochfrequent z. B. > 20 kHz während die Einhüllende der Strom bzw. Leitungsamplituden niederfrequent z.B. deutlich < 20 kHz ist und damit in den menschlichen Hörbereich kommt.
Die Reaktion des Kochgeschirrs beruht nicht allein auf der induzierten Induktionsfrequenz, sondern auf der überlagerten Frequenz, d. h. der Amplitudenmodulation, welche die Hüllkurve der sich periodisch ändernden Amplituden bildet. Diese Hüllkurve muss nicht symmet- tisch ausgebildet sein, sondern kann auch schief, und / oder mit weiteren Oberfrequenzen überlagert, unstetig usw. sein.
In Figur 3 ist die Topfreaktion in Abhängigkeit der Induktionserregung gezeigt. Wie deutlich aus Figur 3 hervor geht, wird der Topf bzw. das Kochgeschirr 10 auch periodisch in Abhängigkeit der Amplitudenmodulation zum Schwingen angeregt. Diese periodische Anregung ist die Ursache für die Geräuschentwicklung. In Figur 3 ist die Topfreaktion schraffiert dargestellt, wobei der amplitudenmodulierte Wechselstrom, dem in Figur 2 gezeigten Wechselstromverlauf entspricht. Die Schwingfrequenz des Kochgeschirrs enthält viele Frequenzanteile bis hin zur Induktionsfrequenz. Der abgegebene Schall im hörbaren Bereich enthält ebenfalls ein breites Frequenzspektrum.
Figur 4 zeigt die Hüllkurven des gemessenen Wechselfelds 12 und der gemessenen Bewegungen mit der das Kochgeschirr 10 schwingt. Die gepunkteten Linien zeigen das Schwingungsverhalten des Kochgeschirrs, während die durchgehenden Linien die Hüllkurve der amplitudenmodulierten Induktionserregung zeigt. Die Schwingantwort eines handelsüblichen Topfes wurde hier über Laser-Doppler-Vibrometrie in einem Bereich bis 70 kHz gemessen.
Figur 5 zeigt den spektralen Inhalt der Induktionserregung und der Schwingungen des Kochgeschirrs aus Fig. 4, wobei die Induktionsfrequenzen in durchgehenden Linien, und die Kochgeschirrfrequenzen gestrichelt dargestellt sind. In dieser Darstellung ist die Schwingkreisfrequenz zur Erzeugung des Wechselstroms nicht enthalten. Die Schwingantwort ist hier bis zu einem Bereich bis 1500 Hz dargestellt. Um die Geräuschentwicklung des Kochgeschirrs zu vermindern bzw. zu vermeiden, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Amplitudenmodulation geglättet bzw. vollständig eliminiert. Je höher der Glättungsfaktor, desto geringer die Anregung des Kochgeschirrs. Daher sind gemäß der vorliegenden Erfindung Mittel 5 zum Glätten oder Eliminieren einer Amplitudenmodulation der hochfrequenten Induktionserregung des Topfes durch die Spule vorgesehen. Das bedeutet, dass die Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms, der durch die Induktionsspule 3 fließt, geglättet oder eliminiert wird oder aber erst gar nicht erzeugt wird.
Figur 6a zeigt in schematischer Darstellung eine teilweise Glättung der Hüllkurve, beispielsweise der Spannungs-/Leistungsamplitude oder Stromamplitude im Schwingkreis. Wenn der Glättungsfaktor 100 % beträgt, wie aus Figur 7a hervorgeht, sind nur noch zwei parallele Linien erkennbar, die den entsprechenden Amplitudenverlauf begrenzen.
Vorzugsweise liegt der Glättungsfaktor in einem Bereich von etwa 40 bis 100%. Aber auch bereits bei geringeren Glättungsfaktoren ist eine Geräuschreduzierung feststellbar. Der Glättungsfaktor liegt bei 0%, wenn die Hüllkurve einen Nullpunktsdurchgang der t-Achse aufweist. Bei der geglätteten Amplitudenmodulation gibt es keinen periodisch auftretenden Nullpunktsdurchgang der Hüllkurve. Vorzugsweise liegt bei der Glättung im Mittel die Zu- und Abnahme der Amplitude ΔA in einem Bereich bis zu 60 % der maximalen Amplitude Amax , wobei ΔA = Amax - Amin. Glättungsfaktor: (1 - Δ A/ Amax)* 100 .
In den Figuren 6b und 7b wurde das magnetische Wechselfeld in Abhängigkeit der Zeit gemessen. Diese Messung wurde mit der in Fig. 6 gezeigten Messanordnung durchgeführt. Dabei wurde eine Leiterschleife 30 zwischen Kochfläche 2 und Topfboden einfügt. Zur Messung wurde ein handelsüblicher Kochtopf (z.B. Topstar der Firma WMF) verwendet. Bei dieser Anordnung hatte die Leiterschleife einen Durchmesser von 7 cm. In der Leiterschleife wird durch das magnetische Wechselfeld zwischen Herd und Topf eine Spannung induziert die gemessen wurde.
Die Topfreaktionist durch die mittels Laser-Doppler-Vibrometrie gemessene Bewegung, mit der der Topf schwingt, in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Dabei wurde die mechanische Schwingung des Topfes mit dem in Fig. 6 dargestellten Laser- Doppler-Vibrometer (LDV) gemessen, der eine punktuelle Geschwindigkeit des Topfrandes im oberen Bereich in horizontaler Richtung erfasst.
Bei der in Figur 6b gezeigten Messung liegt der Glättungsfaktor etwa bei 70%. In Figur 7b liegt der Glättungsfaktor bei 100%. Wie aus dem Vergleich der Figuren 6b und 7b hervorgeht, ist die Topfreaktion bei einer vollständigen Glättung noch geringer als bei einem Glättungsfaktor von 70%. Jedoch vermag auch bereits ein Glättungsfaktor von 70% die Topfreaktion so stark zu reduzieren, dass die Geräuschemission deutlich reduziert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, muss also durch die Mittel 5 zum Glätten oder Eliminieren einer Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms verhindert werden, dass im Schwingkreis niederfrequente Schwingungsanteile vorhanden sind, da der Topf, wie zuvor erläutert, die mechanischen Schwingungen analog zur amplitudenmodulierten elektrischen Erregung ausführt.
Gemäß dem in Figur 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind dem Wechselstromgleichrichter bereits Mittel 5 zum Glätten des 2-phasigen oder 3-phasigen Wechselstroms in Form eines Kondensators 5 zugeordnet. Zusätzlich kann auch dem Schwingkreisgenerator 8, der auch die Schwingkreisregelung / -Steuerung 21 umfasst., ein weiteres Glättungsmittel 5 zugeordnet werden, wie Glättungskondensatoren, Filter, etc., die die Amplitudenmodulation glätten bzw. eliminieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungsregelung im Schwingkreis auch derart durchgeführt werden, dass niederfrequente Schwingungen im Schwingkreis vermieden werden, was beispielsweise durch entsprechende Regelalgorithmen mit geeigneter Software erzielt werden kann. Durch die in Figur 11 gezeigten Maßnahme kann die Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms verhindert werden oder die Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms zumindest geglättet werden, z. B. wie in Figur 9b dargestellt.
Figur 12 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 12 entspricht dabei im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel in Figur 11 mit der Ausnahme, dass hier dem Wechselstromgleichrichter 20 keine Mittel 5 zum Glätten oder Eliminieren der Amplitudenmodulation zugeordnet sind. Wie deutlich aus der Figur 9a hervorgeht, weist dabei der gleichgerichtete Strom, der vom Wechselstromgleichrichter 20 erzeugt wird, periodisch auftretende Schwankungen auf, die bis zum Nullpunkt reichen können. Diese Schwankungen werden zugelassen. Es erfolgt beispielsweise eine anschließende Kompensation durch Einbeziehen dieser Schwankungen in die Leistungssteuerung / -regelung des Schwingkreises, z. B. durch eine Pulsweitensteuerung im Schwingkreis.
Eine weitere Ausführungsform ist beispielsweise in Figur 13 gezeigt, bei der als Stromquelle eine Gleichstromquelle verwendet wird. Die Mittel 5 werden hier durch die Gleichstromquelle realisiert. Eventuell notwendige Mittel 5 sind dann dem Schwingkreisgenerator bzw. der Schwingkreisregelung / -Steuerung zugeordnet, damit es auch hier zu keiner Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms kommt.
Es ist auch möglich, dass gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kein Wechselstromgleichrichter verwendet wird und als Spannungsquelle für den Schwingkreisgenerator 8 die Netzspannung verwendet wird. Figur 10 zeigt hier ein Beispiel für den Amplitudenverlauf des Wechselstroms, der dann dem Schwingkreisgenerator 8 zugeführt wird. Der Ausgleich der jetzt vorzeichenbehafteten Schwankungen wird durch den Schwingkreisgenerator und die Leistungsregelung / -Steuerung im Schwingkreis, wie zuvor beschrieben, durch entsprechende Schaltungstechnik im Schwingkreis oder durch eine entsprechende Ansteuerung des Schwingkreises, realisiert.
Die in den Figuren 11 bis 13 gezeigten möglichen Ausführungsformen sind nur Beispiele dafür, wie ein geeigneter hochfrequenter Wechselstrom erzeugt werden kann, der kein Brummen im Kochgeschirr erzeugt. Wesentlich ist jedoch ausschließlich, dass die Generatoreinrichtung einen hochfrequenten Wechselstrom erzeugt, der durch die Spule 3 fließt, die keine Amplitudenmodulation aufweist, oder aber eine geglättete Amplitudenmodulation, wie in den Figuren 6 und 7 dargestellt ist. Somit kann die Geräuschentwicklung von Kochgeschirren je nach Glättungsfaktor vermindert bzw. vollständig vermieden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Induktionskochfeld (1 ) zur induktiven Erwärmung von Kochgeschirr (10) mit
einer mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Induktionsspule (3) zum Erzeugen der elektromagnetischen Heizenergie, sowie
einer Generatoreinrichtung (4) zum Erzeugen des hochfrequentem Wechselstroms
dadurch gekennzeichnet, dass
die Generatoreinrichtung (4) zur Reduzierung vom Brummgeräuschen des Kochgeschirrs Mittel (5) zum Glätten oder Eliminieren einer Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms umfasst.
2. Induktionskochfeld (1) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Generatoreinrichtung (4) einen Wechselstromgleichrichter (20) sowie einen Schwingkreisgenerator (8) umfasst.
3. Induktionskochfeld (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel (5) zum Glätten oder Eliminieren dem Wechselstromgleichrichter (20) zugeordnet ist und den vom Wechselstromgleichrichter (20) erzeugten, ungeglätteten Gleichstrom glättet.
4. Induktionskochfeld (1) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel (5) zum Glätten oder Eliminieren dem Schwingkreisgenerator (8) zugeordnet ist.
5. Induktioπskochfeld (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Generatoreinrichtung (4) einen Schwingkreisgenerator (8) umfasst, der mit der Netzspannung betrieben wird.
6. Induktionskochfeld (1 ) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwingkreisgenerator (8) eine Schwingkreisregelung / -Steuerung (21) umfasst, wobei eine Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms durch eine Leistungsregelung im Schwingkreis geglättet oder eliminiert wird.
7. Induktionskochfeld (1) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel (5) die Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms mit einem Glättungsfaktor von etwa 40 bis 100 % glätten.
8. Verfahren zur induktiven Erwärmung von Kochgeschirr (10) mit Hilfe eines Induktionskochfeldes (1) mit einer mit hochfequenten Wechselstrom gespeisten Induktionsspule (3), sowie einer Generatoreinrichtung (4) zum Erzeugen des hochfrequenten Wechselstroms mit folgenden Schritten:
- Speisen der Generatoreinrichtung (4) mit Strom, um hochfrequenten Wechselstrom zu erzeugen,
- Speisen der Induktionsspule (3) mit hochfrequenten Wechselstrom und erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes, das im Kochgeschirr (10) Wirbelströme erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Reduzierung von Brummgeräuschen des Kochgeschirrs der hochfrequente Wechselstrom derart erzeugt wird, dass er keine Amplitudenmodulation aufweist, oder dass die Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselstroms geglättet ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8
dadurch gekennzeichnet, dass
der Glättungsfaktor 40 bis 100 % beträgt.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 9
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kochgeschirr (10) derart durch das magnetische Wechselfeld in Schwingung versetzt wird, dass es zu keiner oder einer reduzierten Geräuschemission kommt.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 101
dadurch gekennzeichnet, dass
einen Schwingkreisgenerator (8) der Generatoreinrichtung (4) ein geglätteter Gleichstrom zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungsregelung des Schwingkreises eines Schwingkreisgenerators (8) derart erfolgt, dass dadurch keine niederfrequenten Schwingungen in den Schwinkreis eingebracht werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungsregelung derart erfolgt, dass die Amplitudenschwankungen aufgrund eines nicht geglätteten Gleichstroms, der dem Schwingkreis zugeführt wird, kompensiert werden.
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