WO2007122050A1 - Gerät zur induktiven energieübertragung mit schwingkreis - Google Patents

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WO2007122050A1
WO2007122050A1 PCT/EP2007/052736 EP2007052736W WO2007122050A1 WO 2007122050 A1 WO2007122050 A1 WO 2007122050A1 EP 2007052736 W EP2007052736 W EP 2007052736W WO 2007122050 A1 WO2007122050 A1 WO 2007122050A1
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transmission
unit
energy
decoupling
oscillation
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PCT/EP2007/052736
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Thomas Komma
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BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/12—Cooking devices
    • H05B6/1209—Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02M7/538—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a push-pull configuration
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    • H05B2213/06—Cook-top or cookware capable of communicating with each other
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a power transmission unit according to the preamble of claim 1.
  • a power transmission unit with a primary side which is provided for inductive transmission of energy to a secondary side which can be separated from the primary side.
  • the energy transmission unit has a primary coil, which is fed with an alternating current.
  • the energy transmission unit is further provided with an inverter. When the alternating current is generated, in addition to a fundamental oscillation, further harmonics are generated, which are likewise transmitted via the alternating field.
  • the object of the invention is, in particular, to further develop the generic energy transfer units, in particular with regard to a high degree of application flexibility.
  • the invention is based on a power transmission unit comprising a primary unit with a transmission means for the wireless transmission of energy to a secondary unit by means of a transmission oscillation and a vibration generating unit for generating the transmission oscillation.
  • the vibration generating unit has a decoupling means, which is provided to decouple at least one of the transmission vibration associated harmonic.
  • a decoupling means which is provided to decouple at least one of the transmission vibration associated harmonic.
  • the secondary unit can be arranged to cooperate with the primary unit in the transmission area.
  • the secondary unit is advantageously separable from the transmission area.
  • the power transmission unit may be e.g. to heat a secondary unit.
  • the secondary unit can be designed as a cookware.
  • the energy transfer unit can be used to supply a secondary unit with electrical energy, which can be used as an electrical consumer, e.g. is designed as an electrical appliance.
  • the secondary unit can be designed as a power supply unit which itself serves to supply an electrical load and draws an electrical voltage from a transmission of the primary unit.
  • the energy transfer unit may advantageously be arranged below a surface, e.g.
  • the secondary unit can be arranged to interact with the primary unit on the surface.
  • a "harmonic" which is associated with the transmission oscillation may, in particular, be understood as an oscillation which has a frequency which is greater than the frequency of the transmission oscillation.
  • the harmonic may be a harmonic of the transmission vibration.
  • a "transmission range" of the transmission medium can be understood to mean a range of the energy transmission that is driven by the transmission medium. In particular, this may be understood as an area within which the secondary unit may preferably receive at least 70%, advantageously at least 90% and particularly advantageously at least 95% of the energy made available by the transmission means.
  • a “decoupling means” for decoupling a vibration may, in particular, be understood as meaning a means for damping the oscillation and / or decoupling the oscillation.
  • a “decoupling means” for decoupling an oscillation can be understood as meaning a means which is provided for at least partial removal of the oscillation from a frequency spectrum.
  • the transmission means is provided for inductive transmission of the energy.
  • the transmission means is preferably formed as a coil.
  • the energy transmission unit is designed as an induction heating device. This can be integrated in an induction heater or even be designed as an induction heater.
  • the secondary unit is preferably designed as a cookware 200501596
  • the induction heating device may have a first heating mode, which is provided for heating a cookware made of a ferromagnetic material.
  • a transmission vibration between e.g. 25 kHz and 50 kHz are generated.
  • the induction heating apparatus may further comprise at least a second heating mode which results in heating of a cookware made of a non-magnetic material, e.g. Aluminum, is suitable. In this case, preferably in order to achieve short heating times, a transmission oscillation having a higher frequency can be generated.
  • a frequency range up to a frequency limit which is predetermined by a safety standard, can be utilized for the generation of the transmission oscillation.
  • a transmission oscillation for transmitting the energy up to a frequency of 150 kHz can be generated.
  • the energy transmission unit can serve to induce a voltage in the secondary unit.
  • this voltage can be used as the operating voltage to operate an electrical consumer connected to the secondary unit.
  • the secondary unit preferably has an inductive receiving element, such as a secondary coil, in which the voltage can be induced.
  • the transmission means of the primary unit and the receiving element of the secondary unit advantageously form a transformer.
  • the decoupling means has an inductance.
  • an advantageous smoothing of a current oscillating with the transmission oscillation can be achieved. This is particularly advantageous when the current swinging with the transmission oscillation is generated by a cycle of switching operations.
  • the transmission means is provided as a transmission inductance for inductive transmission of the energy
  • the inductance of the decoupling means advantageously has a value which is smaller than the value of the transmission inductance.
  • the decoupling means comprise a resonant circuit. This can be done easily, using fewer components 200501596
  • high frequency should be understood in this context in particular a frequency that is greater than a resonant frequency of the resonant circuit. Particularly advantageously, this frequency can be at least a multiple, e.g. be a quadruple of the resonant frequency.
  • the resonant circuit is designed as a series resonant circuit. This allows a particularly simple, inexpensive design of the decoupling means can be achieved.
  • the resonant circuit has at least one decoupling point at which the transmission means is switched on.
  • a decoupling point of the resonant circuit should be understood in particular to be a point of the resonant circuit at which a branch can be switched, high frequencies being decoupled in this branch.
  • the resonant circuit can have at least two decoupling points, which delimit a section of the resonant circuit and between which a branch can be connected in parallel to the section.
  • the transmission means is arranged in the branch.
  • the section represents a short circuit for the high frequencies, whereby these high frequencies in the parallel branch can be decoupled.
  • the resonant circuit has a capacitor and the decoupling point is formed as a capacitor terminal. This makes it possible to achieve a decoupling of high frequencies particularly simply and effectively, since the capacitor represents a particularly low reactance for these high frequencies.
  • the capacitor may constitute a short circuit for the high frequencies.
  • the vibration generating unit preferably has a bridge circuit with a bridge topology. As a result, an existing vibration generating unit with 200501596
  • the bridge circuit may have a half-bridge topology, with only one bridge side comprising switching means for generating an alternating current.
  • the bridge circuit may have a bridge topology, with switching means arranged on two bridge sides.
  • the switching means preferably comprise switching transistors, e.g. as FET
  • Transistors field effect transistor
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the decoupling means can be manufactured with little effort by adapting an existing topology of the vibration generating unit when the decoupling means is connected in a bridge branch of the bridge circuit.
  • the vibration generating unit is designed as a power converter.
  • the power converter is designed as an inverter.
  • FIG. 1 shows an induction heater with a power transmission unit, which has a transmission means, and a pot
  • FIG. 2 shows a vibration generating unit of the power transmission unit with the transmission means and a decoupling means
  • Fig. 3 shows the time course of an alternating current flowing through the transmission means
  • FIG. 1 shows a kitchen worktop 10 with a hob 12, in which an induction heater 14 is integrated.
  • the induction heater 14 has a housing 16 with an upper plate 18 and an energy transfer unit 20, which comprises a primary unit 22 with a control unit 24, a transmission means 26, a Schwingungserzeu- generating unit 28, a detection unit 30 and a control element 32.
  • the operating element 32 is arranged on the front side of the housing 16 and serves for switching on and off the induction heater 14 and for regulating a heating temperature.
  • the transmission element 26 is embodied as a coil and is provided to inductively transmit an energy to a secondary unit 36 arranged in the transmission region 34 within a transmission region 34 drawn on the upper plate 18.
  • the secondary unit 36 is formed as a pot.
  • the transfer region 34 is drawn by a line 37 on the upper plate 18.
  • an alternating current 38 (FIG. 2) is fed into the transmission means 26 by the vibration generating unit 28, which is designed as an inverter.
  • the alternating current 38 has a transmission oscillation f (FIG. 3), so that an alternating magnetic field with the transmission oscillation f is generated by the transmission means 26.
  • the alternating current 38 is generated by switching operations in the vibration generating unit 28 which are controlled by the control unit 24.
  • the alternating field generates eddy currents in the bottom of the pot-formed secondary unit 36 by magnetic induction. The bottom is thereby heated to heat a pot (not shown) in the pot.
  • the secondary unit 36 formed as a pot is made of a ferromagnetic material.
  • the penetration depth of the alternating field generated by the transmission means 26 into the ferromagnetic material corresponds to the thickness of the bottom of the secondary unit 36, so that optimum heating of the food and in particular a short cooking time can be achieved.
  • the pot is made of an amagnetic material, eg aluminum.
  • Part of the transferred energy in the soil can be converted into heat.
  • the placement of the secondary unit 36 made of aluminum is detected by the detection unit 30, which transmits a detection signal to the control unit 24.
  • a transmission oscillation f 100 kHz.
  • higher frequencies up to a limit of 150 kHz are conceivable.
  • This limit is prescribed by the safety standard EMC EN55022.
  • This standard can be complied with during operation in the second heating mode in particular in that the energy transmission unit 20 is provided with a decoupling means 40 ( Figure 2), which is intended to decouple the harmonic content of the transmission oscillation f.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an internal circuit of the primary unit 22.
  • the transmission means 26 embodied as a coil, the oscillation generating unit 28 and the control unit 24 for controlling the oscillation generating unit 28 can be recognized.
  • the secondary unit 36 is also shown schematically.
  • An ohmic resistance represents the ohmic resistance of the bottom of the secondary unit 36, while an inductance represents the inductance of this bottom.
  • the secondary unit 36 is separable from the transmission region 34 of the transmission means 26, which is indicated by an arrow.
  • the upper plate 18 is shown by a dashed line.
  • the transmission area 34 of the transmission means 26 is also shown by a dashed line.
  • the vibration generating unit 28 is formed as an inverter. It has two lines 42, between which a DC voltage V is applied. For this purpose, the lines 42 are connected to a rectifier (not shown), which rectifies an AC voltage of a mains power supply to the DC voltage V. Between the lines 42, the vibration generating unit 28 has a bridge circuit 44. This bridge circuit 44 has two bridge sides 46, 48, which are connected by a bridge branch 50. The first bridge side 46 has two capacitors 52, which serve to stabilize the DC voltage V.
  • the second bridge 48 includes two switching means 54, each having a transistor 56 and a freewheeling diode 58. The freewheeling diodes 58 are each connected in parallel with one of the transistors 56.
  • the transistors 56 are each formed as a FET transistor (field effect transistor). Alternatively, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) can be used. A 200501596
  • the transmission vibration f is generated by switching operations of the switching means 54, which are controlled by the control unit 24.
  • the operating principle of an inverter for generating an alternating current is known and will not be explained in detail in the context of this description.
  • the vibration generating unit 28 has the decoupling means 40. This is connected in the bridge branch 50.
  • the decoupling means 40 is in the form of a series resonant circuit with a capacitor C and an inductance L as a resonant circuit 60 (shown in dashed lines in the figure).
  • the inductance L has a value which is smaller than the inductance of the transmission means 26.
  • the inductance L has a value which is, for example, 10 times smaller than the inductance of the transmission means 26.
  • the inductive resistance of the inductance L for this frequency increases, while the capacitance of the capacitor C decreases.
  • the capacitor C can be considered as a short circuit for these high frequencies. Consequently, the terminals of the capacitor C form two decoupling points 62, between which a current signal can be taken, in which these high frequencies are decoupled.
  • the harmonics of this transmission frequency f at 300 kHz, 375 kHz, etc. become one at the decoupling points 62 disconnected functional component decoupled.
  • the transmission means 26 is connected to the decoupling points 62 of the resonant circuit 60. Consequently, through the transmission means 26 flows an alternating current 38, which has the transmission oscillation f and in which the harmonics of the transmission oscillation f are decoupled. This can be seen in FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 shows the profile of the alternating current 38 flowing through the transmission means 26 as a function of the time t over a period of time.
  • the current amplitude I of the alternating current 38 in amperes is plotted on the y-axis. As the figure can be seen, the 200501596
  • FIG. 4 shows a frequency spectrum which results from a Fourier analysis of the alternating current 38. Channels are plotted on the x-axis, one channel of a harmonic corresponding to the transmission frequency f. On the y-axis a proportion in percent of the total current amplitude I is plotted. As can be seen in the figure, the alternating current 38 has only one component which corresponds to the transmission oscillation f. The harmonic content of the alternating current 38 is decoupled by the decoupling means 40.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Energieübertragungseinheit umfassend eine Primäreinheit (22) mit einem Übertragungsmittel (26) zur drahtlosen Übertragung einer Energie an eine Sekundäreinheit (36) mittels einer Übertragungsschwingung (f) und eine Schwingungserzeugungseinheit (28) zur Erzeugung der Übertragungsschwingung (f). Um eine hohe Anwendungsflexibilität zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Schwingungserzeugungseinheit (28) ein Entkopplungsmittel (40) aufweist, das dazu vorgesehen ist, zumindest eine der Übertragungsschwingung (f) zugeordnete Oberschwingung zu entkoppeln.

Description

200501596
GERÄT ZUR INDUKTIVEN ENERGIEÜBERTRAGUNG MIT SCHWINGKREIS
Die Erfindung geht aus von einer Energieübertragungseinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Es ist eine Energieübertragungseinheit mit einer Primärseite bekannt, die zur induktiven Übertragung einer Energie an eine von der Primärseite trennbare Sekundärseite vorgesehen ist. Hierzu weist die Energieübertragungseinheit eine Primärspule auf, die mit einem Wechselstrom gespeist wird. Zur Erzeugung des Wechselstroms ist die Energieübertragungseinheit ferner mit einem Wechselrichter versehen. Bei der Erzeugung des Wechselstroms werden neben einer Grundschwingung weitere Oberschwingungen erzeugt, die ebenfalls über das Wechselfeld übertragen werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, die gattungsgemäßen Energieübertragungseinheiten weiterzuentwickeln, und zwar insbesondere hinsichtlich einer hohen Anwendungsflexibilität.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Energieübertragungseinheit umfassend eine Primäreinheit mit einem Übertragungsmittel zur drahtlosen Übertragung einer Energie an eine Se- kundäreinheit mittels einer Übertragungsschwingung und eine Schwingungserzeugungs- einheit zur Erzeugung der Übertragungsschwingung.
Es wird vorgeschlagen, dass die Schwingungserzeugungseinheit ein Entkopplungsmittel aufweist, das dazu vorgesehen ist, zumindest eine der Übertragungsschwingung zuge- ordnete Oberschwingung zu entkoppeln. Dadurch kann eine hohe Flexibilität im Einsatz der Energieübertragungseinheit erreicht werden. Sind z.B. bei einer Anwendung Sicherheitsnormen, wie EMV-Normen, einzuhalten, kann durch das Entkopplungsmittel ein breiter Frequenzbereich für die Anwendung ausgenutzt werden. Das Übertragungsmittel weist 200501596
vorzugsweise einen Übertragungsbereich auf. Dabei kann die Sekundäreinheit zu einem Zusammenwirken mit der Primäreinheit in dem Übertragungsbereich angeordnet werden. Außerdem ist die Sekundäreinheit vorteilhafterweise vom Übertragungsbereich trennbar. Die Energieübertragungseinheit kann z.B. zum Erwärmen einer Sekundäreinheit dienen. Dabei kann die Sekundäreinheit als Kochgeschirr ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieübertragungseinheit zur Versorgung einer Sekundäreinheit mit elektrischer Energie dienen, die als elektrischer Verbraucher, z.B. als Elektrogerät ausgebildet ist. Außerdem kann die Sekundäreinheit als Spannungsversorgungseinheit ausgeführt sein, die selbst zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers dient und eine elektrische Spannung aus einer Übertragung der Primäreinheit bezieht. Ferner kann die Energieübertragungseinheit vorteilhafterweise unterhalb einer Fläche, z.B. in einer Arbeitsplatte, in einem Kochfeld, unterhalb einer Arbeitsfläche in einem Werk usw., montiert werden. Dabei kann die Sekundäreinheit zu einem Zusammenwirken mit der Primäreinheit auf die Fläche angeordnet werden. Unter einer "Oberschwingung", welche der Übertragungs- Schwingung zugeordnet ist, kann insbesondere eine Schwingung verstanden werden, die eine Frequenz aufweist, welche größer als die Frequenz der Übertragungsschwingung ist. Insbesondere kann die Oberschwingung eine Harmonische der Übertragungsschwingung sein. Unter einem "Übertragungsbereich" des Übertragungsmittels kann eine Reichweite der vom Übertragungsmittel getriebenen Energieübertragung verstanden werden. Insbe- sondere kann darunter ein Bereich verstanden werden, innerhalb dessen die Sekundäreinheit vorzugsweise mindestens 70%, vorteilhaft wenigstens 90% und besonders vorteilhaft zumindest 95% der durch das Übertragungsmittel zur Verfügung gestellten Energie empfangen kann. Unter einem "Entkopplungsmittel" zur Entkopplung einer Schwingung kann insbesondere ein Mittel zur Dämpfung der Schwingung und/oder zur Auskopplung der Schwingung verstanden werden. Ferner kann unter einem "Entkopplungsmittel" zur Entkopplung einer Schwingung ein Mittel verstanden werden, das zu einer zumindest teilweisen Entfernung der Schwingung aus einem Frequenzspektrum vorgesehen ist.
Vorteilhafterweise ist das Übertragungsmittel zur induktiven Übertragung der Energie vor- gesehen. Dadurch können besonders gängige, kostengünstige Übertragungsmittel eingesetzt werden. Das Übertragungsmittel ist dabei vorzugsweise als Spule ausgebildet. Beispielsweise ist die Energieübertragungseinheit als Induktionsheizvorrichtung ausgebildet. Diese kann in einem Induktionsheizgerät integriert werden oder selbst als Induktionsheizgerät ausgebildet sein. Dabei ist die Sekundäreinheit vorzugsweise als Kochgeschirr aus- 200501596
gebildet, das zum Erwärmen einer Speise in einen Übertragungsbereich des Übertragungsmittels angeordnet wird. Es können ferner Kochgeschirre verschiedener Materialien zu einer Anwendung mit der Induktionsheizvorrichtung flexibel genutzt werden. Hierzu kann die Induktionsheizvorrichtung einen ersten Heizmodus aufweisen, der zur Erwär- mung eines Kochgeschirrs aus einem ferromagnetischen Material vorgesehen ist. Hierbei kann durch die Schwingungserzeugungseinheit eine Übertragungsschwingung zwischen z.B. 25 kHz und 50 kHz erzeugt werden. Die Induktionsheizvorrichtung kann außerdem zumindest einen zweiten Heizmodus aufweisen, der zu einer Erwärmung eines Kochgeschirrs aus einem amagnetischen Material, wie z.B. Aluminium, geeignet ist. Hierbei kann, vorzugsweise um kurze Erwärmungszeiten zu erreichen, eine Übertragungsschwingung mit einer höheren Frequenz erzeugt werden. Durch das Entkopplungsmittel kann ein Frequenzbereich bis zu einer Frequenzgrenze, die von einer Sicherheitsnorm vorgegeben ist, für die Erzeugung der Übertragungsschwingung ausgenutzt werden. Beispielsweise kann bezüglich der EMV-Norm EN55022 eine Übertragungsschwingung zur Übertragung der Energie bis zu einer Frequenz von 150 kHz erzeugt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Energieübertragungseinheit zur Induktion einer Spannung in der Sekundäreinheit dienen. Dabei kann diese Spannung als Betriebsspannung zu einem Betrieb eines mit der Sekundäreinheit verbundenen elektrischen Verbrauchers genutzt werden. In diesem Zusammenhang weist die Sekundäreinheit vorzugsweise ein induktives Empfangselement auf, wie eine Sekundärspule, in welchem die Spannung induziert werden kann. Dabei bilden das Übertragungsmittel der Primäreinheit und das Empfangselement der Sekundäreinheit vorteilhafterweise einen Transformator.
Vorzugsweise weist das Entkopplungsmittel eine Induktivität auf. Dadurch kann einfach eine vorteilhafte Glättung eines mit der Übertragungsschwingung schwingenden Stroms erreicht werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der mit der Übertragungsschwingung schwingende Strom durch einen Zyklus von Schaltvorgängen erzeugt wird. Ist das Übertragungsmittel als Übertragungsinduktivität zur induktiven Übertragung der Energie vorge- sehen, weist die Induktivität des Entkopplungsmittels vorteilhaft einen Wert auf, der kleiner als der Wert der Übertragungsinduktivität ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Entkopplungsmittel einen Resonanzkreis aufweist. Dadurch kann einfach, mittels weniger Bauteile 200501596
eine effektive Entkopplung von hohen Frequenzen erreicht werden, wie z.B. durch ein Kurzschließen oder ein Sperren dieser hohen Frequenzen. Unter dem Begriff "hohe Frequenz" soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Frequenz verstanden werden, die größer als eine Resonanzfrequenz des Resonanzkreises ist. Besonders vorteilhaft kann diese Frequenz zumindest ein Vielfaches, z.B. ein Vierfaches der Resonanzfrequenz sein.
In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass der Resonanzkreis als Reihenschwingkreis ausgebildet ist. Dadurch kann eine besonders einfache, kostengünstige Ausgestaltung des Entkopplungsmittels erreicht werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass der Resonanzkreis zumindest einen Entkopplungspunkt aufweist, an dem das Übertragungsmittel angeschaltet ist. Dadurch kann eine besonders effektive Entkopplung von Oberschwingungen der Übertragungsschwingung bei der Energieübertragung mit einer einfachen Schaltungsausführung erzielt werden. Unter einem "Entkopplungspunkt" des Resonanzkreises soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Punkt des Resonanzkreises verstanden werden, an dem eine Abzweigung geschaltet werden kann, wobei hohe Frequenzen in dieser Abzweigung entkoppelt sind. Vorteilhafterweise kann der Resonanzkreis zumindest zwei Entkopplungspunkte aufwei- sen, die einen Abschnitt des Resonanzkreises begrenzen und zwischen welchen eine Abzweigung parallel zum Abschnitt geschaltet werden kann. Vorzugsweise ist das Übertragungsmittel in der Abzweigung angeordnet. Zweckmäßigerweise stellt der Abschnitt einen Kurzschluss für die hohen Frequenzen dar, wodurch diese hohen Frequenzen in der parallelen Abzweigung entkoppelt werden können.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Resonanzkreis einen Kondensator aufweist und der Entkopplungspunkt als Kondensatorklemme gebildet ist. Es kann dadurch eine Entkopplung von hohen Frequenzen besonders einfach und effektiv erreicht werden, da der Kondensator für diese hohen Frequenzen eine be- sonders geringe Reaktanz darstellt. Insbesondere kann der Kondensator einen Kurzschluss für die hohen Frequenzen darstellen.
Vorzugsweise weist die Schwingungserzeugungseinheit eine Brückenschaltung mit einer Brückentopologie auf. Dadurch kann eine bestehende Schwingungserzeugungseinheit mit 200501596
einer gängigen Schaltungstopologie eingesetzt werden. Die Brückenschaltung kann eine Halbbrückentopologie aufweisen, wobei lediglich eine Brückenseite Schaltmittel zur Erzeugung eines Wechselstroms umfasst. Alternativ kann die Brückenschaltung eine VoII- brückentopologie aufweisen, wobei Schaltmittel auf zwei Brückenseiten angeordnet sind. Die Schaltmittel weisen vorzugsweise Schalttransistoren auf, die z.B. als FET-
Transistoren (Feldeffekttransistor) oder als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet sind.
In diesem Zusammenhang kann das Entkopplungsmittel mit geringem Aufwand durch Anpassung einer bestehenden Topologie der Schwingungserzeugungseinheit hergestellt werden, wenn das Entkopplungsmittel in einen Brückenzweig der Brückenschaltung geschaltet ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schwingungserzeugungseinheit als Stromumrichter ausgebildet ist. Dadurch kann eine bestehende, kostengünstige Schwingungserzeugungseinheit eingesetzt werden. Beispielsweise ist der Stromumrichter als Wechselrichter ausgebildet.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Induktionsheizgerät mit einer Energieübertragungseinheit, die ein Übertragungsmittel aufweist, und einen Topf, Fig. 2 eine Schwingungserzeugungseinheit der Energieübertragungseinheit mit dem Übertragungsmittel und einem Entkopplungsmittel,
Fig. 3 den Zeitverlauf eines durch das Übertragungsmittel fließenden Wechselstroms und
Fig. 4 ein Frequenzspektrum des Wechselstroms. 200501596
Figur 1 zeigt eine Küchenarbeitsplatte 10 mit einem Kochfeld 12, in welchem ein Induktionsheizgerät 14 integriert ist. Das Induktionsheizgerät 14 weist ein Gehäuse 16 mit einer oberen Platte 18 und eine Energieübertragungseinheit 20 auf, welche eine Primäreinheit 22 mit einer Steuereinheit 24, einem Übertragungsmittel 26, einer Schwingungserzeu- gungseinheit 28, einer Erkennungseinheit 30 und einem Bedienelement 32 umfasst. Das Bedienelement 32 ist an der Frontseite des Gehäuses 16 angeordnet und dient zum Ein- und Ausschalten des Induktionsheizgeräts 14 sowie zum Regeln einer Heiztemperatur. Das Übertragungselement 26 ist als Spule ausgebildet und dazu vorgesehen, induktiv innerhalb eines auf der oberen Platte 18 gezeichneten Übertragungsbereichs 34 eine E- nergie an eine im Übertragungsbereich 34 angeordnete Sekundäreinheit 36 zu übertragen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Sekundäreinheit 36 als Topf ausgebildet. Der Übertragungsbereich 34 ist durch eine Linie 37 auf der oberen Platte 18 gezeichnet. Bei einem Betrieb wird durch die Schwingungserzeugungseinheit 28, welche als Wechselrichter ausgebildet ist, ein Wechselstrom 38 (Figur 2) in das Übertragungsmittel 26 einge- speist. Der Wechselstrom 38 weist eine Übertragungsschwingung f auf (Figur 3), so dass ein magnetisches Wechselfeld mit der Übertragungsschwingung f durch das Übertragungsmittel 26 erzeugt wird. Der Wechselstrom 38 wird durch Schaltvorgänge in der Schwingungserzeugungseinheit 28 erzeugt, die durch die Steuereinheit 24 gesteuert werden. Das Wechselfeld erzeugt durch magnetische Induktion Wirbelströme im Boden der als Topf ausgebildeten Sekundäreinheit 36. Der Boden wird dadurch erwärmt, wobei eine im Topf angeordnete Speise (nicht gezeigt) erwärmt wird.
Es wird zuerst angenommen, dass die als Topf ausgebildete Sekundäreinheit 36 aus einem ferromagnetischen Material besteht. Es wird zum Erwärmen der Speise im Topf ein erster Heizmodus der Energieübertragungseinheit 20 eingeschaltet, bei welchem der Wechselstrom 38 durch die Schwingungserzeugungseinheit 28 mit einer Übertragungsschwingung f = 25 kHz erzeugt wird. Bei dieser Frequenz entspricht die Eindringtiefe des vom Übertragungsmittel 26 erzeugten Wechselfelds in das ferromagnetische Material der Dicke des Bodens der Sekundäreinheit 36, so dass ein optimale Erwärmung der Speise und insbesondere eine kurze Kochzeit erreicht werden können. Es wird nun angenommen, dass der Topf aus einem amagnetischen Material, z.B. Aluminium, hergestellt ist. Ein Betrieb der Energieübertragungseinheit 20 mit der Übertragungsschwingung f des ersten Heizmodus würde zu einer ungünstig langen Kochzeit führen, da die Eindringtiefe des vom Übertragungsmittel 26 erzeugten Wechselfelds ins Aluminium für diese Fre- quenz größer als die Dicke des Bodens der Sekundäreinheit 36 ist. Hierbei würde nur ein 200501596
Teil der übertragenen Energie im Boden in Wärme umgewandelt werden. Das Auflegen der Sekundäreinheit 36 aus Aluminium wird durch die Erkennungseinheit 30 erfasst, welche ein Erkennungssignal an die Steuereinheit 24 überträgt. Anhand dieses Erkennungssignals schaltet die Steuereinheit 24 einen zweiten Heizmodus ein, bei welchem der Wechselstrom 38 mit einer Übertragungsschwingung f = 100 kHz erzeugt wird. Weitere, insbesondere höhere Frequenzen bis zu einer Grenze von 150 kHz sind denkbar. Diese Grenze ist von der Sicherheitsnorm EMV EN55022 vorgeschrieben. Diese Norm kann beim Betrieb im zweiten Heizmodus insbesondere dadurch eingehalten werden, dass die Energieübertragungseinheit 20 mit einem Entkopplungsmittel 40 versehen ist (Figur 2), das dazu vorgesehen ist, den Oberschwingungsanteil der Übertragungsschwingung f zu entkoppeln.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer internen Schaltung der Primäreinheit 22. Es sind das als Spule ausgebildete Übertragungsmittel 26, die Schwingungserzeu- gungseinheit 28 und die Steuereinheit 24 zum Steuern der Schwingungserzeugungsein- heit 28 zu erkennen. Die Sekundäreinheit 36 ist ebenfalls schematisch dargestellt. Ein ohmscher Widerstand stellt den ohmschen Widerstand des Bodens der Sekundäreinheit 36 dar, während eine Induktivität die Induktivität dieses Bodens darstellt. Die Sekundäreinheit 36 ist vom Übertragungsbereich 34 des Übertragungsmittels 26 trennbar, was durch einen Pfeil angedeutet ist. Die obere Platte 18 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Der Übertragungsbereich 34 des Übertragungsmittels 26 ist durch eine gestrichelte Linie ebenfalls dargestellt.
Die Schwingungserzeugungseinheit 28 ist als Wechselrichter ausgebildet. Sie weist zwei Leitungen 42 auf, zwischen welchen eine Gleichspannung V angelegt ist. Hierzu sind die Leitungen 42 mit einem Gleichrichter verbunden (nicht gezeigt), welcher eine Wechselspannung einer Netzstromversorgung in die Gleichspannung V gleichrichtet. Zwischen den Leitungen 42 weist die Schwingungserzeugungseinheit 28 eine Brückenschaltung 44 auf. Diese Brückenschaltung 44 weist zwei Brückenseiten 46, 48 auf, die durch einen Brückenzweig 50 verbunden sind. Die erste Brückenseite 46 weist zwei Kondensatoren 52 auf, die zu einer Stabilisierung der Gleichspannung V dienen. Die zweite Brückenseite 48 umfasst zwei Schaltmittel 54, die jeweils einen Transistor 56 und eine Freilaufdiode 58 aufweisen. Die Freilaufdioden 58 sind jeweils parallel zu einem der Transistoren 56 geschaltet. Die Transistoren 56 sind jeweils als FET-Transistor (Feldeffekttransistor) ausge- bildet. Alternativ können IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) eingesetzt werden. Eine 200501596
Ausführung der Brückenschaltung 44 mit einer Vollbrückentopologie, bei der die Brückenseite 46 ebenfalls mit Schaltmitteln 54 versehen ist, ist denkbar. Die Übertragungsschwingung f wird durch Schaltvorgänge der Schaltmittel 54 erzeugt, welche mittels der Steuereinheit 24 gesteuert werden. Das Funktionsprinzip eines Wechselrichters zum Erzeugen eines Wechselstroms ist bekannt und wird im Rahmen dieser Beschreibung nicht näher erläutert.
Ferner weist die Schwingungserzeugungseinheit 28 das Entkopplungsmittel 40 auf. Dieses ist in den Brückenzweig 50 geschaltet. Das Entkopplungsmittel 40 ist in Form eines Reihenschwingkreises mit einem Kondensator C und einer Induktivität L als Resonanzkreis 60 ausgebildet (in der Figur gestrichelt hervorgehoben). Dabei weist die Induktivität L einen Wert auf, der kleiner als die Induktivität des Übertragungsmittels 26 ist. Vorteilhafterweise weist die Induktivität L einen Wert auf, der z.B. 10-fach kleiner als die Induktivität des Übertragungsmittels 26 ist. Der Resonanzkreis 60 weist eine Resonanzfrequenz fR auf, die durch fR =
Figure imgf000010_0001
gegeben ist. Beispielsweise weist diese Resonanzfrequenz fR einen Wert von 50 kHz auf. Steigt gedanklich eine in den Resonanzkreis 60 eingespeiste Frequenz über die Resonanzfrequenz fR, so nimmt der induktive Widerstand der Induktivität L für diese Frequenz zu, während der kapazitive Widerstand des Kondensators C sinkt. Für hohe Frequenzen, die vorzugsweise mindestens ein Vierfaches der Resonanzfrequenz fR darstellen, kann der Kondensator C als ein Kurzschluss für diese hohen Frequenzen betrachtet werden. Folglich bilden die Klemmen des Kondensators C zwei Entkopplungspunkte 62, zwischen welchen ein Stromsignal entnommen werden kann, bei dem diese hohen Frequenzen entkoppelt sind. Wird der Resonanzkreis 60 im Betrieb des zweiten Heizmodus mit einer Übertragungsschwingung f von z.B. 150 kHz gespeist, welche die von der EMV-Norm vorgeschriebene Grenze darstellt, werden die Oberschwingungen dieser Übertragungsschwingung f bei 300 kHz, 375 kHz usw. in einem an den Entkopplungspunkten 62 angeschalteten Funktionsbauteil entkoppelt. Das Übertragungsmittel 26 ist an den Entkopplungspunkten 62 des Resonanzkreises 60 angeschaltet. Folglich fließt durch das Übertragungsmittel 26 ein Wechselstrom 38, welcher die Übertragungsschwingung f aufweist und bei dem die Oberschwingungen der Übertragungsschwingung f entkoppelt sind. Dies kann den Figuren 3 und 4 entnommen werden.
Figur 3 zeigt den Verlauf des durch das Übertragungsmittel 26 fließenden Wechselstroms 38 als Funktion der Zeit t über eine Zeitperiode. Auf der y-Achse ist die Stromamplitude I des Wechselstroms 38 in Ampere aufgetragen. Wie der Figur zu entnehmen ist, weist der 200501596
Wechselstrom 38 einen sinusförmigen Verlauf auf. Der Wechselstrom 38 wurde durch Zuschalten eines Strommessers in Reihe mit dem Übertragungsmittel 26 erfasst (nicht gezeigt). In Figur 4 ist ein Frequenzspektrum zu sehen, welches sich durch eine Fourier- Analyse des Wechselstroms 38 ergibt. Auf der x-Achse sind Kanäle aufgetragen, wobei ein Kanal einer Oberschwingung der Übertragungsschwingung f entspricht. Auf der y- Achse ist ein Anteil in Prozent der gesamten Stromamplitude I aufgetragen. Wie in der Figur zu sehen ist, weist der Wechselstrom 38 lediglich eine Komponente auf, die der Übertragungsschwingung f entspricht. Der Oberschwingungsanteil des Wechselstroms 38 wird durch das Entkopplungsmittel 40 entkoppelt.
200501596
10
Bezugszeichen
10 Küchenarbeitsplatte 58 Freilaufdiode
12 Kochfeld 60 Resonanzkreis
14 Induktionsheizgerät 62 Entkopplungspunkt
16 Gehäuse V Gleichspannung
18 Platte I Stromamplitude
20 Energieübertragungseinheit f Übertragungsschwingung
22 Primäreinheit fR Resonanzfrequenz
24 Steuereinheit t Zeit
26 Übertragungsmittel C Kondensator
28 Schwingungserzeugungsein- L Induktivität heit
30 Erkennungseinheit
32 Bedienelement
34 Übertragungsbereich
36 Sekundäreinheit
37 Linie
38 Wechselstrom
40 Entkopplungsmittel
42 Leitung
44 Brückenschaltung
46 Brückenseite
48 Brückenseite
50 Brückenzweig
52 Kondensator
54 Schaltmittel
56 Transistor

Claims

2005015961 1Patentansprüche
1 . Energieübertragungseinheit umfassend eine Primäreinheit (22) mit einem Über- tragungsmittel (26) zur drahtlosen Übertragung einer Energie an eine Sekundäreinheit (36) mittels einer Übertragungsschwingung (f) und eine Schwingungser- zeugungseinheit (28) zur Erzeugung der Übertragungsschwingung (f), dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungserzeugungseinheit (28) ein Entkopplungsmittel (40) aufweist, das dazu vorgesehen ist, zumindest eine der Übertra- gungsschwingung (f) zugeordnete Oberschwingung zu entkoppeln.
2. Energieübertragungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (26) zur induktiven Übertragung der Energie vorgesehen ist.
3. Energieübertragungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungsmittel (40) eine Induktivität (L) aufweist.
4. Energieübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das Entkopplungsmittel (40) einen Resonanzkreis
(60) aufweist.
5. Energieübertragungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkreis (60) als Reihenschwingkreis ausgebildet ist.
6. Energieübertragungseinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkreis (60) zumindest einen Entkopplungspunkt (62) aufweist, an dem das Übertragungsmittel (26) angeschaltet ist.
7. Energieübertragungseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkreis (60) einen Kondensator (C) aufweist und der Entkopplungspunkt (62) als Kondensatorklemme gebildet ist. 200501596
12
8. Energieübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungserzeugungseinheit (28) eine Brückenschaltung (44) mit einer Brückentopologie aufweist.
9. Energieübertragungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungsmittel (40) in einen Brückenzweig (50) der Brückenschaltung (44) geschaltet ist.
10. Energieübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Schwingungserzeugungseinheit (28) als
Stromumrichter ausgebildet ist.
1 1 . Induktionsheizgerät mit einer Energieübertragungseinheit (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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