DE2322129A1

DE2322129A1 - Induktionsheizgeraet

Info

Publication number: DE2322129A1
Application number: DE2322129A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Hibino; Masatami Iwamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1972-05-02
Filing date: 1973-05-02
Publication date: 1973-11-22
Also published as: FR2183161A1; GB1436221A; DE2322129B2; US3928744A; DE2322129C3; IT984158B; FR2183161B1

Description

ME-121(193F-1158) 2. Mai 1973

MITSUBISHI DEMI K.K., Tokyo, Japan

Induktionsheizgerät

j Die Erfindung betrifft ein Induktionsheizgerät mit einem ! ein alternierendes magnetisches Feld erzeugenden Erreger und ! mit einem gegenüber dem Erreger angeordneten ferromagnetischen

Element.

[ Es sind Induktionsheizgeräte bekannt, welche mit elektromagnetischer Induktion arbeiten und bei denen Metallgegenstände durch Wirbelstromverluste oder Hystereseverluste, welche durch Anlegen eines alternierenden magnetischen Flusses bewirkt werden, aufgeheizt werden. Die für solche Heizgeräte verwendeten Kochtöpfe bestehen aus magnetischem Material, wie Eisen oder aus Kupfer oder Aluminium (hochleitfähiges Material). Es ist bekannt, daß der Heizwert für einen bestimmten Kochtopf mit Ansteigen der Frequenz des Erregerstroms steigt, so daß der Gesamtwirkungsgrad des Induktionsheizgerätes erhöht wird. Die Ampere-Wicklungen des Erregers zur Erzielung eines bestimmten Heizwertes können klein «in und die elektromagnetische Kraft, welche auf den Kochtopf ausgeübt wird, kann ebenfalls gering sein. Wenn andererseits die Frequenz des Erregerstroms zu gering ist und z. B. den Wert einer herkömmlichen Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz hat, so treten verschiedene Probleme auf, wie z. B. Probleme eines geringen Heizwertes und eines geringen Gesamtwirkungsgrades und einer hochen elektromagnetischen Kraft. Es ist jedoch an sich recht wirtschaftlich, mit handelsüblichen Frequenzen zu arbeiten,

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da in diesem Falle kein Frequenzwandler erforderlich ist.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirtschaftliches Induktionsheizgerät zu schaffen, welches einen großen Heizwirkungsgrad selbst bei niedriger Erregerfrequenz, z. B. bei kommerziellen Frequenzen, aufweist und auf den Kochtopf nur eine geringe elektromagnetische Kraft ausübt, so daß die Geräuschbildung herabgesetzt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Erreger und dem ferromagnetischen Element ein nicht-magnetisches hochleitfähiges Element angeordnet ist und daß das hochleitfähige Element eine Dicke d„ aufweist, welche der folgenden Beziehung gehorcht:

Ox α χ .^- = 0<d_M5 1,7 x β x-|^f₂ wobei für α die Beziehung
60 g 80²

gilt, und wobei für β die Beziehung

jexp.(--f-) + 1,4] ₈₀0,85

gilt und wobei f(Hz) die Erregerfrequenz\ g(mm) den Abstand zwischen der Oberfläche der Eisenkernpole und dem hochleitfähigen Element;

Tv.(mm) die Spulenweite der Eisenkernerregerwicklung und ^M (p-^-~^cm) ^den spezifischen Widerstand des hochleitfähigen Elementes bedeuten.

Das erfindungsgemäße Induktionsheizgerät umfaßt einen Erreger zur Erzeugung eines alternierenden Magnetfeldes sowie ein ferromagnetisch.es Material, welches im magnetischen Pfad des

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alternierenden Magnetfeldes liegt sowie ein nieht-magnetisehes hochleitfähiges Element (Platte) mit vorbestimmter Dicke, welches-zwischen dem Erreger und dem ferromagnetischen Material angeordnet ist und durch welches der alternierende magnetische Fluß fließt, wobei die Erhitzung in der Hauptsache durch in dem hochleitfähigen Material induzierte Wirbelströme bewirkt wird.

Das erfindungsgemäße Induktionsheizgerät kann vorteilhafterweise als Induktionsheizkocher ausgebildet sein, welcher mit kommerziellen Frequenzen betrieben wird und wobei ein Kochtopf mit einer aus zwei Schichten bestehenden Bodenplatte verwendet wird, wobei die innere Platte eine ferromagnetische Platte und die äußere Platte eine nicht-magnetische hochleitfähige Platte ist. Gemäß vorliegender Erfindung wird die Dicke (d„) der hochleitfähigen Platte gemäß den weiter unten aufgeführten Gleichungen (29) bis (30) bestimmt, welche auf den Gleichungen (17), (18) beruhen. Zur Erzielung eines besonders hochen thermischen Wirkungsgrades kann die Dicke(dM)gemäß Gleichungen (31), (32) ausgewählt werden. Wenn das Ziel darin besteht, die Geräuschbildung durch Herabsetzung der auf den Kochtopf ausgeübten elektromagnetischen Kraft auf ein Minimum herabzusetzen, so kann die Dicke gemäß Gleichung (33) ausgewählt werden. Der Kochtopf des erfindungsgemäßen Induktionsheizgerätes hat als Boden eine ferromagnetische Platte,auf welche außen eine hochleitfähige Platte aufgelegt ist. Der Kochtopf besteht zum Beispiel aus Eisen in Verbindung mit einer Kupferplatte oder einer Aluminiumplatte an der Außenfläche des Kochtopfes oder der Kochtopf kann aus Kupfer oder Aluminium bestehen, wobei auf der Innenfläche des Bodens eine Eisenplatte vorgesehen ist. Hierbei kann die Eisenplatte fest verbunden sein oder trennbar verbunden sein.

Ferner umfaßt die vorliegende Erfindung eine weitere Ausführungsform des Induktionsheizgerätes, wobei der Kochtopf eine Bodenplatte aufweist, welche aus hoehleitfähigem Material besteht und welcher ein ferromagnetisches Element einverleibt ist.

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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizkochers besteht der Kochtopf aus Nichtmetall in Verbindung mit einer hochleitfähigen Platte und einer ferromagnetisehen Platte.

Ein typisches Beispiel für das erfindungsgemäße Induktionsheizgerät ist ein Induktionsheizkocher, dessen'Erreger mit einer kommerziellen Prequenz erregt wird und bei dem der Kochtopf eine innere Bodenplatte aus Eisen und eine äußere Kupferplatte (O - 1,7 mm Dicke) oder eine Aluminiumplatte (0 - 2,7 mm Dicke) umfaßt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Pig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizgeräts in teilweise geschnittener schematischer Darstellung;

Pig. 2 einen Kochtopf gemäß Pig. 1 in sehematischer teilweise weggebrochener Darstellung;

Pig. 3 eine teilweise weggebrochene schematische Darstellung j des Körpers des Induktionsheizgeräts gemäß Pig. 1;

Pig. 4 eine schematische Darstellung eines Erregers des Induktionsheizgerätes gemäß Pig. 1;

Pig. 5 eine Draufsicht des Kochtopfs gemäß Pig. 1 und eine Darstellung des magnetischen Plusses;

Pig. 6 eine Draufsicht des Kochtopfs gemäß Pig. 1 und eine Darstellung des Wirbelstroms;

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Fig. 7 bis 9 Schnitte zur Veranschaulichung des magnetischen Flusses in einem Kochtopf aus Eisen, einem Kochtopf aus Kupfer und dem erfindungsgemäßen Kochtopf;

Fig. 10 die Erregerstrom-Zeit-Kennlinie;

Fig. 11 die Kennlinien für den magnetischen Fluß und über die Zeit "bzw. für die Anziehungskraft über die Zeit;

Fig. 12 die Kennlinien des Wirbelstroms über die Zeit und der Abstoßungskraft über die Zeit;

Fig. 13 die Kennlinien der Gesamt-elektromagnetischen-Kraft über die Zeit bzw. der durchschnittlichen elektromagnetischen Kraft über die Zeit;

Fig. 14 einen Kochtopf für eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizgeräts im Schnitt;

Fig. 15 die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizgeräts im Schnitt;

Fig. 16 eine teilweise ausgebrochene schematische Darstellung eines Eisenbauteils;

Fig. 17 einen schematischen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Kochtopfs;

Fig. 18 und 19 Schnitte durch das Heizgerät der Ausführungsform gemäß Fig. 15;

Fig. 20 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizgeräts im Schnitt;

Fig. 21 eine schematisohe Darstellung des Kochers des Induktionsheizgerätes gemäß Fig. 20;

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Pig. 22 eine schematische Darstellung des Erregers des Induktionsheizgerätes gemäß Fig. 20;

Pig. 23 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizgeräts;

Fig. 24 bis 26 Schnitte durch verschiedene Ausführungsformen des Kochtopfs für das Induktionsheizgerät gemäß Fig. 23;

Fig. 27 ein Vektordiagramm für das erfindungsgemäße Induktions— heizgerät;

Fig. 28 ein Äquivalent-Schaltbild des erfindungsgemäßen Induk— tionsheizgeräts;

Fig. 29 einen Schnitt durch ein Modell zur theoretischen Analyse des erfindungsgemäßen Induktionsheizgerätes;

Fig. 30 bis 33 schematische Darstellungen des Erregers (Eisenkern mit Wicklung) des Modells gemäß Fig. 29;

Fig. 34 eine schematische Darstellung eines Teils des Modells gemäß Fig. 29 im Schnitt;

Fig. 35 bis 35C Schnitte durch Teilbereiche des Modells gemäß Fig. 29;

Fig. 36 die Kennlinie für die Dicke der Kupferplatte des Kochtopfs mit einem Eisen-Kupfer-Boden in Abhängigkeit von dem Yerlustwiderstand;

Fig. 37 die Kennlinie der Dicke der Kupferplatte als Funktion von der auf den Kochtopf ausgeübten mittleren elektromagnetischen Kraft;

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j Fig. 38 die Kennlinie der Dicke der Kupferplatte in Abhängig- ! keit von dem Verlustwiderstand mit der Erregerfrequai ζ als weiterem Parameter;

j Fig. 39 eine Kennlinie der Frequenzabhängigkeit bei optimaler Dicke;

Fig. 40 die Kennlinie der Dicke der Kupferplatte in Abhängigkeit von der elektromagnetischen Kraft, wobei die Frequenz ein weiterer Parameter ist;

j Fig. 41 die Kennlinie der Frequenzabhängigkeit bei optimaler

j Dicke und bei einer elektromagnetischen Kraft des Wertes Null gemäß Fig. 40;

Fig. 42 eine Kennlinie der Dicke der Kupferplatte in Abhängigkeit von dem Verlustwiderstand und von der Spaltbreite;

Fig. 43 die Kennlinie der Spaltbreite in Abhängigkeit von der optimalen Dicke gemäß Fig. 42;

Pig. 44 die Kennlinie der Dicke der Kupferplatte in Abhängigkeit von der elektromagnetischen Kraft und von der Spaltbreite;

Fig. 45 die Kennlinie der Spaltbreite in Abhängigkeit von der optimalen Dicke bei einer elektromagnetischen Kraft des Wertes Null gemäß Fig. 44;

Fig. 46 die Kennlinie der Dicke der Kupferplatte in Abhängigkeit vom Verlustwiderstand und in Abhängigkeit von der Spulenweite;

Fig. 47 die Kennlinie der Spulenweite in Abhängigkeit von der optimalen Dicke gemäß Fig. 46;

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Pig. 48 die Kennlinie der Dicke der Kupferplatte in Abhängigkeit Ton der elektromagnetischen Kraft und der Spulenweite;

Pig. 49 die Kennlinie der Spulenweite in Abhängigkeit von der optimalen Dicke gemäß Pig. 48 bei einer elektromagnetischen Kraft mit dem Wert UuIl;

Pig.5OA die schematische Ansicht eines Erregers;

Pig.5OB die Seitenansicht eines Erregers in Verbindung mit einem Kochtopf;

Pig.5OC die Draufsicht eines Erregers und

Pig. 51 die Kennlinie des mit dem Testmodell gemäß Figuren 5OA bis 5OC gemessenen Verlustwiderstandes.

In den Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Induktionsheizgerät als Induktionsheizkocher gezeigt, da es sich insbesondere gut als Kocher eignet. Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizkochers ist in den Piguren 1 bis gezeigt, wobei der Erreger 50 in einer Herdplatte 40 angeordnet ist, so daß ein Kochtopf 10 auf der Herdplatte 40 durch Induktion beheizt wird.

Bei dieser Ausführungsform besteht der Erreger 50 aus einem E-förmigen Eisenkern 60 mit drei Magnetpolen 61, 62 und 63 -and mit einer Erregerwicklung 70 um den mittleren magnetischen Pol 62. Die Deckplatte 80 besteht gewöhnlich aus einem nichtmagnetischen Material hoher mechanischer und thermischer Festigkeit und insbesondere aus Edelstahl oder aus einer verstärkten Glasplatte mit einer Dicke von bis au mehreren Millimetern.

Der- Kochtopf 10 -weist eine nicht-magnetische Platte 30 'mit einer hohen Leitfähigkeit (die Leitfähigkeit ist gx-ößsr als beiai ferromagnetischen Material) auf, welche mit. eier Außsn-

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fläche des Bodens 20 des ferromagnetischen Kochtopfs verbunden ist. Zum Beispiel kann eine Kupferplatte oder eine Aluminiumplatte 30 mit einem aus Eisen "bestehenden Kochtopf 20 verbunden sein.

In Pig. 1 ist der Weg des magnetischen Flusses $> durch eine unterbrochene Linie dargestellt. Ferner ist ein Schalter 41 vorgesehen, sowie ein Stecker 42 und eine elektrische Zuleitung 43.

Die Figuren 5 und 6 zeigen den magnetischen Fluß ^ in der Eisenplatte des Kochtopfbodens und den Überstrom oder Wirbelstrom J, welcher in der Kupferplatte durch den magnetischen Fluß induziert wird. Der Kochtopf wird in der Hauptsache durch Joule»sehe Verluste des Wirbelstroms in der Kupferplatte 30 beheizt, so daß das Essen im Kochtopf gekocht werden kann.

Die Figuren 7 bis 9 zeigen den durch den erfindungsgemäßen Kochtopf fließenden magnetischen Fluß im Vergleich zu dem durch einen herkömmlichen Eisenkochtopf oder Kupferkochtopf fließenden magnetischen Fluß. Der Kochtopf 10B in Fig. 7 "besteht aus Eisen, der Kochtopf 10G in Fig. 8 besteht aus Kupfer und der Kochtopf 10 in Fig. 9 umfaßt erfindungsgemäß einen Kupfer-Eisen-Boden.

Im Falle eines Kochtopfes aus Eisen gemäß Fig. 7 fließt ein starker magnetischer Fluß f vom Eisenkern 60 des Erregers zum Kochtopf 10B und kehrt durch den Boden des Kochtopfs zum Eisenkern 60 des Erregers zurück. In diesem Fall bewirkt der durch den Boden des Kochtopfs fließende magnetische Fluß einen Wirbelstrom im Boden, wodurch Wärme durch Joule'sehen Verlust erzeugt wird. Dieser Joule¹sehe Verlust ist jedoch relativ gering, da die Leitfähigkeit des Eisens im Vergleich zu derjenigen von Kupfer und Aluminium gering ist. Die elektromagnetische Kraft zwischen dem Eisenkern 60 und dem Kochtopf 10B führt zu einer Anziehungskraft, wodurch Vibrationen und Geräusche von hohem absolutem Wert verursacht werden.

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Im Falle eines Kochtopfs aus Kupfer oder im Falle eines Kochtopfs aus Aluminium gemäß Fig. 8 verläuft der magnetische Fluß § vom Erreger-Eisenkern 60 zum Kochtopf 100 (und ein Teil verläuft durch den oberen Raum) und dann zurück zum Erreger-Eisenkern 60. Der magnetische Fluß ist recht gering, da das Magnetfeld des durch die Kupferplatte oder Aluminiumplatte 100 fließenden Wirbelstroms eine entgegengesebzte Wirkung ausübt. Kupfer oder Aluminium haben eine hohe Leitfähigkeit, jedoch ist der magnetische Fluß gering. Demgemäß ist ein Kochtopf aus Kupfer oder Aluminium nicht so wirkungsvoll zur Erzeugung von Wärme wie ein Kochtopf aus Eisen. Jedoch ist der absolute Wert der Abstoßungskraft in Bezug auf den Eisenkern 60 relativ gering, so daß keine Bildung von Vibrationen oder Geräuschen auftritt.

Bei dem erfindungsgemäßen Kochtopf gemäß Fig. 9 verläuft der magnetische Fluß f vom Eisenkern 60 durch das unter dem Eisenkoehtopf 20 angebrachte Kupferteil, Aluminium oder Aluminiumteil und sodann durch den aus Eisen bestehenden Bereich 20 und zurück durch das Kupferteil oder Aluminiumteil 30 und zum Erreger-Eisenkern 60. Bei richtiger Wahl der Dicke der Kupferschicht oder der Aluminiumschieht ist der magnetische Fluß gleich oder nur geringfügig kleiner als derjenige bei einem Eisenkochtopf. Da der starke magnetische Fluß durch das gut leitende Metall wie Kupfer oder Aluminium verläuft, kommt es in diesem Bereich zu einem hohen Joule¹ sehen Verlust, so daß der Heizwert des Kochtopfs groß ist. Eine Messung zeigt, daß etwa 95 % des gesamten Heizwertes auf das Vorhandensein dieses zusätzlichen Bauteils zurückgeführt werden können.

Die elektromagnetische Kraft über dem Spalt zwischen dem Eisenkern 60 und dem Kochtopf 10 besteht aus zwei Komponenten. Eine Komponente besteht in der Kraft, welche auf die Grenzfläche des magnetischen Teils 20 des Kochtopfs 10 ausgeübt wird, so daß der Kochtopf durch den Eisenkern 60 angezogen wird. Die andere Komponente ist eine Lorentz-Kraft, welche zwischen dem Wirbelstrom im Kochtopfboden und dem Erregerstrom

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in der Erregerwicklung 70 "besteht. Der Wirbelstrom hat gegenüber dem Erregerstrom eine Phasenverschiebung von 180 °, so daß die Kraft dazu neigt, den Kochtopf 10 hochzuheben. Somit handelt es sich hierbei um eine abstoßende Kraft.

Die Figuren 10 bis 13 zeigen die elektromagnetische Kraft. Die erstere anziehende Komponente erhöht sich proportional zum Quadrat des magnetischen Flusses und ändert sich periodisch mit einer Frequenz welche doppelt so hoch ist wie die Stromfrequenz; bei maximalem und minimalem magnetischen Fluß ist die Anziehungskraft am stärksten. Diese Verhältnisse sind in den Figuren 10 und 11 gezeigt. In diesen Figuren bedeutet I den Erregerstrom und (J) den magnetischen Fluß und die Anziehungskraft ist mit beiden verknüpft.

Die letztere abstoßende Kraftkomponente steigt im wesentlichen proportional zum Quadrat des Wirbelstroms, so daß diese abstoßende Kraft dort am stärksten ist, wo der Wirbelstrom ein Maximum hat und wo der Wirbelstrom und die Anziehungskraft ein Minimum haben. Diese Verhältnisse sind in Fig. 12 dargestellt, wo der Wirbelstrom mit J und die abstoßende Kraft mit F» bezeichnet sind und gegen die Zeit aufgetragen sind. Die gesamte elektromagnetische Kraft ist eine Kombination der Anziehungskraft F₁ und der abstoßenden Kraft Fp. Die zeitmäßige

Änderung dieser Kraft F ist in Fig. 13 gezeigt.

Die gesamte elektromagnetische Kraft F kann als zwei sich überlagernde Kräfte gedeutet werden, deren eine eine statische Kraft ist und deren andere eine alternierende elektromagnetische Kraft ist, deren Frequenz doppelt so hoch ist wie die ! Stromfrequenz. Die statische Kraft (durchschnittliche elektro- ! magnetische Kraft, welche das Mittel der alternierenden elekj tromagnetischen Kraft ist) ist in Fig. 13 durch Fav dargestellt. Wenn die Dicke der Kupferplatte des Kochtopfs gering ist, so ist die anziehende Kraft relativ hoch und die abstoßende Kraft ist relativ gering, In diesem Fall hat die durchschnittliche elektromagnetische Kraft den Charakter einer

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stark anziehenden Kraft. Wenn andererseits die Dicke der Kupferplatte allmählich erhöht wird, so nimmt die anziehende Kraft rasch ab und die abstoßende Kraft nimmt allmählich zu. In diesem Pail nimmt die durchschnittliche elektromagnetische Kraft mit zunehmender Dicke der Kupferplatte rasch ab. Die anziehende Kraft wird geringer und schließt sich bei einer bestimmten Dicke Null, wonach bei weiterer Zunahme der Kupferplattendicke sich eine abstoßende Kraft ausbildet.

Wie oben gezeigt wurde, ist bei dem erfindungsgemäßen Kochtopf die elektromagnetische Kraft stark herabgesetzt und demgemäß sind auch Schwingungen und Geräusche stark verringert. Die Bedeutung der Dicke der Kupferplatte oder der Aluminiumplatte für diesen Effekt wurde erläutert. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Kochtopfs für Anregung mit normaler kommerzieller Frequenz soll im folgenden erläutert werden:

EssoH-da? FaIl eines Eisenkochtopfes mit einer am Boden angebrachten Kupferplatte erläutert werden. Hierbei liegt die Dicke der Kupferplatte bei weniger als 1,7 mm und insbesondere im Bereich von 0,2 - 1,7 mm. In diesem Fall ist der erfindungsgemäße Effekt stark. Eine Dicke von 0,2 - 1,3 mm eignet sich gut für Erreichung einer hohen Heizleistung und eine Dicke von 1,3 - 1,7 mm eignet sich gut für die Herabsetzung der elektromagnetischen Kraft.

Falls am Boden des Eisenkochtopfes eine Aluminiumplatte angebracht ist, ist der erfindungsgemäße Effekt besonders stark, wenn die Dicke der Aluminiumplatte geringer als 2,7 mm ist und insbesondere im Bereich von 0,3 - 2,7 nan liegt. Bei einer Dicke von 0,3 - 2,1 mm ist der thermische Wirkungsgrad besonders groß und bei einer Dicke von 2,1 - 2,7 mm ist die elektromagnetische Kraft herabgesetzt.

Wie bereits ausgeführt, besteht die erfindungsgemäße Aufgabe darin, einen Induktionsheizkocher mit hohem thermischem Wirkungsgrad und mit geringer Schwingung und G-eräuschbildung zu

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schaffen. Dies wird durch die "beschriebene Doppelstruktur mit einer ferromagnetischen Platte, wie z. B. einer Eisenplatte auf der Innenseite des Kochtopfbodens und mit einer Kupferplatte oder Aluminiumplatte gewünschter Dicke an der Außenseite des Kochtopfbodens erreicht. Erfindungsgemäß wird ein Induktionsheizgerät geschaffen, bei dem zwischen dem Erreger und dem magnetischen Element ein durch elektrische Leitung "beheiztes Element vorgesehen ist. Hierdurch wird eine Induktionsheizung mit hohem Wirkungsgrad erreicht.

Im folgenden sollen Terschiedene Modifikationen des erfindungsgemäßen Induktionsheizkochers erläutert werden.

Figur 14 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsge- j mäßen Induktionsheizkochers. In dieser Figur 14 "bedeutet das I Bezugszeichen 20 ein magnetisches Element, wie z. B. eine Eisenplatte. Bei dieser Ausführungsform "befindet sich das magnetische Element 20 am Boden des Kochers 30, welcher aus Aluminium oder Kupfer oder einem anderen elektrisch leitfähigen Metall besteht. Zum Beispiel kann die Eisenplatte' eine Dicke von mehr als 1 mm haben.

Figur 15 zeigt eine weitere Ausf iüirungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizkochers. Bei dieser Ausführungsform befindet sich eine Eisenplatte 20 auf der Innenseite des Kochtopfs 10. Diese Eisenplatte ist in ihrer Ausdehnung auf den Pfad des magnetischen Flusses beschränkt, so daß das Gewicht des Kochtopfes herabgesetzt ist. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 14 und 15 kann die Eisenplatte 20 auf der Innenseite des Kochtopfes durch Verschweißen einstückig mit der Kupferplatte 30 verbunden sein oder getrennt von dieser angeordnet und mit ihr verbunden sein. Ein herkömmlicher Kupferoder Aluminium-Kochtopf kann durch Verwendung der Eisenplatte 20 unter Ausbildung des srfindungagemäßen Kochtopfes modifiziert werden.

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Gemäß Fig. 16 kann das magnetische Element 20 mit einer geeigneten Membran 21, z. B. mit einer Polytetrafluoräthylen-Beschichtung oder einer Email -Beschichtung versehen sein, so daß der Kochtopf unter hygienischen Gesichtspunkten einwandfrei und für die Nahrung unschädlich ist.

Figur 17 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizkochers. Hierbei befindet sich ein Eisenelement 20 im Inneren des Bodens des Kochtopfes 30, welcher aus Aluminium besteht. Das Aluminiumteil 31 ist an der Oberseite der Eisenplatte vorgesehen und hat keine elektrische Punktion. Es schützt und dichtet die Eisenplatte 20 jedoch nach außen ab, so daß der Kochtopf ein gutes und sauberes Aussehen hat.

Figur 18 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizgerätes, wobei das Bezugszeichen 20 einen Kochtopf aus ferromagnetische!)! Material (Eisen) bezeichnet und wobei das Bezugszeichen 30 eine obere leit-rfähige Platte (hochleitendes Element) bezeichnet und wobei die Bezugszeichen 80 und 82 Halterungen für die obere Platte 30 bedeuten. Diese Ausführungsform entspricht in etwa derjenigen der Figur 2, wobei jedoch die Eisenwandung des Kochtopfes 20 von der leitfähigen PHatte 30 getrennt ist. Der bei dieser Ausführungsform verwendete Kochtopf ist ein herkömmlicher Kochtopf.

Das Heizgerät 40 umfaßt einen Erreger 50 mit einem Eisenkern 60 und einer Wicklung 70.

Die obere leitfähige Platte 30 hat die gleiche Funktion wie die äußere Kupferwandung 30 gemäß Fig. 2, so daß in dieser Platte Wärme erzeugt wird, lei dieser Ausführungsform kann sich ein geringer mechanischer Zwischenraum (0-0,5 mm) zwischen der oberen Platte 30 und dem Koohtopf 20 bilden. Die Ströme im Inneren des aus Eisen bestehenden Kopf topf es 20 und in der oberen leitfähigen Platte 30 verlaufen lediglich in horizontaler Richtung und nicht vertikal zur Grenzfläche zwischen

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dem Kochtopf 20 und der oberen leitfähigen Platte 30. Daher ist auch "bei dieser Aus fuhrungs form der Heizwert sehr hoch und wird nicht durch die Tatsache beeinträchtigt, daß eventuell sich ein schmaler Spalt durch Rostbildung zwischen dem Kochtopf 20 und der oberen leitfähigen Platte 30 oder durch unsachgemäße Bearbeitung derselben bildet. Die Halterungen 80, 82, welche mit der oberen leitfähigen Platte 30 verbunden sind, haben zusätzlich die Funktion einer Aufnahmerille für aus dem Kochtopf überlaufender Flüssigkeit. Ferner absorbiert die Halterung eine Ausdehnung der oberen leitfähigen Platte 30 in horizontaler Richtung durch thermische Expansion oder durch thermische Deformation. Die radiale Dehnung der oberen leitfähigen Kupferplatte mit einem Außendurchmesser von 220 mm beträgt bei 180 ⁰C lediglich etwa 0,3 mm.

Figur 19 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform, j

wobei die obere leitfähige Platte 30 mittig mit dem Mittelbereich des Eisenkerns 60 bei 81 verbunden ist. Die peripheren Bereiche der oberen leitfähigen Platte 30 und die peripheren Bereiche des Eisenkerns 60 stehen nicnt in Kontakt. Der periphere Bereich der oberen leitfähigen Platte 30 ist einstückig mit einem Ring 82 verbunden. Wenn die obere leitfähige Platte 30 sich durch Wärmedeformation ausdehnt, so wird eine Deformation der oberen leitfähigen Platte 30 in vertikaler Richtung dadurch verhindert, daß die Halterungen 81 für die obere leitfähige Platte eine geringe Starrheit haben. Sie nehmen dann die durch die gestrichelte Linie A gezeigte Position ein. Der Erreger 50 besteht aus einem Eisenkern 60 und aus einer Wicklung 70.

Wie bereits erwähnt, wird mit dieser Ausfuhrungsform ein Induktionsheizgerät zum Erhitzen eines Kochtopfes oder dgl. geschaffen, welcher aus magnetischem Material, z. B. aus Eisen, besteht. Die Heizung erfolgt durch Induktion mit einem hohen Koeffizienten.

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Eine weitere Ausführungsform ist in den Figuren 20 Ms 22 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind vier magnetische Pole 61 Ms 64 des EisenkeriB 60 vorgesehen. Sie erstrecken sich durch die obere Platte 80 der Heizplatte 40 und liegen an der Oberfläche frei, so daß sie den Boden des Kochtopfes 10 mit der magnetischen Platte 20 und der leitfähigen Platte 30 direkt

beberühren. Auch hier/steht der Erreger 50 aus dem Eisenkern 60 und der Spule 70. Bei dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen dem Eisenkern 60 und dem Kochtopf 10 entsprechend der Dicke der oberen Platte 80 verringert, so daß der thermische Wirkungsgrad erhöht wird.

Figur 23 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung teilweise im Schnitt. Es ist ein Behälter aus nichtmetallischem Material 90, wie z. B. ein Porzellan-Teetopf, vorgesehen. In diesem befinden sich ein Heizelement 10 am Boden des Gefäßes 90, bestehend aus einer Eisenplatte 20 und einer Kupferplatte 30, welche mit der Eisenplatte 20 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform wird das Heizelement 10 durch den Boden des nicht-metallischen Gefäßes 90 induktiv aufgeheizt, wodurch der Inhalt des Gefäßes 90 erhitzt wird. Erfindungsgemäß wird somit ein Kocher zum induktiven Beheizen eines nicht-metallischen Gefäßes, z. B. aus wärmefestem Glas oder Porzellan oder dgl., geschaffen. Diese Gefäße halten die Wärme sehr gut und sie sind sehr hygienisch. Die Figuren 24 und 25 zeigen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, Gemäß Fig. 24 ist das Heizelement 10, bestehend aus einer Kupfer-Eisen-Platte, im Innern des Bodens des Gefäßes 90 vorgesehen. Gemäß Fig. 25 ist das Heizelement 10 auf der Unterseite des Bodens des Gefäßes 90 vorgesehen. Figur 26 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsheizgerätes, wobei ein Heizelement 10 innerhalb des Gefäßes 90 durch Halterungen 91 aus isolierendem Material oder aus einem magnetischen Element gehalten wird. Hierbei tenn der Inhalt des Gefäßes 90 erhitzt werden, ohne daß das Heizelement 10, welches aus den Platten 20 und 30 besteht, in direkte Berührung mit dem Gefäß 90, welches eine geringe Wärmefestigkeit hat, kommt.

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Theoretische Analyse:

Im folgenden soll die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Induktionsheizgerätes analysiert werden. Es wird die Beziehung zwischen der Dicke des.hochleitenden Elementes (Kupferplatte oder Aluminiumplatte am Boden eines Eisentopfes) und der Wärmezahl bzw. der auf den Kochtopf ausgeübten elektromagnetischen Kraft untersucht werden, so daß die optimale Dicke des hochleitenden Elementes bestimmt werden kann. Das elektromagnetische Phänomen des Induktionsheizgerätes ist ähnlich demjenigen eines Transformators. Die Erregerwicklung wird als primäre Wicklung angesehen und der Kochtopf wird als sekundäre Wicklung angesehen. Demgemäß kann ein Vektordiagramm gemäß Pig. 27 ähnlich wie bei einem Transformator herangezogen werden. Der magnetische Fluß f, wird durch den Erregerstrom I bestimmt und die Spannung E wird bei Änderung des magnetischen Flusses

0 in der Zeit im Kochtopf induziert. In der Primärwicklung wird eine Spannung E induziert, welche die gleiche Phase hat wie E . Durch den Kochtopf fließt ein elektrischer Strom

• P t Λ

1 , welcher sich durch Division von E durch Z ergibt, wobei Z = X + 3 X gilt.(Das Symbol T bezeichnet den Verlustwiderstand des Kochtopfes und das Symbol X bezeichnet die Äquivalentreaktanz oder "Vfclustreaktanz des Kochtopfes.) Zur Auslöschung des durch den Strom I bewirkten magnetischen Flusses wird durch die Primärwicklung ein elektrischer Strom I mit umgekehrter Phase geschickt. Demgemäß fließt durch die Primär-

wicklung ein zusammengesetzter Strom Ί._Λ , bestehend aus I und I Somit liegt am Anschluß der Primärwicklung eine Spannung V₁ an, welche sich aus Έ_& und dem durch den primärseitigen Widerstand \χΛ und durch den iTebenschlußwiderstand [X₁"] bewirkten Spannungsabfall zusammensetzt.

Figur 28 zeigt ein äquivalentes Schaltbild, welches dem Vektordiagramm entspricht, wobei N die Zahl der Windungen in der Primärwicklung angibt. Der Verlustwiderstand # kann durch folgende Gleichung dargestellt werden:

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(at)²

wobei W den Heizwert (Watt) bezeichnet und wobei at die Erreger-Ampere-Windungen bezeichnet. Demgemäß bezeichnet TT den Heiz-[- -ι Ρ

AT] .

Gemäß dem Äquivalentschaltbild der Fig. 28 kann die Wärmezahl £ des Induktionsheizgerätes durch folgende Gleichung dargestellt werden:

x 100

Demgemäß sind der Widerstand X* der Erregerwicklung auf der Primärseite und der Verlustwiderstand χ im Kochtopf die wichtigsten Faktoren, welche die Wärmezahl des Induktionsheizgerätes bestimmen.

In vorliegender Betrachtung wird der Kernverluststrom vernachlässigt. Wenn jedoch die Spule auf einen Eisenkern gesetzt wird, so kann in manchen Fällen der Kernverluststrom nicht vernachlässigt werden. In diesem Fall ist X * die Summe des ■Spulenwiderstandes und des dem Kernverlust entsprechenden Widerstandes. Aus obiger Betrachtung ergibt sich, daß die Wärmezahl des Induktionsheizgerätes durch Messung des Verlustwiderstandes χ, des Kochtopfes bestimmt werden kann.

Ferner ist die zwischen dem Kochtopf und dem Erreger bestehende elektromagnetische Kraft ein wesentlicher Faktor für die Beurteilung des Induktionsheizgerätes. Diese elektromagnetische Kraft soll im folgenden analysiert werden. Der Äquivalent-Widerstand χ des Kochtopfes und die elektromagnetische Kraft F, welche auf den Kochtopf ausgeübt wird, hängen von folgenden Faktoren ab:

(a) Dem Material und der Dicke der hochleitfähigen Platte des Kochtopfes;

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(b) dem Abstand zwischen dem Kochtopf und der Eisenplatte (Spaltweite);

(c) der Gestalt des Eisenkerns (Spulenweite); und

(d) der Frequenz des Erregerstroms.

Figur 29 zeigt einen Schnitt durch ein praktisches Modell zur Analyse verschiedener Parameter. Der Kochtopf hat einen Durchmesser von etwa 150 - 250 mm und die Dicke der Eisenplatte 20 des Innenbodens des Kochtopfes beträgt etwa 1,0 - 3,0 mm. Die optimale Dicke d_ß der Kupferplatte 30 am Boden des Kochtopfes soll bestimmt werden. Der spezifische Widerstand ^ der Kupferplatte beträgt 1,72 u.U.-cm. Der Abstand zwischen dem Boden des Kochtopfes 10 und der Polfläche des Eisenkerns 60 (Spaltweite) wird mit g bezeichnet. Dieser Abstand variiert zwischen 0 - 10 mm.

Die Spulenweite der Erregerwicklung 70, welche um den Eisenkern 60 gewunden ist, ist mit TV bezeichnet. Die folgenden verschiedenen Arten von Eisenkernen und Erregerwicklungen können eingesetzt, werden, wobei jeweils die äquivalente Spuienweite folgendermaßen bestimmt wird. Figur 30 zeigt einen Eisenkern vom Quadrattyp mit drei Polen und mit einer Ε-Gestalt, wobei die Spulenweite TV der Abstand zwischen den beiden Punkten der halben Wicklungsdicke ist. Figur 31 zeigt einen quadratischen Eisenkern mit zwei Polen und mit C-Gestalt ( 3 -Gestalt). Die Spulenweite Tc ist der Abstand zwischen den Mittei-punkten der beiden magnetischen Pole (Abstand entsprechend der halben Spulenlänge). Die Abmessung des quadratischen Eisenkerns gemäß den Figuren 30 und 31 beträgt etwa 150 - 220 mm.

Figur 32 zeigt einen kreisförmigen Eisenkern mit einer Ringwicklung 70 in einer ringförmigen Ausnehmung. Die Spulenweite TV. ist der Durchmesser eines Kreises in der halben Dicke der Ringwicklung 70. Der Außendurchmesser des kreisförmigen Eisenkerns ist etwa 150 - 200 mm.

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Figur 33 zeigt einen Eisenkern mit vier Polsektoren, wobei die Spulenweite TV gleich, dem Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Magnetpole entlang dem Kreis ist, welcher durch die halbe radiale Dicke des Magnetpols des Eisenkerns verläuft (oder gleich dem Abstand zwischen den Mitten benachbarter Schlitze). Der Außenradius der Eisenkernsektoren beträgt etwa 150 - 220 mm. Die oben definierten Spulenweiteri A, sind äquivalent zueinander, obgleich die Gestalt der Eisenkerne verschieden ist.

Figur 34 zeigt ein Modell für die Durchführung der Berechnung. Hierbei handelt es sich um eine Modifikation des praktischen Modells gemäß Figuren 29 "bis 33 für die Zwecke der theoretischen Analyse. In Figur 34 ist die Länge des Eisenkerns durch bezeichnet. Der iquivalentwiderstand oder Yerlustwiderstand γ" des Kochtopfes und die elektromagnetische Kraft F, welche auf den Kochtopf ausgeübt wird (pro 1 Ampere-Wicklung), kann aus den Maxwell'sehen Gleichungen für die Modelle berechnet werden. Die Gleichung ist kompliziert und umfaßt eine Integralfunktion. Demgemäß soll eine detaillierte Beschreibung der Berechnung unterbleiben. Es werden lediglich die Berechnungsergebnisse, welche mit einem Großcomputer gewonnen wurden, dargestellt.

(A) Bereich der Dicke der Kupferplatte im Bezugsmodell

Die Parameter des Standard-Modells sind nachstehend zusammengestellt. Diese Parameter sind allgemein in Fig. 35 gezeigt, welche der Fig. 34 entspricht. Die Tabellenwerte beziehen sich auf Fig. 35A.

Spaltbreite g = 5 mm

Spulenweite K= 80 mm

Spulenbreite 6 ~ 40 mm

Eisenkernlänge 1 = 120 mm

Erregerfrequenz f = 60 Hz

ferromagnetisches Element Eisen (2 mm Dicke,

Permeabilität p_r=5000)

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nicht-magnetisches hochleitfähiges Element Kupfer (Dicke d_c ).

Figur 36 zeigt die Kennlinie des Äquivalenzwiderstandes des Kochtopfes bei Erregung des Bezugsmodells mit 60 Hz. In Figur 36 bezieht sich die Kurve (a) auf einen Kupfer-Eisen-Kochtopf gemäß vorliegender Erfindung und auf der Abszisse ist die Dicke der Kupferplatte ä~ aufgetragen. In diesem Modell beträgt die Dicke der Eisenplatte 2 mm. Wenn die Dicke der Eisenplatte größer als etwa 1 mm ist, so bewirkt eine Änderung der Dicke keine Änderung des Äquivalentwiderstandes. Die Permeabilität der Eisenplatte u. beträgt 5000.

Die Kurve (b) bezieht sich auf einen Eisenkochtopf als Vergleichsbeispiel und auf der Abszisse ist die Dicke der Eisenplatte aufgetragen. Die Kurve (c) bezieht sich auf einen Eisenkochtopf mit einer Permeabilität von μ_Γ = 500 als Vergleichsbeispiel. Die Permeabilität ρ = 500 wird als minimale Permeabilität angesehen und die Permeabilität von 5000wird als maximale Permeabilität für die erhältlichen Eisenplatten angesehen. Der Äquivalentwiderstand für die herkömmlichen Eisenkochtöpfe liegt zwischen den Kurven (b) und (c). Die Kurve (d) bezieht sich auf einen Kupferkochtopf als Vergleichsbeispiel und die horizontale Achse zeigt die Dicke der Kupferplatte. Wenn die Permeabilität des Eisens im Kupfer-Eisen-Kochtopf p_r = 500 ist (nicht in der Zeichnung dargestellt), so ist der Äquivalentwiderstand des Kochtopfes, dessen Kupferplatte die Dicke Null hat, im wesentlichen gleich dem äquivalenten Widerstand bei einem Kochtopf, dessen Kupferplatte eine hohe Dicke hat (mehr als 2mm) und eine Permeabilität ρ = 500 und der Äquivalentwiderstand des Teils mit der Dicke der Kupferplatte von etwa Null isthoch. Jedoch ist der Äqulvalent.widerstand des anderen Teils im ves entlichen gleich der Kurve (a).

Aus den charakteristischen Kurven kann man die folgenden Tatsachen ableiten:

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(1) Wenn bei einem Eisenkochtopf die Permeabilität hoch ist, so ist der Äquivalentwiderstand im wesentlichen im Falle einer Dicke von mehr als 1 mm konstant. Wenn die Permeabilität gering ist, so ist der IquivalentWiderstand im Falle einer Dicke von mehr als 2 mm im wesentlichen konstant..

(2) Im Falle eines Kupferkochtopfs ist der Äquivalentwiderstand geringer als im Falle eines Eisenkochtopfes und im wesentlichen gleich demjenigen eines Eisenkochtopfes mit minimalem Äquivalentwiderstand.

(3) Bei dem erfindungsgemäßen Kupfer-Eisen-Kochtopf kann eine höherer Äquivalent-Widerstand ")f als bei dem Eisenkochtopf erreicht werden. Wenn die Dicke der Kupferplatte im Bereich von

^{0 <d}Cu - ¹'⁷ - ⁽¹⁾

liegt, so ist der Äquivalentwiderstand des Kupfer-Eisenkochtopfes gleich oder größer als der maximale Äquivalentwiderstand des Eisen-Kochtopfes, Insbesondere wenn die Dicke der Kupferplatte im Bereich von

liegt, so ist der Äquivalentwiderstand des Kupfer-Eisenkochtopfes höher als der maximale Äquivalentwiderstand des Eisen-Kochtopfes. Wenn die Dicke der Kupferplatte im Bereich von

0,1 < d_Cu< 0,6 (3)

und insbesondere im Bereich von

0,2 ^ d_Cu< 0,4 (4)

liegt, so hat der Äquivalentwiderstand einen Spitzenwert, welcher größer als der Maximal-Äquivalentwiderstand des Eisenkochtopfes ist. Das Maximum des Äquivalentwiderstandes

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liegt "bei einer Dicke von

^dCu = °'³ (5).

Dieses Maximum entspricht etwa dem 2,4-fachen des maximalen Aquivalentwiderstandes eines Eisenkochtopfes und etwa dem 6-fachen des maximalen Äquivalentwiderstandes eines Kupferkochtopfes.

! Der maximale Aquivalentwiderstand des Kupfer-Eisen-Kochtopfes ! und die optimale Dicke der Kupferplatte hängen im wesentlichen nicht von der Dicke und der Permeabilität des EisentejLs ab.

; Figur 37 zeigt die Abhängigkeit der Dicke der Kupferplatte : vom Zeitmittel der elektromagnetischen Kraft F (pro 1-Ampere- \ Windung) für den Fall des Kochtopfes.

(1) Die auf den Eisenkochtopf ausgeübte elektromagnetische Kraft ist eine starke Anziehungskraft, und sie ist im wesentlichen konstant, wenn die Dicke der Kupferplatte größer als etwa 1 mm ist.

(2) Die abstoßende Kraft (Schwebekraft), welche auf den Kupferkochtopf ausgeübt wird, ist um eine Größenordnung geringer als diejenige, welche auf den Eisenkochtopf ausgeübt wird.

(3) Die Anziehungskraft auf den Kupfer-Eisen-Kochtopf nimmt mit zunehmender Dicke der Kupferplatte stark ab. Bei weiterer Erhöhung nimmt die elektromagnetische Kraft den Wert Null an und schließlich wird sie zur abstoßenden Kraft, wenn die Dicke noch weiter erhöht wird.

Wenn die Dicke der Kupferplatte im Bereich von

i,5 (6)

liegt, so besteht eine Anziehungskraft. Diese ist jedoch geringer als die Anziehungskraft im Falle des Eisenkochtopfes.

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Insbesondere wenn die Dicke im Bereich von

1,3 < d_Ou<1,5 (7)

liegt, so ist die elektromagnetische Kraft geringer als die Schwerkraft, welche auf den Kochtopf ausgeübt wird und das Vibrationsgeräusch ist gering. Wenn darüber hinaus die Dicke der Kupferplatte im Bereich von

1.5 < d_Cu < 1,7 (8)

liegt, so liegt eine geringe abstoßende Kraft vor. Diese ist jedoch geringer als die Schwerkraft des Kochtopfes. Daher wird j der Kochtopf nicht in der Schwebe gehalten und das Vibrationsgeräusch ist gering. Demgemäß kann man unter dem Gesichtspunkt j der elektromagnetischen Kraft feststellen, daß bei einer Dicke i

der Kupferplatte im Bereich von

0 < d_Cu < 1,7 (9)

die Erfindung äußerst effektiv ist. Insbesondere bei einem Bereich von

1,3<d_Cu<1,7 (10)

ist das Vibrationsgeräuseh stark herabgesetzt. Wenn

ist, so ist die durchschnittliche elektromagnetische Kraft Mull 'und das Vibrationsgeräusch hat ein Minimum.

Der Grund dafür, daß die durchschnittliche elektromagnetische Kraft so stark mit der Zunahme der Dicke der Kupferplatte abnimmt, liegt in der raschen Abnahme der Anziehungskraft auf die Eisenplatte und in der allmählichen Zunahme der abstoßenden Kraft, welche in der Hauptsache auf die Kupferplatte ausgeübt

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wird. Betrachtet man die auf den Kochtopf ausgeübte alternierende elektromagnetische Kraft, so ist sowohl der jeweilige Durchschnittswert als auch der Absolutwert desselben recht gering und auch die Geräuschbildung und Vibration des Kochtopfes ist sehr gering.

Wenn man nun die Lehren der Figuren 36 und 37 kombiniert, so kommt man unter dem Gesichtspunkt einer möglichst großen Erhöhung des Äquivalentwiderstandes und einer möglichst großen Verringerung der elektromagnetischen Kraft zu dem Schluß, daß der erfindungsgemäße Effekt dann am größten ist, wenn die Dicke der Kupferplatte im Bereich von

0 <dO,7nn (12)

und insbesondere im Bereich von

0,2 <d ^ 1,7 mm (13)

liegt. Unter dem Gesichtspunkt eines hohen Äquivalentwiderstandes ist ein Bereich von

0.2 ^ Cl_01x £1,3 (H)

und insbesondere von

0,2 £ d^ £ 0,4 (15)

bevorzugt. Unter dem Gesichtspunkt einer möglichst geringen elektromagnetischen Kraft ist ein Bereich von

bevorzugt (außer dem Bereich einer hohen elektromagnetischen Kraft).

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Die Dicke der Kupferplatte im Maximum des Äquivalentwiderstandes fällt nicht mit der Dicke der Kupferplatte im Ifull-Punkt der elektromagnetischen Kraft zusammen. Wenn die Dicke der Kupferplatte 0,3 mm beträgt, und ein maximaler Äquivalentwiderstand vorliegt, so ist die elektromagnetische Kraft etwa halb so groß wie bei einem Eisenkochtopf. Wenn die Dicke der Kupferplatte 1,5 mm beträgt, so daß die elektromagnetische Kraft Null ist, so ist der Äquivalentwiderstand etwas größer als der maximale Äquivalentwiderstand eines Eisenkochtopfes. Aus der Beschreibung der Kennlinien der Figuren 36 und 37 wird klar, daß der erfindungsgemäße Kochtopf 10 einem herkömmlichen Eisenkochtopf oder Kupferkochtopf überlegen ist.

Diese Figuren zeigen wie man am besten die Dicke der Kupferplatte des Kupfer-Eisen-Kochtopfes gemäß vorliegender Erfindung ändert und wie man am besten die Dicke von anderen hochleitfähigen Platten ändert.

(B) Frequenzabhängigkeit der erwünschten Dicke der Kupferplatte

Es muß untersucht werden, in welcher Weise die wünsehbare Dicke der Kupferplatte bei einer Änderung der Frequenz geändert werden muß. Diese Berechnung wird durchgeführt, indem man bei dem Standardmodell der Fig. 35A lediglich die Frequenz ändert. Zunächst soll die Frequenzabhängigkeit des Äquivalentwiderstandes betrachtet werden. Figur 38 zeigt die Kennlinie des Äquivalentwiderstandes Y (Ji-O-) in Abhängigkeit von der Dicke der Kupferplatte d_ß (mm), wobei die Frequenz f (Hz) als Parameter dient. Man erkennt, daß der Äquivalentwiderstand mit zunehmender Frequenz steigt und daß die cptimale Dicke der Kupferplatte, an welcher der Äquivalentwiderstand ein Maximum hat, mit steigender Frequenz abnimmt.

Figur 39 zeigt die Kennlinie für die optimale Dicke der Kupfer platte (bei maximalem Äquivalentwiderstand) in Abhängigkeit von der Frequenz. Diese Kurve kann aus der Fig. 38 abgeleitet werden. Es ist klar, daß die optimale Dicke sieh umgekehrt

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proportional zur Frequenz verhalt. Demgemäß (vie auch aus Fig.38 hervorgeht) ist die erwünschte Dicke der Kupferplatte unter dem Gesichtspunkt des Äquivalentwiderstandes im wesentlich umgekehrt proportional der Frequenz.

Im folgenden soll nun die Frequenzabhängigkeit der elektromagnetischen Kraft betrachtet werden. Figur 40 zeigt eine. Kennlinienschar der elektromagnetischen Kraft gegenüber der Dicke der Kupferplatte, wobei die Frequenz f(Hz) als Parameter vorgesehen ist. Man stellt fest, daß die elektromagnetische Kraft mit zunehmender Frequenz abnimmt, und daß die optimale Dicke der Kupferplatte für eine elektromagnetische Kraft des Werts Null mit zunehmender Frequenz abnimmt.

Figur 41 zeigt die Kennlinie der optimalen Dicke der Kupferplatte für den Fall, daß die elektromagnetische Kraft den Wert Null hat in Abhängigkeit von der Frequenz. Diese Kurve wird aus der Fig. 40 abgeleitet. Aus dieser Kurve ergibt sich klar, daß die optimale Dicke der Kupferplatte ebenfalls umgekehrt proportional der Frequenz ist. Demgemäß ist unter dem Gesichtspunkt der elektromagnetischen Kraft die wünschbare Dicke der Kupferplatte im wesentlichen umgekehrt proportional der Frequenz .

(C) Abhängigkeit der erwünschten Dicke der Kupferplatte von der Spaltbreite

Im folgenden soll nun untersucht werden, in welchem Maße die erwünschte Dicke der Kupferplatte bei einer Änderung der Spaltbreite zwischen dem Boden fes Kochtopfes und der Polfläche des Erreger-Eisenkerns verändert werden muß. Die Berechnung wird durchgeführt, wobei lediglich die Spaltbreite bei dem Standardmodell der Fig. 35B variiert wird. Die Frequenz beträgt 60 Hz.

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Figur 42 zeigt die Kennlinien des Äquivalentwiderstandes in Abhängigkeit von der Dicke der Kupferplatte, wobei die Spaltbreite g(mm) als Parameter dient. Man erkennt, daß der Äquiva-1entwiderstand bei zunehmender Spaltbreite abnimmt und daß die optimale Dicke bei zunehmender Spaltbreite zunimmt.

Figur 43 zeigt die Kennlinie der optimalen Dicke der Kupferplatte in Abhängigkeit von der Spaltbreite. Diese Kurve wird aus der Kurve der Pig. 42 abgeleitet. Man erkennt, daß die optimale Dicke proportional der Spaltbreite ist. Demgemäß (dies ergibt sich auch aus Pig. 42) erhöht sich unter dem Gesichtspunkt des Äquivalentwiderstandes die erwünschte Dicke der Kupferplatte im wesentlichen proportional zur Spaltbreite.

Im folgenden soll die Abhängigkeit der elektromagnetischen Kraft von der Spaltbreite betrachtet werden. Pig. 44 zeigt die Kennlinien der elektromagnetischen Kraft in Abhängigkeit von der Dicke der Kupferplatte. Man stellt fest, daß die elektromagnetische Kraft abnimmt und daß die optimale Dicke der Kupferplatte für den Pail einer elektromagnetischen Kraft des Wertes Null abnimmt wenn die Spaltbreite zunimmt.

Figur 45 zeigt die Kennlinie der optimalen Dicke der Kupferplatte im Falle einer elektromagnetischen Kraft des Wertes UuIl in Abhängigkeit von der Spaltweite. Diese Kurve ergibt sich aus Fig. 44. Die der Kurve der Fig. 45 entsprechende Funktion wird folgendermaßen berechnet. Die optimale Dicke im Falle einer elektromagnetischen Kraft des Wertes Null ist im wesentlichen proportional zu dem folgenden Ausdruck:

[exp ( - f ) + 1,4]

wobei die Spaltweite mit g bezeichnet wird. Demgemäß ist entsprechend Fig. 44 die erwünschte Dicke der Kupferplatte unter den Gesichtspunkten der elektromagnetischen Kraft im wesentlichen proportional zu dem Ausdruck:

3 0 9 8 A 7/0 415

[exp ( - § ) + 1,4]

(P) Abhängigkeit der erwünschten Dicke der Kupferplatte von der Spulenweite

Im folgenden soll betrachtet werden, in velcher Weise die erwünschte Dicke der Kupferplatte in Abhängigkeit von der Spülenweite geändert werden muß. Die Berechnung wird für den Pail durchgeführt, daß lediglich die Spulenweite TV (mm) für das Standardmodell gemäß Fig. 35C geändert wird, während die Frequenz bei 60 Hz konstant gehalten wird. Zunächst soll die Abhängigkeit des Äquivalentwiderstandes von der Spulenweite untersucht werden. Figur 46 zeigt die Kennlinie des Äquivalentwiderstandes in Abhängigkeit von der Dicke der Kupferplatte, wobei die Spulenweite T\,(mm) als Parameter dient. Man stellt fest, daß im Bereich einer großen Dicke der Kupferplatte der Äquivalentwiderstand mit zunehmender Spulenweite abnimmt, während im Falle einer geringen Dicke der Kupferplatte der Äquivalentwiderstand mit zunehmender Spulenweite- zunimmt. Man stellt fest, daß die optimale Dicke für einen maximalen Äquivalentwiderstand bei zunehmender Spulenweite abnimmt.

Figur 47 zeigt die Kennlinie der optimalen Dicke der Kupferplatte in Abhängigkeit von der Spulenweite. Diese Kurve kann aus Fig. 46 abgeleitet werden. Man erkennt, daß die optimale Dicke umgekehrt proportional dem Quadrat der Spulenweite ?V ist. Demgemäß (wie auch aus Fig. 46 ersichtlich) ist die erwünschte Dicke unter dem Gesichtspunkt des Äquivalentwiderstandes im wesentlichen umgekehrt proportional dem Quadrat der Spulenweite.

Im folgenden soll die Abhängigkeit der elektromagnetischen Kraft von der Spulenweite untersucht werden.

Fig. 48 zeigt die Kennlinie der elektromagnetischen Kraft in Abhängigkeit von der Dicke der Kupferplatte, wobei die Spulenweite als Parameter dient. Die elektromagnetische Kraft

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nimmt mit zunehmender Spulenweite ab. Die optimale Dicke für den Pail einer elektromagnetischen Kraft des Wertes Muli nimmt mit zunehmender Spulenweite ab.

Figur 49 zeigt die Kennlinie der optimalen Dicke für den Fall einer elektromagnetischen.Kraft des Wertes 2TuIl in Abhängigkeit von der Spulenweite. Diese Kurve wird aus Pig. 48abgeleitet. Man stellt fest, daß die optimale Dicke umgekehrt proportional der Spulenweite mit einer Potenz von 0,85 (TV, * ) ist. Demgemäß, wie aus Pig. 48 auch hervorgeht, ist die erwünschte Dicke unter dem Gesichtspunkt der elektromagnetischen Kraft im wesentlichen umgekehrt proportional der Spulenweite der Potenz 0,85.

(E) Abhängigkeiten der erwünschten Dicke der Kupferplatte von der Frequenz, der Spaltbreite und der Spulenweite

Die oben wiedergegebenen Gesamtergebnisse zeigen die folgenden Tatsachen an. Die optimale Dicke bei maximalen Äquivalentwiderstand oder dgl. ist im wesentlichen -umgekehrt proprotional der Frequenz und im wesentlichen proportional der Spaltbreite und im wesentlichen umgekehrt proportional der Spulenweite.

Die optimale Dicke bei einer durchschnittlichen elektromagnetischen Kraft des Wertes Null ist im wesentlichen umgekehrt propor-tional der Frequenz und im wesentlichen proportional

dem Ausdruck fexp (- ·§ ) + 1,4] , für die Spaltweite und im

0 8 wesentlichen umgekehrt proportional dem Ausdruck K ' für die Spulenweite.

Gemäß dem Standardmodell liegt die erwünschte Dicke der Kupferplatte in dem durch die Beziehungen (12) - (16) wiedergegebenen Bereich. Wenn diese Faktoren berücksichtigt werden, so kann die erwünschte Dicke der Kupferplatte in den nachstehenden Bereichen ausgewählt werden, wobei die folgenden Ausdrücke verwendet werden:

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	α =s	60	5 *	80²	1	•	80°	,85
		f *		Tv,2	1		* TV-O	,85
und	60		( -			A
Q	f	\|exp		K) +
P *=	[exp	*¥ ⁺*

(17)

(18)

Wenn die Dicke der Kupferplatte d_G im Bereich von

0<d_Cu < 1,7ß (19)

ist, so ist die vorliegende Erfindung wirksam. Wenn, außer im Bereich hoher elektromagnetischer Kraft, die Dicke der Kupferplatte d_c im Bereich

0,2a < d_Cu C i,7ß (20)

liegt, so zeigt die vorliegende Erfindung eine hohe Wirksamkeit. Wenn unter dem Gesichtspunkt eines hohen Äquivalentwiderstandes die Dicke der Kupferplatte im Bereich von

0,2a < d_Cu < 1,3ß (21)

liegt und insbesondere im Bereich von

! 0,2a < d_Gu < 0,4a (22)

so ist der Effekt,der mit vorliegender Erfindung erzielt wird, "bemerkenswert. Unter dem Gesichtspunkt einer geringen elektromagnetischen Kraft werden bei einer Dicke der Kupferplatte im Bereich von

1,3ß < d_Gu < 1,7ß (23)

bemerkenswerte Ergebnisse mit vorliegender Erfindung erzielt.

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(F) Erwünschte Picke einer Aluminiumplatte oder eines anderen hochleitfahigen Materials

Vorstehend wurde das Modell eines Eisenkochtopfs mit einer Kupferplatte am Boden beschrieben. Wenn jedoch eine Aluminiumplatte oder eine andere hochleitfähige Platte anstelle der

j Kupferplatte eingesetzt wird, so ergeben sich aufgrund theoretischer Berechnungen und experimenteller Untersuchungen ähnliche Ergebnisse. Fun sollen die spezifischen Widerstände und

j die Dicken der Kupferplatte und der Aluminiumplatte und einer allgemeinen nicht-magnetischen hochleitfahigen Platte mit Pp , d_G ;>,-,, d.-, und ;™, d™ bezeichnet werden. Die Bezie-

j hungen, welche in den Figuren 36 bis 49 dargestellt sind, j gelten ohne Änderung auch gemäß der folgenden Gleichung

Dies bedeutet, daß die horizontale Achse (Dicke) in folgender Weise modifiziert werden kann:

^dAl - ^dGu ^X S_0n '

falls eine Aluminiumplatte verwendet wird, und in der Form von

? M

^dM = ^dCu ^X J^

falls ein allgemeines hochleitfähiges Material für die Platte verwendet wird. Demgemäß ist im Falle der Aluminiumplatte der spezifische Widerstand' S ^₁ 2,75 (ρ-Π-,-cm). Der spezifische Widerstand von Kupfer ^ _Cu beträgt 1,72 (u-TL-cm). Hiermit ■gilt:

^dAl = ^dCu^xft72 = ¹'^{6 d}Gu·

Aus diesen G-leichungen ergeben sich die folgenden erwünschten Dicken:

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Wenn die Dicke der Kupferplatte d., im Bereich von

O <d_A1 < 2,7ß (24)

liegt, so treten die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung ein. Wenn die Dicke der Aluminiumplatte im Be reich von

0,3a < d_A1 < 2,7ß (25)

liegt, so ist der Effekt der vorliegenden Erfindung bemerkenswert hoch, außer im Falle einer hohen elektromagnetischen
Kraft. Unter dem Gesichtspunkt eines hohen äquivalenten Widerstandes liegt die Dicke der Aluminiumplatte vorzugsweise im Bereich von

0,3a < d_A1 < 2,7/3 (26)

und insbesondere im Bereich von

°»^3a i ^dAl ί °'^6ot ⁽²⁷⁾

Unter dem Gesichtspunkt einer geringen elektromagnetischen
Kraft liegt die Dicke der Aluminiumplatte vorzugsweise im
Bereich von

ϊ. 2,1ß L d.-, <_2,7ß (28)

; Wenn eine allgemein hochleitfähige Platte eingesetzt wird,

so gilt die Gleichung

! ^αΜ - ^dCu ^S V72'

_n

: wobei Y _M den spezifischen V/iderstand darstellt. Hieraus und

j aus den Gleichungen (19) bis (23) ergeben sich die folgenden

! gewünschten Dicken der jeweiligen Platte.

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Wenn die Dicke der hochleitfahigen Platte d^ im Bereich von

S M

<d_MO,7ß x T7T2 ⁽²⁹⁾

liegt, so treten die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung ein. Wenn die Dicke der hochleitfahigen Plafctte im Bereich von

ο σ
0,2α I₁J₂ = Cl₁₁ = 1,7ß x j^ ·····

liegt, so sind die Wirkungen der vorliegenden Erfindung 'bemerkenswert. Unter dem Gesichtspunkt eines hochen äquivalenten Widerstandes liegt die Dicke der hochleitfahigen Platte d_M vorzugsweise im Bereich von

0 ο
0,2a x j~j£ < d_M < 1,3ß x j-j^ (31)

und insbesondere im Bereich von

^< d_M( 0,4a χ j-^l (32)

Unter dem Gesichtspunkt einer geringen elektromagnetischen Kraft "beträgt die Dicke der hochleitfahigen Platte vorzugsweise

ο Ο

1,3ß x-j^ < d_M < 1,7ß xj^2

Experimente;

Man stellt fest, daß die berechneten Ergebnisse den experimentellen Ergebnissen gut entsprechen. Im folgenden sei ein Beispiel gegeben. Die Figuren 5OA bis 5OC zeigen die Abmessungen und Gestalt eines praktischen Beispiels für das Experiment. In diesem Modell wird der Äquivalentwiderstand Y des Kochtopfes gemessen, wobei die Dicke der Kupferplatte des Eisen-Kupfer-Kochtopfes variiert wird. Die Ergebnisse

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sind in Fig. 51 dargestellt. Die Kurve in dieser Figur stimmt sehr gut mit der Kennlinie gemäß Fig. 36 Uberein. Der absolute Wert des Äquivalentwiderstandes weicht etwas ab, da bei der Berechnung der Kurve gemäß Fig. 36 die Einflüsse durch die Spulenkante nicht berücksichtigt wurden, wie aus Fig. hervorgeht, in der die Eisenkernlänge mit 120 mm angenommen wurde.

Andererseits wirkt sich jedoch der Einfluß der Spulenkante auf das Meßergebnis aus. Die Änderung des Äquivalentvriderstandes f bei Änderung der Dicke der Kupferplatte entspricht jedoch sehr gut den experimentellen Ergebnissen. Es wurde festgestellt, daß die berechneten Ergebnisse sehr gut mit den obigen und mit weiteren experimentellen Ergebnissen übereinstimmen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Induktionsheizgerät mit einem ein alternierendes magnetisches Feld erzeugenden Erreger und mit einem gegenüber dem Erreger angeordneten ferromagnetischen Element, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht-magnetisches hochleitfähiges Element (30) zwischen dem Erreger (50) und dem ferromagnetisehen Element (20) angeordnet ist und daß das hochieitfähige Element (30) eine Dicke d-, aufweist, welche der folgenden Beziehung gehorcht

0 χ α x j-~ = 0<d_M * 1,7 x β x Y^

wobei α = ~js . § . —^ bedeutet und wobei f 5 TV.2

60 [^P-( -f) + 1,41 ₈₀0,85

^{P =} (-I) ♦ 1,4] '

bedeutet und wobei f (Hz) die Erregerfrequenz, g (mm) den Abstand zwischen der Oberfläche der Eisenkernspule und dem hochleitfähigen Element bedeutet und Tv. (mm) die Spulenweite der Eisenkernerregerwicklung bedeutet und wobei ?_M(pA-cm) den spezifischen Widerstand des hochleitfähigen Elementes . bedeutet.
2. Induktionsheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des hochleitfähigen Elementes (30) der folgenden Beziehung gehorcht

0,2 X OC X j. nn ~ d-jyj- V 1 , 7 X β X Λ rjQ .
3. Induktionsheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die' Dicke des hochleitfähigen Elementes (30) d_M der nachfolgenden Beziehung gehorcht 0,2 χα x y-72 £<3-_M< 1,3xotx

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4. Induktionsheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des hochleitfähigen Elementes (30)
der folgenden Beziehung gehorcht

0,2 χ α X₁^f <d_M<0,4xa χ ^
5. Induktionsheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des hochleitfähigen Elementes (30) d_M der folgenden Beziehung gehorcht

1,3 X β X γ-ψ£ < d_M < 1,7 X β Χ γιγζ
6. Induktionsheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-magnetische hochleitfähige Element (30) aus Kupfer besteht und daß das ferromagnetische Element aus Eisen besteht.
7. Induktionsheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-magnetische hochleitfähige Element aus Aluminium besteht und das das ferromagnetische Element aus Eisen besteht.
8. Induktionsheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am aus einer ferromagnetischen
Platte (20) bestehenden Boden eines Kochtopfes (10) eine
nicht-magnetische hochleitfähige Plttte (30) angeordnet ist.
9. Induktionsheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden eines Kochtopfes (10)
aus dem nicht-magnetischen hochleitfähigen Element (30,31)
besteht, in welches das ferromagnetiBehe Element (20) eingesetzt ist.
10. Induktionsheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht-metallischer Kochtopf (90) mit einer ferromagnetischen Platte (20) und mit einer

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nicht-magnetischen hochleitfähigen Platte (30) ausgerüstet ist.

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