FR2792158A1

FR2792158A1 - Foyer de cuisson par induction modulable a rayonnement reduit et procede de realisation

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Publication number: FR2792158A1
Application number: FR9904451A
Authority: FR
Inventors: Dominique Akel; Henri Schlumberger
Original assignee: Jaeger Regulation
Current assignee: Jaeger SA
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2000-10-13
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: ES2173022A1; ES2173022B1; GB2350766A; NL1014886C2; BE1013307A3; DE10017175A1; GB2350766B; GB0008262D0; DE10017175B4; US6498325B1; FR2792158B1; ITMI20000771A0; ITMI20000771A1; IT1317202B1

Abstract

Foyer de cuisson alimenté en courant électrique à haute fréquence.Il comprend au moins un inducteur (1) formé d'un grand nombre de spires avec au moins un conducteur.Le conducteur (11) a une section rectangulaire de faible épaisseur (e), le grand côté (4) de la section étant parallèle à l'axe d'enroulement (ZZ) du conducteur (11) formant les spires.Un isolant de faible épaisseur étant prévu entre les spires voisines.L'enroulement a une forme sensiblement rectangulaire en vue en plan.

Description

La présente invention concerne un foyer de cuis-

son alimenté en courant électrique à haute fréquence et son

procédé de réalisation.

Le chauffage par induction consiste à générer des courants dits de Foucault dans une pièce conductrice de l'électricité par l'intermédiaire d'un champ magnétique. Le champ magnétique est généré par un inducteur adapté à la zone

de la pièce à chauffer qui est parcouru par un courant alter-

natif. Le courant alternatif est lui même produit par un gé-

nérateur qui adapte la fréquence et l'amplitude du courant

pour assurer le chauffage désiré.

Dans le cas de la cuisson par induction, l'objet à chauffer est un récipient conducteur de l'électricité. Bien que l'invention ci-dessous décrite puisse être appliquée aux matériaux amagnétiques du type cuivre ou aluminium, on s'intéressera plus particulièrement à la chauffe de matériaux

magnétiques (aciers doux, fontes, inox magnétiques). Le réci-

pient est en général d'un diamètre compris entre 120 et 280 mm et d'une épaisseur comprise entre 1 et 4 mm pour les applications grand public. Les diamètres peuvent atteindre

450 mm et l'épaisseur 10 mm pour les applications profes-

sionnelles. L'application de la formule de l'épaisseur de peau dans le récipient de perméabilité magnétique relative ret de conductivité électrique: PAJO.lUr.(J, entraîne l'utilisation d'une fréquence: f de l'ordre de 10-50 kHz pour chauffer efficacement des fonds ferritiques d'épaisseur minimum 1 mm. La tension d'alimentation du réseau de distribution 50 ou 60 Hz est en général redressée et filtrée; la fréquence d'excitation est

produite par l'intermédiaire d'un générateur en général à ré-

sonance. Ce générateur est connecté sur un inducteur en géné-

ral plat (appelé " pan cake ") placé en vis à vis du fond de la casserole à chauffer sous un matériau isolant électrique et jouant le rôle de support, en général, une plaque en verre vitrocéramique. Une des difficulté de ce système connu est de pouvoir chauffer de façon homogène et adaptée des récipients

inconnus à priori, de matériaux, formes et diamètres divers.

Le concepteur d'un tel produit réalise un compromis en propo-

sant un inducteur de diamètre intermédiaire entre le plus pe-

tit et le plus grand récipient à chauffer, en général environ mm. Avec la diffusion de plus en plus large de ce type de cuisson, les constructeurs proposent maintenant en plus des

foyers spécialisés de diamètres variés adaptés plus spéciale-

ment à un type de récipient: foyers de 140 mm pour de petits récipients, foyers de 220 mm pour de grands récipients, voire foyers de 280 mm pour de très grands récipients. Plus le

foyer est grand et plus la puissance doit être importante.

Chaque foyer est donc alimenté par un générateur différent ce qui n'est pas une solution industriellement et économiquement intéressante. En étudiant l'inducteur, il est possible de faire en sorte, notamment en jouant sur le nombre de tours et l'espace entre 2 tours successifs, que l'impédance complexe Z = R + j.L.o en charge d'inducteurs de différents diamètres

soit à peu près identique, ce qui permet d'utiliser des géné-

rateurs identiques sur des foyers de dimensions différentes.

La puissance qui est alors définie pour le foyer de plus

grand diamètre est limitée pour les foyers de petits diamè-

tres. Ceci n'est pas non plus économiquement intéressant car dans ce cas, on utilise des générateurs de forte puissance

pour leur faire transmettre une puissance faible.

Certains constructeurs utilisent un générateur de forte puissance pour alimenter différents foyers par

l'intermédiaire d'un commutateur électromécanique. Cette so-

lution permet de régler la puissance d'un foyer à l'autre par la variation du rapport cyclique mais cette solution n'est pas satisfaisante sur le plan de la cuisson et du bruit en fonctionnement. Il faut enfin noter que l'impédance (L,R) d'un inducteur augmente en fonction du nombre de tours. Les inducteurs classiques sont formés d'un toron de plusieurs fils de faible section bobinés en spirale, soit les tours les

uns autours des autres, soit si l'interspire doit être varia-

ble, sur une matrice. Un inducteur de petite dimension aura donc une impédance plus faible qu'un inducteur plus grand et le générateur transmettra, en première approximation, une puissance P = R.I2 plus forte dans les petits inducteurs ce

qui est l'inverse du but recherché.

Enfin, dans le cas classique d'utilisation d'un

inducteur à simple bobine, le centre de la charge qui corres-

pond au centre de la bobine est relativement grand et n'est pas chauffé par induction et donc la répartition thermique peut ne pas être acceptable si le récipient ne possède pas de

bonnes caractéristiques de diffusion de la chaleur.

Une seconde difficulté du système connu est de ne pas rayonner de champ magnétique dans l'environnement proche de l'inducteur sur lequel peut se trouver l'utilisateur. En

effet, le système doit pouvoir travailler avec des petits ré-

cipients voire avec des récipients décentrés. Si le rapport taille de l'inducteur/taille du récipient est grand, alors le couplage devient médiocre et le rendement énergétique en est

affecté. Ceci a pour effet de générer un champ de fuite im-

portant dans le proche environnement de l'inducteur. La limi-

tation de ce champ était rendu obligatoire jusqu'alors par

les normes de compatibilité électromagnétique. On assiste de-

puis peu à une réduction encore plus forte des niveaux auto-

risés en raison de l'exposition possible de l'utilisateur de l'appareil à ces champs de fuite et aux effets potentiels sur

sa santé.

L'adaptation de la taille du système inducteur en

fonction de la charge, présentée dans le document EP-

92 400 362.2 est un moyen de réduire le champ de fuite. Mais ce moyen n'est pas suffisant même si par hypothèse

l'adaptation se faisait spire à spire.

Il est connu d'autre part de mettre des induc-

teurs en phase et en opposition deux à deux, ces inducteurs

étant en série pour être parcouru par un courant identique.

Ce dernier concept, connu depuis longtemps (document EP-

86 17 273) est difficile à appliquer car si un inducteur sim-

ple est divisé en morceaux d'inducteurs, cela diminue consi-

dérablement l'effet d'inductance mutuelle entre une spire et les autres spires de son environnement ce qui entraîne une diminution de l'impédance de l'inducteur. Le courant reste

alors important même si le concepteur choisit un système gé-

nérateur adapté pour les impédance faibles.

De plus les spires étant parcourues par le cou-

rant total du générateur, leur section doit être importante

ce qui est une difficulté supplémentaire pour placer un nom-

bre adéquat de spires (ampères-tours) sous la charge à chauf-

fer. En conséquence il faut tenter de diminuer quand même la section du conducteur et donc laisser l'inducteur chauffer,

l'inducteur pouvant alors être refroidit par la charge (docu-

ment FR-96 05 978). Cette solution est intéressante mais elle est difficile à réaliser et elle implique une augmentation significative de la température de l'interface ce qui enlève un des intérêt du chauffage par induction qui permet d'avoir un support de cuisson " froid " d'o des risques accrus

d'accident par des brûlures.

La présente invention a pour but de proposer un inducteur de cuisson par induction de réalisation simple et

d'impédance élevée permettant d'être associé à d'autres in-

ducteurs similaires pour former un foyer de cuisson par in-

duction et dont les associations en parallèle ou en série -

parallèle et en opposition de phase permettent de réaliser une gamme complète de foyers tout en maintenant un niveau de perturbation magnétique très bas quel que soient la forme et

le type du récipient à chauffer sur le foyer ou plus généra-

lement la surface de chauffage.

A cet effet l'invention concerne un foyer de cuisson par induction du type défini ci-dessus caractérisé par: * au moins un inducteur formé d'un grand nombre de spires avec au moins un conducteur, * le conducteur a une section rectangulaire de faible épaisseur, le grand côté de la section étant parallèle à l'axe d'enroulement du conducteur formant les spires,

* un isolant de faible épaisseur au minimum en-

tre les spires voisines,

* l'enroulement a une forme sensiblement rectan-

gulaire en vue en plan.

Cet inducteur d'impédance élevée et d'encom-

brement réduit peut être alimenté par un seul générateur de faible puissance; il peut également être associé à d'autres couples d'inducteurs générateurs pour former des surfaces de

cuisson de tailles et de puissances différentes.

Le bobinage de l'inducteur en spirale, est obtenu

en enroulant le conducteur suivant une forme rectangle de fa-

çon à couvrir une surface en regard du récipient à chauffer.

Les spires successives ne sont pas forcément toutes jointi-

ves. De manière générale, l'épaisseur de l'isolant est

faible c'est-à-dire selon l'invention cette épaisseur repré-

sente moins de la moitié de l'épaisseur du conducteur.

D'une façon intéressante pour disposer de puis-

sance tout en conservant le caractère modulaire, l'inducteur

est formé par l'enroulement de plusieurs conducteurs indépen-

dants, en parallèle ou en série parallèle.

Il peut être particulièrement intéressant de bo-

biner simultanément plusieurs conducteurs isolés les uns des autres pour former un inducteur. Ces différents conducteurs

peuvent alors être mis en parallèle ce qui augmente la sec-

tion utile de cuivre tout en minimisant les effets de peau et de proximité dans le cuivre ce qui diminue les pertes de l'inducteur. Ceci est utile si le courant dans l'inducteur reste élevé malgré la mise en parallèle d'inducteurs, par exemple pour des appareils de cuisson professionnels dont la

puissance est élevée. L'intérêt majeur de ce bobinage simul-

tané n'est cependant pas de réduire encore les pertes dans les inducteurs mais de pouvoir coupler plusieurs générateurs

sur un même inducteur en les raccordant aux différents con-

ducteurs de l'inducteur pour réaliser des foyers de cuisson

de puissance élevée à partir de générateurs de puissance ré-

duite. Suivant l'invention, l'isolant est déposé sur le conducteur avant son enroulement pour former l'inducteur. Cet isolant peut également être enroulé en même temps que l'on enroule le conducteur, notamment dans le cas o l'inducteur

comporte plusieurs bobines enroulées en même temps et alimen-

tées par des générateurs différents ce qui peut entraîner des

différences de potentiel importantes entre les bobines diffé-

rentes. L'isolant bobiné peut de même être apte à supporter des températures élevées ou du moins beaucoup plus élevées

que les vernis utilisés pour isoler électriquement les con-

ducteurs qui ne résistent pas en général à des température

supérieures à 220 C. Une combinaison des isolation est envi-

sageable, dans ce cas, l'isolant préalablement déposé assure

une isolation minimale entre spires et l'isolant enroulé as-

sure une isolation renforcée entre des bobines différentes.

Enfin il est intéressant que l'isolant comporte une résine

thermodurcissable ce qui permet, par élévation de tempéra-

ture, d'agglomérer l'ensemble.

Pour former un foyer de cuisson il est particu-

lièrement intéressant de combiner plusieurs inducteurs en pa-

rallèle ou en série/parallèle sur un unique générateur.

Il est possible de connecter quatre inducteurs en parallèle, chacun étant en opposition de phase par rapport à son proche voisin de façon à ce que les flux magnétiques des

inducteurs voisins soient cumulatifs sous la charge. On réa-

lise ainsi un inducteur qui en première approximation (en né-

gligeant les effets d'inductance mutuelle entre les inducteurs) possède une impédance en charge égale à 14 (4Z) = Z; cela correspond à l'impédance d'un inducteur classique mais le taux de rayonnement dans le proche environnement de la casserole est très bas car il y a autant d'inducteurs en phase que d'inducteurs en opposition de phase. L'inducteur est préférentiellement positionné de façon à ce qu'un côté soit parallèle à l'avant de la table de cuisson pour que le rayonnement soit minimisé particulièrement dans la zone o se

trouve l'utilisateur.

Un des avantages considérables de mettre des in-

ducteurs en parallèle, est que le courant total du foyer de cuisson se distribue entre les inducteurs, soit dans l'exemple ci-dessus, I/4. Les pertes dans l'inducteur étant fonction du carré du courant P =Rcuivre. I2, elles sont divisées par 16, ce qui autorise d'utiliser un conducteur unique de section faible pour réaliser les bobines élémentaires. Dans le cas o l'on connecte ces quatre inducteurs, deux en série et deux en parallèle, le courant dans les deux branches en série supposées identiques sera divisé par deux et donc les pertes par quatre. Il peut être intéressant de réaliser des couplages série parallèle dans le cas du bobinage simultané de plusieurs bobines car si l'inducteur fait N tours, chaque bobine n'en fera que N/2 tours et il peut être difficile d'obtenir sur une bobine une impédance de 4 x Z permettant à l'inducteur final d'atteindre une impédance Z par la mise en parallèle des 4 bobines. Dans ce dernier cas, il suffira

d'atteindre l'impédance Z car la mise en série de deux bobi-

nes donnera une impédance 2xZ et la mise en parallèle des

deux doubles bobines redonnera l'impédance Z recherchée.

Ce type d'inducteur minimisant les pertes est très économique. En effet, un inducteur doit ramener en charge une impédance donnée, qui en première approximation,

est une fonction des caractéristiques géométriques des spi-

res, de la bobine et du nombre de tours (ampères-tours). Le

fait d'avoir des conducteurs très proches augmente très si-

gnificativement l'effet d'inductance mutuelle des spires et permet d'obtenir des impédances très fortes avec une longueur utile de conducteur réduite. Un tel inducteur utilise 15 à

20 % de cuivre en moins qu'un inducteur connu, pour des per-

formances supérieures.

La répartition thermique dans un inducteur connu, à simple bobine est relativement médiocre, car les courants induits sont nuls au centre de la charge centrée sur l'inducteur et ils sont maximum au niveau du demi rayon de l'inducteur. Selon l'invention l'inducteur étant remplacé par des inducteurs élémentaires, la zone << froide >> de même que la zone "< chaude >> sont réparties en des zones plus petites dont la température est aisément réparties par la conduction

thermique dans le récipient et assure donc une meilleure ho-

mogénéité de chauffe.

Diviser le courant par 4 environ (pour quatre in- ducteurs) est intéressant si le courant, donc la puissance du foyer, est importante. Pour des puissances très importantes, on augmente le nombre de bobines en parallèles ce qui a aussi pour effet d'augmenter la taille de la zone de chauffe; ces

puissances importantes sont dédiées à des récipients de dia-

mètres importants.

Pour des puissances plus faibles, il n'est pas nécessaire de diviser autant le courant et deux bobinages en parallèles suffisent. On a par contre une augmentation du

champ de fuite sur les côtés de la table et il est alors in-

téressant, comme pour le bobinage simultané de plusieurs bo-

bines, de réaliser chaque inducteur unitaire en reliant en série et en opposition de phase deux inducteurs d'impédance Z, l'impédance finale étant (2Z //2Z) et le niveau de fuite

électromagnétique étant de nouveau très réduit sur le côté.

Suivant une caractéristique avantageuse dans le sens indiqué ci-dessus, les inducteurs voisins sont branchés sur l'alimentation à haute fréquence pour engendrer des flux

magnétiques additifs sous la charge.

Dans le même ordre d'idées, le foyer comprend un nombre égal d'inducteurs pour chacun des deux sens du flux si bien qu'à une certaine distance, le rayonnement magnétique

est compensé.

Il est également intéressant de combiner au foyer un ou plusieurs capteurs de température ayant: * des bandes conductrices de chaleur placées entre au moins deux inducteurs voisins, * ces bandes étant reliées au capteur proprement dit pour lui

transmettre la température.

Dans le cas d'un foyer comportant plusieurs in-

ducteurs utilisables séparément ou par groupes non dédiés, c'est-à-dire des inducteurs voisins qui peuvent être combinés en un nombre relativement quelconque, il est intéressant de visualiser les inducteurs mis en oeuvre et pour cela le foyer comporte:

* un moyen de signalisation lumineuse formé de segments lumi-

neux installés entre deux inducteurs voisins, e un circuit de commande comprenant un capteur détectant la présence d'un objet à chauffer au dessus d'un inducteur

pour commander des segments lumineux associé à cet induc-

teur.

La modularité des foyers réalisés avec des induc-

teurs selon l'invention est particulièrement intéressante si

chaque inducteur est alimenté par un générateur associé.

L'invention permet de réaliser des foyers de cuisson par induction ou plus généralement des surfaces de chauffe avec un ou plusieurs foyers, formés chacun d'un ou

plusieurs inducteurs associés.

Dans le sens de la présente invention l'expres-

sion " foyer de cuisson par induction " désignera indistinc-

tement un foyer au sens classique du terme c'est-à-dire une zone de chauffe pour un récipient ou une surface de chauffe à plusieurs zones de chauffe combinées, comme par exemple dans l'art antérieur, un foyer " avant " et un foyer " arrière ", l'un de faible puissance, l'autre de forte puissance. Mais contrairement à l'art antérieur le foyer avant et le foyer

arrière peuvent être composés de plusieurs inducteurs notam-

ment de plusieurs inducteurs modulaires et en particulier

chacun peut être composé de 4 inducteurs selon l'invention.

Il est également particulièrement avantageux pour faciliter la fabrication des foyers de cuisson par induction et en améliorer le caractère modulaire dès la fabrication des inducteurs, en réalisant un inducteur comprenant:

* une surface supérieure constituée par une couche protec-

trice, d'isolation électrique et éventuellement d'isolation thermique, sous laquelle est placé l'inducteur, * une couche de matériau à forte perméabilité magnétique et faible conductivité électrique comme de la ferrite sous l'inducteur pour boucler le circuit magnétique de l'inducteur,

* un écran électromagnétique pouvant jouer le rôle de dissi-

pateur de chaleur sous la couche de ferrite,

* une plaque de circuit imprimé portant les composants du gé-

nérateur associé à l'inducteur, cette plaque étant instal-

lée sous l'écran - dissipateur, les composants de puissance

du générateur nécessitant un refroidissement étant en con-

tact thermique avec celui-ci,

* les conducteurs d'alimentation de l'inducteur étant direc-

tement connectés au circuit imprimé.

Dans un tel inducteur ou groupe d'inducteurs, les composants de la plaque de circuit imprimé sont situés sur la face supérieure c'est-à- dire du côté du dissipateur combiné à

la couche de ferrite et à l'inducteur, alors que la face in-

férieure de la plaque de circuit imprimé sert uniquement à relier les différents composants ou supporter les composants

miniatures montés en surfaces (CMS).

Dans ce cas il est particulièrement intéressant

que les conducteurs de l'inducteur traversent le circuit im-

primé et soient soudés à la vague en même temps que les con-

nections des composants du circuit imprimé, par la face

inférieure du circuit imprimé.

L'inducteur selon l'invention se réalise par le

bobinage d'un ou plusieurs conducteurs. Le bobinage se réa-

lise de manière particulièrement avantageuse en bobinant l'inducteur à partir de ses spires extérieures. Ceci permet de garantir la forme et la taille de la bobine ce qui est

particulièrement important lorsque l'on juxtapose des bobi-

nes. Pour cela, la spire extérieure est plaquée contre une matrice possédant la taille et la forme désirée et la machine

de bobinage spécifique réalise la bobine par plaquage succes-

sif des spires contre cette -spire extérieure, la tolérance de la bobine étant reportée sur son centre sans incidence

particulière sur les caractéristiques de la bobine.

De manière plus particulière: - on place les conducteurs de l'inducteur pour leur faire traverser le circuit imprimé et on les soude à la vague en même temps que les connections des composants du circuit imprimé, par la face inférieure du circuit imprimé, Il - on enroule le conducteur formant les spires de l'inducteur à réaliser en partant de la spire extérieure mis à la forme voulue et on place les spires successives à l'intérieur de cette spire extérieure, - on donne à la spire extérieure une forme rectangulaire, no- tamment carrée, - on enroule simultanément plusieurs conducteurs pour former

un inducteur à plusieurs conducteurs.

La présente invention sera décrite ci-après de

manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les-

quels:

* La figure 1 est une vue en perspective schématique d'un in-

ducteur à un seul conducteur selon l'invention,

* La figure 2 est une vue en perspective schématique d'un in-

ducteur à deux conducteurs indépendants,

* La figure 3 est une vue en perspective schématique d'un in-

ducteur formé par un enroulement de quatre conducteurs in-

dépendants, * La figure 4 est une vue en perspective d'un groupement de quatre inducteurs combinés pour former un foyer de cuisson, * La figure 5 est une vue en perspective d'une surface de cuisson formée d'un foyer avant et d'un foyer arrière, * La figure 6 est une vue en perspective schématique montrant la forme et l'emplacement du capteur de température * La figure 7 montre un ensemble d'inducteurs selon l'invention, combinés pour former un foyer à zone de chauffe non dédiées, * La figure 8 est une vue en coupe d'un inducteur ou groupe

d'inducteurs combinés à leur(s) générateur(s).

Selon les figures l'invention concerne un foyer

de cuisson par induction alimenté en courant à haute fré-

quence. Dans toute la description les expressions " cuisson "

ou " chauffe " sont considérées comme synonymes. Le foyer se compose d'un ou plusieurs inducteurs tel que celui représenté schématiquement à la figure 1. Cet inducteur 1 est composé d'un grand nombre de spires formées d'un conducteur 11 de section rectangulaire de faible épaisseur c'est-à-dire dont le grand côté est parallèle à l'axe d'enroulement ZZ (axe

vertical) (conducteur sur chant).

L'enroulement réalisé avec le conducteur 11 a une forme en vue en plan rectangulaire ou carrée. Dans le schéma de la figure 1, les angles 111 des sommets sont exagérément accentués. En fait ces angles sont en général plus ou moins arrondis.

Cet enroulement se fait selon l'invention à par-

tir de la spire extérieure qui est plaquée dans une empreinte

possédant la forme désirée, le bobinage se faisant en pla-

quant successivement les spires contre la spire précédente

jusqu'à l'obtention du nombre de tours souhaité.

Les extrémités du conducteur portant les référen-

ces 14, 15 servent à son alimentation électrique.

Les spires du conducteur 11 sont représentées écartées, c'est-à- dire sans contact. L'intervalle entre les spires est occupé par un isolant de faible épaisseur. Cette

faible épaisseur correspond selon l'invention, à une épais-

seur inférieure de préférence, très sensiblement, à l'épaisseur (e) du conducteur 11; cette épaisseur (e) est elle-même faible vis-à-vis de la hauteur (h) du conducteur 11.

La figure 2 montre un inducteur 2 à deux conduc-

teurs 21 et 22 avec un isolant 23 entre les spires des con-

ducteurs.

L'inducteur de forme générale rectangulaire pour

faciliter la juxtaposition de plusieurs inducteurs, est no-

tamment de forme sensiblement carrée.

L'isolant 23 entre les spires du conducteur 21 et

du conducteur 22 peut être un isolant déposé sur les conduc-

teurs avant leur enroulement. Cet isolant peut également être

constitué par un ruban enroulé en même temps que les conduc-

teurs 21, 22. Une combinaison entre un isolant déposé et un

isolant enroulé peut aussi être envisagé.

Enfin cet isolant peut être ou comporter une ré-

* sine thermodurcissable ce qui permet de figer l'enroulement

par simple élévation de température.

Dans le cas d'un isolant enroulé, la tranche su-

périeure de l'inducteur n'est pas couverte par l'isolant.

Cette tranche se trouve par contre sous une couche d'isolant électrique résistant à la température comme le mica aussi mince que possible qui recouvre l'inducteur pour l'isoler électriquement. La figure 3 montre un inducteur 3 réalisé par l'enroulement de quatre conducteurs 31, 32, 33, 34 séparés

chaque fois par un isolant fin entre les spires non représen-

té. Ces quatre conducteurs 31, 32, 33, 34 de section rectan-

gulaire comme les conducteurs 21 et 22 précédent, sont

électriquement indépendants.

La figure 4 montre la juxtaposition de quatre in-

ducteurs 1 du type de ceux décrits ci-dessus, pour former par exemple un foyer de cuisson par induction. Ces inducteurs

peuvent être associés en parallèle ou en série/parallèle.

Comme le montre cette figure, pour atténuer, voire compenser le champ électromagnétique à faible distance à côté du foyer et notamment dans les 4 directions dont deux sont représentés par les points Hf, les inducteurs sont deux à deux en opposition de phase. Le champ magnétique vu aux points Hf sera donc composé d'une partie d'un champ en phase et d'une partie quasiment identique d'un champ en opposition de phase, la résultante étant quasiment nulle. Sous la charge, les champs de deux inducteurs voisins seront a flux cumulatifs comme par exemple le champ Hc. Ceci permet d'associer le flux des inducteurs et donc d'augmenter leur impédance par augmentation de l'effet de mutuelle inductance ainsi que d'améliorer par la même la répartition des courants

induits donc de la température dans la charge à chauffer.

La mise en opposition de phase se fait générale-

ment par la connexion physique de l'inducteur. Dans le cas de

l'alimentation d'une zone de cuisson comportant plusieurs in-

ducteurs par plusieurs générateurs, les phases respectives des inducteurs, donc des générateurs, peuvent être définies par la commande de ces derniers. Il peut même être avantageux de faire de la modulation de phase pour moduler le champ ma-

gnétique au niveau des charges et dans leur proches environ-

nements pour contrôler finement la puissance dans les charges

et pour minimiser les pertes magnétiques.

Dans les différents inducteurs ci-dessus le con-

ducteur a préférentiellement une section rectangulaire, à sa-

voir que son épaisseur est faible devant sa hauteur et il est enroulé sur champ. A titre d'exemple, on réalise un inducteur en bobinant 50 spires d'un seul conducteur de section 0,5 x 2 mm sur une empreinte carré de coté 110 mm, chaque spire étant isolée des spires voisines par un isolant électrique haute température comme de la tresse de verre dont

l'épaisseur est la plus faible possible, par exemple 0,1 mm.

On réalise de cette manière un inducteur carré de coté 110 mm et dont le centre carré fera 110 - 2 x 50 x ( 0,5 + 2 x 0,1)) = 40 mm de coté et dont l'impédance en charge, c'est à dire en présence d'un récipient adapté, est d'environ 4 fois

l'impédance (L,R) en charge d'un inducteur classique de di-

mensions beaucoup plus importantes ( diamètre 220 mm par

exemple).

Associer des générateurs n'est pas une chose fa-

cile car en général, les charges sont différentes. Réaliser ainsi les inducteurs garantit que les impédances en charge des différents conducteurs seront quasiment identiques et

donc permet sans difficultés majeures d'associer des généra-

teurs qui pourront alors travailler à des fréquences identi-

ques. Cette multiplication de conducteurs augmente cependant l'espace entre les conducteurs raccordés à un même générateur et donc les dimensions de l'inducteur ce qui n'est pas un problème car le foyer sera alors de puissance élevée, capable de transmettre la puissance de plusieurs générateurs. Il est

intéressant de ne pas raccorder tout les inducteurs en paral-

lèle mais d'effectuer des branchements série/parallèle ce qui

impose un nombre de tours moindres pour les inducteurs élé-

mentaires.

Une extension intéressante consiste à réduire en-

core plus la section de cuivre et d'isolant ainsi que les di- mensions de la spire extérieure, de façon à réaliser des inducteurs unitaires très petits et dont l'impédance est très élevée. On réaliser par exemple un inducteur de 60 spires de 0,2 mm de large par 2 mm de haut avec un isolant interspire de 0,1 mm ayant une forme carré de coté 50 mm d'o un centre

intérieur carré de coté = 50 - 2 x 60 x (0,2 + 0,1)) = 14 mm.

On réalise un foyer en connectant en parallèle ou en série parallèle ces inducteurs unitaires et le rayonne-

ment magnétique global est très réduit, la répartition ther-

mique étant de même encore grandement améliorée.

Ce principe permet de réaliser une gamme complète de foyers de cuisson de différentes tailles en ajoutant des

inducteurs élémentaires pour avoir toujours un nombre sensi-

blement égal d'inducteurs en phase et d'inducteurs en opposi-

tion de phase.

L'ajout d'inducteurs en parallèle diminue

l'impédance globale de l'inducteur et donc augmente le cou-

rant et la surface de cuisson. On rétablit ainsi la logique grand foyer grande puissance, ce qui était impossible avec des inducteurs simples pour lesquels plus le nombre de tours

est important, plus l'impédance est forte donc plus le cou-

rant est faible quand la surface du foyer augmente.

Dans un tel système, l'adaptation de la taille du récipient à la taille du foyer est moins importante, car

lorsqu'une charge recouvre un inducteur, son inductance dimi-

nue fortement et la réactance Lo étant supérieur à R,

l'impédance globale Z=R+j.L.c de l'inducteur recouvert dimi-

nue donc le courant, augmente dans les inducteurs situés sous la charge. Les autres inducteurs sont alimentés mais le fait

qu'ils soient de petite taille et en opposition de phase, ré-

duit considérablement le champ de fuite du système. Il est donc possible, grâce à l'invention, de proposer des surfaces de chauffe adaptables à des récipients de diamètres et de

formes variées tout en minimisant les champs de fuite et op-

timisant les répartitions thermiques dans les récipients.

La figure 5 montre une surface de chauffe ou de cuisson ayant quatre inducteurs 1 selon la figure 1 et quatre inducteurs 2 selon la figure 2. Les inducteurs 1 forment un

foyer de cuisson au sens usuel du terme, de même que les in-

ducteurs 2. La surface de chauffe est entourée par un trait mince. En fait, les inducteurs 1 constituent un foyer

" avant ", de puissance normale et les inducteurs 2 consti-

tuent un foyer " arrière " de puissance forte, l'ensemble

formant une plaque de cuisson dite à deux " feux ".

Les inducteurs 1 sont alimentés par un générateur 4 et les inducteurs 2 par un générateur 5. En fait, seul le conducteur 22 (voir figure 2) des inducteurs 2 est alimenté par le générateur 5 alors que le conducteur 21 est alimenté par le générateur 4 par l'intermédiaire d'un dispositif de

commutation 6.

Ce dispositif de commutation 6 permet sur com-

mande de brancher le générateur 4 soit sur les inducteurs 1

soit sur le second conducteur 11 des inducteurs 2. Par sim-

plicité, les inducteurs avant et la partie 21 des inducteurs arrière ont un point électrique commun ce qui permet l'utilisation d'un dispositif de commutation simplifié. Les différents inducteurs composant les foyers sont reliés entre

eux comme indiqué ci-dessus, en parallèle ou en série - pa-

rallèle avant d'être reliés au dispositif de commutation.

Cet ensemble de cuisson délivre une puissance ré-

glable comprise entre 0 et une valeur maximale P, de façon indépendante sur les deux foyers, le foyer arrière de plus grand dimension étant plus approprié pour des récipients de grande taille. En cas de besoin d'une puissance importante

demandée par ce foyer, le foyer avant est temporairement ar-

rêté et on connecte les deux générateurs sur le foyer arrière auquel ils peuvent délivrer une puissance réglable de 0 à 2 x P. La figure 6 montre l'emplacement d'un capteur de température entre les bobines constituant le foyer. Dans un système classique, on utilise parfois une feuille de métal

conducteur thermique comme le cuivre ou l'aluminium, qui re-

couvre une partie du foyer et dont le but est de ramener une

information moyennée de la température de la charge à un cap-

teur situé au centre du foyer dans la zone ou le champ induc-

teur est quasiment nul. Cette feuille, dans le cas d' inducteurs Haute Fréquence, est découpée pour éviter au mieux la transformation de courants induits en son sein et est de

dimension réduite.

Malgré cela, cette feuille est quand même le siège de courants de Foucault, car elle est dans le champ maximum de l'inducteur et étant positionnée au-dessus de l'inducteur, elle génère un entrefer préjudiciable à

l'efficacité du système.

Dans le cas présent, il est possible d'utiliser un élément beaucoup plus simple, plaque mince ou fil, et de mettre cet élément en dehors du champ principal des bobines,

tout en étant dans la zone de chauffe du foyer comme le mon-

tre le croquis non limitatif reproduit sur la page des figu-

res. Ce système peut être composé de deux fils méplats en forme de croix, le centre de la croix étant plaqué au capteur de type CTN par exemple chargé de mesurer la température du

foyer de façon a avoir un contact thermique adéquat. Ce sys-

tème ne génère aucune surépaisseur et est le siège de cou-

rants induits très limité. Sa zone d'action est importante et

sa construction est très économique.

La figure 6 montre cette disposition d'inducteurs en damier qui permet de placer dans l'intervalle entre quatre inducteurs 60 un capteur de température 7 formé de branches 71 et 72 conductrices de chaleur. Ces branches sont

placées en croix dans l'intervalle de chaque fois deux induc-

teurs voisins. Les branches 71 et 72 transfèrent la tempéra-

ture qu'ils prennent, vers le point central 73 ou est placé

un élément sensible à la température ( non représenté). Ce-

lui-ci reçoit ainsi une température moyenne; il est relié au circuit de commande du foyer pour éviter les surchauffes du

foyer et de sa charge en cas de mauvais réglages ou pour as-

servir éventuellement la température en réglant la puissance.

Il est également possible de placer entre les in-

ducteurs, des segments lumineux reliés à un circuit de com-

mande non représenté, comprenant un capteur qui détecte la présence d'un objet à chauffer sur le ou les inducteurs et commande l'éclairage de l'ensemble des segments éclairants entourant la zone de chauffe utilisée. De façon avantageuse et connu, on utilise la variation d'impédance des inducteurs lorsqu'ils sont recouverts par une charge comme capteur. Un

tel moyen est particulièrement intéressant lorsque les induc-

teurs ne sont pas associés à un foyer particulier mais cons-

tituent globalement une surface de chauffe utilisable d'une manière très souple et non pas des foyers localisés. De façon avantageuse, ce dispositif d'éclairage est alimenté par le champ magnétique des inducteurs qu'il entoure. Ceci permet de moduler la puissance de l'éclairage suivant la puissance des

foyers. Ce dispositif permet de ne plus utiliser de sérigra-

phie sur les plans de cuisson pour matérialiser les zones de chauffe. Il peut être envisagé dans ce cas, d'affecter des

couleurs différentes à des foyers différents.

La figure 7 montre un ensemble d'inducteurs 50 du

type de ceux décrits ci-dessus. Ces inducteurs sont juxtapo-

sés et ils peuvent être branchés unitairement ou par paquets d'inducteurs sur des générateurs non représentés, en fonction

de la puissance à fournir et des inducteurs utilisés.

La figure 8 montre très schématiquement une vue

en coupe d'un foyer 100 selon l'invention.

Ce foyer se compose d'une couche protectrice 101 par exemple en verre vitrocéramique qui constitue la surface sur laquelle on place l'objet à chauffer 99. Sous la couche protectrice et d'isolation électrique, voire thermique, 101

se trouve le ou les enroulements 102 constituant l'inducteur.

Sous cet inducteur se trouve une couche de matière à forte perméabilité magnétique et faible conductivité électrique

comme de la ferrite 103 qui assure le bouclage du circuit ma-

gnétique et sous la couche de ferrite, il y a un dissipateur 104 (radiateur) de préférence en aluminium qui, en même temps qu'il évacue la chaleur, forme un écran anti-magnétique vers le bas. Sous ce dissipateur 104 avec par exemple des bords en retrait 1041 et des ailettes de radiateur 1042 se trouve une plaque de circuit imprimé 105 portant les composants 1051, 1052, 1053, 1054, 1055 du générateur haute fréquence. Ces composants 1051-1055 sont placées sur le dessus de la plaque

et leur broches traversent la plaque 105 pour être sou-

dées. Le dissipateur 104 forme un canal de ventilation 1043 avec des ailettes 1044 tournées vers le canal du côté de l'inducteur 102; le canal est traversé par un courant d'air

généré par un ventilateur non représenté.

Les broches 1021, 1022 de l'enroulement de l'inducteur 102 traversent également l'ensemble ainsi que la plaque de circuit imprimé 105 pour dépasser vers le bas. Il est particulièrement intéressant lorsque l'ensemble est ainsi

simplement assemblé, de souder les connecteurs 1021, 1022 di-

rectement au circuit imprimé de la plaque 105 en procédant par exemple par un soudage à la vague. Ce type de connexion est rendu possible en raison de la division du courant dans

les branches des inducteurs en parallèle. En effet, le cou-

rant dans un inducteur classique est de plusieurs dizaines

d'ampères ce qui nécessite une connexion de puissance en gé-

néral effectué par un système de cosses vissées particulière-

ment onéreux. Le fait d'avoir soit divisé le courant dans des

branches parallèles, soit d'utiliser des générateurs de fai-

bles puissances autorise alors en combinaison avec un conduc-

teur d'inducteur type méplat, de pouvoir souder directement ce méplat, après décapage éventuel de son vernis d'isolation électrique, sur le circuit imprimé de la carte d'alimentation

de puissance ce qui est particulièrement économique. Avanta-

geusement, une ou plusieurs des broches des inducteurs pas-

sent avant de passer à travers la plaque 105, à travers un ou

plusieurs capteur de courant 1055 permettant ainsi de connaî-

tre les courant dans un ou plusieurs inducteurs.

Une telle configuration, en plus de son caractère

modulable, possède l'avantage d'être particulièrement com-

pacte et permet de réaliser des appareils de cuisson par in-

duction d'épaisseur réduite.

Il peut aussi être avantageux d'affecter à chaque

inducteur unitaire son isolation électrique, son circuit ma-

gnétique, son écran et da façon générale, tous les éléments qu'il possède dans un ensemble d'inducteurs, et de considérer cet inducteur comme un composant tout à fait standard venant

se connecter au circuit imprimé de la carte puissance.

Enfin, le radiateur commun qui peut être en une seule partie ou en plusieurs parties en contact thermique,

peut être relié à un potentiel filtré de la carte électroni-

que de puissance de façon à limiter les courants capacitifs entre l'inducteur et sa charge. De façon avantageuse, cette liaison électrique se fait naturellement par l'intermédiaire d'un composant de puissance qui est monté directement sur le radiateur sans isolation, le collecteur d'un transistor de

puissance relié à son boîtier par exemple.

Les moyens de ventilation équipant l'inducteur ventilent le dissipateur et le circuit électronique; ces

moyens n'ont pas été représentés. On utilise de façon avanta- geuse, un ventilateur pour refroidir plusieurs modules. Cet ensemble inducteur est particulièrement facile à refroidir en15 raison de l'espace laissé entre les bobines voisines qui per- met le passage d'un flux d'air.

Claims

R E V E N D I C A T IONS

1 ) Foyer de cuisson alimenté en courant électrique à haute fréquence caractérisé par: e au moins un inducteur (1) formé d'un grand nombre de spires avec au moins un conducteur, * le conducteur (11) a une section rectangulaire de faible

épaisseur (e), le grand côté (h) de la section étant paral-

lèle à l'axe d'enroulement (ZZ) du conducteur (11) formant les spires, * un isolant de faible épaisseur entre les spires voisines, * l'enroulement a une forme sensiblement rectangulaire en vue

en plan.

2 ) Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce que

l'inducteur (1) est de forme sensiblement carrée.

3 ) Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'inducteur (2, 3) est formé par l'enroulement de plusieurs

conducteurs indépendants (21, 22, 31-34), en parallèle.

4 ) Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte plusieurs inducteurs (1, 2) associés en parallèle

ou en série/parallèle sur un unique générateur.

) Foyer selon la revendication 4, caractérisé en ce que les inducteurs voisins sont branchés sur l'alimentation à haute fréquence pour engendrer des flux magnétiques additifs

sous la charge.

6 ) Foyer selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'

il comprend un nombre égal d'inducteurs par sens de flux.

7 ) Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend un capteur de température (7)

* formé de bandes conductrices de chaleur (71-72) placées en-

tre au moins deux inducteurs voisins (1), * ces bandes étant reliées au capteur proprement dit (73)

pour lui transmettre la température.

8 ) Foyer selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' il comprend:

* un moyen de signalisation lumineuse formé de segments lumi-

neux installés entre deux inducteurs voisins, * un circuit de commande comprenant un capteur détectant la présence d'un objet à chauffer au dessus d'un inducteur

pour commander le segment lumineux associé à cet inducteur.

9 ) Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'

il est formé de modules composé chacun d'un inducteur alimen-

té par un générateur associé.

) Foyer selon les revendications 1 et 3,

caractérisé en ce qu' il est formé: * d'au moins deux inducteurs (1, 2), dont l'un (2) au moins est réalisé par l'enroulement de plusieurs conducteurs, * un générateur (4, 5) associé à chacun des inducteurs (1,

2),

- le générateur (5) de l'inducteur (2) à plusieurs conduc-

teurs étant relié à l'un des conducteur (21) de l'inducteur, les autres (22) étant libres, * un moyen de commutation (6) pour commuter le générateur (4) d'un inducteur (1) sur le conducteur libre (21) d'un autre

inducteur (2).

11 ) Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend:

* une surface supérieure (101) constituée par une couche pro-

tectrice d'isolation électrique sous laquelle est placé l'inducteur (102), * une couche de ferrite (103) sous l'inducteur (102) pour boucler le circuit magnétique de l'inducteur, * un dissipateur de chaleur (104) formant écran magnétique sous la couche de ferrite (103), e une plaque de circuit imprimé (105) portant les composants

(1051-1055) du générateur associé à l'inducteur, cette pla-

que (105) étant installée sous le dissipateur (104), les composants de puissance 1053 de la plaque 105 en contact de conduction thermique avec celui-ci, e les conducteurs d'alimentation (1021, 1022) de l'inducteur (102) étant directement connectés au circuit imprimé (105), * certains des conducteurs d'alimentation (1021, 1022) de l'inducteur passant dans des capteurs de courant 1055 avant leur connections au circuit imprimé (105) 12 ) Foyer selon la revendication 11, caractérisé en ce que - le dissipateur 104 est formé d'une seule partie ou de

plusieurs parties reliées thermiquement les une aux autres.

- le dissipateur 104 forme un canal de ventilation 1043

du côté tourné vers la bobine 102 et des ailettes de radia-

teur 1044 viennent en saillie dans ce canal.

13 ) Foyer selon la revendication 12, caractérisé en ce que au moins un des composants de puissance 1053 est en contact électrique direct avec le dissipateur 104 ) Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce que

l'isolant (23) est déposé sur le conducteur avant son enrou-

lement. ) Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce que

l'isolant est enroulé en même temps que le conducteur.

16 ) Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce que

l'isolant comporte une résine thermo durcissable.

17 ) Foyer selon la revendication 1,

caractérisé en ce que le conducteur est en cuivre ou en alu-

minium. 18 ) Procédé de réalisation d'un foyer selon la revendication 11, caractérisé en ce que on place les conducteurs (1021, 1022) de l'inducteur (102) pour leur faire traverser le circuit imprimé (105) et on les

soude à la vague en même temps que les connections des compo-

sants (1051-1054) du circuit imprimé (105), par la face infé-

rieure du circuit imprimé.

19 ) Procédé de réalisation d'un foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on enroule le conducteur formant les spires de l'inducteur à réaliser en partant de la spire extérieure mis à la forme voulue et on place les spires successives à l'intérieur de

cette spire extérieure.

20 ) Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'

on donne à la spire extérieure une forme rectangulaire, no-

tamment carrée.

21 ) Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu' on enroule simultanément plusieurs conducteurs pour former un

inducteur à plusieurs conducteurs.

22 ) Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu' on forme la spire extérieure en la plaçant dans une matrice.