Индуктор для кухонной индукционной электроплиты (варианты)

05 6/44 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ИНДУКТОР ДЛЯ КУХОННОЙ ИНДУКЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОПЛИТЫ(71) Заявитель Минский завод холодильников, АО Атлант(73) Патентообладатель Минский завод холодильников, АО Атлант(57) 1. Индуктор для кухонной индукционной электроплиты, содержащий , где 4, ферритовых сердечников П-образной формы, на ножках которых расположены индукционные катушки, выполненные из многожильного провода, соединенные последовательно и намотанные в обратном направлении, отличающийся тем,чтоферромагнитных сердечников расположены радиально-симметрично относительно центра индуктора,индукционные катушки, расположенные на внешних ножках, имеют одно направление намотки витков, а внутреннихобратное, в устройство введена дополнительна индукционная катушка, соединенная последовательно с упомянутыми выше индукционными катушками и расположенная между ножками всех ферритовых сердечников, намотанная в виде кольца и имеющая направление намотки витков, совпадающее с направлением намотки витков индукционных катушек, намотанных на ферритовый сердечник, в точках,определяемых кратчайшим расстоянием между ними, и содержащая (0,51) витков многожильного провода, где- число витков в катушке на ножке ферритового сердечника. Фиг. 1 Фиг. 2 2. Индуктор для кухонной индукционной электроплиты, содержащий , где 4, ферритовых сердечни 1 2863 1 ков Ш-образной формы, индукционные катушки, расположенные на средних ножках ферритовых сердечников, выполненные из многожильного провода и имеющие одинаковое направление намотки витков, отличающийся тем, чтоферритовых сердечников расположены радиально-симметрично относительно центра индуктора, на крайних ножках ферритовых сердечников размещены индукционные катушки, имеющие обратное направление намотки витков относительно индукционных катушек, расположенных на средних ножках ферритовых сердечников, между крайними и средней ножками которых расположены две дополнительные индукционные катушки, выполненные в виде колец и содержащие по (0,51) витков многожильного провода, где- число витков в катушке на крайних ножках ферритового сердечника, и имеющие направление намотки витков совпадающее с направлением намотки витков соседних индукционных катушек, намотанных на крайние и среднюю ножки ферритовых сердечников, в точках, определяемых кратчайшим расстоянием между ними соответственно для каждой дополнительной катушки, причем все индукционные катушки соединены последовательно. 3. Индуктор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что снабжен индукционной катушкой, расположенной в центральной части индуктора и соединенной последовательно со всеми индукционными катушками.(56) 1. Заявка ЕПВ 0271250 А 1, МПК Н 05 В 6/12, 6/34, 1988. 2. Кутешов А.М., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. Линейные электромагнитные процессы. М. Энергия, 1969. - С. 407-409. 3. Макрицкий Ю.В. Разработка и создание макета мощного генератора наносекундных импульсов тока(препринт 79 Института физики АН БССР). - Мн., 1975. -С. 26-43. 4. Заявка ЕПВ 0283859 А 2, МПК Н 05 В 6/12, 6/44, 1988. 5. Заявка Японии 57-50035, МПК Н 05 В 6/06, 6/10, А 47 27/62, 1982. 6. Патент США 5101086,МПК Н 05 В 6/42, 1992. 7. Патент США 5053593,МПК Н 05 В 6/12, 1991 (прототип). Изобретение относится к области электронагревательной техники и может быть использовано в бытовых кухонных электроплитах индукционного типа для нагрева днища кухонной посуды. Известна нагревательная катушка (индуктор) для кухонных плит индукционного типа, выполненная в виде плоской спирали, часть наружных витков которой намотана в противоположном направлении относительно основных витков спирали 1. Основными недостатками такого устройства являются сравнительно большая величина напряженности магнитного поля, создаваемая в окружающем пространстве в плоскости индуктора, и неравномерность распределения температуры по днищу кухонной посуды, располагаемой над спиральным индуктором. В таком устройстве при небольшом числе витков, намотанных в противоположном направлении, относительно количества основных витков спирали, происходит незначительное уменьшение напряженности магнитного поля в пространстве, окружающем индуктор, а увеличение числа наружных витков приводит к соответствующему уменьшению магнитной индукции в плоскости, параллельной плоскости индуктора, что приводит также к уменьшению и неравномерности нагрева днища кухонной посуды за счет взаимной компенсации магнитных полей основных и наружных витков спирали, намотанных в противоположном направлении. Так, плоский спиральный индуктор с достаточной степенью точности может быть представлен в виде концентрических кольцевых контуров. Напряженность магнитного поля в точках, расположенных вокруг спирального индуктора, равна суперпозиции магнитных полей, создаваемых всеми кольцевыми контурами. С другой стороны, напряженность магнитного поля, создаваемая одним кольцевым контуром, в точках, расположенных в плоскости контура, за его пределами при расстояниях от центра контура, сравнимых или больше размеров самого контура, обратно пропорциональна кубу расстояния от центра контура до рассматриваемой точки поля 2, 3. Полная компенсация магнитного поля наступит только в случае, когда сумма магнитных моментов основных витков спирали будет равна сумме магнитных моментов наружных витков, намотанных в обратном направлении. Компенсация магнитного поля в таком устройстве в точках,расположенных в плоскости спирали, приводит также к компенсации магнитного поля в плоскости днища кухонной посуды и соответственно к неравномерности нагрева днища кухонной посуды. Известен плоский индуктор, содержащий 4 катушки, выполненные в виде четырех квадрантов круга и намотанные последовательно одним многожильным проводом, причем катушки расположены парами и каждая катушка в паре имеет обратное направление намотки витков 4. Каждая из катушек, выполненная в виде квадранта, может быть представлена в виде набора концентрических кольцевых витков, имеющих длину окружности равную длине соответствующего витка катушки, с центром, расположенным на диагонали квадранта и отстоящим от центра на 0,63 от радиуса индуктора. Две катушки индуктивности, намотанные в противоположном направлении, образуют диполь. Напряженность 2 2863 1 магнитного поля, создаваемого плоским диполем в точках, расположенных в плоскости диполя за его пределами, прямопропорциональна сумме магнитных моментов витков, умноженной на расстояние между центрами катушек, и обратно пропорциональна расстоянию в четвертой степени. Индуктор такого типа имеет напряженность магнитного поля несколько меньше, чем спиральный индуктор, в направлениях, проходящих через центры пар катушек. Два диполя образуют квадруполь. Напряженность магнитного поля плоского квадруполя пропорциональна сумме магнитных моментов и обратно пропорциональна расстоянию в пятой степени. Максимальный нагрев днища кухонной посуды,расположенной непосредственно над индуктором такого типа, наблюдается в центральной части и в крестообразных полосках, расположенных над границами квадрантов, где число витков удваивается за счет их суммирования по сравнению с периферийными областями. Известен магнитный индукционный нагреватель, содержащий обмотку, намотанную на внутренний вывод ферритового сердечника броневого типа, выполненного в форме цилиндрической чашки, причем размеры чашки соответствуют размерам днища кухонной посуды 5. Недостатком такого устройства является неравномерность нагрева днища кухонной посуды, обусловленная тем, что напряженность магнитного поля имеет максимальное значение в центре и уменьшается к краям индуктора обратно пропорционально радиусу, а также большие потери, приводящие к нагреву объема ферромагнитного сердечника, при максимальном значении индукции большем 0,1 Тл. В броневых сердечниках практически отсутствуют поля рассеяния только в случае, когда обмотка индуктивности расположена между двумя чашками броневого сердечника. В случае одной чашки броневого типа магнитное поле выходит наружу в несколько ослабленном виде, но оно уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния,как для цилиндрической катушки. Известен индуктор с ферритовыми сердечниками Ш-образной формы и индукционными катушками, расположенными на их средних ножках и выполненными из многожильного провода, предназначенный для нагрева электропроводящего материала, расположенного над полюсами сердечников 6. Недостатком данного устройства является неравномерность нагрева металлической поверхности, обусловленная расположенной над полюсами ферритового сердечника и сравнительно высокий уровень наводок электромагнитного поля, создаваемый индукционной катушкой в окружающем пространстве. Наиболее близким по технической сущности является индуктор, содержащиймагнитопроводов Побразной формы, выполненных на железных или ферритовых сердечниках, на ножках которых расположены индукционные катушки, причем нагреваемая поверхность расположена над полюсами сердечников, расположенных в одной плоскости 7. Индукторы такого типа в основном применяются в промышленности, например, для тепловой закалки поверхностей металлических пластин и обладают рядом преимуществ в случае, когда индукционные катушки на каждой из ножек сердечника имеют одинаковое количество витков, намотанных в противоположном направлении, а именно обладают малым магнитосопротивлением магнитному потоку концентрируют энергию магнитного поля в узкой полоске между ножками сердечника имеют распределение напряженности магнитного поля в окружающем пространстве как в случае диполя,образованного двумя цилиндрическими катушками. Применение таких индукторов для бытовых индукционных электроплит ограничено вследствие неравномерности нагрева днища кухонной посуды и сравнительно большому уровню радиопомех, создаваемых индуктором в окружающем пространстве. Кроме того, индукторы с разомкнутыми магнитопроводами П- или Ш-образной формы, на ножках которых расположены катушки, имеют большой магнитный поток рассеяния,замыкающейся между ножкой и основанием и между ножками сердечника, поскольку магнитосопротивление воздушного промежутка между полюсами индукторов и нагреваемой поверхностью сравнимо с магнитосопротивлением для потока рассеяния. Это приводит к увеличению тока для достижения необходимых величин магнитного потока и мощности индуктора и соответственно к дополнительному нагреву проводов и объема ферритовых сердечников. Цель изобретения - уменьшение напряженности магнитного поля, создаваемого индуктором в окружающем пространстве в плоскости индуктора и получения равномерного распределения температуры по днищу кухонной посуды, располагаемой над индуктором. Поставленная цель достигается тем, что в индукторе для кухонной индукционной электроплиты, содержащем, где 4, ферритовых сердечников П-образной формы, на ножках которых расположены индукционные катушки, выполненные из многожильного провода типа литцендрата и намотанные в обратном направлении, причем все катушки соединены последовательно, а кухонная посуда располагается над полюсами сердечников,ферромагнитных сердечников расположены радиально-симметрично относительно центра индуктора, индукционные катушки, расположенные на внешних ножках, имеют одно направление намотки витков, а на внутренних - обратное, в устройство введена дополнительная катушка, соединенная последова 3 2863 1 тельно с упомянутыми выше индукционными катушками и расположенная между ножками всех ферритовых сердечников, намотанная в виде кольца и имеющая направление намотки витков, совпадающее с направлением намотки витков индукционных катушек, намотанных на ферритовый сердечник, в точках, определяемых кратчайшим расстоянием между ними, и содержащая (0,5-1)витков, где- число витков на ножке ферритового сердечниками а также тем, что в индукторе для кухонной индукционной электроплиты содержащей , где 4, ферритовых сердечников Ш-образцов формы, индукционные катушки, расположенные на средних ножках ферритовых сердечников, выполненные из многожильного провода и имеющие одинаковое направление намотки витков,ферритовых сердечников расположены радиально-симметрично относительно центра индуктора, на крайних ножках ферритовых сердечников размещены индукционные катушки,имеющие обратное направление намотки витков относительно индукционных катушек, расположенных на средних ножках ферритовых сердечников, между крайними и средней ножками которых расположены две дополнительные индукционные катушки, выполненные в виде колец и содержащие по (0,5-1) , где- число витков в катушке на крайних ножках ферритового сердечника, и имеющие направление намотки витков совпадающее с направлением намотки витков соседних индукционных катушек, намотанных на крайние и среднюю ножки ферритовых сердечников в точках, определяемых кратчайшим расстоянием между ними соответственно для каждой дополнительной катушки, причем все индукционные катушки соединены последовательно. Для создания напряженности магнитного поля, равной нулю на определенном расстоянии от индуктора,индуктор снабжен индукционной катушкой, расположенной в центральной части индуктора и соединенной последовательно со всеми индукционными катушками. Для уменьшения напряженности магнитного поля, направленного вниз перпендикулярно плоскости индуктора, снизу индуктора расположен экран из металлической фольги диаметром равным 1,2-1,5 диаметра индуктора. Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1, 2), на которых изображены индукторы, содержащиеферритовых сердечников. Устройство (фиг. 1) содержит основание 1 из диэлектрического материала, фольгированного с одной стороны ферритовые сердечники 2 П-образной формы, расположенные радиально-симметрично относительно центра основания, на ножках которых размещены индукционные катушки 3, 4 индукционную катушку 5, расположенную между ножками ферритовых сердечников 2 индукционную катушку 6, расположенную в центре основания выходные клеммы 7, 8. Индукционные катушки образованы намоткой многожильного провода 9 согласно направлениям, указанным стрелками на главном виде. В устройстве (фиг. 2) на основании 1 расположены ферритовые сердечники 10 Ш-образной формы, на ножках которых размещены индукционные катушки 11-13, а между ножками - индукционные катушки 14,15. Остальные обозначения те же, что и на фиг. 1. Работа устройства основана на принципе взаимодействия магнитных полей индукционных катушек, приводящей к взаимной компенсации магнитных полей в точках, расположенных в плоскости индуктора за его пределами и равномерному распределению потока магнитной индукции по днищу кухонной посуды, располагаемой над индуктором. Так, в случае двух магнитопроводов П-образной формы, расположенных радиально-симметрично относительно центра индуктора, напряженность магнитного поля в плоскости индуктора за его пределами обратно пропорциональна расстоянию до рассматриваемой точки поля в 4-ой степени для двух магнитопроводов Ш-образцой формы - обратно пропорциональна расстоянию в 5-ой степени при условии, что длина провода, из которого намотана катушка, расположенная на средней ножке, в два раза больше,чем на одной из крайних ножек. Это условие обусловлено тем, что напряженность магнитного поля пропорциональная произведению числа ампер-витков на средний радиус катушки. Индукционные катушки 5, 14, 15, расположенные между ножками ферритовых сердечников (фиг. 1,2) расширяют область распространения магнитного потока катушек 3, 4, 11-13 в пространстве между полюсами магнитопроводов и днищем кухонной посуды вследствие возникновения ЭДС самоиндукции в катушках 5, 14, 15, обусловленной изменением во времени магнитного потока связанного с катушками 3, 4, 11-13 и пересекающего контур, ограниченный витками катушек 5, 14, 15 компенсирует поле рассеяния катушек 3, 4, 11-13 в плоскости индуктора за его пределами имеет значительно меньшее поле рассеяния, например по сравнению с индукционной катушкой спирального типа, не только в плоскости индуктора, но и снизу, что обусловлено втягиванием магнитного потока в магнитопроводы ферритовых сердечников увеличивают индуктивность индуктора вследствие того, что коэффициент связи магнитных потоков данных катушек с катушками 3, 4, 11-13, соответственно расположенными на ножках сердечников, близок к единице. Индукционная катушка 6 (фиг. 1, 2) служит для нагрева центральной части днища кухонной посуды, расположенной непосредственно над катушкой и для компенсации магнитных полей рассеяния в точках, лежащих в плоскости индуктора за его пределами. 4 2863 1 Слой фольги, расположенный снизу основания, уменьшает поле рассеяния, направленное вниз от индуктора вследствие отражения вектора магнитной индукции. Работа устройства осуществляется при его подключении к выходным клеммам преобразователя, собранного по резонансной полумостовой схеме, переключение ключей которых происходит в моменты времени,когда ток через индуктор равен нулю, причем индуктивность индуктора выступает в качестве индуктивности резонансного контура. Схемы преобразователей, работающие на принципе прерывания тока через индуктор не применимы из-за увеличения рассеиваемой мощности в объеме ферритовых сердечников. В качестве ферромагнитных сердечников индуктора применены ферриты типа М 2500 НМС-1 ПК 58 х 16,используемые в телевизионных строчных трансформаторах. Мощность, развиваемая одним сердечником такого типа, составляет 150 Вт при величине потерь на гистерезис 0,3 Вт/см 3. Потерями на вихревые токи в таком сердечнике можно пренебречь, поскольку они составляют не более одного процента от потерь на гистерезис. Индуктор на мощность 1,2 кВт содержал восемь ферритовых сердечников такого типа. Все индукционные катушки индуктора намотаны одним многожильным проводом, состоящим из тридцати двух проводов типа ПЭТВ-2 диаметром 0,27 мм, свитых в жилу таким образом, что при намотке индукционных катушек, располагаемых на ножках сердечников, на один виток намотки приходился один оборот вокруг своей оси, для кольцевых катушек 5, 14, 15 - соответственно три, три и два оборота на один виток. Индукционные катушки 3, 4, 6 содержали по двенадцать витков, катушка 5 - девять витков. Внешний диаметр индуктора равен 0,18 м. Индуктивность индуктора составила 0,386 мГн. В качестве основания индуктора применен текстолит толщиной 2,5 мм, фольгированный с одной стороны, причем при толщине фольги равной один микрон наблюдалось практически полное отражение для тангенциальной составляющей вектора магнитной индукции. В другом варианте индуктора (фиг. 2) применены ферритовые сердечники типа М 2500 НМС 1 ШК 56 х 16,причем все индукционные катушки содержали по восемь витков, кроме катушек 6, 12 которые содержали по двенадцать витков. Работу устройства осуществляют следующим образом. Непосредственно на индукторе размещают диэлектрический настил, например из стеклокерамики толщиной 3-5 мм, на котором располагают кухонную посуду из ферромагнитного материала. Выходные клеммы 7, 8 индуктора подсоединяют к входным клеммам преобразователя, одна из которых соединена со средней точкой двух последовательно соединенных переключающих элементов, например полевых транзисторов, вторая - со средней точкой двух последовательно соединенных конденсаторов. Источник анодного напряжения подключают плюсом к анодному выводу первого переключающего элемента и параллельно к свободному выводу одного из конденсаторов, минусом - к катодному выводу второго переключающего элемента и параллельно к свободному выводу второго конденсатора. Генератор запуска включает и выключает каждый из переключающих элементов со сдвигом на полпериод резонансной частоты колебаний контура, образованного индуктивностью индуктора и емкостью вышеупомянутых конденсаторов, в моменты времени, когда ток индуктора равен нулю. В качестве переключающих элементов преобразователя применены полевые транзисторы со статической индукцией типа КП 934 А, соединенные параллельно в сборки по 4 штуки в качестве емкостных элементов конденсаторы типа К 78-2 - 1000 В - 0,068 мкФ. Резонансная частота преобразователя составила 22 кГц. При источнике анодного напряжения 300 В мощность, потребляемая преобразователем, составила 1,2 кВт тепловая мощность, передаваемая в кастрюлю из ферромагнитного материала, заполненную водой, - 1140 Вт. Равномерность нагрева днища кухонной посуды проверялась по равномерности распределения пузырьков воды по днищу кухонной посуды при ее закипании в случае, когда слой воды составлял 5-10 мм. Изобретение обладает рядом преимуществ по сравнению с базовым объектом, за который принят плоский индуктор спирального типа, применяемый в серийно выпускаемых бытовых индукционных электроплитах, а именно уменьшает магнитное поле рассеяния вокруг индукционной электроплиты в 25 раз и более (экспериментально измеренное распределение магнитного поля приведено в таблице) создает практически равномерное распределение температуры по днищу кухонной посуды увеличивает КПД индукционной электроплиты,от 80 до 95, что обеспечивает уменьшение мощности,рассеиваемой в объеме электроплиты, и позволяет отказаться от применения мощных радиаторов и вентиляторов для охлаждения силовых переключающих элементов и обмоток индуктора. Тип индуктора На расстоянии 20 см от кастрюли вокруг и снизу сверху кастрюли кастрюли 16,7 42 5 На расстоянии 0,5 м от кастрюли сверху вокруг снизу 2863 1 спирального типа Предлагаемый индуктор Распределение напряженности магнитного поля. А/м, в окружающем пространстве вокруг кухонной индукционной электроплиты при потребляемой мощности 1 кВт в зависимости от типа индуктора. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.