Кухонная плита с индукционным нагревом

(71) Заявитель Закрытое акционерное общество Атлант Минский завод холодильников(73) Патентообладатель Закрытое акционерное общество Атлант Минский завод холодильников(57) 1. Кухонная плита с индукционным нагревом, содержащая индуктор, на котором расположен диэлектрический настил, катушку индуктивности, размещенную снизу между индуктором и корпусом устройства, а также силовой блок, состоящий из преобразователя постоянного или выпрямленного пульсирующего напряжения электрической сети в переменный ток, к выходным клеммам которого подключены выводы индуктора, и схему управления переключающими элементами силового блока, отличающаяся тем, что катушка индуктивности выполнена из многожильного провода в видекороткозамкнутых кольцевых контуров,установленных в одной плоскости концентрично друг другу на расстоянии от индуктора, равном 1,52,5 см,при этом многожильный провод выполнен из изолированных проводников радиуса 1 р 4820 1 где- угловая частота колебаний электрического тока в индукторе, - коэффициент электропроводности материала проводника,0 - магнитная постоянная, - относительное значение магнитной проницаемости материала проводника,а минимальное число проводников в многожильном проводе каждого из короткозамкнутых кольцевых контуров 533 2. Плита по п.1, отличающаяся тем, что в качестве индуктора использован спиральный индуктор, при этом устройство дополнительно включает один короткозамкнутый кольцевой контур, расположенный концентрично в плоскости индуктора на расстоянии 1,52,5 см от его края, на таком же расстоянии друг от друга расположеныкольцевых контуров, причем радиус короткозамкнутого кольцевого контура, расположенного в центре, равен 2,53,5 см. Изобретение относится к области электронагревательной техники и может быть использовано в бытовых кухонных электроплитах для приготовления пищи путем индукционного нагрева днища кухонной посуды. В бытовых кухонных электроплитах индукционного типа частота тока преобразователя, питающего индуктор, лежит в пределах 20 кГц 1 МГц, причем нагрев днища кухонной посуды происходит при напряженности тангенциальной составляющей магнитного поля (35)103 А/м. Величина нормальной составляющей напряженности магнитного поля над центральной частью диаметром примерно 5 см и на расстоянии 1 см от индуктора примерно в 1,8 раза больше тангенциальной составляющей. Из теории Максвелла для граничных условий на поверхности раздела двух сред следует, что нормальная составляющая вектора магнитной индукции проходит металлическую пластину без отражений, т.е. металлическая пластина может служить экраном только для тангенциальной составляющей магнитной индукции. Поэтому вопросы, связанные с экранированием электроплит от электромагнитного излучения, как с экологической точки зрения, так и с исключением наводок на схемы, в частности схему управления, являются актуальными. Известна кухонная плита с индукционным нагревом, содержащая индуктор, сверху которого расположен диэлектрический настил, на который ставится посуда, и рамку из немагнитного электропроводящего металла с отверстием, расположенным соосно и несколько превышающим размеры индуктора 1, которая выполняет функцию экрана. Недостатком такого устройства является то, что рамка и металлический корпус устройства могут служить дополнительным экраном, но не основным, формирующим направление магнитного потока. Известно индукционное нагревательное устройство, в котором радиатор установлен между печатной платой схемы управления и индуктором, который одновременно служит и экраном 2. Недостатком такого устройства служит отсутствие экранов, препятствующих проникновению магнитного поля в окружающее пространство. Известно устройство для придания формы магнитному потоку в индукционном блоке, в котором на диэлектрический настил, расположенный над индуктором, нанесен электропроводящий слой, соприкасающийся с посудой и контактирующий с металлическим основанием, на котором расположен индуктор. В результате между основанием и посудой образуется непрерывный путь для магнитного потока, образуемого индуктором, с низким магнитным сопротивлением, при этом электропроводный слой ограничивает также утечку магнитного потока 3. В данном устройстве для уменьшения магнитного сопротивления на пути магнитного потока по металлическому основанию и электропроводящему слою их необходимо выполнять из магнитного металла, что так 2 4820 1 же приведет их к нагреву, как и днище кухонной посуды, за счет тангенциальной составляющей магнитной индукции, - нормальная составляющая магнитной индукции проходит металл без отражения. Наиболее близким по технической сущности является кухонная плита индукционного типа, в которой между спиральным индуктором и экранирующим корпусом установлена дополнительная катушка индуктивности, концы которой соединены посредством конденсатора. Собственно индукционная плита содержит индуктор, выполненный в виде спирали, на котором расположен диэлектрический настил, катушку индуктивности, размещенную снизу между индуктором и корпусом устройства, а также силовой блок, состоящий из преобразователя постоянного или выпрямленного пульсирующего напряжения электрической сети, и схему управления переключающими элементами силового блока 4. В данном устройстве дополнительная катушка индуктивности совместно с подсоединенным к ее выводам конденсатором образует С-контур. Магнитный поток синусоидальной формы, пронизывающий катушку индуктивности, создает в ней ток , описываемый выражением- амплитудное значение тока в -контуре 0 - магнитная постоянная- число витков дополнительной катушки индуктивности- геометрическая площадь контура, образуемого витками дополнительной катушки (в случае -1 площадьпредставляет собой геометрическую площадь -контура) 0 - амплитудное значение напряженности магнитного поля, пересекающего контур, охватываемый катушкой индуктивности- индуктивность дополнительной катушки- угловая частота тока, протекающего через индуктор-постоянная затухания -контура- сумма активного сопротивления дополнительной катушки и эффективного сопротивления, обусловленного тепловыми потерями в конденсаторе 1 0 2(7)22 Второй член в квадратных скобках уравнения (1) содержит экспоненциальный множитель затухания, поэтому он проявляется только во время включения индукционной плиты, через время 4/ данный член затухает, и в квазистационарном режиме работы им можно пренебречь. Полное выталкивание магнитного поля индуктора, пронизывающего витки дополнительной катушки, наведенными в ней токами будет происходить только в случае, когда фаза наведенного тока в дополнительной катушке сдвинута наи потери в катушке не составляют заметной величины. Знак - в формуле (1), стоящий после знака , указывает на сдвиг по фазе на , но еще существует сдвиг на угол , определяемый формулой (6), который в случае резонанса (0) равен /2, т.е. общий 2 4820 1 сдвиг по фазе равен /2, что приводит только к частичному выталкиванию магнитного поля индуктора токами, создаваемыми в дополнительной катушке. Известен индуктор для кухонной индукционной электроплиты, содержащий цилиндрические катушки,установленные в одной плоскости концентрично друг другу, причем одинаковое направление намотки витков, расстояние между центрами намотки витков соседних катушек в 2 раз меньше высоты намотки катушек, снабженных двумя плоскими экранами из электропроводящего немагнитного материала, имеющими форму круговых колец и расположенными соосно индуктору на уровне верхней и нижней плоскостей соответственно, причем радиус отверстий экранов превышает внешний радиус индуктора на (0,5-1), а ширина колец равна высотекатушек индуктора 5. Для уменьшения нагрева вследствие скин-эффекта экраны выполнены из, например, алюминиевой фольги в виде стопки колец, изолированных друг от друга. Известна кухонная плита с индукционным нагревом напольного типа, в которой двухконфорочная индукционная электроплита вставлена в углубление на верхней панели металлического корпуса плиты 6. Преимуществом такого устройства является то, что металлический корпус плиты напольного типа, выполненный, как правило, из металла на основе железа, служит дополнительным экраном. Недостатком трудности отвода тепла от электрической схемы плиты индукционного типа, особенно в случае ее нагрева при включении духовки (по этой причине индукционную плиту проще использовать отдельно, вынимая ее из углубления металлического шкафа), а также уменьшение КПД преобразования электрической энергии в тепло, выделяемое в днище кухонной посуды, из-за поглощения части энергии магнитного поля стенками и верхней панелью металлического корпуса плиты. Целью изобретения является уменьшение наводок электромагнитного излучения в окружающее пространство и получение направленного магнитного потока, создаваемого индуктором. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем индуктор, на котором расположен диэлектрический настил, катушку индуктивности, размещенную снизу между индуктором и корпусом устройства, а также силовой блок, состоящий из преобразователя постоянного или выпрямленного пульсирующего напряжения электрической сети в переменный ток, к выходным клеммам которого подключены выводы индуктора, и схему управления переключающими элементами силового блока, в котором катушка индуктивности выполнена из многожильного провода в видекороткозамкнутых кольцевых контуров, установленных в одной плоскости концентрично друг другу на расстоянии от индуктора, равном 1,52,5 см, при этом многожильный провод выполнен из изолированных проводников 1,(8) 2 2 0 где- коэффициент электропроводности материала проводника- относительное значение магнитной проницаемости материала проводника а минимальное число проводников в многожильном проводе каждого из короткозамкнутых кольцевых контуров где Р 14. Ток, индуцируемый магнитным полем индуктора, в короткозамкнутом кольцевом контуре определяется из соотношения Экспоненциальный член, стоящий в круглых скобках уравнения (10), затухает после включения электроплиты за время 2/ и им можно пренебречь в квазистационарном режиме работы. Амплитудный множитель при функциив уравнении (10), равный /2,может быть выбран равным 25-100.100-0. Из уравнения (12) следует, что сдвиг фаз между токами в контуре и индукторе примерно равен . 4820 1 Суммарная величина активной мощности, выделяемой в кольцевых контурах при величине Р 4, не превышает 1 от мощности, выделяемой в днище кухонной посуды, поскольку активная мощность пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля, а кольцевой контур расположен на расстоянии более чем в два раза превышающем расстояние днища кухонной посуды от индуктора. Соответственно величина нормальной составляющей напряженности магнитного поля в месте расположения кольцевого контура меньше,чем у днища кухонной посуды в два раза и более при удалении днища от индуктора на расстоянии, примерно равном 0,51 см. Исходя из теории скин-эффекта, глубина проникновениямагнитного поля описывается выражением 7 В случае многожильного провода магнитное поле, создаваемое током в каждом из проводников, влияет на распределение тока по сечению соседних проводников. Данный эффект носит название эффекта близости,который для двухпроводной линии рассмотрен в работе 8. Так, из теории скин-эффекта следует, что активное сопротивление медного провода радиусом 1 мм при частоте тока 22 кГц только на 1 превышает его сопротивление на постоянном токе 9. Учет эффекта близости в случае многожильного провода показывает,что рост активного сопротивления при частоте тока 22 кГц по сравнению с постоянным током начинается при радиусе проводников, из которых выполнен многожильный провод, равном 0,11 мм. Зависимость радиусапроводников, из которых выполнен многожильный провод, от частоты тока, когда эффект близости становится только заметным, описывается с достаточной степенью точности выражением (8). Активное сопротивлениекороткозамкнутого кольцевого контура, выполненного из многожильного провода, содержащегопроводников радиуса , определяемого выражением (8), на постоянном токе определяется из соотношения 16 0 0 1 20 где 0 - радиус кольцевого контура. Индуктивность кольцевого контура при отношении радиуса многожильного провода к радиусу кольцевого контура, примерно равном 0,1, с достаточной степенью точности аппроксимируется выражением(15)30 ,гдеизмеряется в Гн, 0-м. На фиг. 1 показано распределение нормальной составляющей напряженности Н магнитного поля в плоскости кольцевого контура, отнесенной к напряженности магнитного поля Н 0 в центре кольцевого контура от величины/0, где- радиус точки, в которой определяется напряженность 0. Данная зависимость аппроксимируется выражением типа( ) причем погрешность аппроксимации не превышает 7 при 0,9 и 15 при 0,99, а при 0,5 погрешность не превышает 0,5 . Зависимость индуктивности кольцевого контура , отнесенной к произведению 00, от величины 1-0/0, где 0 -радиус сечения провода кольцевого контура представлена на фиг. 2. На основании уравнения (11) с учетом (14) и (15) получено, что минимальное число проводников в многожильном проводе Таким образом, условие (17), определяющее минимальное число проводников в многожильном проводе,не зависит как от материала проводников, так практически и от радиуса кольцевого контура. Так, принимая Р 2, получим 266 Р 3,78 Р 4,133. В случае, когда в качестве индуктора использован спиральный индуктор, устройство дополнительно включает один короткозамкнутый кольцевой контур, расположенный концентрично в плоскости индуктора на расстоянии 1,5-2,5 см от его края, на таком же расстоянии друг от друга расположеныкольцевых контуров, причем радиус короткозамкнутого кольцевого контура, расположенного в центре, равен 2,53,5 см. 5 4820 1 Максимум нормальной составляющей напряженности магнитного поля расположен над центральной частью индукторов радиуса 2,5-3,5 см, - с увеличением радиуса нормальная составляющая напряженности магнитного поля спадает линейно до нуля, а за пределами индуктора меняет направление на обратное. Ток, индуцируемый в кольцевых контурах, создает магнитное поле, которое выталкивает нормальную составляющую магнитного потока индуктора, направляя его вдоль поверхности индуктора, а кольцевые контура, расположенные в плоскости индуктора заворачивают его, направляя в днище кухонной посуды. В отличие от кухонной плиты индукционного нагрева напольного типа, в которой индукционный блок вставляется в углубление на верхней панели металлического шкафа 6, в данном устройстве возможно разнести индуктор с экранирующими кольцевыми контурами, оставляя их на верхней панели шкафа, от остальной схемы индукционного блока, размещая ее, например, на задней стенке металлического шкафа в корпусе,закрепленном на кронштейнах с воздушной прослойкой. Такое расположение индуктора и схемы индукционного блока снимает практически проблему отвода тепла от элементов схемы, поскольку исключается их нагрев за счет потока тепла от днища кухонной посуды, индуктора и духовки, при ее наличии. Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1-4). На фиг. 1 показано распределение нормальной составляющей напряженности Н магнитного поля в плоскости кольцевого контура, отнесенной к напряженности магнитного поля 0 в центре кольцевого контура(Н 00 /2 р 0) от величины/0, где р - радиус точки, в которой определяется напряженность магнитного поля(/0). Зависимость индуктивности кольцевого контура , отнесенной к произведению 00, от 1-0/0,где 0 - радиус сечения провода кольцевого контура, представлена на фиг. 2. Устройство (фиг. 3) содержит диэлектрическое основание 1, на котором расположен индуктор спирального типа 2, сверху которого размещен диэлектрический настил 3, служащий для установки кухонной посуды (на фиг. 3 не показана), корпус 4, на котором расположены короткозамкнутые кольцевые контура 5-7. Силовой блок и схема управления индукционной электроплитой на фиг. 3 не показаны. Устройство (фиг. 4) содержит диэлектрическое основание 1, на котором расположен индуктор спирального типа 2, сверху которого размещен диэлектрический настил 3, служащий для установки кухонной посуды (на фиг. 4 не показана), корпус 4, на котором расположены короткозамкнутые кольцевые контура 5-7,кольцевой контур 8. Силовой блок и схема управления индукционной электроплитой на фиг. 4 не показаны. Работу устройства осуществляют следующим образом. На диэлектрический настил непосредственно над индуктором размещают кухонную посуду. Выводы индуктора подсоединяют к выходным клеммам силового блока, например, выполненного в виде преобразователя по полумостовой схеме, причем один из выводов индуктора соединен со средней точкой двух последовательно соединенных переключающих элементов, например, полевых транзисторов, второй - со средней точкой двух последовательно соединенных конденсаторов. Источник анодного напряжения подключен 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. Схема управления поочередно включает каждый из переключающих элементов со сдвигом на полупериод резонансной частоты колебаний контура, образованного индуктивностью индуктора и суммарной емкостью вышеупомянутых конденсаторов в моменты времени, когда ток через индуктор равен нулю. При протекании тока через индуктор в днище кухонной посуды образуются вихревые токи, приводящие к ее нагреву, а короткозамкнутые кольцевые контура направляют магнитный поток вдоль нижней поверхности индуктора, не выпуская его наружу, в днище кухонной посуды. В кухонной плите индукционного нагрева, работающей на частоте 22 кГц, для намотки многожильного провода, из которого выполнены короткозамкнутые кольцевые контура, применен медный проводник диаметром 0,224 мм. Всего кольцевой контур содержал 196 проводников (4 многожильных провода, связанных параллельно, каждый из которых содержал по 7 стренг, которые в свою очередь - по 7 проводников), величина Р 3. 4820 1 4. Заявка Германии 4040281 (заявка ЕПВ 0491254), МПК Н 05 В 6/12, 6/36,1982 (прототип). 5. Заявка Республики Беларусь 970237, МПК Н 05 В 6/40,6/44,1997. 6. Заявка Японии 63-3429, МПК Н 05 В 6/12,11/00,1988. 7. Тамм И.Е. Основы теории электричества. - М. Наука, 1976. - С. 408-415, 483-487. 8. Кутушев , Голубева К.С. Основы радиоэлектроники. Линейные электромагнитные процессы. - М. Энергия, 1969. - С. 402-405. 9. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Издание 5. - М. Высшая школа, 1967. - С. 739742. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 7