Brevet FR2315819A1 — publié le 19770121

La présente invention concerne des inducteurs électriques utilisés pour chauffer par induction des pièces conductrices de l'électricité ; elle a trait plus particulièrement, bien que non exclusivement, à des inducteurs à usage culinaire, inducteurs pour cuisinières, plaques de cuisson, fours, grils, etc. La technique du chauffage par induction magnétique, bien connue maintenant, est particulièrement intéressante dans le domaine culinaire. Un corps métallique placé dans un champ magnétique alternatif est le siège, dans sa masse, de courants électriques alternatifs de même fréquence que le champ magnétique considéré. Le corps métallique présentant une résistance électrique, les courants qui s'y développent y créent de la chaleur (effet Joule). La base du chauffage par induction consiste donc en la création d'un champ magnétique alternatif dans lequel on place un ustensile métallique. La transformation de l'énergie magnétique en énergie électrique puis en chaleur se fait dans la masse de l'ustensile. La création du champ magnétique alternatif nécessite un générateur approprié et un inducteur. Cet inducteur est généralement constitué d'un conducteur électrique de résistance la plus faible possible, bobiné en spirale plate Oh en boudin. L'ustensile est constitué par une surface métalli -que, disposée parallèlement à l'inducteur.Ustensile et inducteur sont séparés l'un de l'autre par un espace d'épaisseur e Un inconvénient majeur des inducteurs en spirale est que la chaleur qu'ils produisent à la pièce métallique à chauffer, plaque ou récipient par exemple, ne se développe ni ne se répartit uniformément sur la surface de cette pièce traversée par le flux magnétique produit par l'inducteur. Dans un inducteur en spirale simple, il apparat, selon une loi classique, une zone de production maximale de chaleur environ à midistance entre le centre de la spirale et ses bords, tandis que les autres zones correspondant au centre de laspj.rale et à sa périphérie, sont beaucoup moins chauffées.L'élévation en température de ces dernières zones se fait par conduction dans le métal de la pièce à chauffer, mais les différences de température restent très considérables, et ceci d'autant plus que les parties considérées sont plus éloicnes de la zone de chauffage maximale Ceci peut presenter un grave inconvénient pour l'objet à chauffer (par exemple aliments non cuits ou non chauffés par endroits et calcinés dans d'autres, modification de la molécule chimique de corps gras surchauffés localement, différence de température-au sein d'un bain, cas des applications dans le domaine de la chimie), ou pour l'ustensile (dilatations thermiques importantes et très localisées entrainant des déformations) Les solutions proposées par l'art antérieur pour tenter de remédier à cette inhomogénéité de chauffage, consistent généralement à modifier la forme de la spirale pour diminuer les différences de chauffage sur la pièce à chauffer, en uniformisant les zones de production maximale de chaleur et les zones de production minimale de chaleur. Pour cela, on a par exemple utilisé des spirales non plus planes, mais coniques, des spirales à pas variable, des spirales dont la forme générale tente de se rapprocher de celle de la surface à chauffer, etc. Ces diverses solutions, si elles améliorent le problème de l'uniformité du chauffage, sout encore loin de donner entièrement satisfaction, les gradients de température sur des pièces métalliques chauffées par de tels inducteurs étant encore assez élevés. La présente invention propose un certain nombre d'inducteurs, utilisables dans diverses applications, et susceptibles de donner un chauffage à uniformité amélioré. Un inducteur selon l'invention comporte n inducteurs élémentaires, avec n au moins égal à deux, disposes côte à côte, ces n inducteurs étant d'une part, bobinés et connectés aux bornes d'une meme source alternative de manière que deux inducteurs voisins produisent des champs magnétiques instantanés en opposition de phase, et ces n inducteurs élémentaires étant d'autre part disposés les uns par rapport aux autres d'une manière telle que le flux magnétique sortant de la section de l'un d'entre eux se referme à travers la section des inducteurs élémentaires l'entourant. Un tel inducteur peut etre réalisé, corme on le verra plus loin, sous diverses formes ; dans tous les cas, cette combinaison de n inducteurs élémentaires permet d'uniformiser le chauffage d'une part en multipliant les zones de production de chaleur, d'autre part en augmentant la surface de chacune de ces zones. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par les figures annexées qui représentent - la figure 1, une vue schématique en coupe d'un inducteur en spirale de l'art antérieur, et des zones de chauffage correspondantes - les figures 2a et 2b, des vues schématiques en coupe et de dessus d'un inducteur comportant deux inducteurs élémentaires coi innés selon l'invention ; - les figures 3a et 3b, des vues schématiques, en coupe et de dessus d'un inducteur destiné à chauffer un ustensile dont le fond est allo;;2é, rectangulaire par exemple - les figures 4a, 4b, 5a et 5b, des vues schématiques d'inducteurs rectangulaires et de plusieurs modes d'enroulement et de connexion possibles des inducteurs élémentaires combinés - la figure 6, une vue schématique de dessus d'un inducteur de forme générale circulaire , - la figure 7, une vue schématique en perspective d'un inducteur cylindrique destiné à chauffer une pièce placée à l'intérieur du cylindre - la figure 8, une vue schématique, en coupe d'un inducteur selon l'invention, utilisé pour chauffer un ustensile et comportant certains perfectionnements. Les figures 1 et 2 permettent de comprendre l'invention en comparant les effets du chauffage sur une plaque métallique I, d'un inducteur en spirale de l'art antérieur, figure 1, et d'un inducteur selon l'invention, figure 2. On a symboliquement représenté sur la figure I, un inducteur spiralé 2 dont les spires 3 sont vues en coupe. Un tel inducteur produit, lorsqu'il est parcouru par un courant alternatif, un champ magnétique alternatif H dont les lignes de force ont l'allure représentée figure I en traite interrompus. Ces lignes de force sont sensiblement @@r e@ au plan de l'inducteur dans la région de son centre ou se reforment dans la pièce 1.On constate que les courants induits produits par de champ alternatif H dans la pièce 1 sont peu importante dans la zone centrale où les lignes de force ont une composante parallèle à la surface à chauffer 1 faible (cette composante sera appelée par la suite "longitudinale"), et que ces courants sont nettement plus importants dans les zones où la composante longitudinale des lignes de force du champ H est importante, c'est-à-dire dans la zone située approximativement à mi-distance entre le centre de l'inducteur 2 et ses bords. Il en résulte une courbe de chauffage 4 présentant une zone circulaire de chauffage maximal 5, entcu: at une zone 6 ce chauffage par induction faible. Il est clair que si l'on veut augmenter le diamètre de l' teur, pour chauffer des pièces 1 de diamètre plus important, la no'-:- uniformité de chauffage va s'accentuer et devenir incompatible avec le chauffáge relativement uniforme nécessaire à des applications culinaires notamment. Les figures 2a et 2b illustrent schématiquement comment l'invention, en combiant plusieurs inducteurs élémentaires d'une manière particulière, permet d'uniformiser le chauffage par induction de la pièce l en augmentant les zones de cette pie ce parcourues par des courants induits, cette uniformisation étant obtenue aussi bien pour des pièces 3. de petites dimensions que pour des pieces plus grandes. On a représenté ici un inducteur comprenant deux inducteurs élémentaires rectangulaires 10 et 11 disposés côte à cote et connectés en série entre les bornes d'une source alternative S de manière à etre parcourus en sens contraire par le courant alternatif i ; les champs magnétiques H produits par ces deux inducteurs élémentaires sont ainsi, à chaque instant, en opposition dé phase. Les inducteurs élémentaires 10 et 11 sont de plus disposés l'un par rapport à l'autre de manière que le flux magnétique H sortant de la moitié droite de l'inducteur élémentaire 10 (figure 2a) se referme par la moitié gauche de l'inducteur élémentaire Il. Il résulte de cette combinaison des deux inducteurs élémen- taires lo et 11, que les zones de chauffage maximal par courants induits ne se trouvent plus (pour la partie centrale ici) au dessus de l'inducteur, zones 5 de la figure 1, mais entre les deux inducteurs élémentaires, zone 12 de la figure 2a, que dans cette zone 12 le champ fage par induction est très intense puisau'il y a une plus grande densité de lignes de forces de champ K (les deux inducteurs élémentaires participant à la création de lignes de forces dans cette zone), et que les zones de chauffage important sont multipliées. Paradoxalement1 le chauffage par induction est le plus important au-dessus de la zone où il n'y a pas de spires d'inducteur, zone entre 10 et 11. Ceci résulte de la combinaison particulière des inducteurs élémentaires 10 et 12 et de la forme résultante des lignes de force c'est dans cette région que se trouve la plus forte densité de lignes de force à composante longitudinale. On peut encore noter un avantage supplémentaire de cette combi- naison : la zone 12 de chauffage maximal se trouvant entre les induc teurs élémentaires, et non plus au-dessus de leurs spires, celles-ci --s'échaufferont moins par rayonnement ce qui, bien entendu, est tout à fait souhaitable. Cet exemple drinducteur a deux inductéurs élémentaires a été donné à titre indicatif pour permettre de bien comprendre l'invention. Il est clair qu'il est plus avantageux de combiner plus de deux induc- teurs élémentaires ; on obtient ainsi plusieurs fois le bénéfice de la combinaison, et on peut réaliser de grands inducteurs à chauffage relativement bien uniforme. Les figures 3a et 3b représentent, vues respectivement en coupe et de dessus, un inducteur 32 selon l'invention comportant quatre in ducteurs élémentaires rectangulaires combinés, 33 à 36, pour chauffer un ustensile 30 à fond rectangulaire 31 (ou allongé, ovale par exemple). Les inducteurs élémentaires sont bobinés, connectés à un géné rateur 37 de courant pour chauffage à induction, et disposés, de manière que les lignes de force du champ magnétique qu'ils créent se referment d'un inducteur élémentaire sur le suivant, comme représenté sur la figure 3a, de manière à obtenir les effets décrits plus haut. Les zones de chauffage maximal par induction sont représentée en grisé sur ces deux figures. Les zones 38, 39 et 40 sore plus impor- tantes et plus intenses que les zones extremes 41 et 42 où n'app2ralt pas l'effet cumulatif de deux inducteurs élémentaires combinés. Les inducteurs élémentaires sont par exemple maintenus rigidement les uns aux autres par un support non représenté ici, en un matériau approprié, et notamment électriquement isolant et magnétique- ment transparent. Les inducteurs élémentaires 33 à 36 peuvent etre connectés en série, ou en parallèle, ou en série parallc'-le, mais toujours de façon à ce que le flux magnétique engendré par chacun d'eux soit instantane- ment opposé à celui engendré par son ou ses voisins immédiats. Ce résultat peut être obtenu par exemple - soit en bobinant tous les inducteurs élémentaires dans le mCme sens et en les connectant de façon à ce que, par exemple, quand le courant entre dans l'un d'eux par le début du bobinage d pour sortir par la fin f du bobinage, il entre dans son ou ses voisins immédiats par la fin f du bobinage pour en sortir par le début d (c'est le cas de la figure 4a) - soit en bobinant chaque inducteur élémentaire en sens inverse par rapport au sens de son ou ses voisins immédiats, et en les connectant de façon telle qu'un courant instantané entre par exemple dans chacun d'eux par le début d du bobinage pour en sortir par la fin f du bobinage (figure 4b). Au cas où les inducteur s élémentaires sont en nombre pair il est possible de les monter en parallèle, ou en série parallèle, comme sur les figures 5a et 5b par exemple. Mais il est nécessaire de prévoir un organe d'équilibrage des courants dans les branches parallèles. En alternant les inducteurs élémentaires 50 de chacune des branches, selon la figure Sa, tout en respectant le sens des flux magnétiques décrits ci-dessus, on réduit le déséquilibre possible du courant dans les branches dû à une différence de charge de chacune des branches, charge constituée par 1 importance de la capture du flux magnétique par l'ustensile et qui peut varier localement suivant la position relative de l'ustensile et de l'inducteur. L'organe d'éqvli- librage 52 peut être constitué par des résistances électriques ou par des inductances. On peut aussi, par exemple, utiliser autant d'ensembles diodesthyristor-organe d'équilibrage 53 qu'il y a de branches 51 en parallèle, comme le montre la figure 5b. Les inducteurs décrits jusqu'ici sont des inducteurs rectano:u laires ; leur forme est bien entendu adaptée au type d'ustensile ou de plaque à chauffer. La figure 6 illustre schématiquement, vu de dessus. un induc- teur selon l'invention, adapté au chauffage d'une plaque circulaire ou d'un ustensile à fond circulaire (casserole par exemple}. Dans cet exemple, chaque inducteur élémentaire 61 a une forme triangulaire , les zones de chauffage maximal sont, comme précéderiment, entre les înducteurs élémentaires. Il en résulte, de manière claire une uniformisation du chauffage sur la surface à chauffer Il faut noter qu'ici, comme dans toutes les réalisations où les inducteurs élémentaires ont une disposition générale fermée, chaque inducteur élémentaire étant entouré par deux inducteurs élémentaires, leur nombre doit être pair pour que le flux magnétique se referme cor rectement. La figure 7 illustre schématiquement un inducteur en cylindre composé d'un nombre pair d'inducteurs elémentaires rectangulaires 71 disposés autour d'un support cylindrique 72, destiné à épouser la forme de l'ustensile qu'il est prévu de chauffer. De nombreux autres modes de réalisation font partie de l'invention ,;' on peut en effet faire varier le nombre, la forme des inducteurs élémentaires, leurs groupements... La figure 8 illustre schématiquement un certain nombre de perfectionnements que l'on peut apporter aux inducteurs de l'invention. Des inducteurs élémentaires 80, rectangulaires par exemple, sont ici disposés sur un support 81 électriquement isolant et mayné tiquement transparent, pour chauffer un ustensile 82. I1 est clair que des variations de la distance e entre l'inducteur 80 et l'ustensile 82 font varier tant l'intensité du chauffage par induction dans les zones de chauffage maximal (entre les inducteurs élémentaires 80), que la dimension de ces zones. Une distance e importante réduit le surchauffage et étale les zones de production de chaleur uniformisant au maximum le chauffage sur l'ustensile. Une distance e faible précise les zones de production de chaleur, et rend le surchauffage très important dans ces zones, ce qui est également exploitable, quand le surchauffage par places et volontairement localisé et dimensionné est souhaité. De ce qui précède, il apparat donc possible de faire varier à volonté le surchauffage des zones de production de chaleur par addition d'un système mécanique 83 faisant varier la distance e en déplaçant le support 81 et son inducteur 80 par rapport à l'ustensile. Par ailleurs un système mécanique 84 peut être inclus dans l'ensemble de l'appareil de chauffage afin d'imposer à l'inducteur construit selon l'invention, par l'intermédiaire de son support 81, un mouvement alternatif longitudinal F, perpendiculaire aux zones de chauffage, mouvement d'amplitude a telle qu'elle déplace chaque zone principale de production de chaleur au point d'effleurer sa ou ses voisines immédiates, ceci afin d'égaliser la production de chaleur dans l'ustensile. Dans le cas d'un inducteur circulaire tel que celui de la figure 6, le mouvement alternatif est un mouvement alternatif angulaire, concentrique avec l'inducteur. On peut noter, qu'au lieu de déplacer l'inducteur dans un mouvement de va-et-vient par rapport à l'ustensile à chauffer, on peut disposer deux inducteurs identiques l'un au-dessus de l'autre, les zones de chauffage maximal de l'un se trouvant au-dessus des zones de chauffage minimal de l'autre. La fabrication des inducteurs élémentaires est analogue à celle de tout autre inducteur ; le matériau est un conducteur du courant électrique de résistance électrique la plus faible possible, plein, cylindrique ou méplat, en barre ou en tube de section cylindrique ou rectangulaire avec ou sans circulation de liquide de refroidissement1 ou en fil divisé, suivant toutes les techniques de bobinage des inducteurs. L'invention s t applique à toutes les utilisations du chauffage par induction, en particulier - cuisine ; réalisation de tables de cuisson, de fours, de grils, de chauffe-plats, etc. - industrie : fours, trempe, tunnel de chauffage å quotient de température variable ou non, - plysique, chimie, industrie photographique, reprographie... - chauffage avec quasi-égalité de température en tout point du corps chauffé, ou au contraire avec des zones de surchauffage volontairement créées et localisées. RlSVENf)IG~TIONS 1. Inducteur électrique pour chauffage par induction caracté- risé en ce qu'il comporte n inducteurs élémentaires, avec n au roins égal à deux, disposés côte à côte, ces n inducteurs élémentaires étant d'une part bobinés et connectés aux bornes d'une source alternative de manière que deux inducteurs élenentaires voisins produisent des champs magnétiques en opposition de phase, et étant d'autre part disposés les uns par rapport aux autres d'une manière telle au'au moins une partie du flux magnétique sortant de l'un d'entre eux se referme à travers le/les inducteurs élémentaires l'entourant. 2. Inducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte n inducteurs élémentaires identiques alignés sur un meme support en matériau électriquement isolant. 3. Inducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit support est plan. 4. Inducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit-support plan est allongé, les n inducteurs élémentaires étant chacun constitués de conducteurs bobinés en rectangle (33, 34, 35, 36). 5. Inducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit support est cylindrique (72), lesdits inducteurs élémentaires sont chacun constitués de conducteurs bobinés en rectangle (71) et n est un nombre pair. 6. Inducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte n inducteurs élémentaires identiques, avec n pair, de forme approximativement triangulaire (61), disposés en étoile sur un support électriquement isolant, les pointes des triangles étant dirigées vers le centre du support. 7. Appareil de chauffage caractérisé en ce qu'il comporte au moins un inducteur selon l'une des revendications précédentes. 8. Appareil de chauffage selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un organe (83) de commande de déplacement de l'inducteur (80) et de son support (81) selon une direction perpendiculaire à leur plan, de manière à faire varier la distance e entre l'inaucteur et la pièce a chauffer maintenue en position fixe sur ledit appareil. 9. Appareil de chauffage selon la revendication 7, caractérise en ce qu t il comporte un organe (84) de commande de deplacement de 11 inducteur (80) et de son support dans leur plan, ledit déplacement étant un mouvement de va-et-vient translatant les zones de chauffage maximal produites dans la pièce à chauffer, de manière a leur faire balayer, au cours d'un va-et-vient, la quasi-totalité de ladite pièce.