Brevet FR2481042A1 — publié le 19811023

La présente invention se rapporte au chauffage par induction électrique à haute fréquence de plaques métalliques de cuisson électrique du t"pe dcmestioue ou professionnel. De telles plaques sont généralement chauffées à l'aide de courants de Foucault produits par une bobine inductrice parcourue par un courant à haute fréquence et située au voisinage immédiat desdites plaques. Jusqu'à ce jour, les bobines inductrices connues utilisées dans les foyers de cuisson par induction et dont le fonctionnement est expliqué sur la figure la et lb avaient la forme d'une spirale plane occupant la zone annulaire externe d'un disque circulaire dont la partie centrale était dépourvue de spires. Les bobines inductrices conçues de cette façon possèdent toutefois un certain inconvénient qui réside dans le fait qu'elles ne transmettent pas l'énergie électromagnétique de façon homogène vers le fond du récipient métallique qu'il s'agit de chauffer et, pratiquement, on obtient à l'aide d'une telle bobine, une densité de puissance transmise en fonction de la distance à l'axe de la bobine qui a le profil représenté par la courbe 1 représenté sur la figure la. La figure lb jointe montre, en correspondance avec la figure la, la disposition radiale de la bobine inductrice utilisée. Sur la figure lb on a représenté la bobine inductrice 2 comportant la zone annulaire 3 revêtue de spires enroulees selon une spirale régulière et la zone centrale 4 dans laquelle on ne trouve aucune spire.Le fond métallique 5 du récipient, non représenté, que l'on désire chauffer par induction à haute fréquence, est situé auvoisinage Immédiat de la bobine 2. La figure la montre en fonction de la distance à l'axe, la densité de puissance transmise par le système de la figure lb au fond métallique 5 du récipient. Comme on le voit sur la figure la, cette densité de puissance transmise permet de distinguer trois zones différentes, I, II, et III, qui montrent clairement que l'essentiel de la puissance transmise se trouve-dans une zone annulaire II concentrique à l'axe de la bobine et que les zones extrêmes, à savoir la zone centrale I et la zone extérieure III sont très défavorisées quant à la puissance électromagnétique qu'elles reçoivent. En fait, l'explication de ce phénomène est la suivante : la courbe 31 de la fig la représente en chaque point de la bobine 2 le champ magnétique inducteur H eeedlculaire au plan de la bobine 2. Ce champ s'annule en deux domoines 32 et 33 sur le diamètre de la bobine 2. Si l'on se rappelle la loi d'établissement des courants de Foucault selon laquelle ceux-ci doivent s'opposer à la variation des champs qui leur donnent naissance, il est évident que les courants, induits dans la plaque à chauffer1 circulent essentiellement dans cette zone annulaire définie par les domaines 32 et 33 où le champ est nul. Ceci explique par conséquent la forme de la courbe 1 et la coincidence des deux sommets de cette courbe avec les domaines 32 et 33 du diamètre de la plaque 5 où le champ inducteur s'annule. Ce profil de la courbe 1 de la figure la peut être un inconvénient particulierement genant dans certains cas3 et notamment lorsqu'il s'agit de chauffer des fonds de faible épaisseur ayant par conséquent une résistance thermique élevée, ou lorsqu'il s'agit de chauffer dans des récipients, des produits pateux de densité relativement élevée, dans lesquels ne peuvent s'établir les courants de convection naturels qui viennent, dans une large mesure, atténuer le phénomène des variations d'échauffement local. I1 peut en résulter alors des brasures localisées qui peuvent etre inacceptables pour certaines applications pratiques du chauffage par induction. La présente invention a précisément pour objet un bobinage inducteur pour chauffage d'une plaque de cuisson électrique par induction qui permet de remédier de façon simple et économique aux inconvénients précédemment rappelés dé l'art connu. Ce bobinage inducteur est caractérisé en ce qu'il se compose de deux bobines en spirale juxtaposées et coplanaires ayant chacune la forme générale dsun anneau allongé selon une même direction Dédoublant en quelque sorte la bobine spirale de l'art antérieur en deux bobines de même type juxtaposées dans un même plane on conçoit, diapres les explications précédentes, quUil est possible, puisque l'on augmente par là même le nombre de domaines dánnulae tions-du champ magnétique, d obtenir que la courbe de répartition de puissance ait un nombre de pics supérieur à deux.Ceci réduit d'autant les zones froides de la surface de chauffe. Selon un premier mode de mise en oeuvre du bobinage inducteur conforme à l'invention, les deux bobines en forme d anneaux sont parcourues à chaque instant par des courants de même sens, conduisant à la formation de quatre domaines d'annulation du champ magnétique inducteur alternatif e domaines parallèles à la direction d'allongement des anneaux. Dans ce mode de mise en oeuvre, les deux bo- bines étant parcourues par un courant de même sens de rotation engendrent de part et d'autre du centre de la plaque chauffante une situation comparable à celle de l'ensemble de cette plaque avec les bobines spirales de L'are antérieur representées sur la fig. 1. On parvient ainsi à la formation de quatre domaines d'annulation du champ magnétique inducteur alternatif, c'est- -dire à l'existence de quatre zones de chauffe maximum sur la plaque chauffante. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de la présente invention, les deux bobines en forme d'anneaux sont parcourues à chaque instant par des courants de sens de rotation contraire, à la formation de cinq domaines d'annulation du champ magnétique inducteur alternatif, domaines parallèles à la direction d'allongement des anneaux. Dans ce mode de mise en oeuvre, les champs créés de part et d'autre de la zone centrale par les deux anneaux allongés sont par définition de sens contraire, ce qui conduit obligatoirement à une zone de champ nul au centre de la plaque. Ceci porte donc à cinq le nombre des domaines d'annulation du champ magnétique inducteur alternatif et par conséquent à cinq également le nombre des zones de chauffe. L'intéret majeur de ce mode de mise en oeuvre réside dans le fait que la zone centrale elle meme devient également une zone de chauffe importante de la plaque chauffante ce qui, pour certains cas de cuisson et notamment le cas de casseroles de petit diamètre représente un très gros avantage. Enfin, selon une autre caractéristique de la présente invention, les deux bobines en anneaux sont éloignées légèrement l'une de l'autre au centre du domaine qu'elles recouvrent et rapprochées à leurs extrémités de façon que ledit domaine se rapproche approximativement d'une surface circulaire. Selon cette dernière caractéristique, le fait d'avoir écarté les deux anneaux l'un de l'autre au voisinage du centre de la plaque conduit à resserrer leur ouverture centrale c'est-à-dire à rendre beaucoup plus étroite les zones froides correspondant, d'après la théorie précédente, à la zone centrale de chaque anneau. De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre d'un bobinage inducteur pour chauffage par induction d'une plaque de cuisson électrique. Cette description qui sera faite à titre surtout illustratif et non limitatif se référera aux fig. 2 à 4 sur lesquelles la fig. 2 montre un exemple de bobinage inducteur conforme à l'invention dans le cas où les deux anneaux sont parcourus selon des spirales dans le meme sens. La fig. 2a montre en coupe selon l'axe XX' de la fig. 2b la reparti- tion du champ magnétique inducteur; la fig. 2b montre en plan l'implantation des deux bobines en spirale sous la plaque chauffante. la fig. 3 illustre une variante du mode de mise en oeuvre des fig. 2a et 2b dans laquelle on a déforme les deux bobines en anneaux de façon à libérer la zone centrale de la plaque chauffante au profit d'une diminution des zones froides centrales de chacune des deux bobines. la fig. 4 illustre un exemple de réalisation d'un bobinage inducteur selon l'invention dans lequel les deux bobines en spirale sont parcourues par des courants de sens opposés la fig. 4a illustre les variations du champ magnétique dans le olan de coupe vertical XX' des bobines de la fig. 4b; la fig. 4b montre en plan l'implantation des deux bobines en forme d'anneaux sous la plaque chauffante. Sur la fig. 2 on peut voir conformément à 1' invention le bobinage inducteur composé de deux bobines en spirale 6a et 6b. Ces deux bobines ont la forme générale d'un anneau allongé selon la direction YY' et elles sont parcourues en serie par le même courant alternatif de haute fréquence} dans le même sens pour chaque bobine. A cet effet, le courant pénetre dans la bobine 6a par le conducteur 7 et sort par le conducteur 8 de la zone centrale 9 de la bobine 6a. Il pénètre ensuite à la périphérie de la bobine 6b par ce meme conducteur 8,parcourt la bobine 6b en spirale et sort par le conducteur 10 de la zone centrale 11 de la bobine 6b. Dans ce mode de réalisation, tous les champs crées par les deux bobines 6a et 6b étant dans le meme sens, la configuration générale du champ dans le plan XX' perpendiculaire à la direction YY' a l'allure représentée sur la courbe 12 de la fig. 2a1c'est-à-dire qu'il existe quatre zones respectivement référencées 13? 14, 15 et 16 d'annulation du champ inducteur, donc de chauffage maximum sur la plaque 5. Ces zones de chauffage privilégiées sont représentées schématiquement par des zones d'ombres en 17 et 18 sur la fig. 2b. Un tel bobinage inducteur est constitué, dans un exemple particulier, > de deux bobines identiques ayant chacune une self de 43pH et comportant chacune 19 spires de fil constitué de faisceaux de 40 brins de 45,3 centièmes de mm. L'avantage de ce bobinage inducteur par rapport au bobinage de l'art antérieur ne possédant qu'une seule bobine en spirale est de doubler le nombre de zones de chauffe sur la plaque 5; en contrepartie, il présente l'inconvénient de chauffer surtout le contour extérieur de la plaque 5 ce qui peut entre très gênant dans le cas de petites casseroles dont seul le pourtour est ainsi chauffé. Une version améliorée du mode de mise en oeuvre de la fig. 2b est représentée sur la fig. 3. Sur cette fig. 3 en effet, on a déformé les deux bobines en spirale 6a et 6b de façon à les éloigner légèrement l'une de l'autre au centre faisant ainsi apparaître une zone 20 sans bobinage1 et en rapprochant leur extrémités 21 et 22 de façon à ce qu'elles couvrent un domaine approximativement circulaire correspondant à celui du profil de la plaque 5. De cette façon, on a limité considérablement l'importance des zones centrales 9 et ll des bobines 6a et 6b qui se trouvent beaucoup plus resserrées et on a par conséquent limité corrélativement l'étendue des zones froides que représentent lesdites zones centrales 9 et 11. On parvient ainsi à répartir beaucoup mieux la surface de chauffe qui devient beaucoup plus homogène sur l'ensemble de la plaque 5. Sur la fig. 4, on a illustré schématiquement le deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel les bobines 6a et 6b sont parcourues par des courants de sens opposés. A cet effet, les deux bobines 6a et 6b de la fig. 4b étant alimentées en série par le même courant de fréquence élevée, leur mode de branchement est le suivant. Le courant pénètre dans la première bobine 6a par le conducteur externe 7 et sort de cette bobine 6a par la zone centrale 9 sur le conducteur 8. il entre ensuite sur la zone centrale 11 de la deuxième bobine 6b qu'il parcourt ensuite en spirale pour sortir par le conducteur 10 à la périphérie de cette bobine 6b De cette façons le profil du champ magnétique inducteur est représenté sur la fig. 4a par la courbe 23 qui fait apparaître cette fois cinq zones d'annulation du champ magnétique inducteur référencées respectivement 24 25 26} 27 et 28. Autrement dit, du fait de l'alimentation en sens opposé des deux bobines 6a et 6b, on obtient une dissymétrie du champ inducteur selon la direction XX' qui, en plus des quatre zones d'annulation de la fig 2a, possede ici une cinquième zone centrale 26 de champ nul. Comme dans l'exemple de la fig. 3, la zone centrale 20 a été élargie par une déformation des deux bobines 6a et 6b de façon à limiter au strict minimum la dimension des zones froides 9 et ll au centre des bobines 6a et 6b. L'ensemble des bobines 6a et 6b juxtaposées couvre une zone de plan qui tend à se rapprocher forcamenZc de la forme circulaire de la plaque de chauffe 5. Chacune des bobines 6a et 6b peut etre constituée, dans exemple de la fig. 4b, à l'aide de dix spires de fil de cuivre? ce qui les conduit à avoir une self induction de 15 H. Par rapport au mode de réalisation de la fig. 2, la réalisation de la fig. 4 possède l'avawcage très important de réaliser le chauffage maximum de la plaque 5 au centre de celle-ci puisque, comme on l'a 'u, la zone centrale 26 est une zone d'annulation du champ inducteur. Ce type de bobinage inducteur s'adapte donc parfaitement au cas du chauffage de petites casseroles qui bénéficient ainsi d'un chauffage beaucoup plus homogène. Sur la fig. 4b on a également marqué les zones de chauffage maximum 29 et 30 par des zones d'ombre. REVENDICATIONS 1. Bobinage inducteur pour chauffage d'une plaque de cuisson électrique (5) du tyne donestique ou professionnel par induction de courants électriques à haute fréquence, caractérisé en ce qu'il se compose de deux bobines en spirale juxtaposées et coplanaires (6a, 6b) ayant chacune la forme générale d'un anneau allongé selon une même direction (YY'). 2. Bobinage inducteur selon la revendication lcaractérisé en ce que les deux bobines en forme d'anneaux (6a, 6b) sont parcourues à chaque instant par des courants de mtme sens, conduisant, dans une direction (XX') perpendiculaire à la direction (YY') d'allongement des anneaux, à la formation de quatre régions (13, 14, 15, 16) d'annulation du champ magnétique inducteur alternatif. 3. Bobinage inducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux bobines en forme d'anneaux (6a, 6b) sont parcourues à chaque instant par des courants de sens contraire, conduisant, dans une direction (XX') perpendiculaire à la direction (YY') d'allongement des anneaux, à la formation de cinq régions (24, 25 > 26, 27, 28) d'annulation du champ magnétique inducteur alternatif. 4. Bobinage inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux bobines en anneaux (6a, 6b) sont éloignées légèrement l'une de l'autre au centre (20) du domaine qu'elles recouvrent et rapprochées à leurs extrémités (21 > 22) de façon que ledit domaine se rapproche approximativement d'une surface circulaire (5) et que les zones de ron chauffage au contact-des deux bobines se trouveront diminuées. 5. Bobinage inducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux bobines 6a, 6b, sont alimentées en série. 6. Bobinage selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux bobines sont alimentées en série, la première (6a) étant parcourue par le courant de la périphérie vers le centre, la deuxième (6b) du centre vers la périphérie, la sortie centrale (8) de la première (6a) étant reliée à l'entrée centrale de la seconde (6b). 7. Bobinage inducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux bobines 6a, 6b sont alimentes en série et parcourues par le courant dans le sens de la périphérie vers le centre, la sortie centrale (8) de la première bobine (6a) alimentant l'entrée périphérique de la seconde (6b).