Brevet FR2608348A1 — publié le 19880617

La présente invention est relative aux pla- ques électriques de cuisson et se rapporte plus parti- culièrement aux plaques de cuisson à induction. Le chauffage par induction des récipients de cuisson est assuré en engendrant dans les récipients un courant induit à partir d'un champ magnétique va- riable, le passage du courant induit dans la pièce à chauffer provoquant un échauffement de celle-ci par effet Joule. Le champ magnétique variable est engendré à l'aide d'un convertisseur de fréquence qui à partir de la fréquence de 50 Hz du secteur permet d'obtenir des fréquences de 25 à 30 KHz. Quelle que soit la technique utilisée (tran- sistors ou thyristors), la conversion de fréquence est obtenue soit par la décharge commutée d'un condensa- teur dans une self inductance, soit par la décharge oscillante d'une self-inductane dans un condensateur. L'analyse des différents convertisseurs de fréquence connus montre que l'allure du courant in- ducteur obtenu à la sortie d'un tel convertisseur est très éloignée de celle d'une sinusoïde et que ce cou- rant peut se décomposer en une somme de courants cons- tituée de la composante fondamentale de 20 à 40 KHz et d'un certain nombre d'harmoniques. La fréquence fondamentale est choisie de façon - à assurer un chauffage e ficace du réci- pient - à ne pas gêner l'ouie de l'homme (ou même des animaux domestiques) - à ne pas se situer dans les bandes de fré- quences réservées aux émissions radio. Mais si effectivement dans la plupart des cas les convertisseurs de fréquence pour ce type d'ap- plication utilisent un rayonnement compris entre 20 et KHz, donc non pertubant pour les émissions radio, les harmoniques de rang 5 et plus (dont les fréquences se trouvent dans les bandes de réception radio en modulation d'amplitude (ondes longues, ondes moyennes, ondes courtes) perturbent la réception. Ces harmoniques modulés en amplitude par le redresseur du convertisseur constituent une gène non négligeable pour l'individu qui voudra chauffer un récipient en même temps qu'il écoutera la radio. En effet, son poste de radio, accordé sur l'harmonique, lui restituera la modulation de 100 Hz dans le cas d'un redressement monophasé, de 300 Hz dans le cas d'un redressement triphasé. Jusqu'à présent, les appareils de cuisson à induction étaient utilisés essentiellement dans des cuisines de collectivités et n'ont donc pas fait l'ob- jet d'études particulières visant à limiter le rayon- nement des harmoniques gênants. Tout au plus, peut on observer sur certains appareils de cuisson de ce type, la présence de "cages métalliques" qui font également office de supports et qui contribuent à la manière d'une cage de Faraday, à la diminution du rayonnement. Dans l'hypothèse o l'emploi des appareils de cuisson à induction puisse se développer de façon importante dans le secteur de l'équipement ménager individuel, le seul blindage obtenu à l'aide d'une cage métallique du type précité ne constitue pas une solution acceptable. En premier lieu, la présence d'un blindage est insuffisante car le blindage laisse passer un taux de perturbations trop important interdisant par exem- pie l'écoute d un poste à transistors à modulation d'amplitude dans le périmètre d'une cuisine de dimen- sions courantes. En second lieu, le coût d'un blindage métal- lique est trop élevé si l'on souhaite mettre sur le marché des appareils de cuisson à induction abordables pour tous. Afin de réduire les rayonnements sensibles, on s'est proposé de rendre non polluant le courant inducteur engendré par le convertisseur de fréquence par exemple en le déformant pour ne pas générer d'har- moniques gênants. Cependant, une telle solution parait difficile si l'on considère que la forme du signal doit être fonction notamment de la taille et de la ma- tière du récipient à chauffer. De plus, le seul aspect de la pollution de l'environnement par les harmoniques de rang élevé est insuffisant pour juger des qualités de rayonnement pour-ce type de matériel. En effet, le législateur impose ou imposera à plus ou moins brève échéance des limites de rayonne- ment à ce type d'appareil. Par exemple, en RFA, il est stipulé dans le document VDE 871 que la limite à atteindre en rayonne- ment par des matériels grand public, susceptibles de produire des rayonnements perturbants, se situe dans la bande de 9 KHz à 150 KHz, à 50p.V/m à 30 mètres. Si la plupart des appareil;- testés ont des harmoniques dont le niveau est bien inférieur à cette limite, il n'en n'est pas de même du fondamental qui varie de 200/ V/m à 1000,UV/m toujours à 30 mètres. Pour que ces appareils aient donc une chance de se développer dans le secteur domestique, il est nécessaire qu'ils répondent à deux critères essentiels en matière de perturbations radio: - que la valeur du champ magnétique fonda- mental soit inférieure aux limites fixées par la ou les normes (il semblerait que la valeur de 50/rV/m à 30 mètres soit acceptable tout du moins en Europe). - que les harmoniques générés soient à un niveau tel, qu'ils ne soient plus perceptibles par un poste de réception radio en modulation d'amplitude. Afin de parvenir à ce résultat une solution a consisté à assurer la canalisation du champ à pro- ximité de l'inducteur à l'aide d'un pot de ferrite. Si l'emploi d'un pot de ferrite enfermant l'inducteur associé i un blindage permet de respecter les normes ou projets de normes actuels, on constate que les perturbations causées par les harmoniques d'un niveau pourtant très inférieur aux valeurs des normes interdisent une réception radio convenable en modula- tion d'amplitude. L'invention vise donc à remédier aux incon- vénients des plaques électriques de cuisson de la technique antérieure en créant une plaque de cuisson qui tout en étant d'une construction relativement sim- ple, allie une grande efficacité de chauffage à un taux d'harmoniques réduit au minimum. Elle a donc pour objet un appareil électri- que de cuisson par induction comprenant un support pour un récipient à chauffer et au moins un inducteur plat, destiné à être alimenté par un convertisseur de fréquence, caractérisé en ce que ledit inducteur est constitué d'un premier enroulement ayant un premier sens de bobinage et d'au moins un second enroulement formé d'au moins une spire de sens opposé à celui dudit premier enroulement. Selon une caractéristique particulière de l'invention, ledit inducteur est constitué par au moins deux enroulements délivrant des champs magné- tiques égaux en valeur absolue mais en opposition de phase. L' invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig.1 est une vue schématique en élé- vation et en coupe d'un appareil de chauffage suivant l'invention; - la Fiq.2 est un schéma théorique en pers- pective d'un inducteur à N éléments; - la Fig.3 montre des schémas comparatifs du rayonnement produit par un inducteur unique et par des inducteurs suivant l'invention à deux, quatre et six enroulements; - la Fig.4 est une vue schématique d'une va- riante d'inducteur entrant dans la construction de l'appareil de cuisson suivant l'invention; - la Fig.5 est une vue schématique en plan d un mode de réalisation pratique d'un inducteur à deux enroulements; - la Fig.6 est une vue analogue à celle de la Fig.5 d'un inducteur à quatre enroulements; et - la Fig.7 est une vue analogue à celles des Fig.5 et 6 d'un inducteur à six enroulements périphé- riques et deux enroulements centraux. Sur la Fig.1, on a représenté une plaque de cuisson à induction comportant une plaque de support 1 par exemple en vitrocéramique, destinée à supporter une casserole C formant induit. Au-dessous du support 1 est placé un induc- teur 2 porté par une monture 3. L'inducteur 2 est constitué dans le présent exemple de deux enroulements 4 et 5 destinés à être alimentés en courant de fréquence comprise entre 25 à 30 KHz par un convertisseur de fréquence non représen- té. Les enroulements 4 et 5 ont la même induc- tance et présentent avantageusement une forme semi- circulaire. Ils sont constitués chacun d'un conducteur de cuivre formé de fils torsadés enroulé à plat, leurs sens d'enroulement étant opposés de manière que lors- qu'ils sont alimentés, ils délivrent des champs magné- tiques égaux en valeur absolue mais en opposition de phase. Comme représenté clairement à la Fig.5, un barreau de ferrite 6 d'isolement des enroulements 4 et entre eux est placé entre les côtés rectilignes des deux enroulements semi-circulaires 4 et 5. Dans un but de démonstration théorique, on considère sur la Fig.2, un inducteur à N enroulements identiques ayant le même nombre de spires et le meme diamètre représentés chacun par un petit cercle, N étant un nombre pair. On affecte à chaque élément un indice i ( i E O. N-1) La construction de cet inducteur est telle que deux enroulements voisins de celui-ci sont parcou- rus par des courants I de sens contraires, de telle sorte que le champ généré par un enroulement est en opposition de phase avec le champ généré par ses deux enroulements voisins. On démontre que le champ résultant engendré par l'inducteur en un point M situé à une distance L du centre O de l'inducteur est donné par la relation. i *N-1 Ho 211 2 Hm ( -1) i (LcosO- Rcos i -) + N N i=O -3/2 2 Lsin0 - Rsin i -) N dans laquelle Ho est le champ rayonné par un inducteur unique ou unipolaire "équivalent" à une fréquence de 20 KHz, et R le rayon du cercele sur lequel se trou- vent -.les centres des éléments bobinés de l'inducteur, L teur au point de mesure M. L'exploitation de cette relation montre que le rayonnement des inducteurs diminue lorsque l'on augmente le nombre d'enroulements dont ils sont cons- titués. Sur la Fig.3, on voit qu'un inducteur unipo- laire a un rayonnement de 60 db omnidirectionnel à une distance L = lm du centre de l'inducteur. Un inducteur à deux enroulements ou bipolai- re équivalent présente un rayonnement de 43 db selon la ligne joignant les centres des deux enroulements et un rayonnement de Odb suivant une ligne passant entre deux enroulements et perpendiculaire à la ligne joi- gnant leurs centres. Un inducteur quadripolaire dont les quatre enroulements sont inscrits dans un cercle présente un rayonnement de 20 db suivant les lignes joignant les centres de deux enroulements diamétralement opposés et un rayonnement de Odb sur une ligne passant entre deux enroulements voisins et perpendiculaire à la ligne joignant leurs centres. Un inducteur hexapolaire dont les six enrou- lements sont inscrits dans un cercle présente un rayonnement de Odb sur une ligne passant par les cen- tres de deux enroulements diamétralement opposés et un rayonnement peu différent de Odb sur une ligne passant entre deux enroulements voisins. Les résultats théoriques énoncés ci-dessus ne tiennent pas compte de l'absorbtion et de la ré- flexion du rayonnement par un récipient placé sur une plaque de cuisson réalisée suivant l'invention mais ils confirment l'intérêt de réaliser un inducteur à l'aide d'une ou de plusieurs paires d'enroulements disposés selon les configurations symétriques par rapport au centre de cet inducteur. On a en outre montré expérimentalement qu'a- vec un inducteur à six enroulements ou pâles,l'atté- nuation dans la bande de 150 KHz à 305 KHz est de 20 db pour le premier harmonique,les autres se confondant dans le bruit de fond. Cette réduction du taux d'harmoniques obte- nue- à l'aide d'un inducteur à plusieurs enroulements ou pôles est assurée au détriment du rendement du chauffage du récipient, qui est de 70Z avec un induc- teur unique et qui chute dans le cas d'un agencement à six enroulements, à une valeur de 50%Z. Cependant, ce problème est résolu en dispo- sant judicieusement entre les enroulements des bar- reaux de ferrite de canalisation des lignes de champs engendrés par les enroulements, barreaux de ferrite destinés à isoler chaque secteur de l'inducteur d'un enroulement à l'autre. Cet agencement sera décrit plus loin en référence aux Fig.5 à 7. On vient de montrer que l'utilisation dans un inducteur d'enroulements engendrant des champs en opposition de phase peut conduire à des atténuations sensibles tant de la fréquence fondamentale que des harmoniques rayonnés par l'inducteur. Il est possible d'en déduire qu'un inducteur unipolaire ou a un seul enroulement peut être rendu non polluant tout en conservant une ou plusieurs con- tre-spires judicieusement calculées et disposées pour compenser le rayonnement de l'inducteur. Un tel agencement est représenté schémati- quement à la Fig.4 sur laquelle on voit que l'induc- teur comporte un enroulement 10 bobiné en spirale dans un sens déterminé et dont la spire extérieure 11 est entourée par une contre-spire 12 bobinée en sens in- verse. La présence d une seule contre-spire permet d'obtenir une atténuation du rayonnement de 10 db. Il serait également possible d'utiliser plusieurs contre-spires du type précité et pouvant être commutées en fonction du diamètre du récipient posé sur la plaque. On obtiendrait alors des niveaux de rayonne- ment similaires à ceux mesurés pour les inducteurs multipolaires tels que ceux représentés schématique- ment à la Fig.3. Sur la Fig.5. on a représenté schématique- ment en plan un mode de réalisation pratique de l'in- ducteur à deux enroulements entrant dans la construc- tion de la plaque de cuisson de la Fig.1. Cet inducteur est formé de deux enroulements 4 et 5 bobinés chacun à peu près suivait un demi-cer- cle, leurs sens d enroulement étant opposés. Ces deux enroulements ont des inductances égales de sorte que compte tenu de leurs sens de bobi- nage opposés, ils engendrent lorsqu'ils sont alimentés par un convertisseur de fréquence non représenté, des champs magnétiques égaux en valeur absolue mais en opposition de phase. Les enroulements 4 et 5 sont séparés par un barreau de ferrite 6, de canalisation des lignes de champ disposés entre leurs côtés rectilignes 13, 14 qui matérialisent le diamètre de la plaque de cuisson. La Fig.6 montre un inducteur quadripolaire formé de quatre enroulements 15 à 18 bobinés en forme de quarts de cercle et disposés chacun dans un qua- drant d'un cercle définissant la périphérie utile de l'inducteur. Les sens de bobinage de deux enroulements voisins sont opposés. Les enroulements 15 à 18 sont séparés les uns des autres par des barreaux de ferrite 19 et 20 qui définissent un croisillon. L'inducteur représenté à la Fig.7 est un inducteur formé de six enroulements périphériques 21 dont les centres sont disposés suivant une circonfé- rence et de deux enroulements centraux 22 bobinés en demi-cercle analogues à ceux de l'inducteur de la Fig.5. Entre les enroulements centraux 22 est in- terposé un barreau de ferrite 23 qui assure également la séparation entre quatre enroulements périphériques 21. Les enroulements périphériques 21 voisins de ceux disposés de part et d'autre du barreau de ferrite 23 sont séparés de ceux-ci par quatre barreaux de fer- rite supplémentaires 24. Les inducteurs qui viennent d'être décrits en référence aux Fig.5 i 7 peuvent être réalisés en utilisant les techniques des circuits imprimés multi- faces ou à l'aide de cible de cuivre à plusieurs brins. il Les enroulements d'un inducteur sont avanta- geusement connectés en série en limitant les boucles de rayonnement parasites dues aux connexions des en- roulements entre eux. REVENDICATIONS 1. Appareil électrique de cuisson par in- duction comprenant un support pour un récipient (C) à chauffer et au moins un inducteur plat destiné à être alimenté par un convertisseur de fréquence, caractéri- sé en ce que ledit inducteur est constitué d'un pre- mier enroulement (4:11) ayant un premier sens et d'au moins un second enroulement (5;12) formé d'au moins une spire de sens opposé i celui dudit premier enrou- lement. 2. Appareil suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit inducteur est constitué par au moins deux enroulements (4,5;15 à 18; 21,22) déli- vrant des champs magnétiques égaux en valeur absolue mais en opposition de phase. 3. Appareil suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce qu'il comporte deux enroulements (4,5) bobinés en demicercle, leurs côtés rectilignes (13, 14) étant disposés en regard l'un de l'autre et leurs sens de bobinage étant opposés. 4. Appareil suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce que ledit inducteur est constitué de quatre enroulements (15,16,17,18) bobinés en quart de cercle, leurs côtés rectilignes étant disposés en re- gard les uns des autres, deux enroulements voisins ayant des sens de bobinage opposés. 5. Appareil suivant la revendication 2, ca- ractérise en ce qu'il est constitué de six enroule- ments (21) de forme circulaire disposés côte à côte suivant une circonférence, deux enroulements voisins ayant des sens de bobinage opposés. 6. Appareil suivant la revendication 5, ca- ractérisé en ce que lesdits enroulements (21) dispo- sés sur une circonférence constituent des enroulements périphériques et en ce qu'il comporte en outre deux enroulements centraux (22) entourés par lesdits enrou- lements périphériques (21) et bobinés en demi-cercles, lesdits enroulements centraux ayant des sens d'enrou- lement opposés et étant disposés de façon que leurs côtés rectilignes soient en regard l'un de l'autre. 7. Appareil suivant l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des noyaux de ferrite (6; 19,20;23,24) de séparation des enroulements (4,5;15 à 18; 21,22) les uns par rapport aux autres. 8. Appareil suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits en- roulements de l'inducteur sont connectés en série. 9. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un second enrou- lement (12) est constitué par une contre-spire con- centrique audit premier enroulement (10).