Brevet FR2775413A1 — publié le 19990827

La présente invention décrit un induit pour le chauffage par induction d'un récipient alimentaire tel qu'une assiette ou un plat, une casserole, un bol, un verre, un biberon. L'induit est situé dans, sur, ou sous le fond du dit récipient. L'induit est déposé, gravé, découpé puis collé, intégré, usiné, embouti, sur sous ou dans le fond du récipient. L'induit peût également constituer la structure du récipient ( casserole ou barquette spécifique ). II fait l'objet éventuellement de traitement chimique, physique mécanique ou thermique selectif. Plus précisément, I'invention décrit un induit destiné à chauffer en présence d'un inducteur spécifique, comportant des caractéristiques permettant de renforcer la sécurité des utilisateurs, la protection de l'inducteur contre les surpuissances et la compatibilité électromagnétique (dite CEM) du chauffage. Certains aspects de l'inducteur spécifique contribuent à l'invention. Des domaines d'application potentiel du chauffage et de la cuisson par induction sont particulièrement sensibles à la CEM, en particulier les hôpitaux, fortement équipés d'instrumentation électronique, les avions, les maisons de retraite, les trains et les bateaux. Le respect absolu de la contrainte CEM est la condition de développement du chauffage inductif sur ces marchés. Des assiettes chauffées par induction sont décrites dans la demande de brevet FR 9614475 et la demande de certificat d'utilité FR 9706059 du même auteur, il est également décrit des exemples d'inducteur. La présente invention s'adapte aux inducteurs et induits décrits dans ces documents, et il sera fait référence dans la description aux schémas d'inducteur et d'induit. La protection de l'inducteur impose que le récipient muni d'un induit présente une impédance conforme à la norme. Un induit trop conducteur risque de court-circuiter l'inducteur et entraîner une surpuissance de chauffe préjudiciable à sa durée de vie. Un induit trop résistant entraînera un trop faible chauffage. La puissance de chauffe fait l'objet d'une commande de l'utilisateur, les puissances utiles varient dans une fourchette importante. II est donc important de ne pas conditionner la mise en sécurité de l'inducteur par la seule mesure de la puissance instantanée. La protection de l'usager veut que l'inducteur n'induise pas de courant ailleurs que dans les récipients prévus à cet effet. Cela contribue également à la préservation de la source d'énergie du système d'induction, il devient possible d'utiliser le plateau ou set de table inducteur sans crainte que la présence d'une masse métallique ne déclenche l'induction. Ainsi, I'inducteur ne réagit pas à la présence de couverts, casseroles, bracelets, montres, et autres téléphones portables. La compatibilité électromagnétique impose que l'inducteur n'émette pas dans l'environnement de champ électromagnétique susceptible de perturber l'ensemble des matériels électroniques. La compatibilité électromagnétique est optimisée par les caractéristiques suivantes de l'inducteur: confinement du champ magnétique, basse fréquence du champ électromagnétique, faible taux d'harmoniques, déclenchement de l'induction exclusivement en présence de l'induit absorbant le rayonnement, couplage fort entre l'induit et l'inducteur. Selon l'invention l'inducteur est un circuit plan comportant deux enroulements 1 et 2 tel qu'un exemple de réalisation le représente figure 1. Nous observons les sens opposés des enroulements, le champ magnétique B qui traverse les deux enroulements. La figure 1 montre un exemple d'enroulement réalisé dans un circuit plan 3. La figure 2 montre une autre version de réalisation de l'inducteur réalisé à partir d'un circuit plan, comportant une tôle ferromagnétique pour le confinement du champ. La figure 3 montre la géométrie des courants inducteurs La figure 4 montre un exemple de réalisation de l'induit selon l'invention. La figure 5 montre un exemple de réalisation d'un l'induit selon l'invention dont l'orientation angulaire commande le chauffage. La figure 6 montre la répartition des courants dans l'induit de la figure 4. Les figures 7 montrent la somme vectorielle des courants induits et inducteurs. Les figures 8 montrent le capteur inductif discriminateur de présence de l'assiette. La figure 9 décrit un exemple de réalisation du circuit générateur qui montre l'action du capteur dans le déclenchement de l'induction. La figure 10 décrit plusieurs motifs dont la fonction est équivalente aux motifs des figures 4 et 5. Un mode de réalisation préféré mais non exclusif est décrit dans un exemple de réalisation Figure 1. Sur un circuit mince 3 double face, une gravure ( trait noir) a dessiné deux rubans conducteurs 1 et 2 enroulés en deux spirales inverses. Sur la face inférieure, un ruban conducteur 4 vient fermer le circuit en reliant les deux centres des spirales. Le champ magnétique induit B alternatif émerge d'un des enroulements et converge vers le second. II est confiné par la structure de l'inducteur. La source de tension 5 génère les courants d'induction. Un second type d'inducteur figure 2 confine encore mieux le champ, en le guidant dans le plan du circuit, coté inférieur. Dans cette réalisation, le ruban 4 est une simple tôle ferromagnétique et conductrice, elle guide et piège le champ magnétique, tout en conduisant le courant d'une spirale à l'autre. Dans ce mode de réalisation, I'inducteur ne génère pas de champ magnétique libre sous le circuit, la quasi-totalité du champ est piégée. Ainsi, seule la face supérieure génère l'induction. Ce second circuit inducteur est particulièrement optimisé pour répondre aux contraintes de compatibilité électromagnétique, à la protection de l'utilisateur et de ses instruments électroniques. Le circuit inducteur de forme circulaire est destiné à induire des courants de nappe dans un induit en forme de disque de même diamètre. La figure 3 décrit les courants de nappe qui parcourent l'inducteur. Un induit en forme de disque ou de plaque conductrice placée en regard de l'inducteur sera parcourue par des courants de meme géométrie, mais de signe inverse. Cette géométrie décrit celle des courants de tout induit uniformément conducteur placé en regard de l'inducteur. En particulier, un plat métallique, une casserole, une barquette alu, seraient parcourus par de tels courants. Afin de discriminer de tels récepteurs d'induction des induits conformes il convient que l'induction ne se déclenche pas en présence de courants induits de la géométrie décrite. Ainsi les induits conformes sont des induits qui sont parcourus par une géométrie de courants différente de la précédente. Ils présentent donc une différence détectable, laquelle différence persiste quel que soit l'angle d'orientation relatif entre l'induit et l'inducteur. L'induit représenté en figure 4 réalise une distribution de courant différente de celle d'un disque uniforme. II comporte une épargne au centre d'un diamètre proche du dixième du diamètre du disque de l'induit. Le matériau conducteur ou ferromagnétique est retiré dans ce disque. Ceci est un exemple non exclusif de réalisation d'un induit conforme à distribution de courant particulière. La simple gravure d'un anneau isolant d'un diamètre de l'ordre du dixième du diamètre de l'induit convient également. La gravure d'un motif quelconque d'un périmètre d'environun dixième du diamètre d'induit convient aussi. La gravure d'une marque, d'un logo, d'un motif, dans la matière du dépôt, en négatif ou en positif inscrit dans un disque gravé, convient également. L'induit représenté figure 4 représente un exemple de réalisation d'un induit dont la puissance de chauffage est indifférente à l'orientation angulaire dudit, et dont le motif est discriminé par rapport à une plaque uniforme indifféremment de l'orientation angulaire. L'induit de la figure 5, comportant des motifs connus dans les demandes de brevet 9614475 et 9706059 comporte en plus la zone centrale gravée ou épargnée, pour générer des courants induits reconnaissables. Ici aussi, les gravures ou épargnes suivantes conviennent: un disque d'épargne, un anneau gravé, un logo ou une marque en négatif ou en positif inscrit dans un disque, un motif en positif ou en négatif, chacun d'un périmètre de diamètre proche du dixième du diamètre de l'induit. Comme évoqué dans les demandes de brevet 9614475 et 9706059, L'induit est réalisé dans une matière conductrice et diamagnétique, ou bien dans une matière ferromagnétique et conductrice. - dans le premier cas le champ magnétique émerge de l'induit, - dans le second cas le champ magnétique est confiné dans l'induit, Le confinement du champ magnétique est total avec l'association d'un inducteur du type de la figure 2 et d'un induit du type de la figure 4 ou 5 réalisé dans un matériau ferromagnétique et conducteur. La compatibilité électromagnétique est alors quasi totale et assurée. Le confinement du champ est partiel entre un inducteur du type de la figure 1 et un induit du type fig 4 ou 5 même ferromagnétique, et entre un inducteur du type de la figure 2 et des induits de type 4 ou 5 conducteurs. Le confinement du champ est purement géométrique entre un inducteur du type fig 1 et des induits fig 4 ou 5 conducteurs. Mais un bon couplage restreint le champ résiduel. Un des moyens d'optimiser la CEM consiste à n'émettre l'induction qu'en présence d'un induit conforme correctement couplé et absorbant le rayonnement, et à ne rien émettre sinon. Les courants induits sont pour un induit uniforme le reflet inverse des courants qui parcourent l'inducteur. Cependant si les courants rencontrent un obstacle, ils le contournent au plus court. La zone centrale gravée ou épargnée constitue un obstacle pour le courant uniforme induit. La figure 6 décrit la géométrie des courants induits dans les induits des figures 4 et 5 par les inducteurs de la figure 1 et 2. Ces courants sont similaires à ceux de la figure trois à l'exception de la zone centrale. La nappe de courant contourne cette zone. C'est cette différence qui discrimine un induit conforme d'une plaque. En conséquence les courants spécifiques de la présence d'un induit conforme sont la différence vectorielle entre les courant de la figure 3 et ceux de la figure 6. La figure 7a représente la différence entre les courants induits et les courant inducteurs, pour un induit comportant le motif central. Ces courants sont appellés courants différentiels induits discriminateurs. La figure 7b représente la différence entre les courants induits et les courants inducteurs pour une plaque uniforme: ces courants sont nuls en couplage parfait. La figure 7c représente les courants de l'inducteur en l'absence d'induit de toutes sortes. On constate une distribution bien caractéristique de courant en présence d'un induit comportant un motif central. La discrimination d'un induit conforme, c'est à dire pourvu d'un motif central, s'effectuera donc en associant à l'inducteur un circuit sensible à l'induction générée par une distribution de courant telle que représentée figure 7a, et insensible à une distribution de courant de type 7b ou 7c. La figure 8a et 8b représente deux exemples non exclusifs d'un récepteur de l'induction d'une distribution de courant de type 7a. Les enroulements reprennent la géométrie et la direction des courants différentiels induits discriminateurs. Le centre de chaque spirale se situe sensiblement sur le périmètre de la zone épargnée, gravée, marquée, etc.. Le signal du récepteur 8a est généré aux bornes marquées + et -. Pour 8b il convient de mettre en série les deux cicuits en connectant le + de l'un au - de l'autre. Le signal de 8b est alors émis aux bornes libres. Ces récepteurs sont indifférents aux inductions de type 7b et 7c, conditions nécessaire pour que la discrimination soit parfaite. En conséquence: Un inducteur du type de la figure 1 ou 2 couple des courants dans des plaques uniformes et dans des induits conformes type figure 4 ou 5. Les induits du type figure 4 et 5 couplent des courants dans des récepteurs du type 8a ou 8b. Les plaques uniformes ne couple pas de courant dans les récepteurs du type 8a et 8b. Les inducteurs de type 1 ou 2 ne couplent pas de courant dans les récepteurs du type 8a ou 8b. Ce type de fonctionnement discriminé convient parfaitement pour assurer la sécurité des personnes et des dispositifs électroniques, et il convient également pour améliorer la compatibilité d'inducteurs et d'induits même sans confinement du champ magnétique: Nous montrons figure 9 un exemple de réalisation d'un circuit inducteur qui ne fonctionne pas - en absence de l'induit conforme - en présence d'une plaque métallique non conforme et qui démarre spontanément en présence de l'induit conforme. Ce circuit est particulièrement étonnant et original car il détecte la présence d'un induit sans émettre aucun signal ni aucun courant ni aucun champ magnétique. Ce n'est qu'en présence de l'induit conforme que le circuit déclenche l'induction. II est impossible de moins perturber l'environnement électromagnétique qu'en émettant rien. II n'est pas possible de mieux assurer la sécurité qu'en conditionnant toute induction à la présence de l'induit conforme absorbant. Cela a également le mérite de préserver la source d'énergie de l'inducteur. Enfin, par un couplage parfait entre l'inducteur et l'induit, ou bien par le choix d'un inducteur de type figure 2 et d'un induit ferromagnétique de type 4 ou 5 tout champ est confiné et la compatibilité électromagnétique est garantie. L'électronique de la figure 9 décrit un amplificateur de puissance d'un coefficient k, un condensateur de résonance C1 et le primaire d'un transformateur TX1 et une inductance résiduelle L3. TX1 et L3 représentent l'inducteur RI représente la résistance de charge d'entrée de l'ampli. C2 un condensateur de compensation de phase TX2 et L2 représente le récepteur d'induction TX1 L4 et R2 représente l'inductance ou le secondaire d'un induit quelconque. TX2 et L5 représente l'inductance et la source d'un inducteur conforme. Le schéma est clairement celui d'un oscillateur spontané dés lors qu'il y a couplage entre la sortie et l'entrée. En l'absence d'induit le couplage entre les deux primaires des transformateurs TX1 et TX2 est nul, il n'y a pas de réaction, ni d'induction, I'ampli n'étant pas commandé. En présence d'un induit non conforme TX2, L5 sont absents, il n'y a pas de réaction donc pas d'induction. En présence d'un induit conforme il y a couplage entre par TX1, puis par TX2, et donc réaction entre la sortie et l'entrée de l'ampli. Une oscillation spontanée apparaît et s'auto-entretient et l'induction se déclenche. Le couplage avec un induit conforme et exclusivement avec un induit conforme déclenche l'induction Le procédé associant un inducteur selon la figure 1 ou 2, un induit conducteur ou ferromagnétique selon la figure 3 ou 4, un récepteur d'induction selon les schémas 8a ou 8b, et un circuit oscillateur couplé selon le schéma 9 répond à l'ensemble des critères de l'invention: II protège l'utilisateur et de son matériel électronique, préserve son environnement électromagnétique et la source d'énergie de l'inducteur. La figure 10 représente plusieurs exemples non limitatifs de réalisation de la zone centrale de l'induit, pour lesquels apparaît en 1 le cercle dans lequel s'inscrivent les deux centres 2 et 3 de spirales du récepteur. Chaque trait ou hachurage représente une gravure ou une épargne dans le matériau de l'induit. II convient également de réaliser dans le cadre de l'invention une zone centrale de l'induit dont la conductivité est moindre de telle sorte que les courants en nappe soient détournés de cette zone dont le rayon est approximativement du dixième de l'induit. Un simple périmètre de la zone moins conducteur contribue à réaliser cette fonction. Une gravure partielle du périmètre ou de la zone convient, un dépôt conducteur ou ferromagnétique sur une épaisseur moindre convient également. Une découpe dans un disque conducteur et ou ferromagnétique convient également. L'induit est déposé, gravé, découpé puis collé, intégré, usiné, embouti, sur sous ou dans le fond du récipient. L'induit peut également constituer la structure du récipient ( casserole ou barquette spécifique ). II fait l'objet éventuellement de traitement chimique, physique mécanique ou thermique sélectif. Tous ces procédés conviennent à la réalisation d'un motif central. Le diamètre cité du dixième du diamètre de l'inducteur est donné à titre indicatif. Un diamètre de la zone centrale entre un tiers et un vingtième de celui de l'induit convient également. Une variante de l'invention consiste à réaliser un motif dont la conductivité est non pas moindre mais supérieure, qui donc ne détourne pas les courant mais les confine. La nappe de courant est alors déformée de façon également caractéristique, elle sera donc reconnue et discriminée par un récepteur d'induction spécifique. Selon l'invention, une zone centrale de l'induit moins résistive, de diamètre de l'ordre du tiers au vingtième du diamètre de l'induit, génère une déformation des courants de nappe similaire à celle représentée figure 7a. Elle sera donc également discriminée par un récepteur du type 8a ou 8b. En plus des procédés de réalisation déjà cités, un collage du motif, un agrafage, un dépôt complémentaire, une brasure permettent de donner à un motif un surcroît de conduction. Un motif de ce type en zone centrale est également indiqué pour un récipient circulaire. L'invention reste valable dans toutes ces versions pour un récipient alimentaire non circulaire, associé un induit non circulaire, pour lequel le motif n'aura pas lieu d'être central. En effet, un induit non circulaire pourra être associé à un inducteur non circulaire, donc l'angle d'orientation de l'induit sur l'inducteur sera figé, est le motif ne sera pas contraint d'être à géométrie et situation de symétrie centrale. Enfin le circuit décrit figure 9 constitue un exemple efficace de mise en oeuvre d'un circuit générateur d'induction dont la génération est conditionnée à la détection et à la présence de l'induit conforme. Ce schéma n'est pas exclusif, tout circuit dont la génération de l'induction est conditionnée à la détection du signal émis par le récepteur discriminateur convient. Revendications Système Induit/dispositif d'induction (figure 1, 2, 9) associant - un induit réalisé dans un matériau conducteur ou conducteur et ferromagnétique, situé dans sur ou sous le fond d'un récipient alimentaire pour le chauffer, le réchauffer ou le maintenir chaud, - un inducteur ( figure i, 2), - un détecteur récepteur d'induction ( figure 8a, 8b ), et - un circuit générateur d'induction (figure 9), optimisé pour la sécurité de l'utilisateur et de ses biens et matériels électroniques, la préservation de son environnement électromagnétique, la préservation de la source de l'induction et du circuit générateur de l'induction, caractérisé - en ce que le générateur (figure 9) ne déclenche l'induction qu'en présence dudit induit (figure 4, 5) sur l'inducteur (figure 1, 2), - en ce qu'une plaque conductrice et ou ferromagnétique uniforme ou quelconque sur l'inducteur ne déclenche pas l'induction, - en ce que le générateur (figure 9) n'émet aucun rayonnement ni induction en l'absence dudit l'induit, et - en ce que l'inducteur est muni d'un récepteur discriminateur de la présence dudit induit, qui commande le générateur d'induction. 2) Système selon la revendication i caractérisé en ce l'induit présente une forme ou une conductivité surfacique spécifique reconnue par le dispositif d'induction. 3) Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que le dispositif d'induction reconnaît la géométrie des courants induits dans le dit induit (figure 7a) et la différencie d'une nappe de courant induite dans une plaque uniforme (figure 7b, 7c). 4) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'induit comporte un motif réalisé par dépôt, gravure, découpe, usinage, emboutissage, traitement, dont la conductivité est différente et déforme le courant de nappe induit. 5) Système selon la revendication 4 caractérisé en ce que le motif est de conductivité moindre et détourne la nappe de courant induite. 6) Système selon la revendication 4 caractérisé en ce que le motif est de conductivité supérieure et confine la nappe de courant induite. 7) Système selon l'une quelconque des revendications 1 et à 6 caractérisé en ce que son angle d'orientation par rapport à l'induit est sans influence. 8) Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que sa forme est circulaire et en ce que le motif est central, (figure 4, figure 5 ). 9) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif d'induction comprend un détecteur récepteur d'induction discriminateur d'une nappe de courant induit déformé constitué d'un induit circuit plan (figure 8a, 8b) dont la géométrie de l'enroulement est l'image des courants différentiels induits discriminateurs (figure 7a). 10) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif d'induction comprend un circuit électronique générateur d'induction destiné à délivrer les courants inducteurs à un inducteur, ne délivrant de courant qu'en présence d'un induit en regard du dit inducteur. 11) Système selon la revendication 10 caractérisé en ce que le générateur n'est maintenu en fonction qu'à la condition qu'un signal soit émis par un récepteur discriminateur d'induction. 12) Système selon la revendication il caractérisé en ce que le dispositif d'induction comporte un circuit amplificateur de tension, délivrant un courant inducteur à l'inducteur, en série avec un condensateur de résonance, commandé en entrée par le détecteur en série avec un condensateur de compensation de phase. ( Figure 9). 14) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif d'induction comprend un inducteur optimisé pour la CEM, le champ magnétique étant confiné dans la face inférieure par une tôle ferromagnétique (figure 2). 15) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la zone centrale de l'induit présente un diamètre de l'ordre du tiers au vingtième du diamètre de l'induit.