Brevet FR2895638A1 — publié le 20070629

La présente invention concerne un dispositif inducteur à bobinages individuels multiples pour foyer de cuisson par induction. Elle concerne également une plaque de cuisson par induction équipée d'au moins un tel inducteur. De manière générale, l'invention concerne un dispositif inducteur utilisé pour chauffer par induction des récipients culinaires, notamment dans une table de cuisson à usage domestique. Classiquement, un dispositif inducteur comprend au moins un bobinage individuel en matériau électriquement conducteur. Un tel bobinage individuel est constitué généralement d'un enroulement plat de fil de cuivre destiné à être alimenté, par l'intermédiaire d'un onduleur, par un courant à haute fréquence, comprise généralement entre 20 kHz et 50 kHz. La circulation de ce courant dans le bobinage individuel a pour effet de créer un champ magnétique. La circulation de ce champ magnétique dans un récipient culinaire placé sur un support au-dessus de l'inducteur provoque la circulation de courants induits dans le fond ferromagnétique de ce récipient. Ces courants induits ont pour effet de chauffer directement le récipient culinaire. Généralement, le bobinage individuel est associé à au moins un élément conducteur magnétique ayant pour fonction de focaliser le champ magnétique engendré par le bobinage individuel vers un récipient à chauffer disposé au-dessus du dispositif inducteur. On connaît des foyers de cuisson par induction équipés d'inducteurs constitués chacun d'un seul bobinage individuel circulaire adapté à la dimension du foyer. On connaît aussi des foyers de cuisson équipés d'inducteurs à bobinages individuels multiples disposés côte à côte. De telles configurations connues à éléments individuels multiples ne sont pas totalement satisfaisantes. En effet, la répartition de température dans les récipients chauffés est relativement inhomogène, notamment dans la zone située entre les bobinages individuels dans le cas de bobinages circulaires et dans les zones angulaires dans le cas de bobinages rectangulaires. De plus, lorsque les enroulements électriquement conducteurs d'un bobinage individuel sont non parallèles aux enroulements électriquement conducteurs du bobinage individuel voisin, le couplage magnétique naturel entre ces deux bobinages individuels est relativement mauvais. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients. À cet effet, la présente invention porte sur un dispositif inducteur pour foyer de cuisson par induction, comprenant au moins des premier et second bobinages individuels à enroulement électriquement conducteur, disposés l'un à côté de l'autre dans un premier plan, et au moins un élément conducteur magnétique disposé dans un second plan sous au moins le premier bobinage individuel. Selon une définition générale de l'invention, au moins l'élément conducteur magnétique s'étend sensiblement au-delà du premier bobinage individuel jusqu'à être disposé sensiblement sous le second bobinage individuel de manière à coupler magnétiquement lesdits premier et second bobinages individuels. Selon l'invention, ce couplage magnétique ainsi obtenu par l'élément conducteur magnétique permet d'ajouter une impédance mutuelle entre les premier et second bobinages individuels augmentant d'autant l'impédance globale de l'inducteur. Cette augmentation permet une diminution du nombre de spires favorisant ainsi une diminution de la quantité de cuivre et donc le coût de fabrication des bobinages individuels. Une telle diminution de matière permet également de diminuer les pertes par échauffement du bobinage puisque la longueur de fil de cuivre est plus faible. D'autre part, un tel dispositif inducteur selon l'invention permet d'améliorer la répartition de température dans le récipient chauffé grâce aux courants induits supplémentaires à l'endroit du couplage magnétique ainsi réalisé. En pratique, le dispositif inducteur comporte des moyens de réglage aptes à régler la valeur du couplage magnétique souhaité. Selon une réalisation, les moyens de réglage sont définis par l'ajustement des dimensions de l'élément conducteur magnétique en fonction du couplage magnétique souhaité. En pratique, plus la longueur et/ou la largeur de l'élément conducteur magnétique est grande, meilleur est le couplage magnétique et plus l'impédance mutuelle est élevée. Par exemple, les enroulements électriquement conducteurs des premier et second bobinages individuels ne sont pas parallèles entre eux. Selon une autre réalisation dans laquelle les moyens de réglage sont définis par l'ajout d'un entrefer dans l'élément conducteur magnétique, ledit entrefer est propre à scinder ledit élément conducteur magnétique en deux parties. En pratique, plus l'entrefer est élevé, plus le couplage magnétique diminue. Ainsi, avec un entrefer sensiblement nul, le couplage magnétique est maximum. Par exemple, les deux parties de l'élément conducteur magnétique s'étendent au delà respectivement des premier et second bobinages individuels. Selon une autre réalisation, les premier et second bobinages individuels s'étendent chacun dans un disque, par exemple, avec des bobinages individuels circulaires d'un diamètre de l'ordre de 100 mm, l'entrefer est inférieur à 5 mm. De préférence, les premier et second bobinages individuels sont polarisés en sens opposé, ce qui permet d'obtenir une augmentation maximale de l'impédance globale du système. Par exemple, les premier et second bobinages individuels sont connectés en série. En pratique, le matériau constitutif des éléments conducteurs magnétiques est de la ferrite, de forme choisie qui peut être carrée, rectangulaire, disposée en losange ou en hexagone. La présente invention concerne également une plaque de cuisson par induction, comprenant au moins un foyer de cuisson. Conformément à l'invention, cette plaque de cuisson comprend un dispositif inducteur tel que décrit précédemment associé audit foyer de cuisson. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ci-après et des dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une plaque de cuisson conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de dessous selon le plan 11.11 à la figure 1 d'un dispositif inducteur conforme à l'invention ; - la figure 3 représente la répartition du chauffage d'un foyer composé de deux bobinages individuels sans couplage magnétique ; - la figure 4 représente schématiquement la répartition du chauffage d'un foyer composé de deux bobinages individuels de la figure 1 selon l'invention ; - la figure 5 est un exemple de foyer à quatre bobines individuelles couplées magnétiquement avec entrefer selon l'invention ; - la figure 6 est un autre exemple de foyer à trois bobines couplées magnétiquement sans entrefer selon l'invention ; et - la figure 7 est un exemple de foyer de cuisson équipé de bobinages individuels de forme circulaire selon l'invention. On va décrire tout d'abord en référence aux figures 1 et 2, une plaque de cuisson par induction conforme à la présente invention. Classiquement, une telle plaque de cuisson comporte une plaque en vitrocéramique 1 formant support pour un récipient de cuisson 2, sous laquelle sont disposés un ou plusieurs dispositifs inducteurs (ici au nombre de 1). De préférence, une telle plaque de cuisson par induction comprend au moins deux foyers de cuisson, et de préférence quatre foyers de cuisson, associés respectivement à un inducteur. L'inducteur comprend de façon classique au moins deux bobinages 3, individualisés en 3A et 3B et constitués chacun d'un enroulement conducteur électrique. Chaque bobinage individuel 3 peut être constitué d'un enroulement à plat, en spirale, d'un toron multibrin de fils de cuivre. Ici (figure 2) chaque bobinage individuel 3 est en forme de disque. Les fils de cuivre sont isolés électriquement et individuellement par une couche de verni (non représentée). Des éléments conducteurs magnétiques 4 sont posés ou collés parallèlement au plan des bobinages individuels 3. De manière connue, les éléments conducteurs magnétiques 4 sont des barreaux de ferrite, disposés radialement sur le bobinage individuel 3 10 associé en forme de disque. A titre d'exemple non limitatif, à chaque bobinage individuel 3 sont associés deux barreaux de ferrite 4 disposés suivant des rayons à 180 les uns des autres. Ainsi, le bobinage 3A est associé aux barreaux de ferrite 4A1 et 4A2, 15 tandis que le bobinage 3B est associé aux barreaux de ferrite 4B1 et 4B2 Ces éléments conducteurs magnétiques 4 ont généralement pour premier rôle de focaliser le champ magnétique engendré par le bobinage 3 associé lors du passage d'un courant à haute fréquence, du type 20 à 50 kHz. Le champ magnétique est ainsi focalisé en direction du récipient de 20 cuisson 2 à chauffer. Les éléments conducteurs magnétiques 4 sont ainsi disposés dans un plan parallèle au plan du bobinage 3, et en dessous de ce bobinage lorsque le dispositif inducteur est placé sous le plan de cuisson en vitrocéramique 1. En référence à la figure 7, le foyer de cuisson est constitué de 25 plusieurs petits bobinages individuels 3 disposés de façon à remplir au mieux la surface du foyer de cuisson 5. Ces bobines 3 peuvent être de forme circulaire (figure 7). Le foyer de cuisson ainsi formé peut être corollairement de forme circulaire. On fait à nouveau référence aux figures 1 et 2. 30 Au moins un élément conducteur magnétique 4 s'étend sensiblement au delà du bobinage individuel associé 3 afin de connecter magnétiquement au moins deux bobinages individuels 3 disposés côte à côte. L'élément conducteur magnétique 4 assurant un tel couplage magnétique est soit avec entrefer, soit sans entrefer. En référence à la figure 1, on a représenté un exemple de couplage magnétique avec entrefer, dans lequel le barreau 4A2 associé au bobinage 3A s'étend au delà du bobinage 3A d'une part et le barreau 4B1 associé au bobinage 3B s'étend au delà du bobinage 3B d'autre part. Le barreau 4B1 est, en regard du barreau 4B2, à une distance choisie de celui-ci. Cette distance est l'entrefer E. Le couplage magnétique entre les bobines 3A et 3B peut être réglé en choisissant la valeur de l'entrefer E. Avec un entrefer E nul, le couplage magnétique est maximum. Plus l'entrefer E est élevé, plus le couplage magnétique diminue. Les bobinages 3A et 3B ainsi couplés magnétiquement sont avantageusement polarisés en sens opposé, de manière à augmenter 15 l'impédance globale de l'inducteur. Lorsque les bobines 3A et 3B ont respectivement une impédance électrique complexe ZA et ZB, la valeur totale de l'impédance lorsque ces deux bobines sont connectées en série est égale à ZA + ZB Si le couplage magnétique est nul, par exemple à cause d'un entrefer E de forte valeur (figure 20 3). Selon l'invention, avec un couplage magnétique non nul, il existe une impédance mutuelle supplémentaire ZAB venant s'ajouter aux impédances des bobines individuelles seules. Soit au total, on dispose d'une impédance électrique égale à ZA + ZB + ZAB. Le Demandeur a observé que pour des bobines circulaires de 25 diamètre d'environ 100 mm, de dix-huit spires chacune, et de trois barreaux de ferrite par bobine, le couplage magnétique est relativement satisfaisant lorsque les éléments conducteurs magnétiques 4 sont séparés l'un de l'autre d'un entrefer E inférieur à 5 mm. Cette observation a été effectuée avec des barreaux de ferrite 30 rectangulaires (42 x 23 x 4 mm) et un courant de mesure de 0,2 A à une fréquence de 25 KHz. Par exemple, les mesures obtenues sont les suivantes : - impédance d'une bobine individuelle seule : 3,32 ohm ; impédance de deux bobines sans couplage : 6,64 ohm ; impédance de deux bobines avec couplage et entrefer E = 4 mm : 6,68 ohm ; - impédance de deux bobines avec couplage et entrefer E = 2 mm : 6,71 ohm ; - impédance de deux bobines avec couplage et entrefer E = 1 mm : 6,77 ohm ; - impédance de deux bobines avec couplage et entrefer E = 0 mm : 6,85 ohm ; En référence à la figure 5, on a représenté un exemple de foyer, dans lequel le couplage est dit à entrefer , à quatre bobines individualisées en 3A à 3D. Dans cet exemple, les bobines 3A et 3B sont couplées magnétiquement par des éléments conducteurs magnétiques 4A1 et 4B1 qui s'étendent respectivement au delà de leur bobinage associé 3A et 3B jusqu'à être très proche l'un de l'autre. II en est de même de la bobine 3B avec la bobine 3C couplées magnétiquement par des éléments conducteurs magnétiques 4B2 et 4C2 qui s'étendent respectivement au delà de leur bobinage associé 3B et 3C. lI en est encore de même de la bobine 3C avec la bobine 3D couplées magnétiquement par l'intermédiaire des éléments conducteurs magnétiques 4C1 et 4D1, qui s'étendent respectivement au delà de leur bobinage associé 3C et 3D. Enfin, la bobine 3D et la bobine 3A sont couplées magnétiquement par des éléments conducteurs magnétiques 4D2 et 4A2, qui s'étendent respectivement au delà de leur bobinage associé 3D et 3A. On remarquera également que l'inducteur peut comprendre un barreau 4 qui ne s'étend pas au delà du bobinage associé. Il s'agit ici des barreaux 4A3, 4B3, 4C3 et 4133. Le Demandeur a également observé que si les deux bobines individuelles sont relativement proches l'une de l'autre (par exemple 5 mm) et si l'entrefer E a la même valeur que la distance entre les deux bobines individuelles, les deux éléments conducteurs magnétiques (4A1 et 4B1 par exemple, figure 5) peuvent ne pas s'étendre au delà de leur bobinage individuel associé (3A et 3B). Un tel couplage magnétique obtenu uniquement à l'aide d'un entrefer de valeur choisie (c'est-à-dire sans étendre les éléments conducteurs magnétiques au delà de leur bobinage associé) est notamment mise en oeuvre lorsque les éléments électriquement conducteurs des bobinages 3 ne sont pas parallèles entre eux dans la zone de couplage. En référence à la figure 6, on a représenté une variante du couplage magnétique appelée sans entrefer . Par rapport à la figure 5 où le couplage magnétique résulte d'un élément conducteur magnétique, par exemple l'élément 4A1, figure 5, et le tronçon 4B1, séparé de l'élément 4A1 par un entrefer, le couplage magnétique de la figure 6 provient d'un élément conducteur magnétique 4 d'un seul tenant (c'est-à-dire sans deux parties séparées l'une de l'autre par l'entrefer E) qui s'étend au delà du bobinage jusqu'à être sensiblement disposé sous l'autre bobinage. Par exemple, la bobine 3A est couplée magnétiquement avec la bobine 3C par l'intermédiaire de l'élément conducteur magnétique 4A associé au bobinage 3A et qui vient s'étendre au delà du bobinage 3A jusqu'à être disposé sous le bobinage 3C. Les bobines 3C et 3B sont aussi couplées magnétiquement par l'intermédiaire de l'élément conducteur magnétique 4B, sans entrefer, associé au bobinage 3B, et qui s'étend au delà du bobinage 3B jusqu'à aller sous le bobinage 3C pour réaliser le couplage magnétique entre les bobines 3C et 3B. La position de l'élément conducteur magnétique dans le cas du couplage sans entrefer a un effet négligeable sur l'impédance mutuelle. Dans ces conditions, l'élément conducteur magnétique peut être disposé au milieu des deux bobines de façon symétrique ou décalée vers l'une ou l'autre de façon asymétrique (figure 6). Le Demandeur a observé que la disposition et/ou les dimensions, notamment la longueur et/ou la largeur de l'élément conducteur magnétique dans le cas du couplage avec ou sans entrefer détermine la valeur dudit couplage. La forme des éléments conducteurs magnétiques peut aussi être variée : carrée, rectangulaire, disposés en losange ou en hexagone. Par exemple, le Demandeur a observé que le couplage maximal (avec des éléments de mêmes dimensions que celles du couplage avec entrefer) correspond à une impédance de 6,82 ohms avec un élément conducteur magnétique de 84 mm (42 x 2). À une ferrite de 79 mm correspond une impédance de 6,81 ohms, à une ferrite de 64 mm correspond une impédance de 6,61 ohms et à une ferrite de 54 mm correspond une impédance de 6,47 ohms. En d'autres termes, plus la longueur de la ferrite dans la zone de couplage est grande, meilleur est le couplage. La présente invention produit de nombreux avantages par rapport à l'art antérieur dans lequel les bobinages individuels 3 ne sont pas couplés magnétiquement par des éléments conducteurs magnétiques 4 avec ou sans entrefer. En premier lieu, l'impédance globale du foyer formé de plusieurs bobines couplées magnétiquement conformément à l'invention est augmentée, ce qui permet de diminuer le nombre de spires et donc la quantité de cuivre pour une configuration équivalente sans couplage. L'impédance d'une bobine est proportionnelle au nombre de spires. Par exemple, pour un système à trois bobines identiques ayant une impédance globale ZG, chaque bobine indépendante a une impédance individuelle ZA = ZB =Zc = ZG/3 dans le cas où les éléments électriquement conducteurs ne sont pas parallèles entre eux, conformément à l'art antérieur. Selon l'invention, dans le cas où il existe un couplage magnétique ZAB entre les bobines 3A et 3B et un couplage magnétique ZAC entre les bobines 3A et 3C, l'impédance globale ZG est alors égale à ZG = ZA + ZB + Zc + ZAB + ZAC, soit ZA = ZB = ZC = (Z -ZAB - ZAC)/3. II en résulte que l'impédance globale ZG est inférieure en présence d'un couplage magnétique conformément à l'invention par rapport à une impédance globale ZG dépourvue de couplage magnétique entre les bobines individuelles. La quantité de cuivre plus faible permet par conséquent un gain sur le prix du foyer. La diminution du nombre de spires engendre également une diminution de la longueur de fil de cuivre ce qui diminue par conséquent les pertes par échauffement des bobines. Cet avantage permet de faire fonctionner le foyer plus longtemps grâce à une atteinte de la température maxi avec un temps plus long. En variante, une telle diminution permet de diminuer la section du fil de cuivre pour travailler à perte constante. Cet avantage permet de faire fonctionner le foyer avec une plus forte puissance. Le couplage entre les bobines selon l'invention (avec ou sans entrefer) permet en outre d'améliorer la répartition de température dans le récipient chauffé comme illustré en référence aux figures 3 et 4. En effet, l'échauffement du récipient est lié aux courants induits Cl dans l'épaisseur du fond dudit récipient. Les bobinages circulaires 3 induisent des courants circulaires dont la densité maximale DC se situe à proximité du demi-rayon des bobines. Ceci engendre des échauffements en forme d'anneau AN. Les bobines 3A et 3B n'étant pas couplées magnétiquement par exemple à cause d'un entrefer de forte valeur (figure 3), la zone séparant lesdites bobines correspond à une zone relativement non chauffée ZNC. Avec un couplage magnétique conforme à l'invention (en figure 4, le couplage magnétique entre les éléments 4A2 et 4B1 résulte d'un couplage avec entrefer de valeur choisie pour obtenir le couplage magnétique souhaité) entre les deux bobines individuelles 3A et 3B, des courants induits supplémentaires CIM sont en plus générés à l'endroit du couplage magnétique CC, ce qui augmente d'autant la surface de chauffe. L'ajustement de la valeur du couplage magnétique avec ou sans entrefer respectivement obtenu par le réglage de l'entrefer et/ou les dimensions de l'élément conducteur magnétique détermine la valeur des courants induits supplémentaires CIM afin d'obtenir une répartition optimale de la température dans les récipients chauffés. II est à remarquer ici que l'entrefer en tant que tel peut à lui seul définir un moyen de réglage du couplage magnétique. REVENDICATIONS 1. Dispositif inducteur pour foyer de cuisson par induction, comprenant au moins des premier et second bobinages individuels (3A et 3B) à enroulement électriquement conducteur, disposés l'un à côté de l'autre dans un premier plan, et au moins un élément conducteur magnétique (4A) disposé dans un second plan sous au moins le premier bobinage individuel (3A), caractérisé en ce que l'élément conducteur magnétique (4A) s'étend sensiblement au-delà du premier bobinage individuel (3A) jusqu'à être disposé sensiblement sous le second bobinage individuel (3B) de manière à coupler magnétiquement lesdits premier et second bobinages individuels (3A et 3B). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le dispositif comporte en outre des moyens de réglage aptes à régler la valeur du couplage magnétique souhaité. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de réglage sont définis par l'ajustement des dimensions de l'élément conducteur magnétique (4A) en fonction de la valeur du couplage magnétique souhaité. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les dimensions de l'élément conducteur magnétique (4A) ainsi ajustées comprennent la longueur 25 dudit élément conducteur magnétique (4A). 5. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, dans lequel les dimensions de l'élément conducteur magnétique (4A) ainsi ajustées comprennent la largeur dudit élément conducteur magnétique (4A). 30 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les enroulements électriquement conducteurs des premier et second bobinages individuels (3A et 3B) ne sont pas parallèles entre eux. 7. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de réglage sont définis par l'ajout d'un entrefer dans l'élément conducteur magnétique, ledit entrefer (E) étant propre à scinder ledit élément conducteur magnétique en deux parties (4A et 4B). 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les deux parties (4A et 4B) de l'élément conducteur magnétique s'étendent au delà respectivement des premier et second bobinages individuels (3A et 3B). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les premier et second bobinages individuels (3A et 3B) sont polarisés en sens opposé. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier et second bobinages individuels (3A et 3B) sont connectés en série. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier et second bobinages individuels (3A et 3B) s'étendent chacun dans un disque. 12. Dispositif selon les revendications 7 et 11, dans lequel les premier et second bobinages individuels (3A et 3B) ont un diamètre d'environ 100 mm et l'entrefer (E) entre les deux parties (4A et 4B) de l'élément conducteur magnétique est inférieur à 5 mm. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le matériau de l'élément conducteur magnétique (4A, 4B) est de la ferrite. 30 5 14. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel la forme de l'élément conducteur magnétique (4A, 4B) est carrée, rectangulaire, en losange, en hexagone. 15. Plaque de cuisson par induction, comprenant au moins un foyer de cuisson, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif inducteur conforme à l'une des revendications 1 à 14 associé audit foyer de cuisson.