JP3602709B2

JP3602709B2 - Induction heating device

Info

Publication number: JP3602709B2
Application number: JP2011098A
Authority: JP
Inventors: 和利滝本; 健史柿木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2018-02-02
Also published as: JPH10335057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱コイルから発生する漏洩磁界を打消す消磁界手段を備えた誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から加熱コイルに高周波電流を流し、高周波磁界を発生させることにより加熱を行う誘導加熱装置は、加熱容器以外の周囲へ漏洩磁界が発生している。この発生する磁界により、至近距離で使用する映像・音声電気製品などのＡＶ製品にノイズを与える危険性があった。また最近では、磁界、特に交番磁界が人体には好ましくない影響があることを懸念する報告がなされており、社会的にその関心が高まってきている。
【０００３】
この電磁界を抑制する一つの方法として、アルミ等の導電材料でドーナツ状に構成されたシールドリングを設けることが、特公昭５８−３７６７６号公報，特公昭６３−３４２８号公報に開示されている。
【０００４】
この方法は、加熱コイルで発生する磁界によりシールドリングに誘導電流が発生する。そして、レンツの法則によりシールドリングを通過する鎖交磁束が変化すると、磁束変化を妨げる方向に起電力が生じ誘導電流が流れるため、このシールドリングに発生する誘導電流による磁界は、加熱コイルから発生する磁界の逆向きの磁界となり、お互いに打ち消しあい漏洩磁界を低減するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような鎖交磁界の変化を用いた漏洩磁界低減手法では、シールドリングを通過する鎖交磁束の変化が少ない低周波領域の漏洩磁界には低減効果が少なくなる。即ち、鎖交磁束の変化が無い直流磁界についてはシールドリングの効果は無くなる。
【０００６】
シールドリングによる磁界キャンセルする原理について述べる。加熱コイルからの磁束Φがシールドリングを貫通すると、電磁誘導の法則により磁束の変化を妨げる方向に起電力ｅがシールドリング内で生じる。
【０００７】
ｅ＝−△Φ／△ｔ〔Ｖ〕‥‥‥（１）
この誘導起電力ｅにより、シールドリングに電流が流れ磁束が発生する。この磁束の向きは、電気機器の内部から発生する磁束とは逆向きなので、お互い打ち消しあって磁界を低減する。この式（１）からわかるように、磁束の変化時間△ｔが短いほど、誘導起電力ｅが大きくなり磁界低減効果が大きいが、△ｔが長くなると誘導起電力ｅが小さくなり、磁界低減効果が少なくなる。なお、磁束Φの変化の無い静磁界では△ｔが∞になり、誘導起電力ｅは０となり、まったく磁界低減効果は無くなる。
【０００８】
そこで、本発明は上記従来の課題を解決するもので、鎖交磁束が変化が少ない低周波領域の漏洩磁界においても誘導加熱装置から漏洩する磁界を効果的に低減し、安価に誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、加熱コイルを渦巻状に巻かれた第１のコイル（加熱用）と、前記第１のコイルと直列に接続され、かつ前記第１のコイルと逆向きに巻かれた第２のコイル（漏洩磁界キャンセル用）を設けるものである。これにより、誘導加熱装置から外部へ漏洩する磁界を低減することができる。
【００１０】
また、前記第１のコイルの外径を加熱容器の最大外形寸法より小さくし、前記第２のコイルの内径を加熱容器の最大外形寸法より大きくする構成とするものである。これにより、前記第１のコイルから発生する磁束Φ１の大部分は加熱容器を通り、主に加熱容器の加熱作用に使われる。そして、前記第２のコイルの内径を加熱容器の最大外形寸法より大きくすることにより、前記第２のコイルから発生する磁束Φ２を、前記第１のコイルから発生した磁束のうち、外部漏洩する磁束に対して主に作用させることができ、漏洩磁界の低減効果が大きくなる。
【００１１】
また、加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源部の低圧側に前記第２のコイルを接続する構成とするものである。これにより、前記第２のコイルと周辺部に配置される他の電子部品等との絶縁距離を考慮する必要が低くなるため、誘導加熱装置を小型化することができる。
【００１２】
また、加熱容器を載置するためのトッププレートに凸形状を設け、凸形状内部に前記第２のコイルが収納する構成とするものである。これにより、同一平面に前記第１のコイルと前記第２のコイルを形成する場合に比べ、前記第２のコイルの巻数を増や（コイル厚みが大きくなる）しても前記第２のコイル外径を大きくする必要がないため、誘導加熱装置を小型化することができる。
【００１３】
また、導電材料でドーナツ状に構成されたシールドリングを配設するものである。これにより、前記第２のコイルによる漏洩磁界低減効果に加えて、シールドリングによる漏洩磁界の低減効果を得ることができ、より漏洩磁界の低減効果が大きくなる。
【００１４】
また、前記シールドリングを前記第２のコイルの外周側に配置し、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間隔より、前記第２のコイルと前記シールドリングとの間隔を大きくするものである。これにより、前記シールドリングを前記第２のコイルの外周側に配置する場合、前記第１のコイルと前記第２のコイルの間隔より、前記第２のコイルと前記シールドリングの間隔を大きくすることにより、前記第２のコイルによる漏洩磁界低減効果を有効に活用し、前記第２のコイルを越えて外部へ漏洩する磁束を前記シールドリングで低減することができるため、二重シールド効果を十分に得ることができ、より漏洩磁界低減効果が大きくなる。
【００１５】
また、前記第１のコイルと前記第２のコイルの間に前記シールドリングを配設し、前記第１のコイルと前記シールドリングの間隔より、前記第２のコイルと前記シールドリングの間隔を大きくするものである。これにより、前記第１のコイルと前記第２のコイルの間に前記シールドリングを配設する場合、前記第１のコイルと前記シールドリングとの間隔より、前記第２のコイルと前記シールドリングとの間隔を大きくしてシールドリングで、前記第１のコイルから発生する磁界をシールドし、前記シールドリングを越えて外部へ漏洩する磁束を前記第２のコイルで低減することができるため、二重シールド効果を十分に得ることができ、より漏洩磁界の低減効果が大きくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の誘導加熱装置に係る各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１、図２は本発明の実施の形態１の誘導加熱装置を示すもので、図１が誘導加熱装置の平面構造図で、図２が断面構造図である。装置本体１１の上面に非磁性体によって形成されたトッププレート１２が装着されるとともに、このトッププレート１２の下方に、加熱コイル１３が加熱コイル支持台１４により配設される。
【００１８】
そして、この加熱コイル１３に高周波電源部１５から高周波電流を流すことにより、トッププレート１２上に載置された鉄、ステンレス等から構成する鍋等の加熱容器１６が誘導加熱される構成となっている。加熱コイル１３は、渦巻状に巻かれている第１のコイル１７と、この第１のコイル１７の磁界を打ち消す方向（第１のコイル１７に対して逆向き）に設けられた第２のコイル１８を直列に接続する構成となっている。また、第２のコイル１８は第１のコイル１７と所定の間隔をおいて同心となるように装置本体１１の内部に設けられている。
【００１９】
次に、本発明の実施の形態の漏洩磁界低減原理について詳細に説明する。一般に、コイルに電流を流すことにより発生する磁界は、電流の流れる方向の右ねじ方向に発生する。発生する磁界の強さはコイルのターン数及び流れる電流に比例する。また、コイルによって発生する任意の観測点での磁界の大きさは、その観測点からコイルまでの距離の２乗に反比例して変化する。
【００２０】
以上の原理により、第１のコイル１７と第２のコイル１８とを同心で逆向き電流が流れるように直列接続する構成とすることにより、第１のコイル１７と第２のコイル１８とに流れる電流によってお互いに発生する磁界を打ち消しあって、装置外部へ漏洩する磁界を低減する。このように、同一電流を逆向きに流すことで、シールドリングでは低減することができなかった直流電流による静磁界や、効果の少ない低周波交流電流による交番磁界を低減することができる。
【００２１】
従って、通常の誘導加熱装置が加熱コイル１３に流している電源周波数（６０／５０Ｈｚ）の低周波成分を含んだ高周波電流であっても、磁界低減効果が得られる。尚、通常の誘導加熱装置は高周波電源部１５内部で、ＡＣ電源（６０／５０Ｈｚ）を全波整流後スイッチングにより高周波電流を発生させているが、完全平滑（全波整流時）を行っておらず、電源周波数（６０／５０Ｈｚ）成分を含んだ高周波電流である。
【００２２】
又、第２のコイル１８は第１のコイル１７の外周側に配設されており、外部の観測点までの距離が第１のコイル１７より近いため、第２のコイル１８のターン数が第１のコイル１７のターン数より少なくても有効な低減効果を得ることができる。
【００２３】
実験では第１のコイル１７を２３ターン、第２のコイル１８を１ターンを直列逆方向に接続して、高周波電流（６０Ｈｚを２１ｋＨｚで変調）のピーク−ピーク８０Ａを流した時の装置から約１０ｃｍでの漏洩磁界低減効果は、第２のコイル１８の無い時に比べ、約２０％向上している。又、第２のコイル１８を３ターンにすると約８０％向上している。
【００２４】
尚、図２では第１のコイル１７、第２のコイル１８は共に加熱コイル支持台１４に配置されている一例を示しているが、本発明はこれに限るものでなく、第２のコイル１８を装置本体１１の内部周辺等別に配設（図示せず）してもよい。ただし、第１のコイル１７、第２のコイル１８を共に加熱コイル支持台１４に配置することで、加熱コイル１３を加工する時の作業性が良くなり、装置全体を低コストで提供できる。又、図１では第２のコイル１８は略正方形配設しているが、第２のコイル１８は略正方形配設する必要はなく、円形に配設してもよい。
【００２５】
また、加熱コイル１３を製作する同一工程（加熱コイル支持台に一体）で第１のコイル１７と磁界低減を行う第２のコイル１８とを作ることができるため、機器の小型化、薄型化を容易にでき、機器を安価に提供できる。
【００２６】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２の誘導加熱装置の断面構造図である。第１のコイル１７の外径ａ、加熱容器１６の内径ｂ、第２のコイル１８の内径ｃを、それぞれの値がｃ＞ｂ＞ａとなるように配設している。
【００２７】
このようにｂ＞ａとなるように配置することで、第１のコイル１７から発生する磁束の大部分は、加熱容器１６の底部通り第１のコイル１７に戻り、内部で収束する。尚、磁束の無始無終性により、発生した磁束は、元の場所に戻り発散する事が無い。さらに、空気の比透磁率１に対して、鉄の比透磁率は約５０００で、鉄は空気などに比べて５０００倍磁束を通しやすいため、第１のコイル１７から発生する磁束は鉄等でできている加熱容器１６の底部を通り、最短距離で第１のコイル１７に戻る。
【００２８】
さらにｃ＞ｂとなるように配置することで、加熱容器１６を越えて外部へ漏洩する磁束に対して、第２のコイル１８による逆方向の磁束がお互いに打ち消し合い、磁界を低減することができる。
【００２９】
尚、第１のコイル１７と第２のコイル１８は、逆向きの磁界を発生してお互いに打ち消し合っているため、第１のコイル１７と第２のコイル１８を接近して配設すると、加熱容器１６の加熱効率を下げることになる。従って、第２のコイル１８の内径ｃは配置の制限が許す限り大きくするほうが良い。
【００３０】
又、こうすることで観測点から第１のコイル１７と第２のコイル１８の距離の差を大きくとることにもなり、磁界はコイルまでの距離の２乗に反比例して変化するため、第２のコイル１８の巻数を少なくして発生する磁界を小さくしても、第１のコイル１７から発生する磁界を十分打ち消すことができる。
【００３１】
（実施の形態３）
図４、図５は本発明の実施の形態３の誘導加熱装置を示すもので、図４が誘導加熱装置の平面構造図で、図５が図４のＡ−Ｂ断面での断面構造図である。
【００３２】
加熱コイル１３には高周波電流が流れており、加熱コイル１３の両端には数ｋＶの電圧が印可されている。加熱コイル１３の第２のコイル１８を低圧側に接続し、第１のコイル１７を高圧側に接続している。上記の接続構成とすることで、第２のコイル１８と他の電子部品１９との絶縁距離を考慮する必要が無くなり、装置をより小型化できる。
【００３３】
（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４の誘導加熱装置の断面構造図である。加熱容器１６を載置するためのトッププレート１２に凸形状部１２ａを設け、凸形状部１２ａ内に第２のコイル１８が収納されるように配設したものである。
【００３４】
上記の構成とすることで、加熱コイル支持台１４に第１のコイル１７と第２のコイル１８を配設して、且つ、第２のコイル１８の巻数を多くして厚みが大きくなっても、加熱容器１６と第１のコイル１７を接近して配設することができる。
【００３５】
尚、誘導加熱は第１のコイル１７と加熱容器１６の距離が大きくなると加熱効率が下がる。従って、加熱効率を低下させずに第２のコイル１８を加熱コイル支持台１４配置すると、第２のコイル１８の厚みに制限が発生する。また、厚みを増やさないで外周方向へ巻数を多くする方法もあるが、装置全体が大きくなる欠点がある。
【００３６】
しかし、上記の構成とすることで、第２のコイル１８の厚み大きくすることができ、巻数を多くとることができるため、加熱効率を下げずに、漏洩磁界を低減することができる。さらに、トッププレート１２の凸形状部１２ａにより加熱容器１６がトッププレート１２からずり落ちたりするのを防止する効果がある。
【００３７】
（実施の形態５）
図７は本発明の実施の形態５を示す誘導加熱装置のシールドリングの配置を示す断面構造図である。第２のコイル１８の外周側に導電材料からなるシールドリング２０を配設している。上記の構成により第２のコイル１８による磁界低減効果とシールドリング２０による磁界低減効果が２重に働き、より漏洩磁界低減効果がある。又、第１のコイル１７と第２のコイル１８と間の距離ｄ、第２のコイル１８とシールドリング２０との間の距離ｅを、ｅ＞ｄとなるように配設している。
【００３８】
このようにｅ＞ｄとなるように配置することで、第１のコイル１７から発生し、加熱容器１６を越えて漏洩する磁束を第２のコイル１８の磁束で打ち消す。さらに外部へ漏洩する磁束はシールドリング２０を通ることになるため、逆起電力が発生しシールドリング２０の発生する磁束により打ち消され、より漏洩磁界低減効果が向上する。なお、ｅ＜ｄの位置関係であれば、第１のコイル１７の発生する磁束を打ち消すために発生させている第２のコイル１８の磁束を、シールドリング２０で打ち消すことになり低減効果が減少してしまうことになる。
【００３９】
実験では第１のコイル１７を２３ターン、第２のコイル１８を１ターンを直列逆方向に接続した場合と、さらに内径約１９０ｍｍ、外径約２２５ｍｍ、厚み８ｍｍ、材質銅のシールドリングを追加した場合の漏洩磁界の低減効果を比較すると、高周波電流（６０Ｈｚを２１ｋＨｚで変調）のピーク−ピーク８０Ａを流した時の装置から約１０ｃｍでの測定で、漏洩磁界の低減効果は約１００％（２倍）向上している。
【００４０】
（実施の形態６）
図８は本発明の実施の形態６を示す誘導加熱装置のシールドリングの配置を示す断面構造図である。第１のコイル１７と第２のコイル１８の間にシールドリング２０を配設し、第１のコイル１７とシールドリング２０の距離ｆ、シールドリング２０と第２のコイル１８との間の距離ｇを、ｇ＞ｆとなるように配設している。
【００４１】
このようにｇ＞ｆとなるように配置することで、第１のコイル１７から発生し、加熱容器１６を越えて漏洩する磁束はシールドリング２０を通ることになるため、逆起電力が発生しシールドリング２０の発生する磁束により打ち消される。さらに外部へ漏洩する磁束に対して第２のコイル１８の発生する磁束により、より漏洩磁界の低減効果が向上する。
【００４２】
なお、ｇ＜ｆという関係であれば、第２のコイル１８とシールドリング２０が近いため、第２のコイル１８の磁束がシールドリング２０を通りやすくなるため、シールドリング２０で外部漏洩磁界キャンセルのための第２のコイル１８の磁束を打ち消すことになりトータルの低減効果が減少してしまうことになる。
【００４３】
【実施例】
本発明の実施例では、具体的に漏洩磁界の低減効果を確認すると共に、電磁調理器からの不要電磁界輻射を低減しエネルギーの有効利用を図るため、コイル本体へのシールドリング（ショートリング）やキャンセルコイルの取り付けを想定した電磁界シミュレーションを実施し、コイルから発生する不要電磁界の低減効果を確認した。また、それらの改造を加えた試作品を実際に作製し、その実測結果からシミュレーション結果の検証を行った。
【００４４】
不要電磁界を低減する方法としては、上記実施の形態にて説明したように、（ａ）シールドリングを用いる方法、（ｂ）外側のコイルを逆向きに巻く方法〔キャンセルコイル（第２のコイル）〕の２つの対策手法を採用し、下記のようなシミュレーションによる解析および実測を実施した。なお、今回用いたシミュレータは、有限要素法を採用した市販シミュレータ、Ａｎｓｏｆｔ社のＭａｘｗｅｌｌ−ＥＮを用いた［参考文献としては、山下栄吉他、電磁波問題の基礎解析法、通信情報学会（１９８７）］。
【００４５】
また、形状モデルとしては、図９に示すように電磁調理器のコイル（銅）、鍋（鉄）、シールドリング（銅、もしくはアルミニウム）に関して軸対称のモデル化を実施した。なお、低減効果を明確にするため、観測点を通常の測定（シールドリング端より３０ｃｍ）より近傍（シールドリング端より１０ｃｍ）に設定した。
【００４６】
また、コイルを流れる電流のモデル化に関しては、実測波形をフーリエ変換し、各周波数での電流値を算出し、下記のシミュレーションでは磁界の発生主要因と考えられる直流、６０Ｈｚ、２１ＫＨｚの各成分に関して解析を実施した。
【００４７】
（ａ）シールドリングによる低減効果
表１に示す内容でシミュレーションおよび実測を実施した結果を図１１に示す。
【００４８】
【表１】

【００４９】
対策１−１と対策１−２の比較から、板厚を厚くするほど不要磁界が減少する傾向をシミュレーションで確認可能なことが判明した。また、対策１−１と対策１−３および対策１−２と対策１−３の比較から材質の違い、即ち導電率の影響を考慮した効果もシミュレーションで確認できることが判明した。
【００５０】
また、シールドリングによる低減効果では、直流成分を低減できないことが明らかとなった。
【００５１】
（ｂ）キャンセルコイルによる低減効果
キャンセルコイルによる漏洩磁界の低減効果を解析するための形状モデルとしては、図９に示すシールドリングを削除し、通常の外側のコイルから５ｍｍ離した位置に表２に示す内容でキャンセルコイル（外側のコイルと逆巻きコイル、即ち、第２のコイル）を配置し、シミュレーションおよび実測を実施した結果を図１２に示す。
【００５２】
【表２】

【００５３】
対策２−１と対策２−２の結果比較から、キャンセルコイルの巻数の不要磁界に及ぼす影響をシミュレーションで確認可能なことが判明した。また、直流成分に関しての低減効果は得られるが、交流成分に関しては、図１１に示すシールドリングほどの低減効果が得られないことが判明した。
【００５４】
（ｃ）２つの低減化手段を組み合わせた低減効果
（ａ）および（ｂ）で示した低減化手法を組み合わせることで直流及び交流により発生する磁界を低減効果をシミュレーションで実施した。上記対策１−３、２−２の各対策単独の場合、両対策を併用した場合の解析結果を図１３に示す。
【００５５】
図１３に示す比較結果から、直流，６０Ｈｚ，２１ＫＨｚの全てにおいて、両対策を組み合わせることで低減効果を高めることが可能なことを確認した。
【００５６】
以上の結果をまとめると、電磁調理器を例に、シールドリングの設置、コイルの巻方変更により、不要電磁界低減効果を電磁界シミュレータを用いて予測可能であることを確認できた。
【００５７】
また、シミュレーションによる磁束密度のオーダーと実測結果のオーダーは一致した。直流成分に関しては、ショートリングによる磁束密度の削減効果はほとんど無いことが解った。
【００５８】
なお、材質がアルミニウムのショートリングの枚厚を変更した結果、アルミニウムの場合は板厚を２０ｍｍ以上に増やしても低減効果が得られないという実測結果とシミュレーション結果の一致が得られた。同様に、材質が銅のショートリングの枚厚を変更し、銅の場合は板厚を５ｍｍ以上に増やしても低減効果が得られないという実測結果とシミュレーション結果の一致が得られた。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の誘導加熱装置は上記のように構成するため、低周波磁界の装置外部へ磁界漏洩を阻止することができ、映像・音声電気製品に対してノイズ防止、人体への磁界の影響を防止することができる。
【００６０】
また、第２のコイルを高周波電源部の低圧側に接続することで他の電子部品等との絶縁距離が少なくできる。さらに、請求項４によれば、トッププレートの凸形状部内に第２のコイルが収納することで第２のコイルの外径を小さくできるため、より機器の小型化、薄型化できる。
【００６１】
磁界を低減する第２のコイルとシールドリングを２重に用いることで、より磁界低減効果を大きくこることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す誘導加熱装置の平面構造図である。
【図２】図１の誘導加熱装置の断面構造図である。
【図３】本発明の実施の形態２を示す誘導加熱装置の断面構造図である。
【図４】本発明の実施の形態３を示す誘導加熱装置の平面構造図である。
【図５】図４のＡ−Ｂ断面における断面構造図である。
【図６】本発明の実施の形態４を示す誘導加熱装置の断面構造図である。
【図７】本発明の実施の形態５を示す誘導加熱装置のシールドリングの配置を示す断面構造図である。
【図８】本発明の実施の形態６を示す誘導加熱装置のシールドリングの配置を示す断面構造図である。
【図９】本実施例の解析形状モデルを示す断面図である。
【図１０】フーリエ変換後の電流波形図である。
【図１１】シールドリングによる磁界低減効果を示す図である。
【図１２】キャンセルコイルによる磁界低減効果を示す図である。
【図１３】シールドリングとキャンセルコイルとを組み合わせた場合の磁界低減効果を示す図である。
【符号の説明】
１２トッププレート
１３加熱コイル
１４加熱コイル支持台
１５高周波電源部
１６加熱容器
１７第１のコイル
１８第２のコイル
２０シールドリング[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an induction heating device provided with a demagnetizing field means for canceling a leakage magnetic field generated from a heating coil.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an induction heating device that performs heating by supplying a high-frequency current to a heating coil to generate a high-frequency magnetic field generates a leakage magnetic field to the surroundings other than the heating container. There is a danger that the generated magnetic field may give noise to AV products such as video and audio electric products used at a short distance. Recently, there has been a report that there is a concern that a magnetic field, particularly an alternating magnetic field, has an undesired effect on the human body, and social interest has been increasing.
[0003]
As one method of suppressing this electromagnetic field, the provision of a donut-shaped shield ring made of a conductive material such as aluminum is disclosed in JP-B-58-37676 and JP-B-63-3428. .
[0004]
In this method, an induced current is generated in the shield ring by a magnetic field generated in the heating coil. When the interlinkage magnetic flux passing through the shield ring changes according to Lenz's law, an electromotive force is generated in a direction that hinders the change in magnetic flux, and an induction current flows.The magnetic field due to the induction current generated in the shield ring is generated from the heating coil. The magnetic fields are opposite to each other and cancel each other to reduce the leakage magnetic field.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the leakage magnetic field reduction method using the change in the linkage magnetic field as described above, the effect of reducing the leakage magnetic field in a low frequency region where the change in the linkage magnetic flux passing through the shield ring is small is small. That is, the effect of the shield ring is lost for a DC magnetic field having no change in the linkage magnetic flux.
[0006]
The principle of magnetic field cancellation by the shield ring will be described. When the magnetic flux Φ from the heating coil penetrates the shield ring, an electromotive force e is generated in the shield ring in a direction that obstructs the change of the magnetic flux by the law of electromagnetic induction.
[0007]
e = − △ Φ / △ t [V] ‥‥‥ (1)
Due to the induced electromotive force e, a current flows through the shield ring to generate a magnetic flux. Since the direction of the magnetic flux is opposite to the direction of the magnetic flux generated from the inside of the electric device, they cancel each other to reduce the magnetic field. As can be seen from the equation (1), the shorter the change time Δt of the magnetic flux, the larger the induced electromotive force e and the effect of reducing the magnetic field. However, the longer the Δt, the smaller the induced electromotive force e. Is reduced. In a static magnetic field where the magnetic flux Φ does not change, Δt becomes Δ, the induced electromotive force e becomes 0, and the effect of reducing the magnetic field is completely lost.
[0008]
Therefore, the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and effectively reduces the magnetic field leaking from the induction heating device even in the leakage magnetic field in a low-frequency region where the interlinkage magnetic flux is little changed, and makes the induction heating device inexpensive. The purpose is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Wound in order to achieve the above object, a first coil wound pressurized heat coil in a spiral shape (for heating), connected to said first coil in series, and the first coil and the opposite A second coil (for canceling a leakage magnetic field) is provided. Thereby , the magnetic field leaking from the induction heating device to the outside can be reduced.
[0010]
Moreover, in which the outer diameter before Symbol first coil and smaller than the maximum outer dimensions of the heating container, a configuration in which greater than the maximum outer dimensions of the heating vessel the inner diameter of the second coil. As a result, most of the magnetic flux Φ1 generated from the first coil passes through the heating vessel and is mainly used for heating the heating vessel. Then, by making the inner diameter of the second coil larger than the maximum outer dimension of the heating vessel, the magnetic flux Φ2 generated from the second coil is reduced to the magnetic flux leaking out of the magnetic flux generated from the first coil. Mainly, and the effect of reducing the leakage magnetic field is increased.
[0011]
Further, it is an arrangement for connecting the second coil a high-frequency current to the low voltage side of the high-frequency power supply unit for supplying a pressurized heat coil. Accordingly , it is not necessary to consider the insulation distance between the second coil and other electronic components disposed in the peripheral portion, and the size of the induction heating device can be reduced.
[0012]
Further, a convex shape provided on the top plate for placing the pressurized heat container, in which the inside convex second coil is configured to house. Thereby , as compared with the case where the first coil and the second coil are formed on the same plane, even if the number of turns of the second coil is increased (the coil thickness is increased), the outside of the second coil is increased. Since there is no need to increase the diameter, the induction heating device can be downsized.
[0013]
In addition , a doughnut-shaped shield ring made of a conductive material is provided. Thereby , in addition to the effect of reducing the leakage magnetic field by the second coil, the effect of reducing the leakage magnetic field by the shield ring can be obtained, and the effect of reducing the leakage magnetic field is further increased.
[0014]
Also, the pre-Symbol shield ring arranged on the outer peripheral side of the second coil, than the distance between said first coil and the second coil, increasing the distance between the shield ring and the second coil Things. Thereby , when disposing the shield ring on the outer peripheral side of the second coil, the interval between the second coil and the shield ring is made larger than the interval between the first coil and the second coil. Thereby, the magnetic flux leaking outside beyond the second coil can be reduced by the shield ring by effectively utilizing the effect of reducing the leakage magnetic field by the second coil. And the effect of reducing the leakage magnetic field is further increased.
[0015]
In addition, disposing the shield ring between the front Symbol first coil and the second coil, than the distance of said first coil and said shield ring, the distance between the shield ring and the second coil Is to make it bigger. Thereby , when disposing the shield ring between the first coil and the second coil, the distance between the first coil and the shield ring is greater than the distance between the second coil and the shield ring. The magnetic field generated from the first coil is shielded by the shield ring by increasing the distance between the first coil and the magnetic flux leaking outside through the shield ring to the outside can be reduced by the second coil. A sufficient shielding effect can be obtained, and the effect of reducing the leakage magnetic field can be increased.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the induction heating apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
(Embodiment 1)
1 and 2 show an induction heating apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1 is a plan structural view of the induction heating apparatus, and FIG. 2 is a sectional structural view. A top plate 12 made of a non-magnetic material is mounted on the upper surface of the apparatus main body 11, and a heating coil 13 is disposed below the top plate 12 by a heating coil support 14.
[0018]
When a high-frequency current is supplied from the high-frequency power supply unit 15 to the heating coil 13, the heating container 16 such as a pan made of iron, stainless steel, or the like placed on the top plate 12 is induction-heated. I have. The heating coil 13 includes a first coil 17 wound in a spiral shape and a second coil provided in a direction for canceling the magnetic field of the first coil 17 (opposite to the first coil 17). 18 are connected in series. The second coil 18 is provided inside the apparatus main body 11 so as to be concentric with the first coil 17 at a predetermined interval.
[0019]
Next, the principle of reducing the leakage magnetic field according to the embodiment of the present invention will be described in detail. Generally, a magnetic field generated by flowing a current through a coil is generated in a right-handed screw direction in which the current flows. The strength of the generated magnetic field is proportional to the number of turns of the coil and the flowing current. Further, the magnitude of the magnetic field at an arbitrary observation point generated by the coil changes in inverse proportion to the square of the distance from the observation point to the coil.
[0020]
According to the above principle, the first coil 17 and the second coil 18 are connected in series so that concentric and reverse currents flow, so that the first coil 17 and the second coil 18 flow through the first coil 17 and the second coil 18. The magnetic fields generated by the currents are canceled by each other, and the magnetic field leaking to the outside of the device is reduced. In this way, by flowing the same current in the opposite direction, it is possible to reduce a static magnetic field due to a direct current that could not be reduced by the shield ring, and an alternating magnetic field due to a low-frequency AC current that has little effect.
[0021]
Therefore, even with a high-frequency current including a low-frequency component of the power supply frequency (60/50 Hz) flowing through the heating coil 13 by the normal induction heating device, a magnetic field reduction effect can be obtained. Note that a normal induction heating apparatus generates a high-frequency current by switching after full-wave rectification of an AC power supply (60/50 Hz) inside the high-frequency power supply unit 15, but performs perfect smoothing (at the time of full-wave rectification). Rather, it is a high-frequency current containing a power supply frequency (60/50 Hz) component.
[0022]
Further, the second coil 18 is disposed on the outer peripheral side of the first coil 17, and the distance to the external observation point is shorter than the first coil 17, so that the number of turns of the second coil 18 is smaller than the first coil 17. Even if the number of turns of one coil 17 is less, an effective reduction effect can be obtained.
[0023]
In the experiment, the first coil 17 was connected for 23 turns and the second coil 18 was connected for one turn in the reverse direction, and a peak-to-peak 80A of a high-frequency current (modulation of 60 Hz at 21 kHz) was passed from the apparatus at about 80 A. The leakage magnetic field reduction effect at 10 cm is improved by about 20% as compared with the case where the second coil 18 is not provided. When the second coil 18 has three turns, it is improved by about 80%.
[0024]
Although FIG. 2 shows an example in which the first coil 17 and the second coil 18 are both arranged on the heating coil support 14, the present invention is not limited to this, and the second coil 18 May be arranged separately (not shown) around the inside of the apparatus main body 11 or the like. However, by arranging both the first coil 17 and the second coil 18 on the heating coil support 14, the workability when processing the heating coil 13 is improved, and the entire apparatus can be provided at low cost. Also, in FIG. 1, the second coil 18 is arranged in a substantially square shape, but the second coil 18 does not need to be arranged in a substantially square shape, and may be arranged in a circular shape.
[0025]
In addition, since the first coil 17 and the second coil 18 for reducing the magnetic field can be manufactured in the same process of manufacturing the heating coil 13 (integrated with the heating coil support), the size and thickness of the device can be reduced. It can be made easily and the equipment can be provided at low cost.
[0026]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a sectional structural view of the induction heating device according to the second embodiment of the present invention. The outer diameter a of the first coil 17, the inner diameter b of the heating vessel 16, and the inner diameter c of the second coil 18 are arranged such that the respective values satisfy c>b> a.
[0027]
By arranging such that b> a, most of the magnetic flux generated from the first coil 17 returns to the first coil 17 through the bottom of the heating vessel 16 and converges inside. The generated magnetic flux does not return to its original location and diverge due to the endlessness of the magnetic flux. Furthermore, the relative permeability of iron is about 5,000 with respect to the relative permeability of air of 1, and iron is 5,000 times more permeable to magnetic flux than air or the like. Therefore, the magnetic flux generated from the first coil 17 is iron or the like. It passes through the bottom of the heating vessel 16 and returns to the first coil 17 at the shortest distance.
[0028]
Further, by arranging such that c> b, the magnetic flux leaking to the outside beyond the heating vessel 16 cancels out the magnetic fluxes in the opposite directions by the second coil 18 to reduce the magnetic field. it can.
[0029]
Since the first coil 17 and the second coil 18 generate magnetic fields in opposite directions and cancel each other, if the first coil 17 and the second coil 18 are arranged close to each other, The heating efficiency of the heating container 16 will be reduced. Therefore, it is preferable that the inner diameter c of the second coil 18 be as large as the restriction on the arrangement allows.
[0030]
This also increases the difference in distance between the first coil 17 and the second coil 18 from the observation point, and the magnetic field changes in inverse proportion to the square of the distance to the coil. Even if the magnetic field generated by reducing the number of turns of the second coil 18 is reduced, the magnetic field generated from the first coil 17 can be sufficiently canceled.
[0031]
(Embodiment 3)
4 and 5 show an induction heating device according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 4 is a plan view of the induction heating device, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. is there.
[0032]
A high-frequency current flows through the heating coil 13, and a voltage of several kV is applied to both ends of the heating coil 13. The second coil 18 of the heating coil 13 is connected to the low voltage side, and the first coil 17 is connected to the high voltage side. With the above connection configuration, it is not necessary to consider the insulation distance between the second coil 18 and the other electronic components 19, and the device can be further reduced in size.
[0033]
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a sectional structural view of an induction heating device according to Embodiment 4 of the present invention. A convex portion 12a is provided on a top plate 12 on which the heating vessel 16 is placed, and the second coil 18 is disposed in the convex portion 12a.
[0034]
With the above configuration, even if the first coil 17 and the second coil 18 are arranged on the heating coil support 14 and the number of turns of the second coil 18 is increased, the thickness is increased. , The heating vessel 16 and the first coil 17 can be arranged close to each other.
[0035]
In the induction heating, as the distance between the first coil 17 and the heating vessel 16 increases, the heating efficiency decreases. Therefore, if the second coil 18 is disposed on the heating coil support base 14 without lowering the heating efficiency, the thickness of the second coil 18 is limited. There is also a method of increasing the number of turns in the outer peripheral direction without increasing the thickness, but there is a disadvantage that the entire apparatus becomes large.
[0036]
However, with the above configuration, the thickness of the second coil 18 can be increased and the number of turns can be increased, so that the leakage magnetic field can be reduced without lowering the heating efficiency. Further, the convex portion 12 a of the top plate 12 has an effect of preventing the heating container 16 from slipping off the top plate 12.
[0037]
(Embodiment 5)
FIG. 7 is a sectional structural view showing the arrangement of the shield ring of the induction heating device according to the fifth embodiment of the present invention. A shield ring 20 made of a conductive material is disposed on the outer peripheral side of the second coil 18. With the above-described configuration, the magnetic field reduction effect of the second coil 18 and the magnetic field reduction effect of the shield ring 20 work in duplicate, resulting in a further reduction of the leakage magnetic field. The distance d between the first coil 17 and the second coil 18 and the distance e between the second coil 18 and the shield ring 20 are arranged such that e> d.
[0038]
By arranging such that e> d, the magnetic flux generated from the first coil 17 and leaking beyond the heating vessel 16 is canceled by the magnetic flux of the second coil 18. Further, since the magnetic flux leaking to the outside passes through the shield ring 20, a back electromotive force is generated and is canceled by the magnetic flux generated by the shield ring 20, and the effect of reducing the leak magnetic field is further improved. If the positional relationship is e <d, the magnetic flux of the second coil 18 generated for canceling the magnetic flux generated by the first coil 17 is canceled by the shield ring 20, and the reduction effect is reduced. Will be done.
[0039]
In the experiment, the case where the first coil 17 was connected in 23 turns and the second coil 18 was connected in one turn in the opposite direction, and a shield ring made of a material of about 190 mm in inner diameter, about 225 mm in outer diameter, 8 mm in thickness, and copper was added. Comparing the effect of reducing the leakage magnetic field in the case, the reduction effect of the leakage magnetic field was about 100% (2%) when measured at about 10 cm from the apparatus when a peak-to-peak 80A of a high-frequency current (60 Hz modulated at 21 kHz) was passed. Times) improved.
[0040]
(Embodiment 6)
FIG. 8 is a sectional structural view showing an arrangement of the shield ring of the induction heating device according to the sixth embodiment of the present invention. A shield ring 20 is provided between the first coil 17 and the second coil 18, a distance f between the first coil 17 and the shield ring 20, and a distance g between the shield ring 20 and the second coil 18. Are arranged so that g> f.
[0041]
By arranging such that g> f, the magnetic flux generated from the first coil 17 and leaking beyond the heating vessel 16 passes through the shield ring 20, so that a back electromotive force is generated. The magnetic flux generated by the shield ring 20 cancels out. Further, the effect of reducing the leakage magnetic field is further improved by the magnetic flux generated by the second coil 18 with respect to the magnetic flux leaking to the outside.
[0042]
If g <f, the second coil 18 and the shield ring 20 are close to each other, so that the magnetic flux of the second coil 18 easily passes through the shield ring 20. Therefore, the magnetic flux of the second coil 18 is canceled out, and the total reduction effect is reduced.
[0043]
【Example】
In the embodiment of the present invention, a shield ring (short ring) to the coil main body is used to specifically confirm the effect of reducing the leakage magnetic field and reduce unnecessary electromagnetic field radiation from the electromagnetic cooker to effectively use energy. And electromagnetic field simulation assuming the installation of a cancel coil, and confirmed the effect of reducing unnecessary electromagnetic fields generated from the coil. In addition, prototypes with these modifications were actually manufactured, and the simulation results were verified from the measured results.
[0044]
As described in the above embodiment, as a method of reducing the unnecessary electromagnetic field, (a) a method using a shield ring, (b) a method of winding an outer coil in a reverse direction [cancel coil (second coil) )]), The following simulation analysis and actual measurement were performed. The simulator used this time was a commercially available simulator employing the finite element method, Maxwell-EN manufactured by Ansoft [Ref. Eikichi Yamashita et al., Basic Analysis Method for Electromagnetic Wave Problems, Communication Information Society (1987)] .
[0045]
As a shape model, as shown in FIG. 9, axially symmetric modeling was performed for the coil (copper), pot (iron), and shield ring (copper or aluminum) of the electromagnetic cooker. In addition, in order to clarify the reduction effect, the observation point was set closer (10 cm from the end of the shield ring) than the normal measurement (30 cm from the end of the shield ring).
[0046]
Regarding the modeling of the current flowing through the coil, the measured waveform was subjected to Fourier transform, and the current value at each frequency was calculated. In the following simulation, DC, 60 Hz, and 21 KHz components, which are considered to be the main causes of the magnetic field, were Analysis was performed.
[0047]
(A) Reduction effect by shield ring FIG. 11 shows the results of simulation and actual measurement performed with the contents shown in Table 1.
[0048]
[Table 1]

[0049]
From a comparison between the measures 1-1 and 1-2, it was found that the tendency of the unnecessary magnetic field to decrease as the plate thickness increased can be confirmed by simulation. Further, a comparison between the measures 1-1 and 1-3 and the measures 1-2 and 1-3 revealed that the effect in consideration of the difference in the material, that is, the effect of the conductivity can be confirmed by the simulation.
[0050]
In addition, it became clear that the DC component cannot be reduced by the reduction effect of the shield ring.
[0051]
(B) Reduction Effect by Cancellation Coil As a shape model for analyzing the reduction effect of the leakage magnetic field by the cancellation coil, the shield ring shown in FIG. 9 was deleted, and the position was shown in Table 2 at a position 5 mm away from the normal outer coil. FIG. 12 shows the results obtained by arranging the cancellation coil (the outer coil and the reverse winding coil, that is, the second coil) with the contents shown, and performing simulation and actual measurement.
[0052]
[Table 2]

[0053]
From the result comparison between the measures 2-1 and 2-2, it was found that the effect of the number of turns of the cancel coil on the unnecessary magnetic field can be confirmed by simulation. Further, it was found that the effect of reducing the DC component was obtained, but the effect of reducing the AC component was not as high as that of the shield ring shown in FIG.
[0054]
(C) The effect of reducing the magnetic field generated by direct current and alternating current by performing the reduction effect shown in (a) and (b) by combining the two reduction means was simulated. FIG. 13 shows the analysis results when the above measures 1-3 and 2-2 are used alone or when both measures are used together.
[0055]
From the comparison results shown in FIG. 13, it was confirmed that the reduction effect can be enhanced by combining both measures at DC, 60 Hz, and 21 KHz.
[0056]
Summarizing the above results, it was confirmed that the effect of reducing the unnecessary electromagnetic field can be predicted using an electromagnetic simulator by setting the shield ring and changing the winding of the coil, taking an electromagnetic cooker as an example.
[0057]
In addition, the order of the magnetic flux density obtained by the simulation and the order of the actually measured results coincided. As for the DC component, it was found that there was almost no effect of reducing the magnetic flux density by the short ring.
[0058]
In addition, as a result of changing the sheet thickness of the short ring made of aluminum, a coincidence between the actual measurement result and the simulation result that no reduction effect was obtained even when the plate thickness was increased to 20 mm or more in the case of aluminum was obtained. Similarly, when the thickness of the short ring made of copper is changed and the thickness is increased to 5 mm or more in the case of copper, the measured result and the simulation result show that no reduction effect is obtained.
[0059]
【The invention's effect】
Since the induction heating device of the present invention is configured as described above, it is possible to prevent a magnetic field from leaking out of the device of a low- frequency magnetic field, to prevent noise in video and audio electric products, and to prevent the influence of the magnetic field on the human body. can do.
[0060]
In addition , by connecting the second coil to the low voltage side of the high frequency power supply unit, the insulation distance from other electronic components can be reduced. Further, according to the fourth aspect, since the outer diameter of the second coil can be reduced by housing the second coil in the convex portion of the top plate, the size and thickness of the device can be further reduced.
[0061]
By using the second coil and the shield ring to reduce the magnetic field double, it can be stiff increase more magnetic field reduction effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan structural view of an induction heating device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional structural view of the induction heating device of FIG. 1;
FIG. 3 is a sectional structural view of an induction heating device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan structural view of an induction heating device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional structural view taken along a line AB in FIG. 4;
FIG. 6 is a sectional structural view of an induction heating device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional structural view showing an arrangement of a shield ring of an induction heating device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional structural view showing an arrangement of a shield ring of an induction heating device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating an analysis shape model according to the present embodiment.
FIG. 10 is a current waveform diagram after Fourier transform.
FIG. 11 is a diagram showing a magnetic field reduction effect by a shield ring.
FIG. 12 is a diagram showing a magnetic field reduction effect by a cancel coil.
FIG. 13 is a diagram showing a magnetic field reduction effect when a shield ring and a cancel coil are combined.
[Explanation of symbols]
12 Top Plate 13 Heating Coil 14 Heating Coil Support 15 High Frequency Power Supply 16 Heating Vessel 17 First Coil 18 Second Coil 20 Shield Ring

Claims

In an induction heating apparatus for electromagnetically heating a heating container by a magnetic field generated from a heating coil, the heating coil is arranged so as to be concentric with a first coil for heating the heating container on an outer peripheral side of the first coil. A first coil and a second coil for flowing a current in a reverse direction, a convex portion is provided on a top plate for mounting the heating container, and the second coil is provided in the convex portion. An induction heating device characterized by housing two coils.

In an induction heating apparatus for electromagnetically heating a heating container by a magnetic field generated from a heating coil, the heating coil is arranged so as to be concentric with a first coil for heating the heating container on an outer peripheral side of the first coil. And the first coil and a second coil that allows current to flow in the opposite direction. The second coil is connected in series with the first coil, and is formed in a donut shape with a conductive material. The configured shield ring is arranged concentrically on the outer peripheral side of the second coil, and the first coil and the first coil are arranged so that the magnetic flux of the second coil is not canceled by the shield ring . An induction heating device, wherein a distance between the second coil and the shield ring is larger than a distance between the second coil and the second coil.

In an induction heating apparatus for electromagnetically heating a heating container by a magnetic field generated from a heating coil, the heating coil is arranged so as to be concentric with a first coil for heating the heating container on an outer peripheral side of the first coil. And the first coil and a second coil that allows current to flow in the opposite direction. The second coil is connected in series with the first coil, and is formed in a donut shape with a conductive material. The configured shield ring is disposed concentrically between the first coil and the second coil on the outer peripheral side of the first coil, and the magnetic flux of the second coil is canceled by the shield ring. it so that no induction heating device characterized by than the distance between the first coil and the shield ring, increasing the distance between the second coil and the shield ring.