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DE3731762A1 - Method for controlling or limiting the temperature in induction heating coils, in particular for household induction cooking appliances, and a device for carrying out the method - Google Patents

Method for controlling or limiting the temperature in induction heating coils, in particular for household induction cooking appliances, and a device for carrying out the method

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DE3731762A1
DE3731762A1 DE19873731762 DE3731762A DE3731762A1 DE 3731762 A1 DE3731762 A1 DE 3731762A1 DE 19873731762 DE19873731762 DE 19873731762 DE 3731762 A DE3731762 A DE 3731762A DE 3731762 A1 DE3731762 A1 DE 3731762A1
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DE
Germany
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ferrite cores
induction
induction coil
temperature
coil
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DE19873731762
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Bernd Dipl Ing Gehrke
Peter Dipl Ing Klapper
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Abstract

The temperatures of induction heating coils are controlled by means of thermistors which are arranged on the bottom side of the hob and which, for their part, control a detector circuit which then interrupts the heating circuit. In this case, the temperature is measured only selectively. The novel method detects the temperatures of the induction heating coils integrally over the surface and controls them without the use of sensors. Ferrite cores (4) are radially arranged below the induction coil (5) on a coil support plate (3) of aluminium. These ferrite cores (4) focus the magnetic flux generated by the invertor. When the so-called Curie point is reached the ferrite cores (4) lose their magnetic conductivity. As a result, the magnetic field of the induction coil (5) is no longer influenced and the magnetic lines of force scatter. As a result, the power consumption drops to a quarter of the rated value and the temperatures on the induction coil (5) drop. The method can be used in household induction cooking appliances and in other, inductive heat-generating devices. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung bzw. Begrenzung an Induktionsheizspulen, insbesondere für Haushalt-Induktionskochgeräte sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for temperature control or limitation on induction heating coils, especially for Household induction cooking devices and a device for Implementation of the process according to the preamble of Claim 1.

Die Betriebstemperaturen der Heizspulen von Induktionskochgeräten werden vom Kochgut bzw. vom Kochgefäß durch Rückwärme bestimmt, d. h. die Spulen-Eigenerwärmung ist geringer als die Temperatur des Kochgutes. Bei Koch­ oder Garvorgängen liegen die Spulentemperaturen unterhalb ihrer, entsprechend der verwendeten elektrischen Isolierstoffe, zulässigen Grenztemperatur. Bei Brat- oder Fritiervorgängen können die zulässigen Spulentemperatur- Grenzwerte erreicht oder sogar überschritten werden. Die Grenzwerte werden jedoch auf jeden Fall überschritten, falls mit leerem Kochgefäß ein Trockenheizen vorgenommen wird. Man regelt deshalb über geeignete Einrichtungen die Temperatur des Kochgefäßes bzw. der Induktionsspule selbst. Bei Versagen der Betriebsregeleinrichtung übernimmt ein Temperaturbegrenzer die Abschaltung der Induktionsspule und verhindert deren Zerstörung.The operating temperatures of the heating coils from Induction cooking devices are made from the food or the cooking vessel determined by heat recovery, d. H. the coil self-heating is lower than the temperature of the food. With Koch or cooking processes, the coil temperatures are below their, according to the electrical used Insulating materials, permissible limit temperature. With roasting or Deep-frying processes can reduce the permissible coil temperature Limit values are reached or even exceeded. The However, limit values are definitely exceeded if dry heating is carried out with an empty cooking vessel becomes. It is therefore regulated via suitable facilities Temperature of the cooking vessel or the induction coil itself. If the operational control device fails, the Temperature limiter to switch off the induction coil and prevents their destruction.

Heizspulen von Induktionskochgeräten der in Rede stehenden Art sind meist kreisrund, in Form einer archimedischen Spirale gewickelt und werden zur Bündelung der magnetischen Feldlinien auf Ihrer Unterseite mit radial angeordneten Ferritkernen der verschiedensten Ausführungsformen und Materialzusammensetzungen bestückt. Ferrite verlieren je nach Zusammensetzung ihrer Sinterwerkstoffe oberhalb bestimmter Temperaturen, dem sogenannten Curie-Punkt, schlagartig ihre magnetische Leitfähigkeit. Bei Unterschreitung des Curie-Punktes gewinnen sie ihre magnetische Leitfähigkeit ebenso plötzlich wieder zurück.Heating coils of induction cooking appliances of the type in question Kind are mostly circular, in the form of an Archimedean  Spiral wound and are used to bundle the magnetic Field lines on their underside with radially arranged ones Ferrite cores of various designs and Equipped material compositions. Ferrites ever lose according to the composition of their sintered materials above certain temperatures, the so-called Curie point, suddenly their magnetic conductivity. At If you drop below the Curie point, you win yours magnetic conductivity suddenly returns as well.

Aus der DE-PS 31 02 668 ist eine "Induktionsheizvorrichtung" bekannt. Hierbei wird die Temperatur des Kochgefäßes mit Hilfe eines an der Oberplattenunterseite (Kochfeldunterseite) berührungsschlüssig und federnd angedrücktes Thermistorelement geregelt. Das Thermistorelement steuert bei Erreichen eines vorgegebenen Widerstandswertes eine Temperaturdetektorschaltung an, welche daraufhin das Eingangs- oder Ausgangssignal eines Ausgangstransistors abschaltet und den Heizvorgang unterbricht. Zentrisch um das Thermistorelement ist ein axial beweglich geführter, ringförmiger Dauermagnet mit Mittelbohrung angeordnet, welcher durch sein Eigengewicht einen Mikroschalter in Ausstellung drückt und ein Heizen verhindert. Wird nun ein Kochgefäß aus magnetisierbarem Material auf das Kochfeld gestellt, so wird der Dauermagnet durch die Anziehungskraft des Kochgefäßes gegen dieses angehoben, der Mikroschalter geschlossen und die Erregung der Heizspule eingeleitet. Die Regelung der Koch- oder Brattemperatur übernimmt anschließend wie vorher erwähnt das Thermistorelement. Versagt nun dieses oder treten Störungen in der Detektorschaltung auf wird der Dauermagnet durch das Kochgefäß soweit erhitzt, daß er seinen Magnetismus verliert, durch sein Eigengewicht nach unten fällt, den Mikroschalter wiederum öffnet und den Heizvorgang unterbricht. From DE-PS 31 02 668 is one "Induction heater" known. Here, the Temperature of the cooking vessel with the help of a Underside of the top plate (underside of the hob) touch-sensitive and spring-loaded Controlled thermistor element. The thermistor element controls when a predetermined resistance value is reached Temperature detector circuit on, which thereupon the Input or output signal of an output transistor switches off and interrupts the heating process. Centric around the thermistor element is an axially movable, ring-shaped permanent magnet arranged with center hole, which, due to its own weight, has a microswitch Exhibition presses and prevents heating. Now becomes a Cooking vessel made of magnetizable material on the hob the permanent magnet is set by the force of attraction the cooking vessel against this, the microswitch closed and the excitation of the heating coil initiated. The Regulation of the cooking or roasting temperature takes over then, as previously mentioned, the thermistor element. Now if this fails or malfunctions occur in the Detector circuit is the permanent magnet through that Cooking vessel heated so far that it has its magnetism loses, due to its own weight falling down Microswitch in turn opens and the heating process interrupts.  

Eine derartige Temperaturregelungs- und Schutzvorrichtung benötigt eine Vielzahl elektronischer, elektrischer und mechanischer Bauteile. Sie bedingt einen großen Verdrahtungs- und Montageaufwand und damit hohe Herstellungskosten. Sie erfaßt den Temperaturanstieg des Kochgefäßes nur punktförmig, nämlich an der Befestigungsstelle von Thermistor und Dauermagnet, während die Temperaturverteilung an der Kochstelle bzw. im Kochgefäß, vornehmlich bei Bratvorgängen, durch ungleichmäßig verteiltes Bratgut meist unterschiedlich ist.Such a temperature control and protection device requires a variety of electronic, electrical and mechanical components. It requires a big one Wiring and assembly work and thus high Manufacturing costs. It detects the temperature rise of the Cooking vessel only punctiform, namely on the Attachment point of thermistor and permanent magnet, while the temperature distribution at the hotplate or in Cooking vessel, especially when roasting, through unevenly distributed fried food is usually different.

Aus der EP- 01 58 353 A2 ist eine "Kalte Elektrokochplatte" bekannt. Hierin besteht der Heizspulenträger aus temperaturbeständigem Kunststoffharz, welches mit circa 75-85% Ferritpulver angereichert ist. Im Heizspulenträger sind radial angeordnete Aussparungen vorgesehen, die der Aufnahme quaderförmiger Ferritstäbe dienen. An den Ferritstäben sind mehrere Fühlorgane angeordnet, welche den magnetischen Leitfähigkeitszustand bzw. die Temperatur der Ferritstäbe ermitteln. Besagte Magnetfühlorgane sind elektrisch mit einem Spulenstromregler verbunden. Erreicht nun einer dieser Ferritstäbe, infolge Spulenüberhitzung den Curie-Punkt und verliert dadurch seine magnetische Leitfähigkeit, so wird der Spulenstrom derart geregelt, bis die Spulentemperatur wieder unterhalb der zulässigen Grenztemperatur liegt.From EP-01 58 353 A2 is a "cold Elektrokochplatte "known. This is the Heating coil holder made of temperature-resistant plastic resin, which is enriched with about 75-85% ferrite powder. There are radially arranged recesses in the heating coil carrier provided that the inclusion of cuboid ferrite rods serve. There are several sensing elements on the ferrite rods arranged which the magnetic conductivity state or determine the temperature of the ferrite rods. Said Magnetic sensing elements are electrical with one Coil current controller connected. Now reach one of these Ferrite rods, due to coil overheating the Curie point and loses its magnetic conductivity as a result the coil current is regulated until the coil temperature is again below the permissible limit temperature.

Die Temperaturerfassung ist annähernd flächendeckend. Hierzu werden eine Vielzahl von Magnetfühlern, mit relativ hohem Verdrahtungsaufwand, verwendet.The temperature detection is almost nationwide. For this purpose, a variety of magnetic sensors, with relative high wiring effort, used.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die dem Stand der Technik anhaftenden Mängel und Nachteile durch geeignete Verbesserungen wirksam zu vermeiden. The invention is based on the object of the prior art defects and disadvantages inherent in technology to effectively avoid appropriate improvements.  

Diese Aufgabe, gemäß der Erfindung, wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object, according to the invention, is achieved by the characterizing features of claim 1 solved. Further, advantageous embodiments of the invention are See subclaims.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe einer flächendeckenden, integrierenden Temperaturfühlung ohne separate Temperatur- oder Magnetsensoren und ohne mechanisch bewegbaren Teile ein Maximum an Regelgenauigkeit mit minimaler Temperaturdifferenz erzielt wird.The advantages that can be achieved with the invention exist especially in the fact that with the help of a nationwide, integrating temperature sensing without separate temperature or magnetic sensors and without mechanically movable parts maximum control accuracy with minimal Temperature difference is achieved.

Hiermit und durch den Entfall elektrischen Verdrahtungsaufwandes ist diese Art der Temperaturregelung oder Begrenzung preisgünstig darstellbar.Hereby and by eliminating electrical Wiring effort is this type of temperature control or limitation inexpensive to represent.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the Drawings are shown and will be described in more detail below described.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 den Teilausschnitt einer geöffneten Einbaukochmulde mit Ferritkernen bestückten Induktionsspulenträgerplatten ohne Induktionsheizspulen und ohne Glaskeramikabdeckplatte in der Draufsicht, Fig. 1 shows the partial section of an open built-in hob equipped with ferrite cores induction coil carrier plates without induction heating coils and without Glaskeramikabdeckplatte in plan view,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Induktionskochstelle im Längsschnitt, Fig. 2 shows the basic structure of an induction cooking zone, in longitudinal section,

Fig. 3 den Temperaturverlauf T (Grad Celsius) in Abhängigkeit von der Heizzeit t (Minuten) an der Induktionsheizspule, an den Ferritkernen und an der Spulenträgerplatte während eines Fritiervorgangs. Fig. 3 shows the temperature profile T (degrees Celsius) depending upon the heating time t (minutes) to the induction heating coil, the ferrite cores and the coil support plate during frying.

Die in Fig. 1 dargestellte Einbaukochmulde besitzt zwei Induktions-Kochstellen (1), (2). Auf Spulenträgerplatten (3), (3′) sind Ferritkerne (4), (4′) radial angeordnet und in nicht näher dargestellter Weise fixiert. Die kreisrunden Spulenträgerplatten (3), (3′) bestehen aus Aluminiumblech (magnetisch nicht leitend) und sind im Durchmesser etwas größer gehalten als der Außendurchmesser der Induktionsspule (5).The built-in hob shown in Fig. 1 has two induction hobs ( 1 ), ( 2 ). On coil carrier plates ( 3 ), ( 3 ') ferrite cores ( 4 ), ( 4 ') are arranged radially and fixed in a manner not shown. The circular coil support plates ( 3 ), ( 3 ') consist of aluminum sheet (magnetically non-conductive) and are kept somewhat larger in diameter than the outer diameter of the induction coil ( 5 ).

Gemäß Fig. 2 besteht eine Induktionskochstelle (1), (2) aus der Spulenträgerplatte (3) und hierauf befestigten Ferritkernen (4). Direkt auf den Ferritkernen (4) wird die eigentliche Induktionsspule (5) in nicht dargestellter Weise befestigt. Die Induktionsspule (5) ist zwischen zwei temperaturbeständigen, hochspannungsfesten Isolierscheiben (6), beispielsweise Glimmerscheiben geringer Stärke oder ähnlichem, eingebettet. Zwischen der oberen Isolierscheibe (6) der Induktionsspule (5) und der Abdeckplatte (7), der eigentlichen Induktionskochstelle (1), (2), befindet sich ein Luftspalt (8). Die Abdeckplatte (7) besteht vorzugsweise aus hochtemperaturbeständiger und schlagfester Glaskeramik. Der Luftspalt (8) ist aus thermischen und elektrotechnischen Sicherheitsgründen erforderlich.According to FIG. 2, an induction hob ( 1 ), ( 2 ) consists of the coil support plate ( 3 ) and ferrite cores ( 4 ) fastened thereon. The actual induction coil ( 5 ) is attached directly to the ferrite cores ( 4 ) in a manner not shown. The induction coil ( 5 ) is embedded between two temperature-resistant, high-voltage-resistant insulating disks ( 6 ), for example mica disks of low thickness or the like. There is an air gap ( 8 ) between the upper insulating disc ( 6 ) of the induction coil ( 5 ) and the cover plate ( 7 ), the actual induction hob ( 1 ), ( 2 ). The cover plate ( 7 ) preferably consists of high-temperature-resistant and impact-resistant glass ceramic. The air gap ( 8 ) is required for thermal and electrical safety reasons.

Im Temperatur-Zeitdiagramm nach Fig. 3 steigt die Temperatur an den Ferritkernen (4), (4′) sowie die Temperatur an der Ober- und Unterseite der Induktionsspule (5) und die Temperatur an der Spulenträgerplatte (3), (3′) solange an, bis der Curie-Punkt der Ferritkerne (4), (4′) erreicht ist. Er liegt hier etwas unterhalb 240 Grad Celsius. Der durch einen nicht dargestellten Wechselrichter erzeugte Magnetfluß wird durch die kreisförmig angeordneten und segmentartig ausgebildeten Ferritkerne (4), (4′) gerichtet bzw. gebündelt. Bei Erreichen der Curie-Punkt- Temperatur verlieren die Ferritkerne (4), (4′) ihre magnetischen Eigenschaften. Dies bewirkt, daß das magnetische Feld nicht mehr beeinflußt wird und die magnetischen Feldlinien streuen. Messungen haben ergeben, daß die Wirkleistungsabgabe an das Kochgeschirr zu diesem Zeitpunkt rapide auf den 4. Teil der Nennleistungsaufnahme abfällt und eine Überhitzung der Induktionsspule (5) vermieden wird bzw. eine selbständige Regelung der Kochguttemperatur einsetzt. Im Diagramm (Fig. 3 ) ist dies durch einen deutlichen Temperaturabfall an der Induktionsspule (5) und an der Spulenträgerplatte (3), (3′) ersichtlich.In the temperature-time diagram according to Fig. 3, the temperature rises to the ferrite cores (4), (4 ') and the temperature at the top and bottom of the induction coil (5) and the temperature on the coil support plate (3), (3') until the Curie point of the ferrite cores ( 4 ), ( 4 ') is reached. It is slightly below 240 degrees Celsius here. The magnetic flux generated by an inverter, not shown, is directed or bundled by the circularly arranged and segment-shaped ferrite cores ( 4 ), ( 4 '). When the Curie point temperature is reached, the ferrite cores ( 4 ), ( 4 ′) lose their magnetic properties. This has the effect that the magnetic field is no longer influenced and the magnetic field lines scatter. Measurements have shown that the active power output to the cookware drops rapidly to the fourth part of the nominal power consumption at this point in time and overheating of the induction coil ( 5 ) is avoided or an independent regulation of the temperature of the cookware begins. In the diagram ( Fig. 3), this is evident from a significant temperature drop on the induction coil ( 5 ) and on the coil support plate ( 3 ), ( 3 ').

Da der Curie-Punkt eine fest fixierte Temperaturgrenze darstellt werden sämtliche Regelamplituden im Beharrungszustand nahezu gleich null. (Erkennbar durch den fast waagrechten Temperaturkennlinienverlauf aller Parameter ab dem Heizpunkt t=50 Minuten). Bei geringfügigem Temperaturabfall an den Ferritkernen (4), (4′) erhalten diese wiederum ihre magnetische Leitfähigkeit und die Leistungsaufnahme der Induktionskochstelle (1), (2) erreicht kurzzeitig wiederum ihren Nennwert. Die Ferritkerne (4), (4′) selbst ermöglichen ein sogenanntes Leistungstakten mit einer relativen Einschaltdauer von circa 25% ohne den Einsatz von Fühl- oder Regelorganen. Aus dem Temperatur-Zeitdiagramm gemäß Fig. 3 ist weiterhin zu entnehmen, daß der Temperaturverlauf der Induktionsspule (5) vornehmlich an der Induktionsspulenunterseite, nach dem Einsetzen der Curie-Punkt-Regelung dem Temperaturverlauf der Ferritkerne (4), (4′) fast identisch ist. Vorraussetzung hierfür ist, daß die Ferritkerne (4), (4′) von der Induktionsspule (5) flächenmäßig vollkommen überdeckt werden. Selbst bei Ausfall von Teilen der Elektronik wird zuverlässig eine unzulässige Überhitzung der Induktionsspule (5) und damit ein Brand verhindert. Da der Curie-Punkt bei einer mittleren Ferritkerntemperatur erreicht wird, stellen auch alle übrigen Temperaturen Mittelwerte dar, d. h. die Temperaturerfassung ist flächenintegrierend und nicht punktuell.Since the Curie point represents a fixed temperature limit, all control amplitudes in the steady state become almost zero. (Recognizable by the almost horizontal temperature curve of all parameters from the heating point t = 50 minutes). If there is a slight drop in temperature at the ferrite cores ( 4 ), ( 4 ′), these in turn receive their magnetic conductivity and the power consumption of the induction hob ( 1 ), ( 2 ) briefly reaches their nominal value. The ferrite cores ( 4 ), ( 4 ') themselves enable a so-called power cycle with a relative duty cycle of approximately 25% without the use of sensing or control elements. From the temperature-time diagram according to FIG. 3 it can further be seen that the temperature profile of the induction coil ( 5 ), almost on the underside of the induction coil, after the onset of the Curie point control, the temperature profile of the ferrite cores ( 4 ), ( 4 ') is almost identical is. The prerequisite for this is that the area of the ferrite cores ( 4 ), ( 4 ') is completely covered by the induction coil ( 5 ). Even if parts of the electronics fail, an inadmissible overheating of the induction coil ( 5 ) and thus a fire is reliably prevented. Since the Curie point is reached at an average ferrite core temperature, all other temperatures also represent mean values, ie the temperature detection is integrated into the surface and not selective.

Claims (7)

1. Verfahren zur Temperaturregelung bzw. Begrenzung an Induktionsheizspulen, insbesondere für Haushalt- Induktionskochgeräte sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit Hilfe von an der Induktionsspulenunterseite radial angeordneten Ferritkernen beliebiger Form mit vorbestimmtem Curie-Punkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Curie-Punkt der Ferritkerne (4) so gewählt ist, daß er etwas unterhalb der maximal zulässigen Induktionsspulengrenztemperatur liegt.1. A method for temperature control or limitation on induction heating coils, in particular for household induction cooking appliances and a device for carrying out the method with the aid of ferrite cores of any shape arranged radially on the underside of the induction coil with a predetermined Curie point, characterized in that the Curie point of the ferrite cores ( 4 ) is selected so that it is slightly below the maximum permissible induction coil limit temperature. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Ferritkerne (4) der Induktionsspule (5) den gleichen Curie-Punkt besitzen.2. The method according to claim 1, characterized in that all ferrite cores ( 4 ) of the induction coil ( 5 ) have the same Curie point. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Curie-Punkt der Ferritkerne (4) bei gleich oder kleiner 240 Grad Celsius liegt.3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that the Curie point of the ferrite cores ( 4 ) is equal to or less than 240 degrees Celsius. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das beim Unmagnetischwerden der Ferritkerne (4) sich aufbauende magnetische Streufeld der Induktionsspule (5) direkt zur Reduzierung der Leistungsabgabe eines Wechselrichters verwendet wird.4. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the magnetic stray field of the induction coil ( 5 ) which builds up when the ferrite cores ( 4 ) become non-magnetic, is used directly to reduce the power output of an inverter. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die periodisch wiederkehrende magnetische Leitfähigkeit der Ferritkerne (4) dem Leistungstakten der Induktionsspule (5) dient.5. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the periodically recurring magnetic conductivity of the ferrite cores ( 4 ) serves the power cycles of the induction coil ( 5 ). 6.Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne (4) auf einer Spulenträgerplatte (3) aus Aluminiumblech befestigt, geklebt oder fixiert sind.6. Device for performing the method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the ferrite cores ( 4 ) on a coil support plate ( 3 ) made of aluminum sheet are attached, glued or fixed. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Radialanordnung der Ferritkerne (4) annähernd dem Außendurchmesser der Induktionsspule (5) entspricht.7. Device for performing the method according to claims 1 or 6, characterized in that the outer diameter of the radial arrangement of the ferrite cores ( 4 ) corresponds approximately to the outer diameter of the induction coil ( 5 ).
DE19873731762 1987-09-22 1987-09-22 Method for controlling or limiting the temperature in induction heating coils, in particular for household induction cooking appliances, and a device for carrying out the method Withdrawn DE3731762A1 (en)

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