Induktionskochfeld

Ein Induktionskochfeld ist ein Kochfeld, bei dem das metallische Kochgeschirr durch induktiv erzeugte Wirbelströme erwärmt wird.

Wirkungsweise

Einbauherdoberteil mit 4 Induktionskochfeldern und Glaskeramik-Oberfläche

Energie wird in Form eines elektromagnetischen Wechselfeldes auf den Boden des Kochgeschirrs übertragen und dort in Wärme umgewandelt.

Unterhalb der aus Glaskeramik bestehenden Kochfläche befindet sich eine stromdurchflossene Spule, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses induziert in einem darüber platzierten metallischen Topf durch Induktion Wirbelströme, die das Metall des Topfes und damit durch Wärmeübertragung den Inhalt aufheizen. Die dabei übliche Frequenz liegt im Bereich von etwa 20 bis 50 kHz.

Obwohl Induktionsbeheizung prinzipiell bei allen metallenen (und damit elektrisch leitenden) Töpfen (z. B. auch aus Aluminium oder mit Kupferboden) funktioniert, wird für einen hohen Wirkungsgrad mit einem handelsüblichen Induktionskochfeld Kochgeschirr mit einem Boden aus ferromagnetischem Material empfohlen. Die Gründe dafür sind:

• Ferromagnetisches Material im Topfboden bündelt das elektromagnetische Wechselfeld in demselben. Die eingekoppelte elektromagnetische Energie erzeugt Wirbelströme in den Außenflächen des Topfes. Aufgrund des ohmschen Widerstandes des ferromagnetischen Materials wird ein großer Teil der elektrischen Energie (etwa 2/3 der Heizleistung) in thermische Energie umgesetzt.
• Ein weiterer Teil der im Magnetfeld gespeicherten Energie wird im Topfboden durch den Ummagnetisierungsverlust (Hysterese) in thermische Energie gewandelt. Dies entspricht etwa 1/3 der Heizleistung.^[1]
• Im nicht ferromagnetischen Topfboden wird das Magnetfeld weniger gebündelt und kann sich somit in stärkerem Maße im Raum ausbreiten. Dies kann zu ungewünschter Wechselwirkung mit der Umgebung der stromdurchflossenen Spule führen: Elektromagnetische Umweltverträglichkeit

Ferromagnetisches (lat. ferrum = Eisen) Material ist daran zu erkennen, dass ein Magnet an ihm haften bleibt.

Da die Wärme fast nur im Topfboden erzeugt wird, kann die Auflagefläche des Kochfeldes thermisch isolierend ausgelegt werden, nämlich z. B. aus Glaskeramik.

Das Material muss, für einen guten Wirkungsgrad der Wandlung elektromagnetischer in Wärmeenergie, einen deutlich höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen als das gut leitende HF-Kupfer der Induktionsspule. Das ist bei Eisenlegierungen meistens der Fall. Induktionstaugliches Kochgeschirr erfüllt diese Bedingungen normalerweise und lässt sich am Symbol, das die Drahtwendel einer Spule in einem Quadrat zeigt, auf dem Topf- oder Pfannenboden erkennen. Dieses Symbol hat jedoch keine Funktionsgarantie. Man kann einen Topf nur im Praxistest auf Induktionstauglichkeit prüfen. Dabei sind dickere Böden für eine bessere Wärmeverteilung vorteilhaft.

Die meisten Induktionskochfelder schalten das Erregerfeld automatisch aus, sobald sich kein, ein zu kleiner oder ein ungeeigneter Topf auf dem Kochfeld befindet.

Elektrischer Aufbau

Induktionskochplatte mit abgenommener Abdeckung:
Zu sehen ist die große Kupferspule, darunter die Elektronik; rechts oben: Netzfilter; unten rechts: Ventilator zur Kühlung; unten, unter dem Aluminium-Kühlkörper: IGBT; links unten: blaue Kondensatoren des Resonanzkreises; links oben: Hilfsspannungsversorgung; weißer Knopf in der Mitte: Temperatursensor

Eine große, flache, einlagige Spule aus Hochfrequenzlitze erzeugt das magnetische Wechselfeld unter der Kochfläche. Sie bildet mit Kondensatoren einen Schwingkreis, der von IGBT-Schalttransistoren angetrieben wird. Dafür gibt es verschiedene Schaltungskonzepte. Die Schalttransistoren werden zum Beispiel mit im Resonanzkreis liegenden Stromwandlern gesteuert und aus einem regelbaren Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist. Die Gleichspannung wird über steuerbare Gleichrichter aus der Netzwechselspannung gewonnen – ihre Höhe bestimmt die Heizleistung. Eine weitere Möglichkeit ist die Pulsweitensteuerung der Anregung des Resonanzkreises.

Vorteile

Da bei Induktionskochfeldern aufgrund ihrer Funktionsweise nicht nur der Boden des Kochgefäßes, sondern auch die Seitenwände erhitzt werden, wird die Wärme besser verteilt, und das Kochgut wird schneller erwärmt. Darüber hinaus ist die Reaktionszeit sehr kurz. Deshalb erhitzt sich das Kochgut rasch. Weiterhin lässt sich durch die kurze Reaktionszeit der Kochvorgang genauer dosieren als bei einem Elektroherd mit Kochplatten.

Die Kochfläche bleibt neben dem Topf kühl, da sie sich nicht selbst erwärmt und die Wärme nicht leitet. Die Fläche darunter wird einzig durch Konduktion, d. h. nur sekundär durch den Kontakt mit dem Topf erwärmt (thermische Rückleitung und -strahlung des Topfes). Aus diesem Grund können Lebensmittelreste nicht auf dem Kochfeld neben dem Topfboden einbrennen, was eine einfachere Reinigung zulässt. Die sichere Handhabung ergibt sich daraus, dass die eingesetzte Energie gezielt an magnetisierbares Metall abgegeben wird: Eine eingeschaltete Induktionskochfläche heizt nur, wenn ein Kochgefäß darauf steht.

• Der Streuverlust durch das elektromagnetische Feld ist sehr klein, sofern das Kochfeld komplett durch den Topf- oder Pfannenboden abgedeckt wird. Der Streuverlust durch Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung ist für die Kochstelle sehr gering und für das verwendete Gefäß dem konventionellen Elektroherd unverändert.
• Im Gegensatz zum Gasherd geht keine Energie aus dem Kochgas durch Konvektion verloren (nämlich durch die neben der Pfanne aufsteigende warme Luft). Bei kurzer Kochzeit kann Energie gespart werden, da nur eine relativ geringe Masse erwärmt wird, während beim langsamen Weiterkochen oder -dünsten der Spareffekt abnimmt.
• Im Gegensatz zum konventionellen Elektroherd mit Kochplatte, Heizspirale oder Infrarotheizung geht keine Energie durch Strahlung und Konvektion verloren, und es wird keine Energie in heißem Metall gespeichert.
• Im Gegensatz zum Holzofen entsteht durch die Kochstelle kein Feinstaub.

Die Wärme wird fast ausschließlich im Topf erzeugt – auch bei vom Kochfeld abweichendem Topfdurchmesser: Ist der Topf kleiner, erwärmt er sich ebenso zügig wie ein größerer Topf. Die ihn umgebende Fläche des Kochfeldes bleibt kalt. Die Verlustenergie in der Elektronik ist sehr gering.

Nachteile

Kompatiblitätszeichen

Für das Kochen auf einem Induktionskochfeld sind Kochgefäße mit ferromagnetischem Boden erforderlich. So eignen sich alle aus Guss- oder Tiefzieh-Stahl gefertigten Töpfe gut. Hingegen können Edelstahltöpfe nur eingeschränkt und Aluminiumtöpfe und Kupfergefäße gar nicht verwendet werden. Daneben sind alle elektrisch nichtleitenden Kochgefäße nicht verwendbar, insbesondere solche aus Glas und Keramik.

Elektromagnetische Umweltverträglichkeit (EMUV)

Das Bundesamt für Gesundheit der Schweiz ließ 2006/07 Induktionskochherde auf Einhaltung der ICNIRP-Referenzwerte für die Magnetfeldexposition untersuchen.^[2] Grundlage der Festlegung der Referenzwerte der äußeren Felder sind Basisgrenzwerte für Feldstärken im Körperinneren, bei denen in der wissenschaftlichen Literatur ein Auftreten gesicherter gesundheitlicher Beeinträchtigungen veröffentlicht ist. Aus der niedrigsten inneren Feldgröße, bei der für den jeweiligen Frequenzbereich ein solches Auftreten beschrieben ist, werden unter der Voraussetzung der maximalen Kopplung des äußeren Feldes zur exponierten Person die Referenzwerte der äußeren Felder, hier der magnetischen Flussdichte, abgeleitet. Dabei fließt zusätzlich ein Sicherheitsfaktor ein, der auch die Datenqualität und individuelle Unterschiede der Empfindlichkeit berücksichtigt. Auch im ungünstigsten Fall kann der Referenzwert damit nicht zu einer Überschreitung des Basisgrenzwertes führen. Bei den in Induktionskochgeräten zur Anwendung kommenden Frequenzen ist eine im menschlichen Körper verursachte neuronale Erregung (Kribbeln, Muskelzucken u.ä.) ausschlaggebend. Die ICNIRP-Richtlinien von 1998 ermittelten aus den bis dahin veröffentlichten Untersuchungen mit einem Sicherheitsfaktor von 50 einen Referenzwert der magnetischen Flussdichte von 6,25 µT.^[3] Die Richtlinien von 2010 konnten aufgrund der durch zwischenzeitliche Veröffentlichungen verbesserten Datenlage den Sicherheitsfaktor auf 10 reduzieren und legten den Referenzwert damit auf 27 µT fest.^[4]

Die geprüften Geräte hielten bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in 30 Zentimeter horizontaler Entfernung vom Gerät, entsprechend der geltenden Messvorschriften,^[5] den Referenzwert von 6,25 µT der zu diesem Zeitpunkt geltenden ICNIRP-Richtlinien ein. Bei realistischen geringeren horizontalen Abständen wurde dieser Wert teilweise überschritten, im Abstand von 1 Zentimeter vor dem Gerät erreichte er maximal 10 µT, seitlich und hinten bis zu 26 µT. Infolgedessen empfehlen das Schweizer Bundesamt für Gesundheit und das deutsche Bundesamt für Strahlenschutz einen Mindestabstand von 5 bis 10 cm zur Vorderkante des Herdes.^[6][7]

Oberhalb des Kochfeldes unmittelbar neben dem Kochgeschirr waren deutlich höhere Flussdichten bis 84 µT messbar. Bei nicht bestimmungsgemäßem Gebrauch durch Verwendung zu kleiner Kochgeschirre oder durch nicht auf die Kochzone zentrierte Positionierung, wodurch die Kochzone nicht vollständig abgedeckt wird, oder durch Verwendung von Kochgeschirren mit unebenem Boden oder solchen, die nicht ferromagnetisch sind, entstehen darüber hinaus noch stärkere Streufelder. Da den Referenzwerten die Annahme einer maximalen Kopplung, d.h. maximaler exponierter Körperquerschnitte, zugrundeliegt, was hier nicht gegeben ist, sind dennoch die Basisgrenzwerte nicht zwangsläufig überschritten. Um diese Frage zu klären, soll Ende 2011 im Auftrag des Schweizer Bundesamts für Gesundheit eine weitere Studie zu den Wirkungen im menschlichen Körper abgeschlossen werden.^[8]

Durch die magnetischen Wechselfelder können im Prinzip Herzschrittmacher in ihrer Funktion beeinflusst werden. Auch wenn moderne Geräte gegen solche Störbeeinflussung geschützt sind, wird von den Herstellern empfohlen, mit einem Herzschrittmacher einen Mindestabstand von 40 cm von einem Induktionskochfeld einzuhalten.

Die Induktionsspule und die Pfanne darauf bilden einen elektrischen Kondensator. Bei eingeschalteter Induktionsspule wird die Pfanne elektrisch geringfügig und fortlaufend umgeladen. Wird die Pfanne berührt, kann ein geringer Ableitstrom durch den Körper fließen. Um solche Ableitströme während des Kochens zu vermeiden, empfiehlt das schweizerische Bundesamt für Gesundheit die Verwendung nichtmetallischer Kochutensilien.^[6] Moderne Induktoren werden gegen solche Ströme abgeschirmt. Dabei wird eine Graphitschicht auf das Deckblatt des Induktors aufgetragen. Diese Graphitschicht wird wiederum über ein Erdungskabel abgeleitet. Bei älteren Induktoren kann es in dem Kochgeschirr zu Spannungen von über 200 V kommen. Das wird von Menschen an empfindlichen Stellen wie zum Beispiel Handrücken (Blutadern) als leichtes, bis mittelmässiges „Kribbeln“ empfunden. Nach der obengenannten Erdung darf die Spannung nicht höher als 30 V liegen, oder 5 kΩ bei der Graphitschicht.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Störemission

Induktions-Kochfelder arbeiten im unteren Langwellenbereich (50 kHz) und emittieren elektromagnetische Wellen bei diesen Frequenzen. Die Arbeitsfrequenz liegt jedoch unterhalb ziviler Langwellensender (>100 kHz) und auch unterhalb der vereinbarten unteren Messgrenze zur Prüfung der Elektromagnetischen Störaussendung (150 kHz).

Weitere Störungen bei höheren Frequenzen werden durch die Leistungshalbleiter (IGBT, Thyristoren) erzeugt; sie müssen hinsichtlich Netzrückwirkung (leitungsgebundene Störungen) und Abstrahlung so gering wie auch bei anderen Elektrogeräten sein.

Störimmunität

Induktionsherde enthalten komplexe elektronische Baugruppen und sind daher potentiell empfindlicher gegenüber transienten Überspannungen im Stromnetz als andere Elektroherde. Der Schutz der Elektronik erfolgt an der Zählertafel durch Hochfrequenzsperren, die auch die Ausbreitung der hochfrequenten Störungen aus dem Verteilnetz des Energieversorgers über das Hausnetz begrenzen.

Marktentwicklung

Historischer Induktionskocher, 1909

Die Tabelle zeigt die Marktentwicklung in einigen europäischen Staaten mit Stand 2004.^[9] 2005 wurden in Deutschland rund 80.000 Stück verkauft.

Land	Verkaufszahlen 2004
Frankreich	170.000 Stück
Spanien	150.000 Stück
Deutschland	30.000 Stück
Niederlande	27.000 Stück
Italien	5.000 Stück
Belgien	3.000 Stück

Weblinks

 Commons: Induktionskochfeld – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Schweizer Bundesamt für Gesundheit: Magnetfeldexposition durch Induktionskochherde. Studie.
• Erklärung zum Induktionsherd und der Induktion

Einzelnachweise

1. ↑ herd.josefscholz.de
2. ↑ Clementine Viellard, Albert Romann, Urs Lott, Niels Kuster: B-Field Exposure from Induction Cooking. Zürich : IT'IS Foundation, 2007
3. ↑ Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bundesamt für Strahlenschutz (Übers.); International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: Richtlinien für die Begrenzung der Exposition durch zeitlich veränderliche elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder (bis 300 GHz) (ICNIRP). In: Horst Heller (Red.): Berichte der Strahlenschutzkommission. Heft 23 : Schutz der Bevölkerung bei Exposition durch elektromagnetische Felder (bis 300 GHz). Berlin : H. Hoffmann, 1999
4. ↑ International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: Guidelines for Limiting Exposure to Time-varying Electric and Magnetic Fields (1 Hz to 100 kHz). In: Health Physics 99 (2010), Nr. 6, S. 818-836
5. ↑ Euronorm EN 50366 „Verfahren zur Messung der elektromagnetischen Felder von Haushaltgeräten und ähnlichen Elektrogeräten im Hinblick auf die Sicherheit von Personen in elektromagnetischen Feldern“, 2008 in Anpassung an die im Wesentlichen technisch identische internationale Norm IEC 62233 ersetzt durch die gleichnamige EN 62233
6. ↑ ^{a b} Eidgenössisches Departement des Inneren, Bundesamt für Gesundheit: EMF-Faktenblatt Induktionskochherd
7. ↑ Bundesamt für Strahlenschutz: Häufig gestellte Fragen zum Thema „Elektrische und magnetische Felder bei Haushaltsgeräten“
8. ↑ BAG-Projekt Induzierte Felder und Ströme im Körper von kochenden Personen als Folge der Magnetfeldbelastung vor Induktionskochherden
9. ↑ Elektrohändler 11/2005, Seite 32f., siehe auch http://www.eh-online.de/fileadmin/Bilder/PDF/11-05/eh1105-special.pdf