Introduction sur l’induction
Les différentes terminologies spécifiques à l’induction sont explicitées ci-après.
Les installations de fours à inductions se présentent globalement sous cette forme réduite :
Un convertisseur de fréquence est alimenté par un réseau de distribution classique en triphasé. Ce convertisseur de fréquence est appelé générateur de four à induction : il permet de moduler la tension de réseau triphasée en une tension monophasée.
L’adaptateur, appelé transformateur d’impédance, permet d’adapter le niveau de tension à la charge.
L’inducteur, qui est plus communément appelé « le four à induction »,permet de chauffer la pièce. En fonderie, ce four à induction est appelé une bobine à creuset, et en forge un inducteur.
Le générateur de four à induction module la tension réseau triphasée en une tension monophasée d’amplitude et de fréquence définies par l’application : le corps à chauffer.
Pour un fonctionnement optimal des installations de chauffage par induction, des condensateurs sont utilisés afin d’obtenir un COS PHI proche de 1, et ainsi minimiser les pertes énergétiques. Les fours à induction fonctionnent selon le principe des circuits résonnants LC, que ce soit en montage en série ou en montage parallèle. Dans la réalité, les condensateurs sont de tailles significatives, et nécessitent d’être refroidis à l’eau. Ils sont appelés batteries de condensateurs.
Approche technique du phénomène d’induction:
Si on enroule un conducteur en une longue hélice, on obtient une bobine longue, appelée solénoïde. Son champ est celui d’une séquence de spires enchainées. Les solénoïdes sont utilisés dans de nombreuses applications techniques : sonneries électriques, haut-parleurs, four à induction, etc.
Dans le cas d’un solénoïde long et étroit, avec un enroulement serré,
- A l’intérieur du solénoïde : le champ magnétique est intense et assez uniforme, en particulier dans la région centrale, au centre de la spire.
- À l’extérieur du solénoïde : le champ est d’autant plus faible que celui-ci est long. Il tend vers zéro pour une longueur supérieure au rayon de la spire (L >> R). Auquel cas, chaque extrémité agit comme un monopôle magnétique.
D’une part, le champ à l’intérieur du solénoïde est proportionnel au courant. D’autre part, le champ augmente avec le nombre de tours par unité de longueur.
Une bobine constitue un aimant dipolaire (sans pôle), qui s’aligne avec un champ magnétique extérieur, comme l’aiguille d’une boussole. Cette rotation est la base du galvanomètre à cadre mobile et du moteur électrique.
Quand un noyau, telle qu’une pièce à chauffer, est introduit dans un solénoïde, le champ s’accroit. En effet, le champ créé par le courant dans la bobine aimante le noyau en alignant ses domaines. Le noyau produit alors son propre champ, qui vient s’ajouter au champ produit par la bobine.
Pour augmenter le champ d’un électroaimant, il est également possible de concentrer davantage les lignes champs. Pour cela, il est possible d’employer une culasse magnétique, qui vient concentrer les lignes de champs extérieures de la même façon qu’à l’intérieur du solénoïde.
En sachant qu’il y a le même nombre de lignes de champs à l’extérieur qu’à l’intérieur, le matériau employé pour la culasse magnétique doit être choisi avec soin pour pouvoir canaliser les lignes champs sans les absorber, et ainsi éviter l’échauffement de la pièce.
Approche du phénomène d’induction par la théorie
Les équations de Maxwell permettent de décrire tout phénomène électrique et magnétique. Ces équations sont au nombre de quatre :
Interprétation de ces équations :
- Elles permettent de déterminer les champs de vecteurs E, H, D et B, appelés respectivement champ électrique, champ magnétique, induction électrique et induction magnétique, en fonction de la densité de courant j et des caractéristiques des milieux. Ces quatre champs sont des fonctions à valeurs vectorielles réelles de la position et du temps.
- Le champ électrique E est dû à la présence de charges électriques dans un matériau, tandis que le champ magnétique H est dû au déplacement de ces charges mobiles, ou à la présence d’un moment magnétique, tel que celui qui peut être créé par un aimant. La dérivée temporelle de l’induction électrique D, qui décrit en particulier les déplacements des dipôles électriques dans les matériaux diélectriques, s’appelle aussi courants de déplacement.
- Les grandeurs scalaires e et µ sont appelées respectivement permittivité électrique et perméabilité magnétique. Elles dépendent des caractéristiques des matériaux, ainsi que, dans le cas de champs électromagnétiques variables, des états antérieurs.
Influence de la valeur du rapport entre le diamètre de la pièce et la profondeur de pénétration
- La puissance transmise au métal à chauffer dépend du rapport D/d entre le diamètre D de la pièce et la profondeur de pénétration d.
- Cette figure montre la répartition de la température sur une coupe suivant l’axe d’un cylindre d’acier dont la surface est portée à 1 200°C, pour différentes valeurs du rapport D/d.
Diamètre de la pièce et la profondeur de pénétration
- En chauffage avant forgeage, on recherche un faible écart de température entre la périphérie et le cœur de la pièce. Or la profondeur de pénétration augmente quand la fréquence diminue. On a donc intérêt à choisir une fréquence faible, pour augmenter la profondeur de pénétration.
- Cependant, on ne peut pas choisir une fréquence trop faible, car une profondeur de pénétration trop élevée empêche de transférer la puissance avec un bon rendement. Pour un corps cylindrique, il est préférable de maintenir la valeur du rapport D/d supérieur à 3.