Chauffage Par Induction électromagnétique Mathieu Bardoux

LITTORAL CÔTE D’OPALECours d’électrothermieChauffage par induction électromagnétiqueMathieu BardouxIUT du Littoral Côte d’OpaleDépartement Génie Thermique et Énergie1reannée

IntroductionRappel du plan1 Introduction2 Principe3 Puissance4 ApplicationsFours à induction à creusetSoudage par inductionFrettage par inductionCuisson par inductionMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée2 / 26

IntroductionIntérêt du chauffage par inductionLe chauffage par conduction directe est efficace et rapide maisnécessite de très bons contacts entre la pièce et les électrodesd’amenée de courant.À l’inverse, le chauffage par conduction indirecte présente unrendement bien moindre.Le chauffage par induction électromagnétique permet de conserverl’avantage du chauffage par conduction directe, tout en se libérantdes contacts électriques.Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée3 / 26

PrincipeRappel du plan1 Introduction2 Principe3 Puissance4 ApplicationsFours à induction à creusetSoudage par inductionFrettage par inductionCuisson par inductionMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée4 / 26

PrincipePrincipe du chauffage par inductionGénération de courants de FoucaultSi, dans un solénoïde, on fait passer un courant continu (flèche entrait plein) l’induction est dirigée dans le sens donné par la règle dutire bouchon. Si on applique aux bornes du solénoïde une différencede potentiel U alternative, le courant alternatif qui parcourt cettebobine va créer une induction magnétique alternative à la fréquencedu courant.B(t)i(t)B (t)Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée5 / 26

PrincipePrincipe du chauffage par inductionSi on introduit un corps conducteur dans la bobine, il sera soumis à unflux magnétique variable. Ce flux va à son tour, d’après la loi de Lenz,induire une force électromotrice qui donnera naissance à descourants induits circulant dans le conducteur.B (t)élément à chaufferi(t)B (t)Ces courants induits sont les courants de Foucault, qui par effetJoule chauffent le corps.Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée6 / 26

PuissanceRappel du plan1 Introduction2 Principe3 Puissance4 ApplicationsFours à induction à creusetSoudage par inductionFrettage par inductionCuisson par inductionMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée7 / 26

PuissancePuissance transmiseLe calcul de la puissance transmise à la pièce doit être mené à partirdes équations de Maxwell. Nous procédons dans ce cours à un calculsimplifié.Nous supposons que la densité surfacique ( quantité de couranttraversant une surface élémentaire de la section droite duconducteur) décroît de la périphérie du conducteur vers le cœur duconducteur selon la loi :R rj (r) j0 e d0 RMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermier1reannée8 / 26

PuissancePuissance transmiseDans un cylindre de révolution soumis à un champ magnétique axial,les lignes de courants de Foucault sont des anneaux contenus dansun plan de section droite du cylindre. L’intensité dans un anneau estd’autant plus élevée que l’on s’éloigne de l’axe du cylindre.Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée9 / 26

PuissanceCalcul de l’intensité totaleLa densité surfacique de l’intensité ayant le même module pour tousles points distants de l’axe du cylindre d’une même distance r, nouschoisissons comme élément de surface :dS h drdrrhZRItotal Rj (r)dS 0Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)ZR rh dr j0 e d0 0Cours d’électrothermie1reannée10 / 26

PuissanceCalcul de l’intensité totaleSi R d0 , en posant I0 hj0 d0 on obtient alors l’expression suivante :Itotal I0Dans ces conditions, la répartition des courants est équivalente à uncourant d’intensité I0 passant dans une couche d’épaisseur d0d0hMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée11 / 26

PuissanceCalcul de la puissance dissipée par effet JouleConsidérons un anneau de rayon r et d’épaisseur drdrrhLa puissance élémentaire dissipée dans cet anneau a pourexpression :dP (r) (dR ) (di )2Expression de dR : dR ρMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)2πrh drCours d’électrothermie1reannée12 / 26

PuissanceCalcul de la puissance dissipée par effet JouleExpression de di : l’épaisseur de l’anneau étant un infiniment petit, ladensité surfacique est constante dans une bande d’épaisseur dr etl’on a :di j (r)dS j (r)dSR r j e d0 h dr0L’expression de la puissance devient : 22πr R rdP ρj0 e d0 h drh dr ρ h 2 π j02 r e 2R rd0drSi l’on peut considérer que R d0 , on a finalement :qρ 2 R2 π2 R2 R d0Ptot ρ h 2 π j0 πI 10 7 ρ µr f I 22hd0hMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée13 / 26

PuissanceValidité de l’hypothèse R d0L’épaisseur de peau est calculée à partir des équations de Maxwell :rrρρ 503d0 π µ0 µr fµr fd0ρµ0épaisseur de peau en mètrerésistivité du conducteur en Ω . mperméabilité du vide (µ0 4 π 10 7 )Épaisseur de peau d0 (en mm) pour différents matériauxf (Hz)50103106Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Acier5, 031, 120, 035Cuivre9, 352, 090, 066Cours d’électrothermieAluminium11, 92, 660,2661reannée14 / 26

PuissanceMaximiser la puissance dissipéeIaugmenter le champ magnétique (augmentant par conséquent lecourant induit I ) ;Iaugmenter la fréquence(attention cependant : plus la fréquenceaugmente et plus l’impédance augmente, ce qui diminue I )Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée15 / 26

PuissancePuissance réelle transmiseHypothèses simplificatrices :IChamp magnétique uniformeIRépartition uniforme des courantsIPièce cylindrique pleineI. coefficient correctifMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée16 / 26

PuissancePuissance réelle transmisePièce cylindriqueF10.80.60.40.200Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)123Cours d’électrothermie45Rd01reannée17 / 26

PuissancePuissance réelle transmisePièce parallélépipédique dont a est la plus petite dimension :F1.41.210.80.60.40.2a00Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)246Cours d’électrothermie810d01reannée18 / 26

ApplicationsRappel du plan1 Introduction2 Principe3 Puissance4 ApplicationsFours à induction à creusetSoudage par inductionFrettage par inductionCuisson par inductionMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée19 / 26

ApplicationsApplications industrielles du chauffage par induction1Fusion des métaux (fours à creuset, fours à canal.)2Soudage3Frettage4Cuisson5.Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée20 / 26

ApplicationsFours à induction à creusetFours à induction à creusetBec de couléeBague de bétonsupérieureAxe derotationBobines d'inductionTôlesMétal fonduCreusetBague de bétoninférieureMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée21 / 26

ApplicationsSoudage par inductionSoudage par inductionSouder : assembler par fusion les bords adjacents de deux pièces oude deux constituants métalliques.Ilocalisation du chauffageIrendement énergétique élevéIfacilité de contrôle, régulation et automatisationMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée22 / 26

ApplicationsFrettage par inductionFrettage par inductionFrettage : assemblage mécanique, emmanchement en force et àchaud.Couvercleà sertirInducteurCuvemétalliqueDilatation puis rétreint localisé.Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée23 / 26

ApplicationsCuisson par inductionTable de cuisson par tionB.T.FiltreSecteur 220 VMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée24 / 26

ApplicationsCuisson par inductionTable de cuisson par inductionConsommation d’énergie nécessaire pour élever à 95 C l’eau d’unecasserole de 1,5 l. de contenance et de 200 mm de diamètre.Consommation ( Wh)300295258232200164100Induction3 000 WMathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Vitro halogene1800 WGaz2900 WCours d’électrothermiePlaque fonte2000 W1reannée25 / 26

ApplicationsCuisson par inductionConclusionAu cours de ce chapitre, nous avons vu :ILe principe de fonctionnement du chauffage par inductionILes lois gouvernant la puissance et l’épaisseur de peauIQuelques exemples d’applicationscontenu.Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE)Cours d’électrothermie1reannée26 / 26

Introduction Rappel du plan 1 Introduction 2 Principe 3 Puissance 4 Applications Fours à induction à creuset Soudage par induction Frettage par induction Cuisson par induction Mathieu Bardoux (IUTLCO GTE) Cours d’électrothermie 1reannée 2 / 26