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Le chauffage par induction est une technique précise, rapide, reproductible, efficace et sans contact pour chauffer les métaux ou tout autre matériau électriquement conducteur.

Un système de chauffage par induction comprend une alimentation électrique par induction pour convertir le courant de ligne en un courant alternatif et le délivrer à une tête de travail, et une bobine de travail pour générer un champ électromagnétique dans la bobine. La pièce à travailler est positionnée dans la bobine de telle sorte que ce champ induit un courant dans la pièce à travailler, qui produit à son tour de la chaleur.

La bobine refroidie par eau est positionnée autour ou en bordure de la pièce à travailler. Elle n’entre pas en contact avec la pièce à travailler, et la chaleur n’est produite que par le courant induit transmis par la pièce à travailler. Le matériau utilisé pour fabriquer la pièce peut être un métal tel que le cuivre, l’aluminium, l’acier ou le laiton. Il peut également être un semi-conducteur tel que le graphite, le carbone ou le carbure de silicium.

Pour chauffer des matériaux non conducteurs tels que les plastiques ou le verre, l’induction peut être utilisée pour chauffer un suscepteur électriquement conducteur, par exemple le graphite, qui transmet ensuite la chaleur au matériau non conducteur.

Le chauffage par induction trouve des applications dans des processus où les températures sont aussi basses que 100ºC (212°F) et aussi hautes que 3000°C (5432°F). Il est également utilisé dans des processus de chauffage courts qui durent moins d’une demi-seconde et dans des processus de chauffage qui s’étendent sur plusieurs mois.

Le chauffage par induction est utilisé à la fois pour la cuisine domestique et commerciale, dans plusieurs applications telles que le traitement thermique, le brasage, le préchauffage pour la soudure, la fusion, le frettage dans l’industrie, le scellement, le brasage, le durcissement, et dans la recherche et le développement.

Comment fonctionne le chauffage par induction ?

L’induction produit un champ électromagnétique dans une bobine pour transférer de l’énergie à une pièce à chauffer. Lorsque le courant électrique passe le long d’un fil, un champ magnétique est produit autour de ce fil.

Les principaux avantages de l’induction

Les avantages de l’induction sont :

• Réchauffement efficace et rapide
• Réchauffement précis et répétable
• Réchauffement sûr car il n’y a pas de flamme
• Prolongation de la durée de vie des fixations grâce à un chauffage précis

Méthodes de chauffage par induction

Le chauffage par induction se fait selon deux méthodes :

La première méthode est appelée chauffage par courants de Foucault à partir des pertes I²R causées par la résistivité du matériau d’une pièce. La seconde est appelée chauffage hystérétique, dans lequel l’énergie est produite à l’intérieur d’une pièce par le champ magnétique alternatif généré par la bobine modifiant la polarité magnétique du composant.

Le chauffage hystérétique se produit dans un composant jusqu’à la température de Curie, lorsque la perméabilité magnétique du matériau diminue à 1 et que le chauffage hystérétique est réduit. Le chauffage par courants de Foucault constitue le reste de l’effet de chauffage par induction.

Lorsqu’il y a un changement de sens du courant électrique (AC), le champ magnétique généré échoue, et est produit dans le sens inverse, car le sens du courant est inversé. Lorsqu’un second fil est positionné dans ce champ magnétique alternatif, un courant alternatif est produit dans le second fil.

Le courant transmis par le second fil et celui transmis par le premier fil sont proportionnels l’un à l’autre et également à l’inverse du carré de la distance qui les sépare.

Lorsque le fil dans ce modèle est remplacé par une bobine, le courant alternatif sur la bobine génère un champ électromagnétique et pendant que la pièce à chauffer se trouve dans le champ, la pièce s’adapte au deuxième fil et un courant alternatif est produit dans la pièce. Les pertes I²R de la résistivité du matériau de la pièce provoquent la création de chaleur dans la pièce de la résistivité du matériau de la pièce. C’est ce qu’on appelle le chauffage par courants de Foucault.

Figure 1.

Fonctionnement d’une bobine d’induction

A l’aide d’un champ électrique alternatif, l’énergie est transmise à la pièce à travailler avec une bobine de travail.

Le courant alternatif passant par la bobine produit le champ électromagnétique qui induit un courant passant dans la pièce à travailler comme une image miroir du courant passant dans la bobine de travail. La bobine de travail/l’inducteur est une partie du système de chauffage par induction qui montre l’efficacité et le rendement de la pièce à travailler lorsqu’elle est chauffée. Les bobines de travail sont de nombreux types allant de complexes à simples.

La bobine à enroulement hélicoïdal (ou solénoïde) est un exemple de bobine simple, qui consiste en de nombreuses spires de tube de cuivre enroulées autour d’un mandrin. Une bobine usinée avec précision à partir de cuivre massif et brasée ensemble est un exemple de bobine complexe.

Figure 2.

Fréquence de fonctionnement (résonante)

La pièce à chauffer et le matériau de la pièce décident de la fréquence de fonctionnement du système de chauffage par induction. Il est essentiel d’utiliser un système d’induction qui fournit une puissance sur la plage de fréquences adaptée à l’application. Les raisons des différentes fréquences de fonctionnement peuvent être comprises par ce que l’on appelle « l’effet de peau ». Lorsque le champ électromagnétique induit un courant dans un composant, il passe principalement à la surface du composant.

Figure 3. (a) Le chauffage par induction à haute fréquence a un effet de peau peu profond qui est plus efficace pour les petites pièces ; (b) Le chauffage par induction à basse fréquence a un effet de peau plus profond qui est plus efficace pour les pièces plus grandes.

Lorsque la fréquence de fonctionnement est plus élevée, la profondeur de peau est plus faible. De même, lorsque la fréquence de fonctionnement est plus basse, la profondeur de la peau et la pénétration de l’effet de chauffage sont plus profondes. La profondeur de peau/profondeur de pénétration est basée sur la température, la fréquence de fonctionnement et les propriétés du matériau de la pièce.

Par exemple (voir tableau 1), une barre d’acier de 20 mm peut être détendue en la chauffant à 540°C (1000°F) à l’aide d’un système d’induction de 3 kHz. Cependant, un système de 10 kHz sera nécessaire pour durcir la même barre en la chauffant à 870°C (1600°F).

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On peut donc dire que des fréquences de fonctionnement plus élevées, généralement supérieures à 50kHz, peuvent être utilisées pour chauffer des pièces plus petites par induction et que des fréquences de fonctionnement plus basses peuvent être utilisées pour chauffer plus efficacement des pièces plus grandes.

Dans le cas des alimentations à induction à semi-conducteurs avancées avec des systèmes de contrôle à microprocesseur intégrés, des techniques de chauffage cohérentes et efficaces sont réalisables sur la base du fait que toutes les pièces sont placées à un emplacement cohérent dans la bobine.

Parties d’un système de chauffage par induction

Un système de chauffage par induction comprend un circuit de réservoir, une alimentation électrique et une bobine de travail. Dans les applications industrielles, le courant passant par la bobine est suffisant pour nécessiter un refroidissement par eau ; c’est pourquoi une installation de base contient une unité de refroidissement par eau. Le courant alternatif de la ligne CA est converti par une alimentation électrique en un courant alternatif qui correspond à la combinaison de l’inductance de la bobine, de la capacité de la tête de travail et de la résistivité des composants.

Figure 4. Système typique de chauffage par induction

Facteurs à prendre en compte

Le matériau de la pièce à travailler dicte la vitesse de chauffage et la puissance nécessaire. Le fer et l’acier chauffent facilement car ils ont une résistivité plus élevée, tandis que l’aluminium et le cuivre ont besoin de plus de puissance pour chauffer en raison de leur résistivité plus faible.

Certains aciers sont magnétiques par nature, donc la résistivité et les propriétés hystérétiques du métal sont utilisées lors du chauffage par induction. L’acier perd ses propriétés magnétiques lorsqu’il est chauffé au-dessus de la température de Curie (500-600°C/1000-1150°F) ; cependant, le chauffage par courants de Foucault fournit la technique de chauffage requise pour des températures plus élevées.

La puissance requise est déterminée par des facteurs tels que le type de matériau, la taille de la pièce à travailler, l’augmentation de température requise et le temps jusqu’à la température. Selon la taille de la pièce à chauffer, le facteur essentiel à considérer est la fréquence de fonctionnement du système de chauffage par induction.

De même, dans le cas de pièces plus petites, une fréquence plus élevée (>50kHz) est nécessaire pour un chauffage efficace, et dans le cas de pièces plus grandes, une fréquence plus basse (>10kHz) et une plus grande pénétration de la chaleur est générée.

Lorsque la température de la pièce chauffée augmente, la chaleur est également perdue par la pièce. Les pertes par rayonnement et convection de la pièce de travail se développent en un facteur très essentiel avec des températures plus élevées. Les méthodes d’isolation sont fréquemment utilisées à haute température pour réduire les pertes de chaleur et diminuer la puissance requise du système d’induction.

Figure 5. Famille d’alimentations de chauffage par induction d’Ambrell

Ces informations ont été sourcées, révisées et adaptées à partir de documents fournis par Ambrell Induction Heating Solutions.

Pour plus d’informations sur cette source, veuillez consulter le site Ambrell Induction Heating Solutions.

Citations

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