Brevet FR2309109A1 — publié le 19761119

La présente invention concerne un inducteur de courants tourbillonnaires haute fréquence pour-chauffage d'objects métalliques, ainsi que la fabrication de tels inducteurs. Elle concerne des inducteurs formes par des bobines de couplage alimentées par un générateur de courant haute fréquence et qui engendre un champ magnétique dè meme fréquence, dans une substance conductrice d un objet métallique dans lequel apparaise?nt des courants tourbiLlonnaires provoquant l'échauffement de l'objet. L'utilisation de tels inducteurs est avantageuse pour le chauffage à induction industrielle ou domestique, et puls particu lièrement dans le cas d'utilisation avec-des plaques de cuisson dites "froides", utilisées pour la cuisson des aliments. La présente invention se propose de réaliser un inducteur de fabrication simple, de randement supérieur-à 80 % et adapté à la configuration de la distribution de la densité du champ magnétique désirée dans l'objet à chauffer. Cet ndúéteut:.devra etre réalisable notamment sous forme d'un bobinage sensiblement plat, de forme circulaire ayant un diamètre prédéterminé, l'enroulement étant susceptible d'être bobiné en série et supporter un traitement permettant d'agglomérer les spires du bobinage qui constituent ainsi une sorte de plaque de chauffage par induction. Il est connu de, produire de la chaleur dans une partie superfi celle ou dans la masse de l'objet à chauffer, en disposant celui-ci dans un champ alternatif magnétique de haute fréquence, généralement comprisé entre 5 k Hz et 500 k Hz dans les applications électro sdnageres,.ce qui provoque des courants tourbillonnaires dans l'objet Un tel résultat est obtenu à l'aide d'une bobine active, habituellement désignée par "inducteur", que traverse un courant périodique de fréquence correspondante qui est couplée à l'objet. Il est connu - que les courants tourbillonnaires engendrés dans l'objet à chauffer provoquent des pertes par courants de Foucault auxquelles 'ajoutent dans le cas de matière ferro-magnétique des pertes par hystérésis ; la chaleur produite est concentrée dans la partie de l'objet qui se trouve être la plus fortement soumise au champ inducteur. On sait par ailleurs que les inducteurs sont alimentés par des générateurs de courants périodiques à hautes fréquences, eu2-memes alimentés par une source d'énergie électrique. Notamment de tels générateurs sont actuellement constitués par des montages onduleurs ou convertisseurs fournissant le courant haute fréquence appliqué à un bobinage inducteur généralement réalisé sous forme d'une spirale en fil conducteur plein ou tubulaire, de section circulaire ou rectangulaire par exemple. Ce bobinage est parcouru par un courant alternatif H.F. et engendre à cette meme fréquence un champ magnétique dans lequel est placée au moins une partie d'une pièce métallique à chauffer cette dernière est alors le siège de courants de Foucault provoquant l'échauffement du métal qui atteint une température prédéterminée à laquelle cette température se stabilise du fait d'un apport constant de calories qui s'-équilibrent avec celles naturellement perdues par convection. Il est connu par le brevet allemand nO 608 476 du Dr. W. PIWler de réaliser une bobine plate pour engendrer des courants tourbillonnaires dans une substance conductrice dans laquelle la distribution du champ magnétique désirée est obtenue en modifiant le pas d'enroulement de ce bobinage en spirale. En outre dans le brevet américain nO 3 256 417 de J. Ferret, est décrit un inducteur plat constitué par l'enroulement en spirale d'une tresse plate d'un certain nombre de conducteurs isolés entre eux et connectés en parallèle aux bornes alimentées par le générateur de courant haute fréquence. On peut noter que la technologie et la méthode de fabrication habituelle, mises en oeuvre pour réaliser les inducteurs, présentent les inconvénients suivants - la forte section du fil conducteur plein ou tubulaire utilisé, par exemple en cuivre, rend le façonnage des bobinages malaisé - dans le cas d'un bobinage en spirale il est difficile, voire impossible, d'obtenir une self inductance dorée pour un diamètre donné du fil en agissant uniquement sur le pas du bobinage, seule variation possible allant du bobinage jointif à la spirale monospire - il en est de même pour réaliser la répartition du champ magnétique engendré sur les surfaces de la spirale plate en ne jouant que sur la seule variation possible du pas, en cours du bobinage d'un inducteur ne comportant, de par sa nature, que peu de spires - en outre et surtout le bobinage étant nécessairement à la fois inducteur et induit, puisque se trouvant dans son propre champ magnétique, est le siège de courants de Foucault circulant dans la section pleine du conducteur provoquant son échauffement, ce qui est préjudiciable au bon fonctionnement et abaisse notablement le rendement de l'ensemble du chauffage par induction. La présente invention propose une réalisation d'un inducteur à plusieurs spires agglomérées, connectable à un générateur de courant périodique à haute fréquence. La réalisation de l'inducteur, objet de- l'invention, permet des performances de rendement élevé de l'ensemble de chauffage, pouvant atteindre environ 80 % ; cette réalisation est d'une fabrication facile, et de plus, elle offre les possibilités de répartition du champ engendré dans le but de localiser les surfaces à chauffer, ou au contraire de le répartir uniformément sur la totalité de la surface å chauffer. Selon une des caractéristique de la présente invention, un inducteur de courants tourbillonnaires haute fréquence pour chauffage d'objets métalliques comportant au moins une boucle de plusieurs conducteurs isolés entre eux et connectés en parallèle à leur bornes de connexion respectives, est principalement caractérisé en ce que lesdits plusieurs conducteurs constituent un fil divisé, à conducteurs isolés chacun par un double émail comportant une première couche de vernis synthétique recouverte d'une micro-couche d'émail, ledit fil étant formé par un toron de fils dont une extrémité constitue une entrée et l'autre une sortie, l'ensemble du bobinage étant aggloméré sous l'action d'un agent extérieur. Pour la réalisation d'inducteurs de chauffage haute fréquence selon l'invention, le procédé de fabrication de l'inducteur de courant de chauffage haute fréquence utilisant du fil divisé est principalement caractérisé en ce que, le toron du fil est enroulé autour d'un axe central séparant les joues internes des deux plateaux d'un moule, cet enroulement étant réalisé serré en couches successives ayant un nombre de conducteurs par unité de section, variable suivant la densité du courant inducteur voulu, ces couches étant séparables par une couche de matériau adhérent sous l'action d'un agent extérieur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti- ront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple en se référant aux figures annéxées qui représentent FIG. 1, les phases successives du procédé de fabrication schématisées par les dessins FIG. 2, deux modes de réalisations du moule destiné au bobinage de l'inducteur FIG. 3, un ensemble montrant la mise en oeuvre de l'inducteur. La figure 1 illustre schématiquement le procédé de fabrication de l'inducteur. L'inducteur, objet de l'invention, est bobiné avec un câble multibrins formé d'une pluralité de conducteurs, émaillés ou isolés entre eux d'une quelconque manière, dans une forme voulue par exemple dans un moule. Chacun des conducteurs dans un mode de fabrication préféré, est du type à double isolement par couche dite double émail. La couche extérieure d'émail résistant aux températures de fonctionnement, par exemple comprises entre 25 et 1800 C, est de type thermo-adhérent, ou chimicoplastique. Les conducteurs 1 à 7 parviennent, à partir du dévidoir 8, FIG. la, sur lequel sont montées les bobines de fil, et de guide-fils 9 dans un moule 10, entraSné en rotation par un arbre il d'un moteur. Ce moule 10 peut être réalisé simplement à l'aide de deux plateaux 12, 13, par exemple parallèles, FIG. lb, écartés entre eux par un disaue central 14, et maintenus solidaires à l'aide de tout dispositif d'assemblage à déverrouillage rapide non représenté. Les bobines du fil sur le dévidoir 8 sont en nombre égal au nombre de conducteurs du câble utilisé. Il est bien entendu que ce nombre peut être réduit à l'unité si le fil est du type divisé dans lequel le nombre de conducteurs à mettre en parallèle a préalablement été toronné sur une machine prévue à cet effet. De même ladite machine destinée à préparer le toron comportant l'ensemble des n conducteurs à mettre en parallèle, peut être intégrée dans la machine à bobiner l'inducteur. Dans ce dernier cas la machine comporte un dévidoir à n bobines de fil, un dispositif de toronnage et enfin le dispositif d'entrainement du moule précédemment décrit. Durant l'opération de bobinage, ou en fin d'exécution, le film thermo-adhérent est chauffé, ou s' il est chimicoplastique, partiellement dissout à l'aide d'un solvant de manière à agglomérer entre eux les différents conducteurs. Le bobinage réaLisé en spirale est alors démoulable par séparation des plateaux 12 et 13. Différents procédés peuvent être utilisés à cet effet - durant l'opération de bobinage : chauffage de la nappe dé fils 1 à 7 à entrée du moule 10 par jet d'air chaud 15, FIG. la, s'il s'agit d'un thermoplastique, ou injection d'une faible quantité de solvant sur cette meme nappe à l'entrée du moule s'il s'agit d'un chimicoplastique. 9 existe d'ailleurs dans le commerce des fils utilisables à double émail, qui sous l'appellation thermoplastiques sont également obimicoplastiques sous l'effet de différents solvants, comme par exemple l'alcool. Les couches des spires successives peuvent être également séparées par une couche en matériau thermo-adhérent. Après l'opération de bobinage et avant démoulage : - les extrémités 16, 17 laissées libres de la nappe de conducteurs 1 à 7 toronnés ensemble sont décapées et connectées aux bornes d'une source 18 de courant électrique permettant de faire circuler un courant électrique dans les conducteurs : cette disposition est indi quée sur la FIG. lb. Les conducteurs sont alors chauffés par effet Joule, et adhérent entre eux par fusion partielle du film thermoplastique. L'ensemble du bobinage en spirale, qui est alors aggloméré, est déconnecté de la source 18 et démoulé ensuite. Après démoulage l'inducteur est utilisable sans autre modiwication collé ou fixé sous une plaque intermédiaire de séparation 21 ou directement sous la plaque de cuisson froide, ou surmoulé avec adjonction de dispositif de fixation à 11 aide d'un matériau plastique par exemple. La FIG. 3 illustre schématiquement une installation de cuisson, où sont notamment représentés une source d'énergie 20 alimentant un générateur de courant H.?. 19, dont la sortie est connectée aux bornes 16, 17 de l'inducteur. Une plaque intermédiaire 21 sépare le récipient de cuisson 22 de l'inducteur. Le procédé de fabrication décrit, permet de réaliser un inducteur à hautes performances : - la nappe de plusieurs conducteurs de faible section toronés ensemble reste soupie, et le façonnage dans un moule avant agglomération est aisé, ce qui réduit le cotit de fabrication, - en jouant sur le nombre de conducteurs ainsi bobinés en parallèle, sur leurs sections, sur l'épaisseur du disque central d'écartement 14, on peut réaliser, à - diamètre extérieur constant et dans un même moule formé par les mêmes plateaux 12, 13, des modifications notables de la valeur de la elf inductance, ce qui permet de modifier à volonté dans des larges limites une des grandeurs électriques fondamentales du convertisseur haute fréquence, notamment pour déterminer la fréquence du courant H.F. On peut également réaliser dans un même moule, différents inducteurs de diamètres extérieurs plus petits que le diamètre des plateaux sans modification de l'ensemble du dispositif de bobinage. Les plateaux 12, 13 du moule représenté sur la figure lb, peuvent être modifiés comme il apparat sur la figure 2. Dans cet exemple, les surfaces intérieures des plateaux 12, 13, ou joues, ne sont plus parallèles entre elles, mais au contraire convergent vers le centre du moule. Du fait de la faible section de chacun des conducteurs, la forme intérieure du moule ainsi constitué, se remplit aisément de telle manière qu'après agglomération par l'un des procédés décrit précédemment et démoulage, on obtient un inducteur à variation progressive ou une répartition voulue de la densité du champ magnétique. En effet, chacun des conducteurs étant mis en parallèle avec chacun des autres gt'= extrémités 16 et 17 du bobinage, est parcouru par - la même valeur de courant que celle circulant dans chacun des autres. Le champ magnétique obtenu étant de la forme n.I où n est le nombre de conducteurs et I le courant H.y. traversant chacun d'eux, on obtient au centre du bobinage un champ faible qui augmente progressivement le long de chacun des rayons de la spirale obtenue pour devenir maximum sur le pourtour extérieur. Il va de soi, que la forme intérieure du moule peut être modifiée à volonté pour obtenir une répartition de champ donnée. On observe en effet, que l'objet métallique, modifie la répartition du champ en concentrant les lignes de force dans l'objet. Selon que l'on désire chauffer des surfaces, ou des volumes particuliers de l'objet, ou au contraire uniformément sa surface, comme celle par exemple constituée par le fond d'une casserole pour la cuisson des aliments, on peut donner aux joues du moule des formes intérieures particulières permettant de réaliser la répartition souhaitée du champ magnétique, comme par exemple sur la SIG. 2a ou 2b. Enfin, et surtout, l'inducteur étant soumis à son propre champ magnétique se trouve être induit lui-même et parcouru par des courants de Foucault, préjudiciable à son ionctionnement et au rendement global du dispositif de chauffage à induction ainsi qu'il a été sus-mentionné. Dans ce type nouveau inducteur, la section globale du conducteur principal, ici réalisée à l'aide de plusieurs fils fins mis en parallèle, est divisée ce qui réduit considérablement les courants de Foucault induits, chacun des conducteurs étant isolé par rapport à chacun des autres. On peut ainsi réaliser des inducteurs qui, à section globale de conducteurs égale à celle d'un fil plein, chauffent notablement moins, sont donc plus fiables et d'un meilleur rendement, ou bien qui, à section globale de conducteurs inférieure à celle d'un fil plein., ne chauffent pas davantage et sont moins encombrants, moins lourds et donc notablement moins coûteux. Le champ d'application de l'invention ne se limite pas au seul cas des inducteurs plats en spirale. Elle peut entre mise à profit dans tous les cas où la forme particulière à donner au bobinage peut être simplifiée par l'emploi d'un moule de forme prédéterminée. Dans touts les cas d'utilisation et quelle que soit la forme d'inducteurs à réaliser, le bobinage en fils divisés permet un façonnage plus aisé, le toron reste souple à 11 encontre d'un fil plein, et conserve l'avantage de réduire considérablement les pertes par courants de Foucault. En outre, l'utilisation de fils divisés, isolés entre eux, limite 12 libre circulation des courants tourbillonnaires engendrés dans l'inducteur, et permet de ce fait de réduire la température de fonctionnement et d'améliorer le rendement du bobinage. L'utilisation du fil divisé pour réaliser la boucle de couplage d'un inducteur permet de simplifier le procédé de fabrication, et de réduire son coût. Elle permet de répartir au gré des besoins la densité du champ magnétique produit. Elle offre de grandes possibilités de variations possibles de la dimension de l'inducteur et de sa self inductance. Elle améliore considérablement le rendement du convertisseur H.F. associé à ce type d'inducteur, elle réduit la température de fonctionnement de ce dernier, ou permet de réduire le poids, le volume de l'inducteur donc son coat dans des limites d'élévation de température analogue au procédé conventionnel. L'utilisation de tels inducteurs en fils divisés, bobinés avantageusement dans un moule, ou sans moule, ou sur une forme quelconque n'est pas limitée aux appareils de cuisson, ou plaques de cuison dites "froides". Ces inducteurs sont applicables dans les systèmes de chauffage à induction H.F. en général, dans les appareils de chauffage électro ménagers et également dans les installations de chauffage haute fréquence inductif des métaux par exemple pour la soudure, la trempe, le recuit, le séchage.., ou dans les fours à induction. REVENDICATIONS 1.Inducteur de courants tourbillonnaires haute fréquence pour chauffage d'objets métalliques comportant au moins une boucle de plusieurs conducteurs isolés entre eux et connectés en parallèle à leur bornes de connexion respectives, caractérisé en ce que lesdits plusieurs conducteurs constituent un fil divisé à conducteurs isolés chacun par un double émail comportant une première couche de vernis synthétique recouverte d'une micro-couche d'émail, ledit fil étant formé par un toron de fils dont une extzemité constitue une entrée (16) et l'autre une sortie (17), l'ensemble du bobinage étant aggloméré sous l'action d'un agent extérieur. 2. Inducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite micro-couche d'émail est constitue par une matière thermo-adhérente . - 3. Inducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite micro-couche d'émail est constitunae par une matière chimicoplastique. 4. Appareil de chauffage à haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de haute fréquence (19) connectable à une source d'énergie (20) et fournissant un courant périodique de haute fréquence audit inducteur défini dans la revend-ication 1, cet inducteur étant agencé pour être couplé à travers un support (21), à au moins une partie de l'objet netallique (22) à chauffer. 5. Procédé de fabrication de l'inducteur de courant de chauffage haute fréquence utilisant du fil divisé, caractérisé en ce que, le toron du fil est enroulé autour d'un axe central (14) séparant les joues internes des deux plateaux (12, 13) d'un moule (10), cet enroulement étant réalisé serré en couches successives ayant un nombre de conducteurs par unité de section,variable suivant la densité du courant inducteur voulu, ces couches étant séparables par une couche de matériau adhérent sous l'action d'un agent extérieur. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que. ledit toron du fil est obtenu en déroulant sur un débiteur (8) les bobines desdits fils respectifs (1 à 7) toronés ensembles dans une pince (9). 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caracbét sé en ce que les fils à émail thermo-adhérent sont agglomérés par chauffage du toron réalisé à l'aide d'un jet d'air chaud (15) appliqué avant ltenroulement des conducteurs dans le moule (10), entrainé en rotation par un axe (11). 8. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que le toron du fil thermo-adhérent et l'enroulement réalisé sont soumis à un traitement constitué par un chauffage. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit chauffage est produit par un four. 10. Procédé de fabrication. selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit chauffage est obtenu par la circulation d'un courant électrique dans les conducteurs provoquant un effet Joule. 11. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fil comporte une couche chimico-plastique qui est soumise à l'action d'un agent extérieur constitué par un solvant. 12. Inducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que plusieurs fils divisés sont toronés ensemble pour constituer le cible multi-brins à enrouler. 13. -Inducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fil est bobiné en plusieurs couches dans lesquelles le nombre de conducteurs par unité de section est répartie suivant la densité du champ magnétique à engendrer.