Brevet FR2532143A3 — publié le 19840224

FR 2532143 A3 19840224 FR 8312986 A 19830805 BOBINE CYLINDRIQUE D'INDUCTION A PLUSIEURS COUCHES CONSTITUEE PAR DES BOBINES PARTIELLES, ET PROCEDE DE FABRICATION DE CETTE BOBINE. La présente invention se rapporte à une bobine cylin- drique d'induction à plusieurs spires ou couches, destinée au chauffage ou à la fusion d'une substance métallique placée dans son espace interne. Une telle bobine d'induction est connue, par exemple, d'après le rapport N O 4 de la Division I Ia du VIIIème Congrès de l'Union Internationale d'Electrothermie, intitulé " Theory of Multi-Layered Windings for Induction Heating and their Application to a 1 MW, 50 Hz, Longitudinal Flux Billet Heater" et rédigé par I G Harvey Il est exposé dans ce rapport que des bobines d'induction à plusieurs couches permettent d'obte- nir un degré d'efficacité amélioré par rapport à des bobines d'induction à une seule couche Dans ce document de la litté- rature spécialisée, il n'est pas précisé la manière dont la bobine est spécifiquement enroulée Lorsque la bobine est enroulée par couches, il en résulte, en présence de conduc- teurs de bobines de grande section tels que ceux devant être utilisés dans des bobines d'induction de ce genre des pro- blèmes ayant trait à la réalisation des zones de transition entre les couches individuelles, étant donné que les conduc- teurs des bobines doivent être fortement coudés dans ces zones Ces problèmes revêtent une gravité particulière lors- qu'on utilise des conducteurs de bobines à l'intérieur de chacun desquels se trouve un canal de refroidissement. Lorsqu'on utilise des conducteurs à refroidissement interne et qu'on enroule la bobine par couches, auquel cas sont seulement prévus un raccord d'admission et un raccord de sortie du fluide de refroidissement, on se heurte aussi dans certaines circonstances à des difficultés techniques de refroidissement, étant donné que la température du fluide de refroidissement varie très fortement lorsque ce fluide parcourt le conducteur, et que différentes zones de la bobine sont refroidies plus ou moins fortement. Dans les bobines d'induction connues, on rencontre un autre problème lorsqu'il convient d'effectuer des réparations dans l'agencement des bobines, par exemple lorsque des'conduc- teurs de bobines refroidis de l'intérieur accusent des défauts d'étanchéité Lorsque que tel est le cas, dans l'agencement connu, il faut enlever complètement la bobine du tube d'iso- lation thermique utilisé habituellement et, éventuellement, remplacer intégralement cette bobine. L'invention a pour objet de proposer une bobine d'induction du type précité, qui permette un enroulement compact et soit facile à réparer, même lorsqu'on utilise des conducteurs de section relativement forte L'invention pro- pose en outre un procédé grâce auquel la bobine d'induction peut être fabriquée sans grande complexité. Dans une bobine cylindrique d'induction à plusieurs couches du type susmentionné, cet objet est atteint par le fait que ladite bobine comprend plusieurs bobines partielles réalisées sous la forme de segments de bobine présentant deux spirales de bobine à plusieurs spires ou couches; et par le fait que les deux spirales d'un segment sont enrou- lées dans des sens opposés, les spires ou couches d'enroule- ment internes de ces deux spirales étant reliées par un organe de transition déporté à l'oblique hors du plan desdi- tes spirales. Dans ces conditions, les segments de bobine formés par les deux spirales constit Lrent des ensembles respectifs compacts dans lesquels le conducteur de la bobine ne compor- te aucun coude accusé Dans un perfectionnement de l'inven- tion, les deux extrémités de chaque conducteur respectif d'un segment sont décalées radialement vers l'extérieur à partir des couches d'enroulement externes des spirales de bobine Cela permet un raccordement simple des câbles d'ali- mentation électrique, ainsi qu'une fixation simple des rac- cords de liquide de refroidissement dans le cas o le conduc- teur de bobine est réalisé avec refroidissement interne. Avec des segments de ce type, il est possible de produire des bobines d'induction de pratiquement n'importe quelle longueur et il est même possible d'aligner simplement les unes avec les autres des bobines partielles préfabriquées, de sorte que, malgré le montage rapide, on obtient une bobine d'induction compacte ayant un fort pourcentage de cuivre. Le pourcentage de cuivre fournit une indication sur l'ampleur effective du remplissage, par le conducteur en cuivre, de l'aire de la section de la bobine Plus le pourcentage de cuivre se rapproche de la valeur 1, plus le facteur de puissance et le degré d'efficacité de la bobine sont amélio- rés Dans la bobine d'induction selon l'invention, le pour- centage de cuivre se rapproche beaucoup de la valeur 1, au moins dans le sens radial. Chaque bobine partielle individuelle possède ses propres raccords d'admission et d'évacuation du fluide de refroidissement, respectivement Le refroidissement est presque totalement uniforme dans le sens axial de la bobine, de sorte qu'on ne constate une surchauffe à aucun endroit. En plus d'un facteur-de puissance relativement bon de la bobine, on obtient en outre l'avantage que cette bobine peut être réparée très rapidement, par exemple par un rempla- cement d'une ou de plusieurs bobines partielles Les bobines partielles individuelles sont très facilement accessibles et, du fait qu'elles présentent en particulier un circuit de refroidissement distinct, la bobine d'induction selon l'in- vention se caractérise par une grande fiabilité de fonction- nement. Dans un perfectionnement de l'invention, un raccorde- ment externe d'une spirale d'un segment de bobine est relié électriquement au raccordement de la spirale contiguë du segment voisin Grâce à cette interconnexion, les segments de bobine individuels sont branchés électriquement en série. Il est également envisageable de relier les unes aux autres les extrémités correspondantes des couches d'enroulement externes par un conducteur d'alimentation, ce qui permet d'obtenir un branchement en parallèle. Une bobine d'induction dans laquelle les conducteurs comportent chacun un canal interne de refroidissement peut être refroidie de manière particulièrement bonne et unifor- me lorsque chaque segment forme un circuit de refroidissement séparé et propre Grâce au type de refroidissement, les cou- ches d'enroulement individuelles de segments de bobine adja- cents peuvent présenter sensiblement la même température de refroidissement. Dans un procédé de fabrication d'une bobine d'induc- tion à plusieurs spires ou couches selon l'invention, il est prévu que, à partir de l'enroulement de plus petit diamètre, une spirale d'un segment de bobine soit enroulée dans le sens horaire et que l'autre spirale le soit dans le sens anti- horaire; que les extrémités internes des conducteurs de bobi- ne enroulés soient dégagées du plan des spirales; et que les extrémités internes soient soudées Etant donné que, lors du soudage, les deux spirales de bobine peuvent éventuellement être espacées l'une de l'autre, elles sont repoussées l'une vers l'autre après l'opération de soudage, ce qui leur confè- re une forme prete au montage, sous laquelle elles sont très rapprochées l'une de l'autre. Selon un autre procédé de fabrication d'une bobine d'induction conformément à l'invention, il est prévu que, à partir de l'enroulement de plus petit diamètre, deux-spirales de bobine soient enroulées dans le même sens; et que les extrémités internes des conducteurs de bobine enroulés soient solidarisées par soudage, une spirale de bobine étant décalée de 180 de l'autre spirale. En fonction du dispositif d'enroulement utilisé, le procédé cité en second lieu peut être particulièrement bien approprié étant donné que toutes les spirales de bobine peu- vent être enroulées dans une même direction, par exemple dans le sens horaire. Dans un procédé selon l'invention pour fabriquer une bobine d'induction à plusieurs spires ou couches, dans lequel il peut être renoncé à un soudage des deux extrémités inter- nes des conducteurs de bobine, il est prévu que le conduc- teur de longueur donnée soit, pour les deux spirales d'un segment, enroulé dans des sens opposés, à partir du centre de ce conducteur, pour former deux spirales juxtaposées. Dans ce procédé, le conducteur est par exemple placé par son centre sur un mandrin d'enroulement, après quoi les deux extrémités du conducteur sont enroulées dans des sens opposés tout autour dudit mandrin. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemple nullement limitatif en regard du dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une élévation latérale fragmentaire d'une bobine d'induction comportant une bobine partielle et la figure 2 est une élévation en bout de cette bobine d'induction. La figure 1 représente partiellement une bobine cylin- drique d'induction à plusieurs spires ou couches destinée au chauffage d'une pièce métallique 1 à usiner introduite dans l'espace interne de la bobine La partie de la bobine d'induction illustrée sur le dessin consiste en-une bobine partielle réalisée sous la forme d'un segment 2 de bobine. Ce segment 2 se compose de deux spirales 3 et 4 de bobine enroulées dans des sens opposés Dans l'exemple de réalisa- tion représenté, il est prévu un nombre total de huit cou- ches d'enroulement. Les deux spires ou couches d'enroulement internes des spirales 3 et 4 sont en liaison directe ave-c un organe de transition 5 Cet organe 5 s'étend à l'oblique par rapport au plan des deux spirales 3 et 4. Les extrémités, prolongées vers le haut, des couches d'enroulement externes sont mutuellement décalées, c'est-à- dire tirées vers l'extérieur du plan du dessin, ou bien repoussées vers l'intérieur de ce plan Cela ressort claire- ment de la figure 2 Le raccordement électrique de la bobine partielle est assuré par des bornes de connexion 6 et 7 Dans cette forme de réalisation, les conducteurs de la bobine sont réalisés sous la forme d'un conducteur creux présentant un canal interne de refroidissement Aux extrémités des conduc- teurs de la bobine, des manchons 8 et 9 de raccordement à un système de circulation d'eau assurent l'admission ou l'évacuation de l'eau, respectivement. Une bobine d'induction conformément à l'invention se compose de plusieurs segments 2 Comme le montrent les lignes en pointillés sur la figure 1, ces segments sont très rappro- chés les uns des autres Ils entourent un tube 10 d'isolation thermique dans lequel la pièce 1 à usiner est guidée à coulis- sement ou bien est rigidement maintenue en place Les bobines partielles individuelles peuvent être déportées les unes des autres d'une manière telle que les raccords de circulation d'eau, ainsi que les bornes de connexion pour le raccordement électrique soient facilement accessibles, comme l'indiquent des lignes en pointillés sur la figure 2 L'importance du décalage vers l'extérieur, dans le sens radial, des extrémi- tés des couches d'enroulement externes dépend de la manière dont la connexion électrique et le raccordement au tube sou- ple de circulation du fluide de refroidissement doivent être effectués Lors du montage, les bobines partielles sont tout d'abord introduites dans le corps du four Ensuite, le tube d'isolation thermique est glissé à l'intérieur de la bobine. En variante, en guise d'isolation thermique, une masse céra- mique peut être introduite dans la bobine incorporée rigide- ment. Pour former un branchement électrique en série, les bornes de connexion de deux spirales voisines de segments différents sont raccordées mutuellement En cas de branche- ment en parallèle, des spirales correspondantes des segments individuels sont reliées les unes aux autres. Selon un procédé de fabrication d'un segment 2 de bo- bine conformément à la figure 1, une spirale de bobine est tout d'abord enroulée sur un mandrin-d'enroulement dont le diamètre externe est légèrement plus grand que le diamètre externe du tube 10 d'isolation thermique, ce qui fait que des spires ou couches d'enroulement individuelles a, b h sont très rapprochées les unes des autres Ensuite, l'ex- trémité de la couche d'enroulement a la plus interne est sensiblement poussée ou tirée hors du plan formé par la spirale, en étant par exemple repoussée Vers l'intérieur du plan du'dessin selon la figure 2 L'extrémité correspondan- te, déportée vers l'extérieur, d'une spirale de bobine en- roulée dans le sens opposé est ensuite soudée à cette extré- mité décalée vers l'extérieur, ce qui fait que les deux spirales de la bobine sont alors reliées l'une à l'autre par l'organe de transition 5. Ce procédé est utilisé lorsque les deux spirales doivent être solidarisées par soudage pour former un seg- ment de bobine, sans que l'une de ces spirales doive être tirée à l'écart du mandrin d'enroulement avant que le seg- ment de bobine ait atteint sa position d'achèvement défi- nitive. Cependant, au lieu d'un enroulement de l'un-e des spirales de bobine dans le sens opposé, les deux spirales peuvent aussi être enroulées dans, le même sens, l'une des spirales étant alors toutefois décalée de 1800 avant que les extrémités de ladite spirale soient solidarisées par soudage. Dans un procédé dans lequel il n'est pas nécessaire de souder les extrémités de la couche d'enroulement située le plus à l'intérieur, il est prévu de placer un conducteur de bobine de longueur donnée par sop centre tangentiellement sur un mandrin d'enroulement, pour enrouler ensuite, l'une après l'autre ou simultanément, les deux moitiés dans des sens opposés Lorsqu'on applique ce procédé, il convient de veiller, avant l'enroule-ment ou pendant l'enroulement des couches situées à l'intérieur, à ce que le futur organe de transition soit convenablement orienté obliquement à l'axe de la bobine. Une fois les segments de bobine achevés, plusieurs segments de ce type peuvent être placés sur un tube d'iso- lation thermique, interconnectés électriquement et raccor- dés à des tuyaux flexibles de circulation du fluide de re- froidissement L'isolation électrique des conducteurs de la bobine est assurée par des couches de bande isolante enroulées sur la face externe du conducteur de bobine. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à la bobine et au procédé décrits et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Bobine cylindrique d'induction à plusieurs spires ou couches, destinée au chauffage ou à la fusion d'une sub- stance métallique placée dans son espace interne, bobine caractérisée par le fait qu'elle comprend plusieurs bobines partielles réalisées sous la forme de segments ( 2) de bobi- ne présentant deux spirales ( 3, 4) de bobine à plusieurs spires ou couches; et par le fait que les deux spirales ( 3.4) d'un segment sont enroulées dans des sens opposés, les spires ou couches d'enroulement internes de ces deux spira-. les ( 3, 4) étant reliées par un organe de transition ( 5) déporté à l'oblique hors du plan desdites spirales 2 Bobine d'induction selon la revendication 1, carac- térisée par le fait que les extrémités des couches d'enroule- ment externes des spirales ( 3,4) de bobine sont décalées radialement vers l'extérieur. 3 Bobine d'induction selon la revendication 2, carac- térisée par le fait qu'un raccordement externe d'une spirale d'un segment de bobine est relié électriquement au raccorde- ment de la spirale adjacente du segment voisin. 4 Bobine d'induction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les conducteurs compor- tent chacun un can al de refroidissement, bobine caractérisée par le fait que chaque segment ( 2) forme un circuit de re- froidissement propre et distinct. 5 Procédé de fabrication d'une bobine d'induction à plusieurs spires ou couches selon l'une quelconqi Se des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, à par- tir de l'enroulement de plus petit diamètre, une spirale d'un segment de bobine est enroulée dans le sens horaire, l'autre spirale étant enroulée dans le sens anti-horaire par le fait que les extrémités internes des conducteurs de bobine enroulés sont dégagées, par exemple poussées ou ti- rées vers l'extérieur, du plan des spirales; et par le fait que les extrémités internes sont soudées. 6 Procédé de fabrication d'une bobine d'induction à plusieurs spires ou couches selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, à partir de l'enroulement de plus petit diamètre, deux spirales de bobine sont enroulées dans le même sens; et par le fait que les extrémités internes des conducteurs de bobine enrou- lés sont solidarisées par soudage, une spirale de bobine étant décalée dé 180 de l'autre spirale perpendiculaire- ment à l'axe des spirales. 7 Procédé de fabrication d'une bobine d'induction à plusieurs spires ou couches selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, pour les deux spirales d'un segment, le conducteur de longueur donnée est enroulé dans des sens opposés, à partir du cen- tre de ce conducteur, pour former deux spirales de bobine juxtaposées.