Brevet FR2555353A1 — publié le 19850524

Electro-aimant à courant variable, notamment pour chauffage inductif L'invention concerne un électro-aimant à courant variable, notamment pour chauffage inductif. Elle est plus particulièrement adaptée au cas où le circuit magnétique de l'électro-aimant présente un grand entrefer et où la puissance alternative qui lui est fournie est importante. Ce cas se présente par exemple dans une aciérie lorsque l'électro-aimant est destiné au réchauffage inductif au défilé des bords de bandes de tôles qui doivent être ramenées à une température élevée, par exemple de l'ordre de 900 à 1200OC, égale à celle de la partie centrale de la bande. Le circuit magnétique de l'électro-aimant comporte habituellement un noyau rectiligne dans la longueur'duquel apparait l'entrefer et qui est entouré par l'enroulement d'excitation, et un cadre joignant les extrémités de ce noyau et présentant souvent la forme générale d'un C. La présente invention concerne cependant, de manière plus générale, tous les électro-aimants dont l'excitation est réalisée à l'aide d'un courant périodiquement variable, alternatif et sinusoidal par exemple ou redressé et comportant une composante continue et des harmoniques altellaatifs. Ces électro-aimants peuvent être utilisés à des fins diverses, ;;ettant en oeuvre des forces d'attraction magnétique comme dans certains outils de levage de pièces ferro-magnétiques, ou des forces de répulsion magnétique comme dans les dispositifs de sustentation magnétique, ou encore comme précédemment mentionné, les effets inductifs du champ magnétique variable pour chauffer des pièces constituées de matériaux conducteurs et pouvant présenter diverses formes. Un électro-aimant à courant variable connu comporte les éléments de base suivants - un noyau ferromagnétique présentant la forme générale d'un cylindre ou d'un prisme avec un axe selon une direction longitudinale, - et un enroulement d'excitation entourant coaxialement le noyau sur au moins une partie de sa longueur pour y induire un flux magnétique variable présentant une composante utile longitudinale et des composantes de fuite transversales, cet enroulement étant constitué par des spires d'un conducteur s'étendant selon la direction circonférentielle et présentant la forme d'un ruban avec une largeur supérieure au triple de son épaisseur. Cet électro-aimant est alimenté en courant alternatif et sa moitié supérieure est représentée sur la figure 1, sa moitié inférieure étant symétrique de la supérieure par rapport à un plan horizontal Ph. Le noyau ferromagnétique est représenté en Na et le circuit magnétique comporte en outre un cadre Ca. L'enroulement d'excitation est représenté en Ea et une spire du conducteur en forme de ruban qui le constitue en Ra. La largeur du ruban Ra s'étend selon des directions radiales c'est-à-dire perpendiculaires à l'axe ANa du noyau. Il est en effet bien connu que la résistance ohmique apparente de l'enroulement en courant alternatif est augmentée par effet pelliculaire. Cet effet résulte du fait que le conducteur est traversé par des composantes transversales du flux magnétique variable, qui modifient la répartition du courant dans le conducteur et confinent le courant dans une pellicule dont l'épaisseur est d'autant plus petite que la fréquence du courant est plus grande. Cette épaisseur s'étend sur une fraction d'une dimension de la section du conducteur, cette dimension étant celle qui est perpendiculaire au champ magnétique. Les lignes de ce champ sont représentées sur la figure en traits pointillés LCa.L'augmentation de résistance est d'autant plus importante que le conducteur est plus près de l'entre- fer EFa, et elle entraine une consommation accrue d'énergie électrique. L'augmentation de résistance apparente est évidemment d'autant plus grande que la pellicule parcourue par le courant occupe une fraction plus petite de la section totale du conducteur. C'est pourquoi la dimension du ruban Ra parallèle à la direction du champ magnétique générateur de l'effet pelliculaire doit être aussi grande que possible c'est-à-dire que cette dimension doit être la largeur du ruban. Cette dernière est -donc disposée radialement, puisque les lignes de champ magnétique à l'emplacement du conducteur sont essentiellement transversales par rapport au noyau c'est-à-dire radiales. Le flux transversal correspondant présente en outre l'inconvénient de constituer un flux de fuite qui diminue le flux utile dans l'entrefer. Mais il ntest pas pratiquement possible d'empêcher l'apparition de ce flux de fuite. Dans les électro-aimants du type de l'électro-aimant connu précé demment décrit la réduction de l'effet pelliculaire est obtenue par réduction de l'épaisseur ha du conducteur Ra autant que faire se peut. Pour des fréquences élevées et des électro-aimants nécessitant un courant d'excitation élevé, il peut devenir difficile de concevoir l'enroulement, la réalisation de la section nécessaire au passage du courant pouvant conduire à une largeur (la) excessive si ha doit être très petit. De toute façon, même si cette largeur reste acceptable, l'enroulement de la spire sur son chant est généralement impossible, ce qui oblige à former séparément chaque spire en la découpant dans une feuille mince du matériau conducteur et à connecter les spires successives par brasure, telles les bobines dites de Bitter. La fabrication de l'électro-aimant est alors couteuse. Il se pratique également la subdivision de la spire en éléments plus petits mis en parallèle mais qu'il faut transposer tout au long de l'enroulement pour qu'en moyenne chaque élément soit soumis à la même induction. C'est ce qu'on essaye d'obtenir avec des câbles multi-brins torsadés faute de pouvoir réaliser des transpositions plus élaborées comme dans les barres d'alternateur par tressage Roëbel par exemple. Cette méthode de fabrication est elle aussi longue et donc couteuse. La présente invention a pour but la réalisation d'un électro-aimant à courant variable, notamment pour chauffage inductif, de manière que les pertes d'énergie électrique dans son enroulement d'excitation par effet pelliculaire soient réduites et qu'en même temps sa fabrication soit simple. L'électro-aimant selon l'invention comporte les éléments de base connus précédemment mentionnés et il est caractérisé par le fait que - le noyau est muni de dents ferromagnétiques qui forment des saillies selon la direction radiale sur la surface latérale du noyau, qui sont réparties sur la longueur du noyau, et qui ménagent entre elles des encoches, - les spires de l'enroulement d'excitation étant disposées -dans ces encoches de manière que les composantes transversales du flux magnétique variable soient canalisées par ces dents et eeartées ainsi dudit conducteur dans lequel elles pourraient perturber la répartition du courant électrique, - la largeur de ce conducteur en forme de ruban étant disposée selon la direction longitudinale de manière à permettre un enroulement facile de ce conducteur autour du noyau. A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue en coupe sans hachures de la moitié supérieure d'un électro-aimant connu avec section hachurée d'une spire de son enroulement d'excitation, et représentation de certaines lignes de champ magnétique. La figure 2 représente une vue en coupe sans hachures d'une encoche du noyau magnétique d'un électro-aimant selon l'invention, en face du cadre, avec section hachurée d'une spire de son enrolement d'excitation et représentation de certaines lignes de champ magnétique. La figure 3 représente une vue de côté avec arrachement partiel de l'électro-aimant de la figure 2. La figure 4 représente une vue en coupe d'une bobine élémentaire de l'enroulement d'excitation de l'électro-aimant de la figure 3. La figure 5 représente une vue en perspective éclatée de la moitié supérieure du circuit magnétique de l'électro-aimant de la figure 3. La figure 6 représente une vue de dessus du noyau magnétique avec l'enroulement d'excitation de l'électro-aimant de la figure 3, I'enve- loppe isolante d'une bobine élémentaire étant partiellement arrachée pour faire apparaître les spires de cette bobine. Le noyau de l'électro-aimant des figures 2 à 6 porte la référence N et son axe la référence AN. Conformément à la figure 3 le noyau N est constitué de deux moitiés alignées N1, N2 séparées par un entrefer EF et entourées chacune par un enroulement d'excitation E. Un circuit magnétique est formé par ce noyau N et par un cadre C joignant les deux extrémités de ce noyau. Conformément à la présente invention le noyau N est muni de dents ferromagnétiques D qui forment des saillies selon la direction radiale sur la surface latérale du noyau, qui sont réparties sur la longueur du noyau, et qui ménagent entre elles des encoches K. Ces dents peuvent faire chacune un tour du noyau et se succéder longitudinalement comme représenté, mais elles pourraient aussi, par exemple, n'avoir chacune qu'une faible extension angulaire autour de l'axe AN, ou encore se succéder sans solution de continuité en faisant plusieurs tours autour de l'axe AN selon une hélice. Les spires de l'enroulement d'excitation E sont disposées dans ces encoches K de manière que les composantes transversales du flux magnétique variable soient canalisées par ces dents et écartées ainsi dudit conducteur R dans lequel elles pourraient perturber la répartition du courant électrique : La figure 2 représente les lignes de champ mangétique LC et illustre le fait que, dans la plus grande partie des enco ches K le champ est sensiblement longitudinal, c'est-à-dire parallèle à l'axe AN. Il est de plus relativement très faible. Ceci correspond au fait que les composantes transversales du champ sont sensiblement éliminées de la plus grande partie du volume de ces encoches.Les lignes de champ ~ partir du sommet des dents D apparaissent au contraire sensi bleme.t transversales ; ceci correspond au fait que la composante trans verste du flux magnétique est canalisée par les dents D, c'est-à-dire concentrée dans ces dents. La figure 2 illustre également la disposition du conducteur R : sa largeur 1 est disposée selon la direction longitudinale de manière à permettre un enroulement facile autour du noyau N, cette facilité d'enroulement tenant à la petite épaisseur h du ruban. Le cadre C passe à distance des sommets des dents D, de maniere à éviter que les composantes transversales du flux magnétique présentent une intensité excessive. Il y a en effet formation par chaque dent d'un circuit ferromagnétique parasite qui serait génant si cette distance n'était pas grande par rapport à l'entrefer EF. De préférence, et comme représenté sur les figures 3 et 4 les encoches K se succèdent selon la direction longitudinale AN. L'enroulement d'excitation E est alors constitué par une succession longitudinale de bobines élémentaires B séparées par lesdites dents et constituées chacune par des spires S superposées selon la direction radiale à partir du fond d'une encoche. De préférence encore, et comme représenté sur les figures 2 et 4 la dernière spire de la bobine B reste en deça du sommet des dents adjacentes D de manière à rester plus complètement à l'écart des composantes transversales du flux magnétique. La figure 4 fait en outre apparaitre que chaque bobine élémentaire B est contenue dans une enveloppe isolante EI et munie, sur sa face éloignée de l'axe AN, d'un circuit de refroidissement CR alimenté en eau selon les flèches FR de la figure 6. Des feuilles isolantes minces non représentées isolent les spires 5 successives. Des pattes de connexion PC permettent l'alimentation de chaque bobine en courant alternatif, en série ou en parallèle avec les autres bobines. De préférence, pour faciliter sa fabrication par des procédés classiques, et comme représenté sur les figures 5 et 6, le noyau N est prismatique avec une section sensiblement rectangulaire et avec une surface latérale constituée par la succession circonférentielle d'une première, d'une deuxième, d'une troisième et d'une quatrième faces, F1, F2, F3 et F4, respectivement. Dans ce cas une partie principale PP de ce noyau est constituée par des tôles parallèles auxdites deuxième et quatrième faces et empilées selon une première direction transversale parallèle aux première et troisième faces. Les bords longitudinaux de ces tôles sont découpés pour former lesdites dents et lesdites encoches sur au moins l'une desdites première et troisième faces et de préférence sur ces deux faces, comme représenté. Les dents sur les autres faces peuvent être avantageusement réalisées comme suit - ledit noyau N comporte en outre au moins une partie latérale PL constituée par des tôles empilées selon une deuxième direction transversale parallèle auxdites deuxième F2 et quatrième F4 faces, - un bord longitudinal de chacune de ces tôles étant un bord intérieur appliqué contre ladite partie principale PP, - l'autre bord longitudinal de chacune de ces tôles étant un bord extérieur découpé pour former lesdites dents D et lesdites encoches K sur l'une desdites deuxième et quatrième faces. De préférence, comme représenté, lesdites encoches K sont formées sur les quatre dites faces F1, F2, F3, F4 et la largeur des tôles de ladite partie latérale PL au fond desdites encoches K est inférieure à la profondeur de ces encoches, de manière que lesdites bobines élémentaires B soient contenues sur la plus grande partie de leur longueur dans les encoches. Conformément à la figure 3 les bobines B sont protégées par un boîtier thermiquement isolant PT de la chaleur provenant d'une brame d'acier BR dont le bord est réchauffé par l'électro-aimant et défile, grâce à des rouleaux non représentés, dans l'entrefer EF, dans une direction perpendiculaire au plan de la figure. Dans un cas particulier les encoches K sont au nombre de 6 sur chaque demi noyau N1 ou N2 et présentent une largeur de 32 mm et une profondeur de 35 mm. Chaque encoche K contient une bobine élémentaire de 6 spires constituées d'un ruban de 25 mm x 2 mm en cuivre, ceinturé par un refroidisseur à circulation d'eau CR constitué d'un tube de cuivre brasé sur un méplat de 25 mm x 1 mm en cuivre. L'ensemble est destiné à fonctionner jusqu'à 900 Hz. Avec un courant de 350 A dans chaque spire on assure une induction de 0,22 T dans un entrefer de 150 mm, en regard de noyaux magnétiques de dimensions 100 mm x 180 mm. Les pertes électriques par effet pelliculaire sont alors de 3000 W alors que, dans les mêmes conditions de fonctionnement (même brame BR à réchauffer), elles auraient été de 12000 W avec ltélectro-aimant connu précédemment mentionné et construit avec un ruban de mêmes dimensions 25 mm x 2 mm. REVENDICATIONS 1/ Electro-aimant à courant variable, notamment pour chauffage inductif, comportant - un noyau ferromagnétique (N) présentant la forme générale d'un cylindre ou d'un prisme avec un axe (AN) selon une direction longitudinale, - et un enroulement d'excitation entourant coaxialement le noyau sur au moins une partie de sa longueur pour y induire un flux magnétique variable présentant une composante utile longitudinale et des composantes de fuite transversales, cet enroulement étant constitué par des spires d'un conducteur s'étendant selon la direction circonférentielle et présentant la forme d'un ruban avec une largeur (1) supérieure au triple de son épaisseur (h), - cet électro-aimant étant caractérisé par le fait que le noyau (N) est muni de dents ferromagnétiques (D) qui forment des saillies selon la direction radiale sur la surface latérale du noyau, qui sont réparties sur la longueur du noyau, et qui ménagent entre elles des encoches (K), - les spires de l'enroulement d'excitation (E) étant disposées dans ces encoches (K) de manière que les composantes transversales du flux magnétique variable soient canalisées par ces dents et écartées ainsi dudit conducteur (R) dans lequel elles pourraient perturber la répartition du courant électrique, - la largeur (l) de ce conducteur (R) en forme de ruban étant disposée selon la direction longitudinale de manière à permettre un enroulement facile de ce conducteur autour du noyau (N). 2/ Electro-aimant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites encoches (K) se succèdent selon la direction longitudinale (AN), - l'enroulement d'excitation (E) étant constitué par une succession longitudinale de bobines élémentaires (B) séparées par lesdites dents (D) et constituées chacune par des spires (S) superposées selon la direction radiale à partir du fond d'une encoche. 3/ Electro-aimant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la dernière spire de la bobine (B) reste en deça du sommet des dents adjacentes (D) de manière à rester plus complètement à l'écart des composantes transversales du flux magnétique. 4/ Electro-aimant selon la revendication 2 dans lequel ledit noyau (N) est prismatique avec une section sensiblement rectangulaire et avec une surface latérale constituée par la succession circonférentielle d'une première (F1), d'une deuxième (F2), d'une troisième (F3) et d'une quatrième (F4) faces, - une partie principale (PP) de ce noyau étant constituée par des tôles parallèles auxdites deuxième et quatrième faces et empilées selon une première direction transversale parallèle auxdites première et troisième faces, - ce noyau étant caractérisé par le fait que les bords longitudinaux de ces tôles sont découpés pour former lesdites dents (D) et lesdites encoches (K) sur au moins l'une desdites première (F1) et troisième (F3) faces. 5/ Electro-aimant selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit noyau (N) comporte en outre au moins une partie latérale (PL) constituée par des tôles empilées selon une deuxième direction transversale parallèle auxdites deuxième (F2) et quatrième (F4) faces, - un bord longitudinal de chacune de ces tôles étant un bord intérieur appliqué contre ladite partie principale (PP), - l'a;tre bord longitudinal de chacune de ces tôles étant un bord extérieur découpé pour former lesdites dents (D) et lesdites encoches (K) sur l'une desdites deuxième et quatrième faces. 6/ Electro-aimant selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdites encoches (K) sont formées sur les quatre dites faces (F1, F2, F3, F4) et la largeur des tôles de ladite partie latérale (PL) au fond desdites encoches (K) est inférieure à la profondeur de ces encoches, de manière que lesdites bobines élémentaires (B) soient contenues sur la plus grande partie de leurlongueur dans les encoches. 7/ Electro-aimant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le noyau (N) est constitué de deux moitiés alignées (N1, N2) séparées par un entrefer (EF) et entourées chacune par un enroulement d'excitation (E), un circuit magnétique étant constitué par ce noyau (N) et par un cadre (C) joignant les deux extrémités de ce noyau, et passant à distance des sommets desdites dents (D), de manière à éviter que lesdites composantes transversales du flux magnétique présentent une intensité excessive.