Brevet FR2566986A1 — publié le 19860103

Dispositif à induction électromagnétique, pour le chauffage d'éléments métalliques. La présente invention concerne un dispositif à induction électromagnétique pour le chauffage d'éLé- ments métalliques. Ce dispositif s'applique aux traite- ments thermiques par induction, d'éléments métalliques et notamment de fils ou barres d'aluminium. On sait réaliser des traitements thermiques à l'aide d'un in- ducteur solénolde à l'intérieur duquel circule l'élé- ment métallique à traiter. Ce type de dispositif a pour avantage d'être très simple mais il présente d'im- portants inconvénients: son rendement est faible pour les non-ferreux; de plus, lorsque des éléments métal- liques tels que des fils ou barres d'aluminium prove- nant d'un système de coulée continue,sont à traiter, ces éléments par suite d'incidents de fonctionnement du système mécanique aval peuvent venir s'enchevêtrer dans le solénoide et provoquer sa détérioration. On connaît aussi un autre type de dispositif à induction électromagnétique, pour le chauffage d'élé- ments métalliques; cet autre dispositif comprend un circuit magnétique ayant la forme d'une boucle plane ouverte à deux extrémités situées face à face, et des enroulements inducteurs bobinés sur ce circuit. L'élé- ment métallique à chauffer est placé dans l'entrefer situé entre les deux extrémités de la boucle. Ce dispo- sitif est décrit dans la demande de brevet français n 2489645 déposée le 27/08.81, au nom du même deman- deur. Ce type de dispositif, bien que ne présentant pas l'inconvénient de pouvoir être détérioré lors du dépla- cement des fils métalliques à traiter, présente cepen- dant un rendement très faible; ce faible rendement ré- sulte essentiellement de l'emplacement des enroule- ments inducteurs sur le circuit magnétique ainsi que des pertes intervenant dans le circuit magnétique et les enroulements. Ces enroulements sont en effet situés assez loin de l'entrefer et le rendement est assez fai- ble à cause des pertes par courants de Foucault et des pertes thermiques. L'invention a pour but de remédier aux incon- vénients mentionnés plus haut et notamment de réaliser un dispositif à induction électromagnétique, pour le chauffage d'éléments métalliques, présentant un rende- ment élevé, dans lequel les pertes thermiques et les pertes par courants de Foucault sont minimisées; La forme du dispositif permet en outre dechauffer des éléments métalliques ayant la forme de fils barres ou de fils circulant dans l'entrefer de manière continue, sans risque de détérioration. L'invention a pour objet un dispositif à in- duction électromagnétique comprenant au moins un cir- cuit magnétique en boucle plane ouverte à deux extrémi- tés situées face à face, un inducteur bobiné sur cet enroulement, l'élément à chauffer étant placé dans l'entrefer situé entre les deux extrémités de la bou- cle, caractérisé en ce que ledit inducteur comprend deux enroulements bobinés sur le circuit magnétique, respectivement à proximité des deux extrémités de la boucle, ces enroulements étant alimentés respective- ment par des courants électriques alternatifs en phase, chaque extrémité de la boucle s'amincissant en forme de chanfrein vers l'entrefer. Selon une autre caractéristique, une encoche est taillée sur chacune des faces des extrémités de la boucle, perpendiculairement à la direction du champ créée par la bobine et perpendiculairement au plan de la boucle du circuit magnétique. - Selon une autre caractéristique, le circuit magnétique comprend, au moins au voisinage desdites extrémités, des moyens de refroidissement. Selon une autre caractéristique, les enrou- lements comprennent des moyens de refroidissement. Selon une autre caractéristique, chaque en- roulement est constitué par un câble à plusieurs brins, bobiné autour de l'inducteur au voisinage de l'extrémi- té correspondante de la boucle. Selon une autre caractéristique, L-esdits moyens de refroidissement de chaque enroulement sont constitués par une gaine contenant chaque câble et par- courue par un fluide de refroidissement. Selon une autre caractéristique, les moyens de refroidissement du circuit magnétique sont consti- tués par au moins un conduit parcouru par un -fluide de refroidissement et situé à l'intérieur du circuit ma- gnétique. Selon une autre caractéristique, le circuit magnétique est constitué par un assemblage de plaques découpées respectivement en forme de boucles élémentai- res ouvertes à deux extrémités, ces plaques étant dé- coupées et assemblées pour que leurs extrémités forment lesdits chanfreins. Selon une autre caractéristique, le disposi- tif comprend au moins une paire de circuits magnétiques identiques placés côte à côte, parallèlement l'un à l'autre, de manière que leurs entrefers soient en re- gard l'un de l'autre, l'enroulement bobiné sur l'un des circuits magnétiques étant alimenté par un courant al- ternatif en phase avec le courant alternatif qui ali- mente l'autre enroulement. Les caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence à la figure unique annexée. La figure unique représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention. Ce dispositif à induction électromagnétique permet de chauffer des élé- ments métalliques et notamment des fils ou barres d'aluminium provenant d'un système de coulée continue; ces fiLs ou barres doivent subir un traitement thermi- que par réchauffage jusqu'à 520 C par exemple. Le dispositif comprend au moins un circuit magnétique 2 en boucle plane ouverte à deux extrémités 3, 4, situées face à face. Ce dispositif comprend aussi un inducteur à deux enroulements 5, 6, bobinés sur le circuit magnétique 2, respectivement à proximité des deux extrémités 3, 4 de la boucle. L'élément métallique à chauffer est placé dans l'entrefer 7, entre les deux extrémités de la boucle; les enroulements 5, 6 sont alimentés respectivement par des courants électriques alternatifs en phase, fournis par exemple par une sour- ce électrique de courant alternatif 8. Chaque extrémité de la boucle du circuit magnétique 2 a la forme d'un chanfrein dirigé vers l'entrefer 7. Des encoches 9, 10 sont taillées sur les faces des extrémités 3, 4 de la boucle du circuit magnétique 2, perpendiculairement à la direction du champ créée par les bobines et perpen- diculairement au plan de la boucle du circuit magnéti- que. Le circuit magnétique peut être constitué soit par des tôles de fer doux, soit par des blocs de ferrite. Les chanfreins aux extrémités opposées de ce circuit permettent d'augmenter la concentration du champ magnétique, vers l'élément métallique à chauffer. Les chanfreins 24 et 25 permettent également de réduire les échauffements du circuit magnétique, dus aux cou- rants de Foucault, qui se produiraient sur les bords des extrémités du circuit magnétique, en absence de chanfreins. Les encoches 9, 10 sont destinées à assurer dans l'entrefer une bonne stabilité mécanique de l'élé- ment mécanique chauffé, notamment lorsque celui-ci a la forme d'un fil ou d'une barre. Elles permettent en fait de produire un champ magnétique constant dans l'entre- fer évitant ainsi l'apparition de forces de répulsion qui ont tendance à éjecter de l'entrefer l'éLément à chauffer. En effet, en absence d'encoche, un point d'équilibre instable apparaît à mi-hauteur de L'entre- fer. De manière à parfaire le guidage de l'élément mié- tallique à chauffer, notamment lorsque celui-ci a la forme d'un fil ou d'une barre, une piece de guidage 11 est placée dans l'entrefer 7; cette pièce de guidage qui peut être constituée par exemple dans un matériau thermiquement isolant est solidaire des extrémités de la boucle du circuit magnétique 2 et prend appui au fond des encoches 9, 10. Les enroulements 5, 6 sont bobinés aux extrémités de la boucle 2, au plus près de l'entrefer, de manière à éviter les fuites de flux ma- gnétique. Ces enroulements sont constitués par des câ- bles 12, 13 à plusieurs brins (de cuivre par exemple) représentés schématiquement sur la figure. Des moyens de refroidissement des enroule- ments sont prévus: Dans le mode de réalisation de l'invention, ils sont constitués par des gaines plastiques 15, 16 enrobant les câbles et dans lesquelles circule un li- quide de refroidissement, provenant d'une pompe 17 re- liée à un réservoir 18 contenant ce liquide de refroi- dissement (de l'eau par exemple). Le refroidissement des enroulements permet de limiter les pertes par cou- rants de Foucault dues à l'induction qui sort du cir- cuit magnétique; le rendement du dispositif est accru par ce type d'inducteur. Des moyens de refroidissement du circuit ma- gnétique 2 sont également prévus au voisinage des ex- trémités de la boucle; ils sont constitués par des conduits 19, 20 reliés par exemple à la pompe 17 et au réservoir 18 permettant de faire circuler un liquide de refroidissement, dans des conduits internes au circuit magnétique 2. Ces circuits de refroidissement qui sont connus dans l'état de la technique, ne sont pas repré- sentés sur la figure. Le refroidissement des tôles de fer ou des blocs de ferrite du circuit magnétique 2, permet aussi d'accroître le rendement du dispositif. Le circuit de refroidissement à l'intérieur du circuit magnétique peut être constitué par un con- duit de forme appropriée ou par une "boite à eau" épou- sant la forme du circuit magnétique, notamment au voi- sinage de chaque extrémité de la boucle. Les plaques de fer ou les blocs de ferrite qui constituent le circuit magnétique sont assemblés par des moyens connus dans l'état de la technique et non représentés sur la figu- re. Ces plaques sont découpées de manière à présenter la forme de boucles et de manière qu'après assemblage, les extrémités du circuit magnétique forment des chan- freins. Le dispositif de l'invention comprend de pré- férence une paire de circuits magnétiques 2, 21, iden- tiques, placés côte à côte, parallèlement l'un à l'au- tre, de manière que leurs entrefers 7, 22 soient en regard l'un de l'autre. Le deuxième circuit magnétique 21 comprend aussi deux enroulements (non représentés sur la figure), bobinés à chacune de ses extrémités, ainsi que des moyens de guidage 23, dans l'entrefer 22. Les enroulements bobinés sur le deuxième circuit magné- tique 21 sont alimentés (de manière non représentée mais semblable à celle des enroulements 5, 6) par un courant électrique alternatif en opposition de phase avec le courant alternatif qui alimente les enroule- ments bobinés sur le circuit magnétique 2. Le fil ou la barre d'aluminium à chauffer circulent dans les pièces de guidage thermiquement isolante 11, 23. L'alimentation des enroulements des premier et deuxième circuits magnétiques 2, 21 par des courants alternatifs en opposition de phase permet de produire respectivement, dans les entrefers de ces enroulements, des flux magnétiques de sens opposés; cette disposi- tion permet d'éviter la présence de tout flux magnéti- que dans le circuit formé par l'élément h réchauffer et par les appareils qui permettent de manipuler cet élé- ment. Tout flux magnétique dans ce circuit provoque en effet l'apparition d'un courant préjudiciable au chauf- fage de l'élément métallique. Des essais effectués sur un échantillon cons- titué par un fil d'aluminium de 26 mm de diamètre Qnt permis de montrer que le rendement du dispositif était de 65%; le dispositif qui a permis ces essais présen- te, pour chacun des circuits magnétiques, un entrefer de largeur 45 mm. Les enroulements, pour ces essais, sont alimentés par un courant alternatif d'intensité on voisine de 2500 A et présentant une fréquence de 280 Hz; la puissance du dispositif est de 14000 W. Le dispositif mis en oeuvre pour les essais a permis de porter la température du fil d'aluminium à 520 .- REVENDICATIONS 1. Dispositif à induction électromagnétique pour le chauffage d'éléments métalliques (1), compre- nant au moins un circuit magnétique (2) en boucle plane ouverte à deux extrémités (3, 4) situées face à face, un inducteur (5, 6) bobiné sur ce circuit magnétique, l'élément (1) à chauffer étant placé dans l'entrefer (7) situé entre les deux extrémités de la boucle (3, 4), caractérisé en ce que ledit inducteur comprend deux enroulements (5, 6) bobinés sur le circuit magnétique (2), respectivement à proximité des deux extrémités (3, 4) de la boucle, ces enroulements étant alimentés res- pectivement par des courants électriques alternatifs en phase, chaque extrémité de la boucle s'amincissant en forme de chanfrein vers l'entrefer. 2. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'une encoche (9 ou 10) est taillée sur chacune des faces des extrémités (3, 4) de la bou- cle (2), perpendiculairement à la direction du champ créé par la bobine et perpendiculairement au plan de la boucle. 3. Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que le circuit magnétique (2) comprend, au moins au voisinage desdites extrémités (3, 4), des moyens de refroidissement (17, 18, 19, 20). 4. Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les enroulements (5, 6) comprennent des moyens de refroidissement (15, 16, 17, 18). 5. Dispositif selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que chaque enroulement (5 ou 6) est constitué par un c ble (12 ou 13) à plusieurs brins, bobiné autour du circuit magnétique (2) au voisinage de l'extrémité correspondante de la boucle. 6. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que lesdits moyens de refroidissement de chaque enroulement sont constitués par une gaine (15 ou 16) contenant chaque câble (12 ou 13) et parcourue par un fluide de refroidissement. 7. Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que les moyens de refroidissement du circuit magnétique (2) sont constitués par au moins un conduit parcouru par un fluide de refroidissement et situé à l'intérieur du circuit magnétique. 8. Dispositif selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que le circuit magnétique (2) est cons- titué par un assemblage de plaques découpées respecti- vement en forme de boucles élémentaires ouvertes à deux extrémités, ces plaques étant découpées et assemblées pour que leurs extrémités (3, 4) forment lesdits chan- freins. 9. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une paire de circuits magnétiques (2, 21) identi- ques placés côte à côte, parallèlement l'un à l'autre de manière que leurs entrefers (7, 22) soient en regard l'un de l'autre, l'enroulement bobiné sur l'un des cir- cuits magnétiques (2) étant alimenté par un courant al- ternatif en opposition de phase avec le courant alter- natif qui alimente l'enroulement bobiné sur l'autre circuit (21).