Brevet FR2573947A1 — publié le 19860530

Dispositif de chauffage de produits plats au défilé par induction élec tromagnétique selon un maillage carré L'invention concerne le chauffage de produits plats électriquement conducteurs, ce chauffage étant effectué au défilé par induction électromagnétique. De nombreux dispositifs connus utilisés pour cela comportent les éléments communs suivants - Un système de transfert pour maintenir le produit plat à chauffer dans un plan de chauffage et le faire défiler selon une direction longitudinale de transfert dans ce plan. (La largeur du produit est disposée selon une direction transversale également dans ce plan et son épaisseur selon une direction de flux, chacune de ces trois directions étant perpendiculaire aux deux autres.) - Des enroulements d'excitation d'inducteur. - Des moyens d'alimentation électrique pour fournir à ces enroulements une intensité électrique périodiquement variable selon le temps et commandable en amplitude, et pour leur faire ainsi produire un flux magnétique variant comme cette intensité, - Et des circuits magnétiques d'inducteur pour canaliser ce flux et former un flux de chauffage traversant le produit à chauffer sensiblement selon ladite direction de flux. L'invention s'applique au cas fréquent où le chauffage doit être homogène sur toute la surface du produit. Parmi les dispositifs connus pour obtenir un tel chauffage, la plupart utilisent un champ magnétique dont le profil est uniforme sur la plus grande partie de la largeur du produit. Ce profil est corrigé sur les bords de façon à obtenir un chauffage homogène sur toute la largeur par aménagement de la répartition des courants de fermeture. L'homogénéité selon la longueur résulte du défilement longitudinal du produit. Il en est notamment ainsi selon le brevet britannique nO 1.546.367 : Les corrections de bords sont obtenues par des dispositifs complémentaires divers (bobines ou ponts magnétiques additionnels, modifications d'entrefer,...) qui augmentent le coût du chauffage notamment parce qu'ils doivent être adaptés à la réaction d'induit du produit, cette réaction dépendant des caractéristiques variables de ce dernier : épaisseur, résistivité. Un autre dispositif connu dit "à maillage carré" permet parfois de s'affranchir des difficultés précédentes. Il est décrit par la présente deianderesse dans sa demande de brevet français nO 2.538.665 du 28 Décembre 1982. L'inducteur constitué par les enrouleients et les circuits agnétiques réalise un taillage carré du flux de chauffage selon lesdites directions longitudinale et transversale, avec dans chacun des carreaux de flux ainsi forés, une distribution sinusoldale du champ agnétique suivant ces deux directions, ce chaip s'annulant sur les côtés des carrés.Si le produit à chauffer a une largeur égale à un nombre entier de fois le pas du maillage chacun de ses deux bords peut être amené en coincidence avec une ligne de joints entre carreaux de flux. Le chauffage est alors homogène sans aucune correction de bords. Nais, si la largeur du produit ne contient pas un nombre entier de fois le pas du maillage, une hétérogénéité de teipérature apparatt sur un ou les deux bords. Pour diminuer cette hétérogénéité on peut d'une part nodifier l'intensité d'excitation des éléments du maillage en regard de ces bords, d'autre part prévoir un pas du maillage relativement petit pour que la diffusion de chaleur par conduction apporte une homogénéisatien acceptable dans cette zone.Mais la diminution du pas du maillage peut abaisser de manière béante la puissance surfacique inductible dans le produit pour son chauffage car cette puissance varie comme la quatrième puissance de ce pas, et ceci sans assurer pour autant une homogénéisation suffisante par conduction dans le produit si la vitesse de défilement est relativement grande temps de transfert bref). On peut aussi ajouter des inducteurs complémentaires de compensation en regard de ces bords, mais le coût d'une opération de chauffe apparatt alors devoir être notablement aux enté parce que ces inducteurs coipléien- taires doivent être adaptés non seulement à l'épaisseur et à la résistivité du produit à chauffer, mais aussi à la position des bords latéraux du produit à chauffer par rapport au maillage carré. Plus précisément lorsque la largeur du produit ne coïncide pas avec un nombre entier de de i-longueurs d'onde du champ, il apparaît, soit un excès, soit un défaut de chauffage, après défilement, au voisinage des bords du produit. Cet effet sera désigné dans la suite par effet de bord.La raison en est que la composante transversale des courants induits est coupée par le bord, et que leur composante longitudinale peut alors, suivant les cas, augmenter ou diminuer près des bords, si bien que la somme des carrés de ces composantes, qui après intégration dûe au défilement, produit l'échauffement, peut augmenter ou diminuer. Cette incertitude sur le sens de l'effet de bord (surchauffe ou sous-chauffe) est très génante pour la mise en oeuvre d'un dispositif de compensation La présente invention a pour but de réaliser un dispositif de chauffage de produits plats au défilé par induction électromagnétique de manière à chauffer de manière homogène des produits divers, notamment quant à leurs largeurs, en compensant les effets de bords sans nouveau réglage lorsqu'on change de produit à chauffer. Elle a pour objet un dispositif de ce genre comportant les éléments communs précédemment mentionnés. Les enroulements et circuits magnétiques de ce dispositif présentent comme connu une constitution périodique à la fois selon deux directions de maillage perpendiculaires, avec un même pas de maillage de manière que les variations de ltamplitude du flux de chauffage dans le plan de chauffage dessinent un maillage carré constitué par une juxtaposition de carreaux de flux de côtés égaux à ce pas. Un tel maillage fait apparattre selon diverses directions des périodicités dans la répartition du flux intégré selon des lignes perpendiculaires à ces directions, chacune de ces périodicités présentant un pas de périodicité qui est plus petit que ce pas de maillage lorsque cette direction n'est pas l'une des deux directions de maillage. Le circuit magnétique comporte dans chacun desdits carreaux au moins une pièce polaire centrale telle que l'amplitude du flux de chauffage s'annule sur les côtés du carreau, la forme de cette pièce étant choisie de plus pour que cette amplitude soit maximale au centre du carreau avec une répartition sensiblement en forme d'arche de sinusoïde selon chacune des deux directions de maillage de manière à appliquer au produit à chauffer une puissance de chauffage homogène dans la surface de chaque carreau et égale dans les divers carreaux. Le nombre de carreaux de flux qui se succèdent longitudinalement est sensiblement le même sur toute la largeur du produit à chauffer, de manière à réaliser un échauffement homogène de ce produit après son défilement sauf une hétérogénéité éventuelle d'échauffement au voisinage de ses bords. Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs inducteurs élémentaires qui se succèdent longitudinalement, qui présentent ladite constitution périodique avec les mêmes directions de maillage et le même pas de maillage et dont chacun présente par rapport à un autre un décalage selon ladite direction transversale, les valeurs de ces décalages étant égales à des fractions du pas de périodicité dudit maillage selon cette direction et étant régulièrement réparties sur ce pas, de manière que ladite hétérogénéité d'échauffement soit constituée par un défaut d'échauffement de bord de valeur sensiblement constante quelle que soit la position du bord du produit à chauffer par rapport aux inducteurs, - deux organes de chauffage complémentaire de bord étant prévus pour compenser ce défaut d'échauffement. Il doit être compris que les pas de maillage et de périodicité en question correspondant à la périodicité de l'amplitude du champ magnétique alternatif de chauffage, c'est dire que deux pièces polaires qui, à un instant donné, forment l'une un pale nord, l'autre un pôle sud sont considérées comme identiques. Par ailleurs, en raison de l'intégration des puissances de chauffage surfaciques qui est réalisée selon la direction longitudinale par le défilement du produit à chauffer, le pas de périodicité selon la direction transversale est à mesurer sur les valeurs du champ ou de la puissance en ne faisant pas de différence entre deux points situés sur une même droite longitudinale, ceci en ne tenant compte que du seul inducteur élémentaire considéré. De préférence le nombre desdits inducteurs élémentaires est deux, ledit décalage transversal de l'un par rapport à l'autre étant alors d'un demi pas de périodicité.- Il est en effet apparu à l'inventeur que lorsque l'on met à la suite plusieurs inducteurs élémentaires identiques convenablement décalés transversalement, et plus particulièrement deux inducteurs, il y a compensation partielle des effets de bord, et que le résultat intégré par défilement est alors toujours une sous-chauffe. De plus, celle-ci, lorsqu'elle est exprimée en pourcent du chauffage de référence (calculé loin des bords), est indépendante de la largeur, de l'épaisseur et de la conductibilité électrique des produits. Elle atteint 45% sur un demi pas de périodicité, lorsque les directions de maillage colncident avec les directions longitudinale et transversale. De préférence, les circuits magnétiques des deux dits inducteurs élémentaires sont réunis par un circuit magnétique de raccordement avec pièces polaires de manière à raccorder les lignes de flux d'un inducteur élémentaire à l'autre en passant une fois à travers le produit à chauffer et à constituer un inducteur composite. Ce circuit de raccordement permet d'éviter une perturbation du flux de l'un des inducteurs élémentaires par l'autre (interférence des deux flux) sans augmentation excessive de la longueur du dispositif. De plus, il augmente l'efficacité du dispositif et rend sa construction moins couteuse. De préférence encore lesdites directions de maillage sont choisies à 1150 desdites directions longitudinale et transversale. Ceci présente l'avantage que ledit défaut d'échauffement sur une largeur d'un demi pas de périodicité à partir du bord du produit à chauffer est réduit à environ 25% de l'échauffement sur le reste de ce produit. L'inventeur a en effet trouvé que la compensation précédente des effets de bord s'améliore lorsque les directions principales de périodicité spatiale du champ, sont non pas parallèle et perpendiculaire au défilement mais orientées suivant les bissectrices et que dans ce cas la sous-chauffe et que dans ce cas la sous-chauffe près des bords tombe de 45% à 25%, sur une largeur d'un demi pas de périodicité à partir de chaque bord latéral du produit à chauffer. Ces résultats, sont traduits par les courbes C, C' de la figure 1, qui font apparaitre une remarquable constance de l'effet de bord, en sous-chauffe, lorsque la largeur du produit varie de L à L', en dépit d'un positionnement quelconque du bord du produit, par rapport au maillage périodique. Malgré l'intérêt des dispositions préférées ci-dessus il semble qu'un effet utile de compensation des variations de l'effet de bord puisse être obtenu dans le cadre de l'invention avec des dispositions différentes. On pourrait utiliser par exemple trois inducteurs élémen- taires successivement décalés d'un tiers du pas de périodicité transversale, ou avec un angle d'inclinaison différent de 1150 entre la direction longitudinale et une des directions de maillage, par exemple avec l'angle dont la tangente est égale à 1/2. De tels choix ne semblent cependant, pour l'instant, pas souhaitables à l'inventeur. On adopte de plus, encore de préférence, les dispositions suivantes le circuit magnétique dudit inducteur composite comporte deux familles de culasses feuilletées qui s'étendent respectivement selon les deux directions de maillage, ces culasses étant profilées pour former à chacune de leur intersections une pièce polaire saillant vers le produit à chauffer. Lesdits enroulements d'excitation comportent au moins un conducteur parcourant en zig-zag la largeur ou la longueur de l'inducteur alternativement dans un sens et dans l'autre chaque fois entre deux rangées longitudinalement ou transversalement successives de pièces polaires, ces rangées s'étendant selon ladite direction transversale, ou longitudinale, respectivement. Enfin ledit flux magnétique est un flux alternatif monophasé à moyenne fréquence. A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 présente en traits pleins deux courbes de variation de l'énergie de chauffage apportée au produit à chauffer par unité de largeur, cette puissance étant portée en ordonnées en fonction de la distance à l'axe du produit- à chauffer, la position de cet axe étant indiquée par un trait tireté, ces deux courbes étant établies pour deux produits à chauffer de largeurs différentes chauffées par un même dispositif selon l'invention. La figure 2 représente une vue de côté d'un dispositif selon l'invention. La figure 3 représente une vue de dessous de l'inducteur composite supérieur de ce dispositif pour montrer la disposition des pièces polaires de cet inducteur, ces pièces étant marquées N ou S selon qu'elles forment des pôles nord ou sud lorsque le courant parcourt les enroulements d'excitation dans un certain sens, les enroulements d'excitation étant enlevés. La figure 4 représente une vue en perspective de deux culasses magnétiques croisées d'un inducteur élémentaire de ce dispositif. Les figure 5 et 6 représentent des vues de côté de ces deux culasses. La figure 7 est analogue à la figure 3 mais montre les enroulements d'excitation de l'inducteur Conformément à la figure 2 le système de transfert du produit à chauffer 7, par exemple une bande de tôle, comporte des rouleaux horizontaux 20, 21 qui assurent le défilement horizontal de ce produit selon la direction longitudinale DX entre les deux armatures 10, il d'un inducteur composite. L'armature supérieure 10 est symétrique de l'inférieure par rapport au plan horizontal du produit à chauffer. La direction du flux est verticale et représentée en DZ. Des guides latéraux 22, 23 maintiennent le positionnement transversal du produit. Deux inducteurs de chauffage complémentaires de bords de type classique 30 et 31 (figure 3) comportent chacun une armature supérieure telle que 30 et une inférieure telle que 30a de part et d'autre du produit 7.Ils sont alimentés par le même courant que l'inducteur 10, la présente invention permettant d'obtenir ainsi la compensation de l'effet -de bord sans réglage particulier du courant de ces inducteurs complémentaires. Sur la figure 3 la direction transversale est représentée en DY, les directions de maillage en DU et DV, le pas de maillage en PM, le pas de périodicité transversale en PP, le décalage des inducteurs en DE, un carreau de flux en 16, une pièce polaire en 18. Conformément à cette figure chaque armature est subdivisée dans la direction du défilement Dt, en deux parties actives de même longueur appartenant à deux inducteurs élémentaires 12 et 13, et munies de circuits magnétiques à flux diagonaux, dont les pièces polaires telles que 18 forment un arrangement régulier disposé en quinconce. L'excitation des pôles est d'un sens tel que sur une même ligne ou une même colonne les polarités magnétiques sont les mêmes tandis qu'elles sont alternées sur l'une ou l'autre des diagonales. Les parties actives sont décalées transversalement l'une par rapport à l'autre de la largeur d'un quart de la diagonale d'un carreau de flux. Ce décalage transversal des deux parties actives permet d'égaliser l'échauffement moyen intégré par défilement sur les différentes généra trices du produit, et il a pour effet complémentaire de normaliser l'effet de bord en sous-chauffe et d'en minimiser l'importance. Le maillage déborde des deux côtés du produit à chauffer 7. Une zone de raccordement 111 entre les deux parties actives est nécessaire pour éviter ltinterférence des deux distributions actives de flux et de courant. Mais la longueur de cette zone doit être la plus courte possible pour ne pas accroitre inutilement l'encombrement longitudinal des armatures. A cet effet, le circuit magnétique 14 constituant la zone de raccordement a été rendue eompatible avec les alignements diagonaux qui assurent la circulation des flux. En particulier on peut voir sur la figure 3 que l'une des familles de culasses magnétiques traverse sans déviation la zone de raccordement tandis que l'autre famille subit un déport égal à sa largeur. Mais une autre disposition de la zone de raccordement pourrait être envisagée. Il est ainsi possible de réaliser une armature monobloc groupant les deux parties actives et la zone de raccordement dans un inducteur composite 10, comprenant les deux familles de culasses magnétiques diagonales. Conformément aux figures 4, 5 et 6 ces dernières 6 et 8 sont composées de paquets de tôles minces se croisant à mi-épaisseur, le découpage de ces tôles étant étudié pour former après assemblage une multiplicité de pièces polaires telles que 18 saillantes et disposées en quinconce. Les culasses sont en retrait par rapport aux pièces polaires d'une dénivellation égale à l'épaisseur de l'enroulement d'excitation, augmentée éventuellement de l'épaisseur des calages. En ce qui concerne les enroulements d'excitation, représentés en 2 sur la figure 7, un procédé particulièrement avantageux, dans le cas des inducteurs de grande puissance, consiste à les réaliser sous forme de conducteurs creux bobinés en zig-zag en une ou plusieurs couches, en décrivant successivement toutes les lignes ou toutes les colonnes de- l'armature dans des sens alternés. On vérifie facilement que ce procédé donne les sens corrects d'excitation sur chacun des pôles. De plus ce procédé se prête à une réfrigération efficace du bobinage par circulation d'un fluide réfrigérant, avec le minimum de connexions hydrauliques. Les moyens d'alimentation électrique sont représentés en 11. La longueur des parties actives 12 et 13 dépend de la puissance de chauffage recherchée, tandis que la longueur de la zone 14 reste toujours voisine d'une maille. La largeur des armatures doit être, de toutes façons supérieure à la largeur maximale du produit à chauffer, de façon à assurer un recouvrement d'environ une maille de chaque côté. Les deux armatures superposées doivent être identiques, les maillages être en coincidence, et les flux concordants. De ce fait à un pôle nord de l'armature supérieure doit correspondre un pôle sud de l'armature inférieure et vice-versa. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de chauffage de produits plats au défilé par induction électromagnétique, ce dispositif comportant - un système de transfert (20, 21, 22, 23) pour maintenir le produit plat à chauffer (7) dans un plan de chauffage et le faire défiler selon une direction longitudinale de transfert (DX) dans ce plan, la largeur de ce produit étant disposée selon une direction transversale (DY) également dans ce plan et son épaisseur selon une direction de flux (DZ), chacune de ces trois directions étant perpendiculaire aux deux autres, - des moyens d'alimentation électrique (4) pour fournir à ces enroulements une intensité électrique périodiquement variable selon le temps et commandable en amplitude, et pour leur faire ainsi produire un flux magnétique variant comme cette intensité, - et des circuits magnétiques (6, 8) d'inducteur pour canaliser ce flux et former un flux de chauffage traversant le produit à chauffer sensiblement selon ladite direction de flux, - ces enroulements et ces circuits magnétiques formant au moins un inducteur (10) présentant une constitution périodique à la fois selon deux directions de maillage perpendiculaires (DU, DV) avec un même pas de maillage (PM) de manière que les variations de l'amplitude du flux de chauffage dans le plan de chauffage dessinent un maillage carré constitué par une juxtaposition de carreaux de flux (16) de côtés égaux à ce pas, ce maillage faisant alors apparaître selon diverses directions des périodicités dans la répartition du flux intégré selon des lignes perpendiculaires à ces directions, chacune de ces périodicités présentant un pas de périodicité (PP) qui est plus petit que ce pas de maillage lorsque cette direction n'est pas l'une des. deux directions de maillage, - le circuit magnétique comportant dans chacun desdits carreaux au moins une pièce polaire centrale (18) telle que l'amplitude du flux de chauffage s'annule sur les côtés du carreau, la forme de cette pièce étant choisie de plus pour que cette amplitude soit maximale au centre du carreau avec une répartition sensiblement en forme d'arche de sinusoïde selon chacune des deux directions de maillage de manière à appliquer au produit à chauffer une puissance de chauffage homogène dans la surface de chaque carreau et égale dans les divers carreaux, - et le nombre de carreaux de flux qui se succèdent longitudinalement étant sensiblement le même sur toute la largeur du produit à chauffer, de manière à réaliser un échauffement homogène de ce produit après son défilement sauf une hétérogénéité éventuelle d'échauffement au voisinage de ses bords, - ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs inducteurs élémentaires (12, 13) qui se succèdent longitudinalement, qui présentent ladite constitution périodique avec les mêmes directions de maillage (DU, DV) et le même pas de maillage (PM) et dont chacun (12) présente par rapport à un autre (13) un décalage (DE) selon ladite direction transversale (DY), les valeurs de ces décalages étant égales à des fractions du pas de périodicité (PP) dudit maillage selon cette direction et étant régulièrement réparties sur ce pas, de manière que ladite hétérogénéité d'échauffement soit constituée par un défaut d'échauffement de bord de valeur sensiblement constante quelle que soit la position du bord du produit à chauffer par rapport aux inducteurs, - deux organes de chauffage complémentaire de bord (30, 31) étant prévus pour compenser ce défaut d'échauffement. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caracterisé par le fait que le nombre desdits inducteurs (12, 13) élémentaires est deux, ledit décalage transversal (DE) de l'un par rapport à l'autre étant d1un- demi pas de périodicité. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les circuits magnétiques des deux dits inducteurs élémentaires (12, 13) sont réunis par un circuit magnétique de raccordement (14) avec pièces polaires de manière à raccorder les lignes de flux d'un inducteur élémentaire à l'autre en passant une fois à travers le produit à chauffer (7) et à constituer un inducteur composite. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdites directions de maillage (DU, DV) sont à 450 desdites directions longitudinale (DX) et transversale (DY) de manière que ledit défaut d'échauffement sur une largeur d'un demi pas de périodicité à partir du bord du produit à chauffer (7) soit réduit à environ 25% de l'échauffement sur le reste de ce produit. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le circuit magnétique dudit inducteur composite (12, 13, 14) comporte deux familles de culasses feuilletées (6, 8) qui s'étendent respectivement selon les deux directions de maillage (DU, DV) ces culasses étant profilées pour former a' chacune de leur intersections une pièce polaire (18) saillant vers le produit à chauffer (7). 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits enroulements d'excitation (2) comportent au moins un conducteur parcourant en zig-zag la largeur ou la longueur de l'inducteur alternativement dans un sens et dans l'autre chaque fois entre deux rangées longitudinalement ou transversalement successives de pièces polaires (18), ces rangées s'étendant selon ladite direction transversale (DY), ou longitudinale (DX), respectivement. 7/ Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit flux magne- tique est un flux alternatif monophasé à moyenne fréquence.