Brevet FR2979047A1 — publié le 20130215

L'invention concerne un dispositif pour l'ajustement du facteur qualité d'un système de chauffage par induction notamment un moule à chauffage autonome. Selon un mode de réalisation connu de l'art antérieur, décrit par exemple dans le document EP 1 894 442, un moule à chauffage autonome comprend une forme d'estampage pour le formage à chaud d'une pièce, par exemple une pièce constituée d'une matière plastique, laquelle forme est chauffée par des inducteurs placés dans l'empreinte du moule. Selon cet exemple de réalisation les inducteurs sont constitués de conducteurs électriques qui décrivent des spires dans des conduits spécifiquement pratiqués dans l'empreinte du moule. Pour réaliser le chauffage du moule, lesdits conducteurs sont connectés à un générateur électrique dit à haute fréquence. Le courant électrique parcourant lesdites spires génère un champ magnétique alternatif lequel induit un courant dans les pièces métalliques se trouvant dans ledit champ, par exemple la forme d'estampage placée dans l'empreinte du moule. La répartition et la forme des spires sont dictées par la répartition de température visée à la surface de ladite forme d'estampage. L'ensemble comprenant les inducteurs et la forme d'estampage est dénommé circuit outillage et constitue une partie du circuit oscillant connecté au générateur haute fréquence, lequel circuit outillage est caractérisé par une impédance Z1, combinant les résistances et inductances électriques équivalentes de ladite forme d'estampage et des inducteurs, R1 et L1, tel que représenté figure 2A relative à l'art antérieur. Toujours selon l'art antérieur, un coffret de condensateurs, de capacité C3 réglable est connecté au générateur en parallèle de ce circuit outillage. Le générateur électrique haute fréquence caractérisé par une impédance ZG est placé en parallèle dans ce circuit pour son alimentation. Ce générateur est apte à fournir un courant alternatif dans une plage de fréquence définie, généralement comprise en 10 kHz et 100 kHz. Le circuit, dit de charge, constitué par le circuit outillage et le coffret de capacités, forme un circuit oscillant de type parallèle qui tend spontanément à osciller à sa fréquence de résonance. Pour alimenter ledit circuit, le générateur se cale automatiquement à cette fréquence de résonance. Comme tout phénomène de résonance, celui-ci est caractérisé par une fréquence de résonance fo et par une largeur de pic de résonance Of, lorsque celui-ci existe. La fréquence fo de résonance du circuit oscillant est donnée par la relation : L1.C3.coo2=1, avec coo=2nfo et la largeur de pic est fonction du rapport L1/R1. Plus cette valeur L1/R1 est élevée et plus le pic de résonance sera étroit. Ainsi, une condition de démarrage du générateur est que celui-ci puisse se caler sur la fréquence de résonance du circuit oscillant, c'est-à-dire que cette fréquence de résonance soit suffisamment marquée par un pic de résonance étroit, et que cette fréquence de résonance soit comprise dans la gamme de fréquence d'alimentation que ledit générateur est apte à délivrer. À cette fin, un facteur de qualité Q=L1 coo/R1 est défini. Pour que le pic de résonance soit marqué et que le générateur soit en mesure de détecter la fréquence de résonance du circuit oscillant et de s'y caler, il est nécessaire que ce facteur de qualité Q soit supérieur ou égal à 2. Par ailleurs, la puissance délivrée par le générateur et injectée dans le circuit outillage est maximale lorsque l'impédance de charge est dans la plage d'impédance de sortie du générateur, soit : Z1 r--ZG Les valeurs de R1 et de L1 sont en grande partie dictées par la géométrie de la forme d'estampage et disposent de peu de latitude de réglage, ainsi, selon l'art antérieur, la seule possibilité de réglage se situe dans l'ajustement de C3 qui permet d'adapter l'impédance du circuit oscillant à celle du générateur. Cependant, cette condition d'adaptation d'impédance ne suffit pas à assurer le démarrage du générateur. En effet, lorsque le facteur de qualité Q est trop bas, c'est-à-dire inférieur à 2, le pic de résonance n'est pas suffisamment marqué pour que le générateur puisse se caler sur une fréquence adéquate et celui-ci se cale alors sur une fréquence aléatoire ou, plus simplement, ne trouve pas de fréquence et ne démarre pas. Afin de résoudre les inconvénients de l'art antérieur l'invention propose un dispositif de chauffage par induction comportant : a. un générateur, d'impédance électrique ZG apte à délivrer un courant électrique à haute fréquence comprise entre 10 kHz et 100 kHz ; b. un circuit électrique, dit circuit outillage, de résistance R1, d'inductance L1 comprenant un inducteur connecté au générateur induisant un courant dans une charge, dite forme d'estampage, afin de chauffer ladite forme d'estampage par induction ; c. un coffret de capacités, de capacité C3, connecté au générateur en parallèle du circuit électrique outillage ; d. caractérisé en ce qu'il comprend une bobine, dite d'ajustement, de résistance R2 et d'inductance L2 connectée au générateur et n'induisant pas de courant dans la charge, de sorte que l'impédance résultante Zc du circuit électrique résultant formé par ladite bobine, le circuit outillage et le coffret de capacités soit sensiblement égale à l'impédance du générateur ZG et que l'inductance Lc et la capacité Cc dudit circuit électrique résultant vérifient en outre les relations Lc.Cc.coo2=1 avec coo=2nfo, fo étant la fréquence de résonance du circuit résultant et étant comprise dans la plage de fréquence du 15 générateur, et vérifient la relation Lccoo/Rc ? 2. L'insertion d'une bobine supplémentaire n'interagissant pas avec la charge offre une latitude de réglage supplémentaire. Ladite bobine n'interagissant par avec la charge, sa géométrie (longueur, nombre de spires) est dictée par l'inductance L2 à atteindre, sans conséquence sur la distribution du chauffage de 20 la forme d'estampage, la résistance R2 étant par ailleurs réduite. Ainsi, la présence de cette bobine permet d'ajuster le facteur de qualité Q. L'invention peut être mise en oeuvre selon les modes de réalisation avantageux exposés ci-après, lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. 25 Selon une première variante du dispositif objet de l'invention la bobine d'ajustement est connectée en parallèle au circuit électrique outillage. Selon une seconde variante du dispositif objet de l'invention la bobine d'ajustement est connectée en série au circuit électrique outillage. Ainsi, selon le mode de connexion de la bobine d'ajustement son inductance 30 et sa résistance peuvent être combinées de manière différente pour atteindre le résultat désiré. Avantageusement les caractéristiques d'inductance L2 et de résistance R2 10 de la bobine d'ajustement sont choisies de sorte que 2 Q 5. Ainsi, le facteur de qualité est assez élevé pour permettre un démarrage de générateur sans difficulté, mais limité pour éviter un échauffement trop important des inducteurs, particulièrement lorsque ceux-ci ne font pas l'objet d'un refroidissement en opération. Avantageusement, le circuit électrique outillage comprend deux inducteurs connectés en série. Ainsi l'effet de chauffage par induction peut être mieux réparti sur la surface de la forme d'estampage, le montage en série permet par ailleurs d'assurer que la même intensité parcourt les deux inducteurs. La présence de la bobine d'ajustement permet de compenser la dégradation du facteur de qualité consécutive à la grande longueur de l'inducteur. Selon un autre mode de réalisation avantageux, le circuit électrique outillage comprend deux inducteurs en parallèle et la bobine d'ajustement est connectée en série avec l'un des inducteurs. Ainsi, outre l'effet de ladite bobine sur le réglage du facteur de qualité, celle-ci permet également de régler le partage de l'intensité du courant entre les deux inducteurs. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'inductance et donc l'impédance de la bobine d'ajustement est réglable. Ainsi les conditions de fonctionnement du dispositif peuvent être adaptées pour une utilisation avec différents matériaux ou différents cycles thermiques nécessitant des impédances ou des fréquences de courant du générateur différentes. L'invention concerne également un générateur de courant électrique à haute fréquence pour alimenter un circuit électrique outillage, caractérisé en ce que ledit générateur comprend un coffret de capacité réglable et une bobine d'ajustement d'inductance réglable. Ainsi, un tel générateur est adaptable à une large gamme d'applications et pourra toujours être réglé de manière à fournir une efficacité énergétique optimale. Selon une application particulière du dispositif objet de l'invention, celle-ci concerne également un outillage, notamment pour la transformation à chaud d'une pièce, comprenant deux formes d'estampage complémentaires en vis-à-vis et définissant entre elles un entrefer : a. la première forme d'estampage, dite poinçon, comportant un premier circuit induction pour le chauffage de ladite première forme ; b. la seconde forme d'estampage, dite matrice, comportant un deuxième circuit d'induction pour le chauffage de ladite seconde forme ; c. le premier et le deuxième inducteur sont connectés en parallèle et que le dispositif objet de l'invention comprend en outre une bobine dite d'ajustement connectée en série à l'un des inducteurs. Ainsi l'outillage selon l'invention permet d'installer des puissances de chauffage différentes dans le poinçon et dans la matrice tout en conservant un seul circuit, donc un seul générateur et en assurant tant les conditions de démarrage dudit générateur que l'obtention d'une efficacité énergétique adaptée. Avantageusement, l'outillage objet de l'invention comprend des moyens de connexion électrique aptes à réaliser la connexion entre les inducteurs des deux formes d'estampage lorsque lesdites deux formes sont rapprochées l'une de l'autre. Ainsi, il est possible de ménager une position d'ouverture large entre le poinçon et la matrice, par exemple pour y glisser un flan devant subir une opération d'estampage, sans placer de grande longueur de câbles de connexion entre les deux formes. Avantageusement, le premier ou le deuxième circuit d'induction comprend deux inducteurs connectés en série. Ainsi, tout en conservant un facteur de qualité élevé, réglé par la présence d'une ou plusieurs bobines d'ajustement, la puissance de chauffage peut être répartie de manière optimale dans le volume du poinçon et de la matrice. L'invention est décrite ci-après dans ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 3 dans lesquelles : - la figure 1 représente en perspective selon un point de vue de face et de dessus, un exemple de réalisation d'un outillage selon l'invention comprenant un poinçon et une matrice ; - la figure 2 montre des circuits électriques équivalents d'un dispositif de chauffage par induction, figure 2A, selon l'art antérieur, figures 2B et 2C selon des exemples de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un schéma électrique d'un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention comprenant deux circuits d'induction parallèles ; - et la figure 4 représente un schéma électrique d'un dispositif selon un exemple de réalisation de l'invention comprenant deux inducteurs connectés en parallèle et une bobine connectée en série avec l'un de ces deux inducteurs. Figure 1, selon un exemple de réalisation d'un dispositif objet de l'invention appliqué à un outillage comprenant une première forme d'estampage (110) formant un poinçon et une seconde forme (120) d'estampage formant une matrice, les deux formes d'estampage comprennent chacune un circuit électrique d'induction (115, 125) formé par des conducteurs décrivant au moins une spire dans le volume dudit outillage. Selon cet exemple de réalisation, le poinçon (110) comprend un inducteur (115) et la matrice (120) comprend deux inducteurs (125) connectés en série. Chacun de ces inducteurs (115, 125) interagit avec l'outillage, dans lequel il crée des courants induits. Avantageusement, le dit outillage (110, 120) est constitué d'un matériau ferromagnétique de sorte que ces courants induits, à haute fréquence, provoquent un échauffement dudit outillage, pour l'amener rapidement à une température adaptée à la transformation d'un matériau mis en forme entre le poinçon (110) et la matrice (120). Toujours selon cet exemple de réalisation, la matrice (120) et le poinçon (110) comprennent des moyens de connexion (130) de sorte que lorsque ladite matrice (120) est approchée du poinçon, les inducteurs (125) de la matrice (120) sont connectés électriquement et selon une connexion en parallèle à l'inducteur (115) du poinçon (110) et forment ensembles un circuit inductif, lequel circuit est connecté à un générateur haute fréquence (non représenté) par des moyens (150) de connexion appropriés. Une bobine (140) dite d'ajustement, n'interagissant pas avec l'outillage est avantageusement placée dans le circuit électrique ainsi formé. Cette bobine (140) d'ajustement est conçue, en termes de diamètre et de nombre de spires, pour présenter une inductance L2 telle que le circuit électrique ainsi constitué réponde aux conditions d'efficacité énergétique et de démarrage du générateur. Figure 2A, selon l'art antérieur, un dispositif de chauffage par induction comprend un inducteur définit par son inductance Li et sa résistance Ri, lequel inducteur interagit avec une charge, par exemple un poinçon ou une matrice, laquelle charge présente une résistance Rch et une inductance Lch. La combinaison des caractéristiques de la charge et de l'inducteur définit les caractéristiques du circuit électrique, dit circuit outillage, lequel circuit outillage est connecté à un générateur (200) à haute fréquence. Un coffret de condensateurs de capacité (201) réglable est connecté en parallèle de ce circuit outillage, la valeur de la capacité est réglée à C3 selon cet exemple. Cet ensemble réunissant le condensateur et le circuit outillage définit le circuit oscillant (220) connecté au générateur (200). Ce circuit oscillant est caractérisé par son impédance Z1, fonction de ses caractéristiques résultantes de résistance R1, d'inductance L1 et de capacité C3. Ainsi : Z1=L1/(C3.R1) C3 étant la valeur à laquelle est réglée la capacité (201). L'inductance (215) résultante du circuit oscillant est définie par : L1=Li-Lch La contribution majeure provenant de l'inducteur. Et la résistance résultante (205) est définie par : R1=Ri+Rch la contribution majeure étant apportée par la résistance de la charge. L'inductance (215) résultante, L1, sera d'autant plus élevée que l'inducteur sera long. Ce paramètre est donc fortement influencé par la géométrie du dispositif, et la résistance (205) R1 sera principalement influencée par la nature de la charge et sa masse. Dans l'exemple tel que représenté figure 1, où un tel dispositif est utilisé pour le chauffage de formes d'estampage, la géométrie est contrainte par des facteurs fonctionnels liés à la forme de l'outillage et à la répartition des températures visées. Ainsi, la vérification des conditions L1.C1.coo2=1, L1.coo/R1 2 et Z1 ZG où ZG est l'impédance du générateur (200) sont difficiles à satisfaire. Figures 2B et 2C, l'introduction d'une inductance (240) complémentaire dans le circuit, connectée soit en série, figure 2B, soit en parallèle, figure 2C, permet d'ajuster les caractéristiques du circuit oscillant de sorte que les conditions soient vérifiées, plus particulièrement si l'inductance (240) est réglable. Selon un mode de réalisation simple, représenté figure 1, cette inductance supplémentaire est réalisée sous la forme d'une bobine (140), constituée d'un matériau conducteur tel que du cuivre (Cu) qui n'interagit pas avec la charge. Ainsi, l'inductance de ladite bobine est ajustée par le nombre de spires et leur diamètre en fonction de la fréquence visée pour le courant d'alimentation. Une telle bobine (140) présente une résistance très faible de sorte que lorsque ladite bobine fait l'objet d'un montage en série sa résistance peut être négligée et pratiquement R2=0 pour un tel montage série. Dans le cas où la bobine (140) d'ajustement fait l'objet d'un montage en parallèle avec le circuit oscillant, la faible résistance de R2 va avoir un effet important sur les caractéristiques de résonance du circuit oscillant et notamment sur la largeur du pic de résonance, c'est-à-dire sur le facteur de qualité Q. Ainsi, dans le cas d'un montage en série, figure 2B la résistance Rc du circuit sera donnée par R1, R1 étant essentiellement la résistance de la charge et l'inductance du circuit Lc sera donnée par la combinaison L1 +L2. Ainsi en augmentant la valeur de l'inductance par l'inductance, L2, de la bobine d'ajustement le facteur de qualité Q est augmenté, l'adaptation d'impédance et de fréquence étant réalisées par la modification de la valeur de la capacité (201). Dans le cas d'un montage en parallèle, figure 2C, l'inductance du circuit Lc sera donnée par la relation : Lc= L1.L2/(L1+L2) Ainsi, que la bobine d'ajustement soit dans une configuration de connexion série ou une configuration de connexion parallèle dans le circuit oscillant, celle-ci permet par l'ajustement de son inductance L2, n'induisant pas de courant dans la charge, et sa faible résistance R2 d'assurer un facteur de qualité Q adapté au démarrage du générateur haute fréquence quelle que soit la longueur des inducteurs et les caractéristiques de la charge, et de contrôler la répartition des intensités traversant chacun des inducteurs quel que soit leur mode de couplage, série ou parallèle, dans le circuit oscillant. Avantageusement, plusieurs bobines d'ajustement combinant des couplages série et parallèle avec le circuit oscillant permettent d'ajuster l'ensemble des paramètres. Ainsi, particulièrement en utilisant une inductance (240) réglable, l'ensemble inductance (240) et capacité (201) réglable, peuvent être intégrés, selon un couplage en parallèle, dans un ensemble (250) lié au générateur, un tel générateur étant alors particulièrement adaptable à différents dispositifs de chauffage par induction, plus particulièrement pour des utilisations en outillage (110, 120) à chauffage autonome comme représenté figure 1. De plus le courant inducteur sera inférieur au courant provenant du générateur, avec la bobine additionnelle, car divisé dans la bobine et le circuit inducteur. Figure 3, selon un autre exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, un premier circuit inductif défini par sa résistance (305) et son inductance (315) est connecté au générateur (200), est utilisé, par exemple, pour le chauffage du poinçon d'un outillage comprenant un poinçon et une matrice, ce premier circuit est parcouru par un courant il . Un second circuit inductif, défini par sa résistance (205) et son inductance (215), est par exemple, utilisé pour chauffer la matrice dudit outillage et est connecté au générateur (200) en parallèle du premier circuit parcouru par un courant i2. Si les caractéristiques des deux circuits d'induction sont similaire, c'est-à-dire que la longueur de leurs inducteurs et les volumes chauffés par induction sont sensiblement équivalents sur les deux circuits, alors il=i2 et il+i2 = Q.i où i est le courant délivré par le générateur et Q le facteur qualité. Dans cette configuration, l'insertion d'une bobine (340) d'inductance ajustable dans le circuit, permet à la fois d'obtenir un facteur de qualité apte à favoriser le démarrage du générateur (200), c'est-à-dire un facteur Q au moins égal à 2, et de maintenir ce facteur Q proche de ce minimum pour éviter de faire circuler un courant d'intensité trop importante dans les inducteurs (215, 315). Figure 4, dans la mesure où les longueurs des inducteurs utilisés pour le chauffage du poinçon et de la matrice sont différentes et que les volumes chauffés de ces deux éléments diffèrent, les impédances résultantes de ces deux circuits parallèles diffèrent également, et, en l'absence d'autres éléments, le courant électrique généré par le générateur (200) se réparti entre ces deux circuits en fonction de leurs impédances respectives, de sorte que le circuit présentant la plus faible impédance sera parcouru par le courant le plus fort. L'utilisation d'une inductance d'ajustement (440), outre l'effet exposé précédemment, permet ici d'ajuster également cette répartition de l'intensité de sorte que le courant i1 parcourant le premier circuit et le courant i2 parcourant le second circuit produisent des effets de chauffage adaptés à l'application visée en fonction des caractéristiques du dispositif. Dans les conditions de résonance, l'intensité circulant dans l'inducteur est multiple d'un facteur Q de l'intensité produite par le générateur. Ainsi, il est utile d'agir sur les caractéristiques des bobines d'ajustement pour à la fois assurer une valeur minimale du facteur de qualité Q permettant le démarrage du générateur, mais aussi pour fixer la valeur maximale de ce facteur de qualité, de sorte que l'intensité parcourant les inducteurs ne risque pas de dégrader ceux-ci par leur propre échauffement. La description et les exemples de réalisation ci-avant montrent que l'invention atteint les objectifs visés, en particulier, elle permet d'ajuster les caractéristiques du circuit oscillant connecté à un générateur haute fréquence de manière à permettre le démarrage dudit générateur d'atteindre une efficacité énergétique telle que le facteur Q soit supérieur à 2 et de régler la répartition de courant entre différentes branches du circuit pour obtenir dans chacune de ces branches des intensités de chauffage désirées. REVENDICATIONS1. Ensemble (250) générateur de courant électrique à haute fréquence pour alimenter un circuit électrique outillage, caractérisé en ce qu'il comprend a. un générateur (200), d'impédance électrique ZG apte à délivrer un courant électrique à haute fréquence comprise entre 10 kHz et 100 kHz ; b. un coffret de capacités (201) réglable ; c. une bobine (240) d'ajustement d'inductance réglable. 2. Dispositif de chauffage par induction caractérisé en ce qu'il comporte : a. Un ensemble générateur selon la revendication 1 ; b. un circuit électrique, dit circuit outillage (220), de résistance (205) RI, d'inductance (215) LI comprenant un inducteur (115,125) connecté au générateur (200) induisant un courant dans une charge (110, 120) dite forme d'estampage afin de chauffer ladite forme d'estampage par induction ; c. le coffret de capacités (201) étant réglé sur une valeur de capacité C3 et connecté au générateur (200) en parallèle du circuit électrique (220) outillage ; d. la bobine (140, 240), dite d'ajustement, étant connectée au circuit sans induire courant dans la charge et étant réglée à une résistance R2 et une inductance L2 de sorte que l'impédance résultante Zc du circuit électrique résultant formé par ladite bobine (140, 240), le circuit outillage (220) et le coffret de capacités (201) soit sensiblement égale à l'impédance du générateur (200) ZG et que l'inductance Lc et la capacité Cc dudit circuit électrique résultant vérifient en outre les relations Lc.Cc.coo2=1 avec coo=2nfo, fo étant la fréquence de résonance du circuit résultant et étant comprise dans la plage de fréquence du générateur, et vérifiant la 3. 54. 5. 10 6. 7. 15 8. 20 25 a. b. c.relation Lcwo/Rc 2 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine d'ajustement (240) est connectée en parallèle au circuit électrique outillage. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine d'ajustement (240) est connectée en série au circuit électrique outillage. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les caractéristiques d'inductance L2 et de résistance R2 de la bobine (140) d'ajustement sont choisies de sorte que 2