Brevet FR3035766A1 — publié le 20161104

- 1 - « Dispositif de chauffage par induction de pièces métalliques et véhicule ferroviaire comprenant un tel dispositif » La présente invention concerne un dispositif de chauffage par induction d'une pièce métallique, en particulier d'une pièce métallique de forme allongée. Elle concerne également un véhicule ferroviaire muni d'un tel dispositif. Le domaine de l'invention est le domaine de chauffage par induction 10 de pièces métalliques, en particulier de pièces métalliques de forme allongée, par exemple dans le domaine ferroviaire. Etat de la technique Le chauffage par induction permet de chauffer une pièce métallique 15 sans qu'il y ait de contact entre la source d'énergie et la pièce à chauffer. Les dispositifs de chauffage par induction comprennent une source électrique alimentant une ou plusieurs bobines d'induction pour induire des courants de Foucault dans une pièce métallique se trouvant à proximité de ladite ou desdites bobines. Ces courants de Foucault provoquent un 20 échauffement de la pièce métallique par effet Joule. Dans ces dispositifs, l'utilisation d'une plaque en ferrite et/ou d'un noyau magnétique permet d'augmenter le rendement de ces dispositifs en agissant sur les lignes de champ magnétique. Pour chauffer une pièce métallique de forme allongée, de type barreau 25 métallique, une première solution est d'utiliser une bobine d'excitation magnétique qui vient encercler la pièce. Or, cette solution n'est pas utilisable dans tous les cas car il n'est pas toujours possible d'encercler la pièce à chauffer. De plus, lorsque la pièce est très longue, il est nécessaire de prévoir une bobine présentant un grand nombre de spires ce qui 30 augmente l'encombrement, le poids et l'impédance de la bobine, et diminue le rendement de chauffe. Lorsque la pièce à chauffer est fixée sur un véhicule, ou plus généralement sur un mobile, ces inconvénients sont encore plus contraignants. 3035766 -2 Une autre solution est d'utiliser une bobine plate, disposée en regard de la pièce, et qui n'impose pas d'encercler la pièce à chauffer. Cependant, cette deuxième solution présente un rendement très faible car la zone de chauffe obtenue avec une telle bobine sur une pièce de forme allongée est 5 trop petite, voire ponctuelle, même en augmentant le diamètre de la bobine plate. De plus, la zone de chauffe étant petite, la pièce à chauffer n'est pas chauffée de manière uniforme. Un but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif pour chauffer une pièce, en particulier une pièce de forme allongée, présentant un meilleur rendement que les dispositifs connus. Encore un autre but de l'invention est de proposer un dispositif pour chauffer une pièce, en particulier une pièce de forme allongée, permettant un chauffage plus uniforme de la pièce à chauffer. Il est encore un autre but de l'invention de proposer un dispositif pour chauffer une pièce, en particulier une pièce de forme allongée, moins couteux et moins volumineux. Enfin, un autre but de l'invention est de proposer un dispositif pour chauffer une pièce, en particulier une pièce de forme allongée, plus flexible et plus ergonomique quelle que soit la configuration et la taille de la pièce à chauffer. Exposé de l'invention L'invention permet d'atteindre au moins l'un de ces buts par un dispositif pour le chauffage par induction d'une pièce métallique, en particulier d'une pièce métallique de forme allongée, ledit dispositif comprenant : - au moins un noyau magnétique ouvert, et en particulier un noyau magnétique comprenant au moins deux extrémités, prévu pour être disposé en face de ladite pièce à chauffer, et 3035766 -3 - au moins une bobine d'induction, enroulée autour d'au moins une partie dudit au moins noyau magnétique, pour induire un champ magnétique dans ledit noyau magnétique ; ledit noyau magnétique présentant une forme générale recourbée vers ladite 5 pièce métallique. Ainsi, le noyau magnétique recourbé vers la pièce à chauffer dirige le champ magnétique vers la pièce métallique à chauffer. Autrement dit, la pièce métallique à chauffer est située dans du noyau magnétique. La pièce métallique vient en quelque sorte fermer le circuit magnétique entre les 10 extrémités du noyau magnétique. Ainsi, le champ magnétique créé dans le noyau magnétique, parcourt et traverse la pièce magnétique entre les extrémités du noyau magnétique ouvert. Ce champ magnétique parcourant la pièce métallique crée des courants de Foucault qui chauffent la pièce métallique. 15 Le dispositif selon l'invention permet donc de diriger la totalité, ou presque la totalité, du champ magnétique créé par la bobine d'induction vers la pièce à chauffer. Par conséquent, le rendement de chauffage par induction obtenu avec le dispositif selon l'invention est supérieur aux rendements obtenus avec les dispositifs connus, et ce avec une bobine d'induction de 20 plus petites dimensions et de coût plus faible que les bobines utilisées dans les dispositifs connus. Par ailleurs, la zone de chauffe obtenue avec le dispositif selon l'invention est au moins aussi grande que la distance qui sépare les deux extrémités du noyau magnétique. Par conséquent, le dispositif selon 25 l'invention permet de réaliser un chauffage plus uniforme que les dispositifs connus mettant en oeuvre des bobines plates. En outre, contrairement à certains dispositifs de l'état de la technique, le dispositif selon l'invention n'exige pas d'encercler la pièce métallique à chauffer par la bobine d'induction. Par conséquent, le dispositif selon 30 l'invention est plus flexible et plus ergonomique quelle que soit la configuration et la taille de la pièce à chauffer, qu'elle soit embarquée ou non dans un mobile. 3035766 -4 Le noyau magnétique peut être réalisé, de manière nullement limitative, par exemple en ferrite doux. Le dispositif selon l'invention peut en outre comprendre au moins une 5 source électrique alimentant l'au moins une bobine d'induction. Alternativement, l'au moins une bobine d'induction peut être alimentée par une source d'un véhicule ferroviaire, plus généralement d'un mobile, équipé du dispositif selon l'invention. 10 Selon l'invention, chaque bobine d'induction peut être alimentée par une source électrique indépendante. Alternativement, au moins deux, en particulier toutes les, bobines d'induction enroulées autour d'un noyau magnétique peuvent être alimentées par une même source électrique faisant partie ou non du 15 dispositif selon l'invention. Dans ce cas, les bobines d'induction alimentées par une même source peuvent être reliées à ladite source en série ou en parallèle. Dans tous les cas, il est bien entendu nécessaire de s'assurer que chaque bobine est alimentée de sorte que toutes les bobines magnétiques 20 induisent un champ magnétique dont le sens de circulation dans le noyau magnétique est le même. Avantageusement, au moins un, en particulier chaque, noyau magnétique peut comprendre au moins deux, en particulier exactement 25 deux, branches formant entre-elles un angle inférieur à 180°. Lorsqu'un noyau magnétique présente exactement deux branches formant entre-elles un angle inférieur à 180, le noyau magnétique présente une forme générale en « V ». Dans ce cas, en configuration d'utilisation, le noyau magnétique est 30 positionné de sorte que les branches sont dirigées vers la pièce métallique à chauffer. Ce mode de réalisation présente l'avantage d'une architecture simple pour le noyau magnétique et utilisant moins de matériau magnétique. 3035766 -5 Dans le cas où, au moins un noyau magnétique comporte au moins deux, ou exactement deux branches, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins deux, en particulier exactement deux, bobines d'induction chacune : 5 - enroulée autour d'une des branches du noyau magnétique, et - alimentée de sorte à générer un flux magnétique circulant dans le même sens dans ledit noyau magnétique. Au moins un, en particulier chaque, noyau magnétique peut 10 comprendre au moins trois, en particulier exactement trois, branches. Dans ce cas, deux desdites branches, dite branches latérales, peuvent être sensiblement parallèles entre-elles et reliées entre-elles par au moins une, en particulier exactement une, branche, dite branche centrale. Lorsqu'un noyau magnétique présente exactement trois branches, le 15 noyau magnétique présente une forme générale en « U ». Dans ce cas, le dispositif selon l'invention peut comprendre une bobine d'induction enroulée autour de la branche centrale. Alternativement, ou en plus, le dispositif selon l'invention peut 20 comprendre une bobine d'induction enroulée autour d'une, ou de chacune, des branches latérales. Quel que soit le mode de réalisation, lorsque le dispositif comprend plusieurs bobines. Selon un autre mode de réalisation, le noyau peut être formé par une branche unique incurvée, ou en arc de cercle, par exemple en forme de « C ». Dans ce cas, le dispositif selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs bobines d'inductions disposées autour de ladite branche unique. Quel que soit le mode de réalisation, au moins un, en particulier chaque, noyau magnétique peut présenter une section parallélépipédique ou circulaire, triangulaire, etc. 25 30 3035766 -6 Quel que soit le mode de réalisation, au moins un, en particulier chaque, noyau magnétique peut présenter une section dont la plus grande dimension est comprise entre 5 cm et 15 cm, préférentiellement comprise 5 entre 8 et 12 cm, et encore plus particulièrement est de 10 cm. Suivant une version particulière, le dispositif selon l'invention peut comprendre plusieurs noyaux magnétiques comportant chacun au moins une bobine d'induction enroulée autour d'au moins une partie dudit noyau 10 magnétique. Plus particulièrement, au moins un, en particulier chaque, noyau magnétique peut présenter l'une au moins des caractéristiques décrites plus haut. Au moins deux, en particulier tous les, noyaux magnétiques peuvent 15 être de forme et/ou de section et/ou de dimensions identique(s) ou différente(s). Quel que soit le mode de réalisation, lorsque le dispositif comprend plusieurs bobines d'induction, au moins deux, en particulier toutes les 20 bobines d'induction, d'un même noyau magnétique peuvent être de forme et/ou de section et/ou de dimensions identique(s) ou différente(s). Lorsque le dispositif selon l'invention comprend au moins deux noyaux identiques ou différents, les bobines d'induction d'au moins deux, en particulier de tous les, noyaux magnétiques peuvent être de forme et/ou de 25 section et/ou de dimensions identique(s) ou différente(s). Le dispositif selon l'invention peut comprendre une unique source électrique alimentant la, ou chaque, bobine d'induction d'un même noyau par un courant électrique alternatif. 30 Lorsque le dispositif selon l'invention comprend plusieurs noyaux magnétiques, la ou les bobines d'induction d'au moins deux, en particulier de tous les, noyaux magnétiques peuvent être alimentées par une unique source électrique. 3035766 -7 Dans ce cas, les bobines d'induction d'un même noyau magnétique ou de deux noyaux magnétique peuvent être reliées à la source électrique en série ou en parallèle. 5 Alternativement, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins deux sources électriques de sorte qu'au moins deux desdites bobines d'induction d'un même noyau magnétique, ou de deux noyaux magnétiques, sont alimentées par deux sources électriques différentes. 10 Le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour chauffer des aiguillages ferroviaires et des rails, ou encore pour chauffer toute pièce métallique allongée d'un véhicule ferroviaire. 15 Selon un autre aspect de l'invention il est proposé un véhicule ferroviaire, tel qu'un train ou un tramway ou encore un tram-train, muni d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention. 20 Description des figures et modes de réalisation D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels la FIGURE 1 est une représentation schématique d'un premier exemple 25 de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; la FIGURE 2 est une représentation schématique d'un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; la FIGURE 3 est une représentation schématique d'un troisième exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; 30 la FIGURE 4 est une représentation schématique d'un quatrième exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; et les FIGURES 5a-5d sont des représentations schématiques de noyaux magnétiques de différentes formes pouvant être utilisés dans le dispositif selon l'invention. 3035766 -8 Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques 5 décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à de l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie est uniquement 10 suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Sur les figures les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. 15 La FIGURE 1 est une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif de chauffage par induction d'une pièce métallique. Le dispositif 100 représenté sur la FIGURE 1 est prévu pour chauffer une pièce métallique 102, de forme allongée, c'est-à-dire une pièce 20 métallique dont la dimension dans une dimension de l'espace est bien supérieure à ses dimensions dans les deux autres dimensions de l'espace. Le dispositif 100 comprend un noyau magnétique 104, par exemple réalisé, en ferrite doux, une bobine d'induction 106 enroulée autour du noyau magnétique et une source électrique 108 alimentant la bobine 25 d'induction 106 avec un courant alternatif. Dans l'exemple représenté sur la FIGURE 1, le noyau magnétique 104 présente une forme générale en « U » et une section de forme rectangulaire. Le noyau magnétique 104 en forme « U » comporte : - deux branches latérales 1041 et 1042, correspondant aux 30 branches latérales du « U », sensiblement parallèle entre-elles, et dirigées vers la pièce métallique 102 à chauffer 102 ; et - une branche centrale 1043, correspondant à la base du « U », et rejoignant entre-elles les branches parallèles 1041 et 1042. 3035766 -9 La bobine d'induction 106 consiste en une bobine d'excitation magnétique et est enroulée autour de la branche centrale 1043. L'espace libre se trouvant entre les extrémités libres des branches latérales 1041 et 1042 constitue l'entrefer du noyau magnétique 104. 5 La pièce à chauffer 102 est positionnée en regard des extrémités libres des branches latérales 1041 et 1042 en contact ou non avec les branches latérales 1041 et 1042. La bobine d'induction 106 crée un champ magnétique circulant dans le noyau magnétique 104 de sorte qu'il se crée des lignes 110 de champ 10 magnétique au niveau de l'entrefer du noyau magnétique 104, c'est-à-dire entre les extrémités libres des branches latérales 1041 et 1042. La pièce à chauffer étant disposée en regard du noyau magnétique 104 au niveau de son entrefer, les lignes de champ magnétique 110 qui s'y créent induisent des courants de Foucault dans la pièce à chauffer 102. Ces courants de 15 Foucault chauffent alors la pièce 102, par dissipation selon la loi de Joule. La zone de chauffe ainsi obtenue, matérialisée par le cercle en pointillés référencé 112 s'étend sur sensiblement toute la longueur de l'entrefer du noyau magnétique, c'est-à-dire sur toute la distance qui sépare les extrémités libres des branches latérales 1041 et 1042 du noyau magnétique 20 104. Bien entendu, la bobine d'induction 106 peut également être enroulée autour de l'une des branches latérales 1041 et 1042 du noyau magnétique 104. 25 La FIGURE 2 est une représentation schématique d'un deuxième exemple d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention. Le dispositif 200 représenté sur la FIGURE 2 comprend le même noyau magnétique 104 que celui du dispositif 100 de la FIGURE 1. A la différence du dispositif 100 de la FIGURE 1, le dispositif 200 de la 30 FIGURE 2 comprend non pas une, mais deux bobines d'induction, respectivement 2021 et 2022, enroulées chacune autour d'une branche latérale, respectivement 1041 et 1042, du noyau magnétique 104. Chaque bobine d'induction, respectivement 2021 et 2022, est alimentée par une source électrique indépendante, respectivement 2041 et 3035766 - 10 - 2042, de sorte à générer un champ magnétique se propageant dans le noyau magnétique 104 suivant un même sens, c'est-à-dire dans le sens allant de la branche latérale 1041 vers la pièce métallique 102 pour la bobine 2021 et dans le sens allant de la branche latérale 1042 vers la branche centrale 1043. 5 La FIGURE 3 est une représentation schématique d'un troisième exemple d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention. Le dispositif 300 représenté sur la FIGURE 3 correspond au dispositif 200 de la FIGURE 2 à ceci près que le dispositif 300 comprend une unique 10 source électrique alimentant les deux bobines d'induction 2021 et 2022 enroulées autour des branches latérales, respectivement 1041 et 1042, du noyau magnétique 104. Les bobines d'induction 2021 et 2022 sont chacune reliées à l'unique source en parallèle. Bien entendu, les bobines d'induction 2021 et 2022 peuvent 15 alternativement être reliées à l'unique source en série. Sur les FIGURES 2 et 3, chacune des bobines d'induction est enroulée autour d'une branche latérale du noyau magnétique. Bien entendu, une des bobines d'induction peut alternativement être enroulée à la branche centrale 20 du noyau magnétique. Plus généralement, le noyau magnétique 104 peut comprendre une à trois bobines d'induction enroulées sur une ou à trois de ses branches, alimentées en série ou en parallèle par une à trois sources électriques. 25 La FIGURE 4 est une représentation schématique d'un quatrième exemple d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention. Le dispositif 400 de la FIGURE 4 est réalisé en utilisant, de manière adjacente, deux noyaux magnétiques 1041 et 1042 qui correspondent chacun au noyau magnétique 104 des FIGURES 2 ou 3 et qui génèrent chacune une 30 zone de chauffe dans la pièce à chauffer, respectivement 1121 et 1122. Le dispositif 400 comprend une unique source électrique 402, à laquelle sont reliées en série les quatre bobines d'induction 2021 et 2022 des deux noyaux 1041 et 1042, et alimentant les quatre bobines d'induction. 3035766 Bien entendu, au moins deux bobines d'induction du dispositif 400 peuvent alternativement être reliées en parallèle. De plus, les bobines d'induction du dispositif 400 peuvent alternativement être alimentées par au moins deux sources électriques. En particulier, le dispositif 400 peut 5 comprendre une source électrique alimentant chaque bobine d'induction indépendamment, ou les bobines d'induction de chaque noyau magnétique i ndépendem ment. Alternativement, le dispositif 400 peut comprendre plus que deux noyaux magnétiques. Chaque noyau magnétique peut être équipé d'une, 10 deux ou trois bobines d'induction telles que décrites plus haut. En outre, le noyau magnétique peut présenter différentes formes, sections et/ou dimensions. Les FIGURES 5a-5d sont des représentations schématiques de noyaux 15 magnétiques de différentes formes pouvant être utilisés dans le dispositif selon l'invention, et en particulier dans les dispositifs des FIGURES 1 à 4. La FIGURE 5a représente un noyau magnétique 502 présentant une forme générale en « U » avec des coins arrondis. La FIGURE 5b représente un noyau magnétique 504 dont la forme 20 correspond à un demi-cercle. La FIGURE 5c représente un noyau magnétique 506 dont la forme correspond à un « V ». La FIGURE 5d représente un noyau magnétique 508 dont la forme correspond à un trident. 25 Chacun des noyaux magnétiques représentés sur les FIGURES 5a-5d peut être muni d'une ou plusieurs bobines d'induction. Un dispositif selon l'invention peut comprendre un ou plusieurs noyaux magnétiques représentés sur les FIGURES 1 à 5d identiques ou différents. 30 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples détaillés ci- dessus. REVENDICATIONS1. Dispositif (100-400) pour le chauffage par induction d'une pièce métallique (102), en particulier d'une pièce métallique de forme allongée, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un noyau magnétique (104) ouvert, prévu pour être disposé en face de ladite pièce à chauffer, et - au moins une bobine d'induction (106 ; 2021-2022), enroulée autour d'au moins une partie dudit au moins noyau magnétique (104), pour induire un champ magnétique dans ledit noyau magnétique (104) ; ledit noyau magnétique (104) présentant une forme générale recourbée vers ladite pièce métallique (102). 2. Dispositif (100-400) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un noyau magnétique (104) comprend au moins deux branches (1041-1043) formant entre-elles un angle inférieur à 180°. 3. Dispositif (200-400) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux bobines d'induction (2021,202) chacune : - enroulée autour d'une des branches (1041,1042) du noyau magnétique (104), et - alimentée de sorte à générer un flux magnétique circulant dans le même sens dans ledit noyau magnétique (104). 25 4. Dispositif (100-400) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un noyau magnétique (104) comprend deux branches (1041-1042), dites latérales, sensiblement parallèles entre-elles, et au moins une branche (1043), dite centrale, reliant 30 lesdites branches latérales (1041-1042) entre-elles. 5. Dispositif (100-400) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une bobine (106) enroulée autour de la branche centrale 3035766 - 13 - (1043), et/ou une bobine d'induction (2021-2022) enroulée autour d'une, ou de chacune, des branches latérales (1041, 1042). 6. Dispositif (100-400) selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un, en particulier chaque, noyau magnétique (104) présente une section dont la plus grande dimension est comprise entre 5cm et 15cm, préférentiellement est de 10cm. 7. Dispositif (400) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs noyaux magnétiques (1041,1042) comportant chacun au moins une bobine d'induction (2021,2022) enroulée autour d'au moins une partie dudit noyau magnétique (1041,1042). 8. Dispositif (100 ; 300 ; 400) selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé en qu'il comprend une unique source électrique (108 ; 302 ; 402) alimentant la, ou chaque, bobine d'induction (106 ; 2021, 2022) par un courant électrique alternatif. 9. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 20 caractérisé en qu'il comprend au moins deux sources électriques (2041, 2042) de sorte qu'au moins deux bobines d'induction (2021, 2022) d'un même noyau magnétique (104), ou de deux noyaux magnétique différents, sont alimentées par deux sources électriques différentes (2041, 2042). 10. Véhicule ferroviaire muni d'un dispositif (100-400) de chauffage par induction selon l'une quelconque des revendications précédentes.