Prédire les effets du chauffage par induction à l’aide de la simulation
Lorsque nous utilisons des matériaux conducteurs pour faire circuler un courant électrique, nous cherchons souvent à minimiser la résistance électrique, mais cette dernière et ses effets – tels que la lumière et la chaleur – peuvent également être utiles. Le chauffage par induction consiste à employer un courant électrique pour provoquer délibérément un comportement électrique chauffant un matériau grâce à des effets de résistance. Ces effets peuvent être utilisés pour tout type d’applications, de la fusion du fer à des températures dépassant 1500°C à la préparation du thé sur une cuisinière à induction !
L’induction crée du courant sans contact
Comme indiqué ci-dessus, le courant circulant dans un matériau conducteur génère de la chaleur du fait de la résistance électrique. Les grille-pains, les sèche-cheveux, les chauffages d’appoint et d’autres appareils de la vie quotidienne se basent sur cet effet. Dans ce cas, le phénomène est appelé Chauffage par effet Joule ou Chauffage résistif. Il se produit par contact physique direct entre un élément conducteur et une source de courant.
En revanche, le chauffage par induction chauffe électriquement un objet sans contact physique direct avec une source de courant. Au lieu de cela, l’objet conducteur (ou pièce) est placé près d’une bobine d’induction, qui transporte un courant alternatif (AC). Le courant alternatif génère autour de la bobine d’induction un champ magnétique variant dans le temps. Ce champ induit des courants de Foucault qui génèrent de la chaleur dans la pièce.
Une simulation de la densité de courant induite dans un conducteur en aluminium par une bobine en cuivre qui est parcourue par un courant alternatif sinusoïdal. (Apprenez à simuler ce type de système ici.)
Pour obtenir un chauffage par induction exploitable, un certain nombre de conditions doivent être remplies. La pièce doit être fabriquée dans un matériau ayant une conductivité électrique élevée. Le courant appliqué doit avoir une fréquence qui s’accorde bien avec la conductivité et les propriétés magnétiques de la pièce. En choisissant soigneusement les matériaux et la fréquence, nous pouvons chauffer par induction une pièce en métal ferreux de la température ambiante jusqu’à plus de 700°C en quelques secondes. En effet, la perméabilité élevée des matériaux contenant du fer entraîne des courants de Foucault plus forts et des effets de peau, par conséquent le courant alternatif circule plus intensément autour de la surface de la pièce. Le chauffage par induction dans les métaux ferreux est davantage amplifié par la magnétisation cyclique des cristaux de fer sous l’effet des courants alternatifs. Le changement rapide du champ magnétique AC entraîne des pertes par hystérésis, qui génèrent encore plus de chaleur.
Quels sont les avantages du chauffage par induction?
La capacité à chauffer des matériaux conducteurs de manière efficace et précise – sans contact – fait du chauffage par induction un aspect important de nombreux procédés. Prenons par exemple une cuisinière à induction. Le courant AC circulant dans une bobine d’induction, cachée sous la surface de la plaque de cuisson, crée un champ magnétique alternatif dans une casserole en fer. Les effets de résistance dans la casserole génèrent suffisamment de chaleur pour faire bouillir de l’eau, mais la plaque de cuisson et le fond de la casserole sont à peine plus chauds que la température ambiante. Ce chauffage ciblé est à la fois plus sûr et plus efficace que les méthodes habituelles de cuisson.
Une plaque de cuisson à induction chauffe une casserole d’eau jusqu’à ébullition, pourtant la surface n’est pas assez chaude pour enflammer un journal placé sous la casserole. Image sous licence CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.
Les avantages du chauffage par induction sont d’autant plus importants lorsqu’il est utilisé à échelle industrielle. Comparés à d’autres méthodes de chauffage et de fusion, les fours à induction consomment moins d’énergie et émettent moins de pollution. La propreté du chauffage par induction en fait également un procédé essentiel pour la fabrication de semi-conducteurs et d’autres composants électroniques.
Entre la préparation du thé et la fusion des métaux, le chauffage par induction peut également servir à d’autres fins. Les techniques métallurgiques familières telles que le brasage tendre, le soudage, et le brasage dur peuvent toutes être réalisées par induction. La chaleur d’un courant induit peut également servir à traiter thermiquement un métal ferreux de manière soigneusement contrôlée, comme le montre le modèle du tutoriel décrit ci-dessous.
Modèle d’effets inductifs dans un métal ferreux
Le travail des métaux est une compétence emblématique de la civilisation, comme le soulignent les notions historiques d’âge du bronze et d’âge du fer. Notre propre ère industrielle a effectivement commencé par de grandes avancées dans la production et le traitement du fer au cours du 19ème siècle. Alors que traditionnellement les métallurgistes martelaient le fer chaud sur une enclume, une petite pièce à la fois, les usines à charbon pouvaient purifier et durcir des quantités sans précédent de métaux ferreux. Les progrès réalisés dans le traitement électrique des métaux au cours du 20ème siècle incluent le développement de procédés de trempe par induction, dont un exemple simulé est présenté ci-dessous.
Un procédé de trempe par induction consistant à déplacer une pièce en métal ferreux à travers une bobine d’induction. Le courant circulant dans la bobine est représenté en rouge.
Cet exemple modélise un procédé dans lequel une pièce ferreuse est déplacée à travers une bobine d’induction, ce qui génère un champ qui induit le chauffage dans la pièce. Ce procédé est souvent utilisé pour traiter thermiquement les arbres de transmission, les goupilles et d’autres composants similaires soumis à des contraintes mécaniques intenses. Le modèle tire parti d’une fonctionnalité du module AC/DC pour prendre en compte les comportements électromagnétiques et thermiques couplés dans la pièce et les changements physiques qui peuvent en résulter.
Le module AC/DC permet d’analyser les comportements magnétiques avec des options de relations constitutives sélectionnées par l’utilisateur. L’option Courbe B-H effective est bien adaptée à cette analyse, car elle prend en compte à la fois la saturation magnétique (le point au-delà duquel l’aimantation d’un matériau ne peut plus être augmentée par un champ externe) et la Température de Curie de la pièce. Lorsqu’il est chauffé au-delà de la température de Curie (nommée d’après Pierre Curie, qui l’a découverte et décrite), un matériau perd les propriétés magnétiques qu’il présente à des températures plus basses. Les effets de saturation et de température de Curie modifient la relation entre le courant appliqué et les changements qui en résultent dans la pièce.
Graphique de la courbe de la relation B-H, illustrant le comportement hystérétique en traçant la densité de flux magnétique en fonction du champ magnétique au cours d’un cycle AC. Ce graphique provient d’un tutoriel d’électromagnétisme, qui peut être utilisé pour reproduire le problème 32 du benchmark Testing Electromagnetic Analysis Method (TEAM). Le problème TEAM 32 évalue les méthodes numériques pour la simulation de l’hystérisis magnétique anisotrope.
Comme ce procédé de trempe par induction repose sur le mouvement de la pièce à travers la bobine, la simulation doit également tenir compte du déplacement. Cela est traité avec un maillage mobile via l’interface Machine tournante, magnétique qui utilise une combinaison de potentiels vecteurs et scalaires. Le maillage doit également tenir compte des effets de peau, au niveau desquels le comportement magnétique induit varie entre la surface et le centre de la pièce.
Maillage pour deux cas d’utilisation du tutoriel de trempe par induction : fréquences AC de 1 kHz (à gauche) et de 25 kHz (à droite).
Résultats de simulation pour 2 cas d’utilisation
Bien que la trempe du métal par la chaleur induite par l’électricité soit un effet utile, il est possible d’abuser d’une bonne chose. La chaleur qui durcit le métal le rend également plus fragile. Pour obtenir le bon équilibre entre dureté et ductilité dans chaque zone de la pièce finie, il est possible d’ajuster les paramètres clés du procédé de trempe par induction. Les résultats ci-dessous permettent de comparer deux cas pratiques qui étudient les influences de trois paramètres différents:
- Fréquence AC
- Niveau de courant externe
- Vitesse à laquelle la pièce est déplacée à travers la bobine
Comparaison de la température maximale atteinte à l’intérieur de la pièce en réponse à deux fréquences AC différentes: 1 kHz (à gauche) et 25 kHz (à droite).
Déplacement et variation de température d’une pièce de fixation passant à travers une bobine de chauffage par induction à f = 25 kHz, v = 10 mm/s.
Comme le montrent les résultats, modifier la fréquence AC de la bobine ne change pas seulement le pic de température, elle remodèle également la distribution de la chaleur induite dans toute la pièce. Le champ de température résultant peut servir de base à d’autres analyses des effets métallurgiques. Par exemple, vous pouvez utiliser les données de simulation de température pour prédire la transition de phase métallurgique, en utilisant le module Metal Processing.
Lancez-vous!
Essayez la simulation des effets du chauffage électromagnétique par induction dans un composant métallique en téléchargeant le tutoriel de la Bibliothèque d’applications:
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