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PERFECTIONNEMENTS AUX FOURS. A INDUCTION A NOYAU MAGNETIQUE.
Les fours à induction employés aux fréquences ordinai- res et aux basses fréquences, quelques fois aussi utilisés aux hautes fréquences, comportent généralement un noyau de fer au- tour duquel sont un circuit primaire et un circuit secondaire. souvent en forme de rigole.
Alors que l'on peut appliquer d'assez près, le circuit inducteur sur le noyau de fer, on ne peut faire de même en ce qui concerne le secondaire pour de nombreuses raisons;la spire induite doit avoir un grand volume correspondant à ce quTon veut traiter de matière à la fois; cette spire doit être écartée des parties délicates parce qu'elle est chaude, parce qu'on doit procéder à certains travaux sur omette matière traitée.
Sous cette forme, un four à induction a forcément un facteur de puissance bas, à cause des grandes fuites magnétiques entre les deux circuits, La présente invention remédie,en grande partie à cet inconvénient.
Elle consiste en ce que, le four étant alimenté au moyen d'un circuit à. tension très basse, presque égale à la
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tension nécessaire dans la spire chauffée- ou à un faible multi- ple de celle-ci, à appliquer le circuit inducteur du four aussi étroitement que possible à la spire secondaire quels qu'en soient la forme et les contours.. La basse tension d'alimenta- tion exige une première transformation de la tension du réseau, mais cette nécessité est largement compensée par l'améliora- tion du facteur de puissance et les avantages réalisés.
Sur le dessin annexé:
La fig. I représente en coupe axiale le schéma de la disposition habituellement employée.
La fig. 2 est une'vue schématique analogue d'une disposition conforme à l'invention.
Les fig. 3 et 4 sont des coupes axiales de variantes.
La fig. 5 montre en coupe,l'application de l'inven- tion à un four dans lequel une partie seulement de la matière à traiter est soumise au chauffage.
La fig. 6 est une coupe axiale du dispositif appliqué au chauffage d'un autre genre de creuset.
La fig. 7 est une coupe suivant 7-7 de la fig. 6.
La fig. 8 est une coupe axiale d'une autre applica- tion.
La fig. 9 est une coupe horizontale suivant 9-9 de la fig. 8.
Les fig. 10, 11 et 12 représentent des variantes de la spire inductrice.
La fig'. 13 est une coupe axiale d'une variante du dispositif représenté fig. 8.
La fig. 14 donne un schéma de montage de l'alterna- teur alimentant le circuit.
La fig. I du dessin annexé représente le schéma de la disposition habituelle avec circuit inducteur P disposé sur le noyau de fer N..
La fig. 2 représente un schéma d'une disposition
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conforme à l'invention où le oirouit inducteur P est appliqué sur la spire secondaire S. l'enroulement l, étant de très basse tension peut rester nu, ne comportant d'autre isolement que les matériaux du four eux-mêmes comme la brique, ou des substances de résistan- ce mécanique élevée au lieu de coton,, de vernis, de carton,de papier nécessités par la forme de la fig. I. Les ouvriers pour- ront travailler sans risquer de dangereuses secousses.
Le circuit P de la fige 2 pourra chauffer à plusieurs centaines de degrés sans inconvénient autre que son accroissement de résistance électrique. Sa section massive lui donne la facul- té de supporter les travaux de conduite du four faits en sa pro- ximité. Le calcul montre qu'on peut ainsi nettement augmenter le ' facteur de puissance en passant de la fig. I, connue, à la nou- velle forme de la fig. 2.
Mais -on peut gagner encore davantage, divisant par plus de deux la puissance réactive absorbée, en dédoublant le circuit P selon la disposition représentée sur la fig. 3.Ce circuit P sera ainsi réparti en deux parties, l'une à l'intérieur de 3,1'au* tre à l'extérieur, chacune d'elles d'un petit nombre de spires ou d'une seule spire. Ces deux parties se réunissent en série ou en parallèle.
Les demandeurs ont établi qu'un tel four malgré la né- cessité d'une première transformation depuis le courant du réseau tout en augmentant les facilités de travail du chimiste ou du mé- tallurgiste chauffant la matière de la spire S, conduit à un fac- teur de puissance bien plus élevé globalement, que la disposition de la fig. I.
Les deux transformateurs successifs peuvent avoir cer- taines parties de leurs circuits magnétiques communes dans le but d'économiser la matière.
On peut faire encore mieux en opérant cette première transformation sur l'autre partie du noyau inutilisée,selon la fig. 4. L'enroulement R aussi éloigné qu'on le déaire de la par- tie de travail du four, car les branches du noyau magnétique
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figurées horizontalement peu-vent être.longues, est relié au ré- seau d'alimentation qui peut être de tension élevée.Une tension très basae est induite en P1, circuit massif de très peu de spi- res, pouvant d'ailleurs; âtre réparti en deux à l'intérieur et à l'extérieur de R afin d'augmenter encore le facteur de puissance.
Le circuit P1 alimente par de grosses barres K, disposées en air- cuit d'aller et de retour embrassant une faible surface,un cir- cuit P2 simple ou double, comme on l'a indiqué dans les fig.2 & 3
Les connexions entre ces circuits Pl et P2, chacun d'eux simple ou multiple, peuvent s'effectuer de toutes manières connues.
On fera remarquer que la nouvelle disposition que l'on vient de décrire se distingue essentiellement de la vieille idée, qui n'a d'ailleurs pas eu grand succès car elle est insuffisante, dite quelquefois type Grönwall ou à noyau magnétique muni d'écran (shielded core) où l'on indiquait nettement que des circuits auxi. liaires ayant à première vue quelque ressemblance avec Pl et P2 s'appliquaient au noyau le plus possible afin de réduire les fui- tes magnétiques du noyau, en s'écartant pour cela tout à fait du contour de la spire S circulaire ou non.
Ici, au contraire,on suit d'une manière formelle cette spire au plus près et qu'elle qu'en soit sa forme, de préférence sur ses deux faces, en s'éloi- gnant pour' cela autant du noyau que c'est nécessaire. L'idée, comme les résultats, sont donc tout à fait différents.
On peut encore, pour gagner quelque peu, disposer des circuits P2 également sur le fond de la spire S comme on l'a re- présente en Q sur la fig. 4,et même sur le dessus de la spire S en l'encadrant 'de toutes parts. Mais il faut compter avec les facilités du travail à effectuer qui demande souvent un examen de toute la;, surface supérieure de la spire S. Dans le cas de trois parties P2 P2 Q celles-ci peuvent être réunies en une spire en forme de U autour de S, ou en deux parties en forme de # #.
Les mômes perfectionnements s'appliquent à tout autre modèle de four à induction, par exemple à un four dans lequel la
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tière en traitement, comme représenté schématiquement par la fi- gure 5. -La spire S est de volume réduit; la matière conductrice en traitement s'y échauffe et est animée en même temps d'un mou- vement d'aller et de retour vers et depuis un creuset 0 de volu- me plus grand. sur lequel on opère, au moyen d'un certain nombre de canaux D d'aller et de retour, ce mouvement étant déterminé de toutes manières connues par des efforts dus par exemple à des différences de densité ou a des forces électromagnétiques. La simplicité des circuits P2 et leur robustesse est favorable à l'obtention de ces dernières.
De même, à titre de nouvel/exemple , on a représenté sur les fig. 6 et 7, un grand creuset C avec un trou T dans lequel est enfilé le noyau Nl d'un circuit magnétique.' Ordinairement le circuit primaire relié au réseau, bobinage délicat, fragile, à tension moyenne ou élevée, est placé sur la partie N1 dans le trou T. On voit immédiatement tout l'intérêt de ne placer dans cet endroit chaud et mal protégé que des circuits massifs du genre P2 en réservant le noyau N2 au bobinage relié au réseau et à un circuit Pl relié à P2, comme dans les dispositions des fige 4. & 5.
La fig. 8'représente un autre exemple de four à creu- set autour duquel est placée sans isolement électrique spécial une spire P2 alimentée à très basse tension au moyen de la spire P1 située à proximité du primaire R; P1 et R étant disposés autour du noyau magnétique N. L'ensemble peut être fixe ou basculant dtne pièce si on le désire.
On peut aussi, ce qui est extrêmement important pour la suppression des explosions- en cas de percée du creus et, suppri- mer la circulation d'eau à la partie inférieure de, la spire in- ductrice P2 et ne garder cette eau que dans une sorte de rigole p disposée à la partie supérieure de cette spire (voir fig.IO), la chaleur arrivant à l'eau par la conductibilité calorifique de la lame de cuivre. Une rigole analogue peut être disposée à la par- tie supérieure de p1. Quelquefois aussi on peut supprimer oomplè- .temont lteau.
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On peut encore recourir au refroidissement de la spire
P2 au moyen d'air amené par un ventilateur. Alors que cette dis- position est difficile à adopter dans le cas de l'hélice à nom- breuses spires à cause dela pertede charge amenéepar la Ion- gueur et la faible section du conduit, il est facile d'employer ici la disposition appropriée dont la fig. II est un exemple.
L'addition de la paroi p2 tout autour de P2, ou seulement sur une portion de son pourtour, permettra l'amenée de l'air dont l'effet refroidissant sera augmenté si nécessaire par l'accrois- sement de la surface de P2 au moyen de saillies comme dans tout radiateur. L'effet refroidissant de l'air peut être augmenté beaueoup par une pulvérisation deau. La paroi p2 peut ou non participer à la circulation du courant électrique.
Au lieu d'un seul conducteur P2 on peut placer autour du creuset quelques grosses spires (deux ou trois) disposées en série, ou un nombre quelconque en parallèle, alimentées à assez basse tension pour se contenter de l'isolement constitué par les matières réfractaires entourant le-creuset, sans danger de com- motions pour les ouvriers.
Dans le cas de deux ou trois spires: ainsi disposées, le refroidissement peut être assuré comme précé- demment par de l'air ou de l'eau circulant à la partie supérieure,
Dans le cas de conducteurs en parallèle jointifs, com- me par exemple sur la fig. 12, on peut quelquefois avoir inté- rêt à les séparer sur une grande partie de la hauteur par un isolant mince p3, de l'amiante par exemple; de cette manière on arrive à diminuer la résistance provenant de 1* effet Kelvin.
Enfin le noyau magnétique N peut être prolongé au dessus du creuset, et passer autour, ou bien un ou plusieurs noyaux spéciaux peuvent être ajoutés en ces endroits, afin de conduire partiellement le flux passant dans le creusât,selon les spécifications de la demande de brevet déposée par les demandeurs le même jour pour "Perfectionnements aux fours à induction à fréquence élevée".
La fig. 13 représente une variante de la fig. 8. Le
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circuit P1 est dédoublé, une partie est à l'intérieur de N, l'autre à l'extérieur; les deux parties P1 P3 sont reliées en série ou en parallèle et jointes toujours directement à la spire
P2. De cette manière, on utilise mieux les conducteurs des cir- cuits Pl et R en y réduisant sensiblement, dès que la fréquence s'élève, la résistance effective due à l'effet Kelvin ou de peau, et les effets..., analogues dus à la proximité des circuits.
L'enroulement primaire R (fig. I) peut comporter diver- ses prises de courbant, soit pour des règlages, soit pour permet- tre de construire l'alternateur, le condensateur et le four à la
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meilleure tension possible pour chaQreux.lralimentation étant faite par exemple selon la fig. 14.
Bien entendu les dispositions qui précèdent peuvent s'appliquer à des fours à induction de toute fréquence pour les- quels l'emploi de fer constitue un avantage.
Au lieu de founs monophasés on peut aussi bien emplo- yer des fours polyphasés et leur appliquer le même principe, ces fours polyphasés comportant plusieurs noyaux magnétiques, plu- sieurs circuits tels que R Pl P2 et plusieurs spires de chauffa- ge S de toutes manières connues, ces différentes spires S étant séparées, ou réunies, ou aboutissant à un même creuset général analogue à 0 de la figure 5.
REVENDICATIONS.
1 - Un four à induction à noyau magnétique,caractérisé par-une alimentation du circuit inducteur à très basse tension au moyen d'une ou de quelques spires suivant d'aussi près que possible le circuit de travail.
2 - Un four à induction selon 1 , dans lequel le cir- cuit inducteur est dédoublé et placé des deux coûtés du circuit de travail, ou plus généralement disposé pour agir sur différen- tes faces du circuit de travail.
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OVENS IMPROVEMENTS. WITH MAGNETIC CORE INDUCTION.
Induction furnaces employed at ordinary frequencies and at low frequencies, sometimes also used at high frequencies, generally have an iron core around which are a primary circuit and a secondary circuit. often in the form of a channel.
While the inductor circuit can be applied fairly closely to the iron core, the same cannot be done with regard to the secondary for many reasons; the induced coil must have a large volume corresponding to what is required. wants to deal with matter at the same time; this coil must be removed from the delicate parts because it is hot, because certain work must be carried out on omette treated material.
In this form, an induction furnace necessarily has a low power factor, because of the large magnetic leaks between the two circuits. The present invention largely overcomes this drawback.
It consists in that, the furnace being supplied by means of a circuit. very low voltage, almost equal to the
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voltage required in the heated coil - or at a low multiple of it, to apply the furnace inductor circuit as tightly as possible to the secondary coil regardless of shape and contours. The power supply requires a first transformation of the grid voltage, but this necessity is largely compensated by the improvement in the power factor and the advantages achieved.
On the attached drawing:
Fig. I represents in axial section the diagram of the arrangement usually employed.
Fig. 2 is a similar schematic view of an arrangement according to the invention.
Figs. 3 and 4 are axial sections of variants.
Fig. 5 shows in section the application of the invention to an oven in which only part of the material to be treated is subjected to heating.
Fig. 6 is an axial section of the device applied to the heating of another type of crucible.
Fig. 7 is a section on 7-7 of FIG. 6.
Fig. 8 is an axial section of another application.
Fig. 9 is a horizontal section along 9-9 of FIG. 8.
Figs. 10, 11 and 12 represent variants of the inductor coil.
Fig '. 13 is an axial section of a variant of the device shown in FIG. 8.
Fig. 14 gives an assembly diagram of the alternator supplying the circuit.
Fig. I of the appended drawing represents the diagram of the usual arrangement with inductor circuit P arranged on the iron core N.
Fig. 2 is a diagram of a layout
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in accordance with the invention where the inductor oirouit P is applied to the secondary turn S. the winding 1, being of very low voltage can remain bare, having no other insulation than the materials of the furnace themselves such as brick, or substances of high mechanical resistance instead of cotton, varnish, cardboard, paper required by the form of fig. I. The workers will be able to work without risking dangerous shocks.
The circuit P of the freeze 2 can heat up to several hundred degrees without inconvenience other than its increase in electrical resistance. Its massive cross-section gives it the ability to withstand the furnace operations carried out in its vicinity. The calculation shows that it is thus possible to significantly increase the power factor by going from FIG. I, known, in the new form of FIG. 2.
But -we can gain even more, dividing by more than two the reactive power absorbed, by doubling the circuit P according to the arrangement shown in fig. 3.This circuit P will thus be divided into two parts, one inside 3,1 'other outside, each of them with a small number of turns or a single turn. These two parts meet in series or in parallel.
The applicants have established that such a furnace, despite the need for a first transformation from the mains current while increasing the working facilities of the chemist or the metallurgist heating the material of the coil S, leads to a fac - much higher power factor overall, than the arrangement of FIG. I.
The two successive transformers can have some parts of their common magnetic circuits in order to save material.
We can do even better by carrying out this first transformation on the other part of the unused core, according to FIG. 4. The winding R as far as it is from the working part of the furnace, because the branches of the magnetic core
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shown horizontally peu-vent be.longues, is connected to the supply network which can be of high tension. A very low tension is induced in P1, massive circuit of very few turns, being able besides; Hearth divided into two inside and outside R in order to further increase the power factor.
The circuit P1 feeds by large bars K, arranged in outward and return air-cooked embracing a small surface, a single or double circuit P2, as indicated in fig. 2 & 3
The connections between these circuits P1 and P2, each of them single or multiple, can be made in any known manner.
It will be noted that the new arrangement which has just been described differs essentially from the old idea, which moreover has not been very successful because it is insufficient, sometimes called the Grönwall type or with a magnetic core fitted with a screen. (shielded core) where it was clearly indicated that auxi circuits. Liars having at first sight some resemblance to P1 and P2 applied to the core as much as possible in order to reduce the magnetic leaks from the core, thereby deviating completely from the contour of the S-coil, whether circular or not.
Here, on the contrary, we follow in a formal way this whorl as closely as possible and whatever its shape, preferably on both sides, moving away for that as much from the core as it is. is necessary. The idea, like the results, are therefore quite different.
It is also possible, to save a little, to arrange the circuits P2 also on the bottom of the turn S as has been shown at Q in FIG. 4, and even on top of the coil S by framing it on all sides. But it is necessary to take into account the ease of the work to be carried out which often requires an examination of the entire upper surface of the coil S. In the case of three parts P2 P2 Q these can be united in a U-shaped coil around S, or in two parts in the shape of # #.
The same improvements apply to any other model of induction furnace, for example to a furnace in which the
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third in treatment, as represented schematically by FIG. 5. -The coil S is of reduced volume; the conductive material being processed heats up therein and at the same time is given a back and forth movement to and from a crucible 0 of larger volume. on which one operates, by means of a certain number of outward and return channels D, this movement being determined in all known ways by forces due for example to differences in density or to electromagnetic forces. The simplicity of the P2 circuits and their robustness is favorable to obtaining the latter.
Likewise, as a new example, FIGS. 6 and 7, a large crucible C with a hole T in which is threaded the core Nl of a magnetic circuit. ' Usually the primary circuit connected to the network, a delicate, fragile winding, at medium or high voltage, is placed on part N1 in the hole T. We immediately see the advantage of placing only circuits in this hot and poorly protected place. solid structures of the type P2 by reserving the core N2 for the winding connected to the network and to a circuit Pl connected to P2, as in the provisions of figs 4. & 5.
Fig. 8 'represents another example of a crucible furnace around which is placed without special electrical insulation a coil P2 powered at very low voltage by means of the coil P1 located near the primary R; P1 and R being arranged around the magnetic core N. The assembly can be fixed or tilting dtne part if desired.
It is also possible, which is extremely important for the suppression of explosions - in the event of a breakthrough in the pit and, suppress the circulation of water at the lower part of the lead coil P2 and only keep this water in a kind of channel p arranged at the upper part of this coil (see fig.IO), the heat reaching the water through the heat conductivity of the copper strip. A similar channel can be placed at the upper part of p1. Sometimes also we can remove oomplè- .temont lteau.
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We can still use the cooling of the coil
P2 by means of air supplied by a fan. While this arrangement is difficult to adopt in the case of the propeller with many turns because of the loss of load brought about by the lon- gency and the small section of the duct, it is easy to employ here the appropriate arrangement. fig. He is an example.
The addition of the wall p2 all around P2, or only over a portion of its periphery, will allow the supply of air, the cooling effect of which will be increased if necessary by increasing the surface of P2 at the means of projections as in any radiator. The cooling effect of the air can be greatly increased by spraying with water. The wall p2 may or may not participate in the flow of electric current.
Instead of a single conductor P2, a few large turns (two or three) can be placed around the crucible, arranged in series, or any number in parallel, supplied at low enough voltage to be satisfied with the insulation formed by the refractory materials. surrounding the crucible, without danger of com- motions for the workers.
In the case of two or three turns: thus arranged, cooling can be ensured as before by air or water circulating in the upper part,
In the case of contiguous parallel conductors, as for example in FIG. 12, it may sometimes be advantageous to separate them over a large part of the height by a thin insulation p3, asbestos for example; in this way the resistance coming from the Kelvin effect is reduced.
Finally, the magnetic core N can be extended above the crucible, and pass around, or else one or more special cores can be added in these places, in order to partially conduct the flux passing through the crucible, according to the specifications of the patent application. filed by the applicants the same day for "Improvements to High Frequency Induction Furnaces".
Fig. 13 shows a variant of FIG. 8. The
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circuit P1 is split, one part is inside N, the other outside; the two parts P1 P3 are connected in series or in parallel and always joined directly to the coil
P2. In this way, the conductors of the circuits P1 and R are better used by significantly reducing there, as soon as the frequency rises, the effective resistance due to the Kelvin or skin effect, and the effects ... due to the proximity of the circuits.
The primary winding R (fig. I) can include various bending tappings, either for adjustments, or to allow the alternator, the condenser and the furnace to be constructed at the same time.
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best possible voltage for chaQreux.lrimentation being made for example according to FIG. 14.
Of course, the foregoing provisions can be applied to induction furnaces of any frequency for which the use of iron constitutes an advantage.
Instead of single-phase furnaces, it is also possible to use polyphase furnaces and apply the same principle to them, these polyphase furnaces comprising several magnetic cores, several circuits such as R Pl P2 and several heating turns S in any case. known, these different turns S being separated, or united, or resulting in the same general crucible similar to 0 in FIG. 5.
CLAIMS.
1 - An induction furnace with a magnetic core, characterized by a supply of the inductor circuit at very low voltage by means of one or a few turns following the working circuit as closely as possible.
2 - An induction furnace according to 1, in which the inductor circuit is split and placed in two parts of the working circuit, or more generally arranged to act on different faces of the working circuit.
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