FR2536943A1 - Method and device for the induction heating of a ferromagnetic component having axial symmetry and irregular contour. - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF DE CHAUFFAGE PAR INDUCTION
D'UNE PIECE FERROMAGNETIQUE A SYMETRIE AXIALE
ET A CONTOUR IRREGULIER.METHOD AND DEVICE FOR INDUCTION HEATING
OF A FERROMAGNETIC PART WITH AN AXIAL SYMMETRY
AND WITH IRREGULAR CONTOUR.
L'invention se rapporte à un procédé et un dispositif de chauffage par induction électromagnétique d'une pièce à symétrie axiale et à contour irrégulier, telle qu'une couronne ou roue dentée, ou un rotor de turbine à pales fixes, par exemple, en matériau ferromagnétique et conducteur. The invention relates to a method and a device for heating by electromagnetic induction of a part with axial symmetry and with an irregular contour, such as a crown or toothed wheel, or a turbine rotor with fixed blades, for example ferromagnetic and conductive material.
Elle concerne, plus précisément, le chauffage par induction des pièces ferromagnétiques semblables à des corps de révolution à symétrie axiale dont la périphérie (ou le pourtour intérieur) comprend une succession, de préférence régulière, de saillies et de creux alternés, ces pièces étant entraînées en rotation autour de leurs axes pendant leur chauffage qui peut les amener jusqu'au point de curie de leur matériau constitutif. More specifically, it relates to the induction heating of ferromagnetic parts similar to bodies of revolution with axial symmetry, the periphery (or inner periphery) of which comprises a succession, preferably regular, of alternating projections and recesses, these parts being driven in rotation around their axes during their heating which can bring them to the point of curie of their constituent material.
Dans les dispositifs connus de ce genre, les pièces en rotation sont disposées dans le champ magnétique alternatif d'un inducteur mono- ou multispire, entourant de manière coaxiale la périphérie dentée de la pièce, de façon à engendrer un champ axial, lorsqu'il est parcouru par un courant alternatif. Une telle disposition permet, par exemple, la trempe superficielle des engrenages (denture) d'une couronne dentée ou un traitement thermique (recuit) partiel ou global de celle-ci. Dans le cas d'une denture intérieure, celle-ci entoure l'inducteur.Dans-l'etat de la technique, le courant alternatif alimentant l'inducteur est généralement soit dans la gamme des hautes (au-dessus de 100 kHz) ou des moyennes (comprises entre 500 ou 10.000 Hz) fréquences industrielles, généralement fourni par un générateur du type convertisseur statique ou rotatif, délivrant une tension alternative monophasée et une puissance comprise entre quelques dizaines et plusieurs centaines de kilowatts, en fonction du diamètre et de la hauteur de la pièce à chauffer sur sa périphérie. In known devices of this kind, the rotating parts are arranged in the alternating magnetic field of a single or multispire inductor, coaxially surrounding the toothed periphery of the part, so as to generate an axial field, when is traversed by an alternating current. Such an arrangement allows, for example, the surface hardening of the gears (toothing) of a ring gear or a partial or global heat treatment (annealing) thereof. In the case of an internal toothing, this surrounds the inductor. In the prior art, the alternating current supplying the inductor is generally either in the high range (above 100 kHz) or mid-range (between 500 or 10,000 Hz) industrial frequencies, generally supplied by a generator of the static or rotary converter type, delivering a single-phase alternating voltage and a power between a few tens and several hundred kilowatts, depending on the diameter and the height of the room to be heated on its periphery.
L'utilisation des convertisseurs statiques à thyristors ou rotatifs (moteur-alternateur) constitue un investissement substantiel du fait de leur complexité technologique qu'imposent les transformations successives de l'énergie à partir du réseau triphasé de 50 ou 60 Hz, en énergie de haute ou de moyenne fréquence, ainsi que l'utilisation d'une batterie de condensateurs haute-tension pouvant supporter l'énergie réactive considérable présente dans l'inducteur. The use of static thyristor or rotary converters (motor-alternator) constitutes a substantial investment because of their technological complexity imposed by the successive transformations of energy from the three-phase network of 50 or 60 Hz, into high energy. or medium frequency, as well as the use of a high-voltage capacitor bank capable of supporting the considerable reactive energy present in the inductor.
Le procédé et le dispositif objets de la présente invention, permettent d'éviter, en ce qui concerne les pièces à symétrie axiale ou corps de révolution à périphérie irrégulière, présentant une alternance de saillies et de creux, I'utilisation de générateurs de courant alternatif genre convertisseur statique (onduleur, cycloconvertisseur) ou rotatif (moteur-alternateur), ainsi que celle de batteries de condensateurs d'accord à connecter en parallèle avec un inducteur pour compenser la puissance réactive consommée par celui-ci.Dans celui-ci, en effet, la conversion de fréquence (ou continu-alternatif) s'effectue directement à -la périphérie de la pièce à chauffer ferromagnétique, qui est à structure périodique, du fait de son rayon qui varie en fonction de l'angle et qui constitue en même temps l'induit du système de conversion de fréquence, analogue à celui d'un alternateur, dit d'ALEXANDERSON, à rotor denté et à armature (stator) bobiné (décrit, par exempla, à la page 374 de l'ouvrage allemand de VILBIG intitué "LEHRBUCH DER
HOCHFREQUENZTECHNIK", publié en 1937 par AKADEMISCHE
VERLAGSGESELLSCHAFT).D'autres types d'alternateurs, dits à induction, à rotor denté et à stator bobiné, alimenté en - courant continu, ont été décrits aux pages 210 à 213 de l'ouvrage anglais de
SIMPSON intitulé "INDUCTION HEATING", publié en 1960 par Mc
GRAW-HILL BOOK COMPANY, INC., ou aux pages 63 et 64 de l'ouvrage américain de BAILEY et GAULT intitulé "ALTERNATING
CURRENT MACHINERY", publié en 1951 par l'éditeur précité.The method and the device which are the subject of the present invention make it possible to avoid, with regard to the parts with axial symmetry or body of revolution with irregular periphery, having alternating projections and depressions, the use of alternating current generators. such as a static converter (inverter, cycloconverter) or rotary converter (motor-alternator), as well as that of tuning capacitor banks to be connected in parallel with an inductor to compensate for the reactive power consumed by it. In fact, the frequency conversion (or DC-AC) takes place directly at the periphery of the ferromagnetic part to be heated, which is of periodic structure, due to its radius which varies according to the angle and which constitutes at the same time the armature of the frequency conversion system, analogous to that of an alternator, called of ALEXANDERSON, with toothed rotor and wound armature (stator) (described, for example, on page 374 of the book German from VILBIG entitled "LEHRBUCH DER
HOCHFREQUENZTECHNIK ", published in 1937 by AKADEMISCHE
VERLAGSGESELLSCHAFT). Other types of alternators, called induction, with toothed rotor and wound stator, supplied with - direct current, were described on pages 210 to 213 of the English work of
SIMPSON titled "INDUCTION HEATING", published in 1960 by Mc
GRAW-HILL BOOK COMPANY, INC., Or on pages 63 and 64 of the American work by BAILEY and GAULT entitled "ALTERNATING
CURRENT MACHINERY ", published in 1951 by the aforementioned publisher.
Dans de tels alternateurs, un champ magnétique continu engendré par une bobine de champ entourant la machine passe à travers un circuit magnétique comprenant le stator bobiné et le rotor denté, entraîné par un moteur à une vitesse de rotation constante et élevée. Le courant alternatif engendré par la variation de la réluctance magnétique dûe à la variation de l'entrefer du fait de la rotation des dents, est induit dans le bobinage du stator (armature) dont les bornes fournissent une tension alternative dont la fréquence est fonction du nombre des dents et de la vitesse de rotation du rotor.Ces tension et courant alternatifs sont ensuite utilisés soit pour constituer une onde porteuse modulable par la variation du courant d'excitation continu de la bobine de champ, soit pour alimenter un inducteur de chauffage par induction, shunté par une batterie de condensateurs d'accord pour former un circuit résonnant parallèle, par exemple. In such alternators, a continuous magnetic field generated by a field coil surrounding the machine passes through a magnetic circuit comprising the wound stator and the toothed rotor, driven by a motor at a constant and high speed of rotation. The alternating current generated by the variation of the magnetic reluctance due to the variation of the air gap due to the rotation of the teeth, is induced in the winding of the stator (armature) whose terminals provide an alternating voltage whose frequency is a function of the number of teeth and the speed of rotation of the rotor. These alternating voltage and current are then used either to constitute a carrier wave which can be modulated by the variation of the continuous excitation current of the field coil, or to supply a heating inductor by induction, shunted by a battery of tuning capacitors to form a parallel resonant circuit, for example.
Suivant I'invention, un procédé de chauffage par induction d'une pièce ferromagnétique à symétrie axiale et à contour irrégulier, du type comprenant une alternance de creux et de saillies sur l'un de ses pourtours, telle qu'une denture extérieure ou intérieure, est principalement caractérisé en ce que l'on place la pièce dans un champ magnétique fourni par une source à force magnéto-motrice constante, réglable, de telle sorte que les lignes de flux se referment à travers la pièce à chauffer en y rentrant et en en sortant par le pourtour denté, et en ce que l'on fait subir une rotation relative à la pièce par rapport à la source de champ magnétique, afin d'induire dans la périphérie de la pièce des courants alternatifs dûs aux variations de la réluctance, qui la chauffent
Egalement suivant l'invention, un dispositif de chauffage par induction d'une pièce ferromagnétique à symétrie axiale et à contour irrégulier, du type comprenant une alternance de saillies et de- creux sur l'un de ses pourtours, telle qu'une denture extérieure ou intérieure, est principalement caractérisé en ce qu'il comporte une source de champ magnétique à force magnéto-motrice constante, réglable, fournissant des lignes de flux dans des plans normaux à l'axe de symétrie de la pièce et disposé de façon à ce que ces lignes de flux entrent dans et sortent de la pièce à chauffer par son pourtour denté, et au moins un moteur couplé à la pièce ou à la source de champ magnétique afin de faire tourner l'une par rapport à l'autre.According to the invention, a method of induction heating of a ferromagnetic part with axial symmetry and irregular contour, of the type comprising an alternation of hollows and projections on one of its edges, such as an external or internal toothing , is mainly characterized in that the part is placed in a magnetic field supplied by a source with constant magnetomotive force, adjustable, so that the flux lines close through the part to be heated when entering it and while leaving it by the toothed periphery, and in that one makes undergo a rotation relative to the part compared to the source of magnetic field, in order to induce in the periphery of the part of the alternating currents due to the variations of the reluctance, which heat it
Also according to the invention, a device for induction heating of a ferromagnetic part with axial symmetry and irregular contour, of the type comprising alternating projections and recesses on one of its edges, such as an external toothing or interior, is mainly characterized in that it comprises a source of magnetic field with constant magnetomotive force, adjustable, providing lines of flux in planes normal to the axis of symmetry of the part and arranged so that that these flux lines enter and leave the part to be heated by its toothed periphery, and at least one motor coupled to the part or to the source of magnetic field in order to rotate one relative to the other.
L'invention sera mieux comprise et d'autres de ses objets, caractéristiques et avantages ressortiront de la description ci-après et des dessins annexés s'y rapportant, donnés à titre d'exemple, sur lesquels:
- la figure 1 illustre en perspective, avec le circuit magnétique inducteur en coupe axiale, un mode de réalisation simple d'un dispositif de chauffage par induction suivant l'invention, destiné à une couronne dentée extérieure;
- la figure 2 illustre, également en perspective, un mode de réalisation simple d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention, destiné à une couronne à denture intérieure;;
- la figure 3 montre en perspective un mode de réalisation d'un circuit magnétique feuilleté hétéro- ou multipolaire pour un dispositif de chauffage par induction suivant l'invention avec deux modes de réalisation différents des bobinages inducteurs sûr des carcasses isolantes, connues en soi en ce qui concerne les armatures des machines électriques (dynamos, alternateurs ou moteurs);
- la figure 4 illustre en perspective un circuit magnétique inducteur réalisé à l'aide de pièces en ferrite en forme de "C" ou de llU" ;
- la figure 5 montre en perspective un autre mode de réalisation, en ce qui concerne le feuilletage, d'un circuit magnétique en tôle; et
- la figure 6 montre en perspective partielle (la moitié) d'un autre mode de réalisation d'un circuit magnétique feuilleté qui est utilisé ici pour chauffer un engrenage conique.The invention will be better understood and other of its objects, characteristics and advantages will emerge from the description below and the appended drawings relating thereto, given by way of example, in which:
- Figure 1 illustrates in perspective, with the inductive magnetic circuit in axial section, a simple embodiment of an induction heating device according to the invention, intended for an external toothed ring;
- Figure 2 illustrates, also in perspective, a simple embodiment of an induction heating device according to the invention, for a crown with internal teeth;
- Figure 3 shows in perspective an embodiment of a hetero or multipolar laminated magnetic circuit for an induction heating device according to the invention with two different embodiments of the inductive windings on insulating carcasses, known per se as regards the armatures of electrical machines (dynamos, alternators or motors);
- Figure 4 illustrates in perspective an inductive magnetic circuit made using ferrite parts in the form of "C" or llU ";
- Figure 5 shows in perspective another embodiment, as regards the lamination, of a magnetic sheet metal circuit; and
- Figure 6 shows in partial perspective (half) of another embodiment of a laminated magnetic circuit which is used here to heat a bevel gear.
Sèlon le procédé suivant l'invention la pièce ferromagnétique à symétrie axiale et à contour irrégulier ou corps de révolution à rayon variable en fonction de l'angle par rapport à un rayon de référence, est placé dans un champ magnétique continu, normal à son axe de symétrie et présentant des composantes radiales à la circonférence de la pièce. According to the method according to the invention, the ferromagnetic part with axial symmetry and with irregular contour or body of revolution with variable radius as a function of the angle relative to a reference ray, is placed in a continuous magnetic field, normal to its axis. of symmetry and having radial components at the circumference of the part.
Plus précisément, les lignes de flux magnétique fournis par au moins une source bipolaire sont orientées, pour la plupart, parallèlement à des plans normaux à cet axe. More precisely, the magnetic flux lines supplied by at least one bipolar source are oriented, for the most part, parallel to planes normal to this axis.
La variation du rayon de pièce, lorsqu'elle est en rotation, entraîne une variation de la réluctance magnétique et engendre, au niveau de la pièce qui fait-partie du circuit magnétique à travers lequel se referme le flux entre les pôles opposés (Nord et Sud) de la source du champ magnétique continu, un flux magnétique alternatif variant en fonction de l'entrefer (distance entre le pôle et la circonférence de la pièce). Ce flux alternatif donne naissance à l'intérieur de la pièce, notamment sur sa périphérie, à des courants alternatifs dont les trajectoires contournent les lignes de flux, et qui chauffent le matériau constitutif de la pièce par effet de Joule (de façon semblable aux courants de Foucault dans les circuits magnétiques conducteurs des transformateurs ou ceux induits par des bobines de chauffage par induction alimentées en courant alternatif).Ce chauffage peut amener la périphérie de la pièce jusqu'à la température du point de curie. The variation of the part radius, when it is in rotation, causes a variation of the magnetic reluctance and generates, at the level of the part which is part of the magnetic circuit through which the flux between the opposite poles closes (North and South) from the source of the continuous magnetic field, an alternating magnetic flux varying according to the air gap (distance between the pole and the circumference of the part). This alternating flow gives rise inside the part, in particular on its periphery, to alternating currents whose trajectories bypass the flow lines, and which heat the material constituting the part by Joule effect (in a similar way to currents Foucault in the magnetic conductive circuits of transformers or those induced by induction heating coils supplied with alternating current). This heating can bring the periphery of the room up to the temperature of the curie point.
En effet, le champ magnétique étant continu et transverse (ou diamétral), aucun courant alternatif ne serait induit dans la pièce en rotation si son contour était cylindrique ou si elle n'était pas réalisée en un matériau ferromagnétique, car il n'y aurait alors aucune variation de la réluctance magnétique et, par conséquent, du flux. La variation du flux dûe à celle de la réluctance est donc la cause des courants alternatifs induits dans l'induit denté qui est en mouvement relatif par rapport à la source du champ magnétique qui pourrait en principe comprendre, dans le circuit magnétique, des aimants permanents. Pour disposer d'une force magnéto-motrice réglable, il est préférable d'utiliser des électroaimants dont le bobinage à plusieurs spires peut être parcouru par un courant continu d'intensité réglable.Un tel courant peut être obtenu au moyen d'un redresseur à thyristors commandés en phase ou par des autotransformateurs à rapport de transformation réglable, en amont des redresseurs, par exemple. Indeed, the magnetic field being continuous and transverse (or diametral), no alternating current would be induced in the rotating part if its outline was cylindrical or if it was not made of a ferromagnetic material, because there would be then no variation of the magnetic reluctance and, consequently, of the flux. The variation of the flux due to that of the reluctance is therefore the cause of the alternating currents induced in the toothed armature which is in relative motion with respect to the source of the magnetic field which could in principle include, in the magnetic circuit, permanent magnets . To have an adjustable magneto-motive force, it is preferable to use electromagnets whose winding with several turns can be traversed by a direct current of adjustable intensity. Such a current can be obtained by means of a rectifier with thyristors controlled in phase or by autotransformers with adjustable transformation ratio, upstream of the rectifiers, for example.
Sur la figure 1, on a représenté en perspective un premier mode de réalisation d'un dispositif de chauffage par induction d'une pièce ferromagnétique à symétrie axiale et contour irrégulier, c'est-à-dire munie sur sa périphérie d'une alternance de saillies et de creux regulièrement espacés, tel qu'un pignon ou une roue dentée, par exemple. In Figure 1, there is shown in perspective a first embodiment of an induction heating device of a ferromagnetic part with axial symmetry and irregular contour, that is to say provided on its periphery with an alternation regularly spaced projections and depressions, such as a pinion or a gear wheel, for example.
Le pignon 1 est monté sur un arbre 2 qui est couplé à celui d'un premier moteur Ml permettant d'assurer son entraînement en rotation dans le sens d'une première flèche 3. L'inducteur 4 constituant la source de la force magnéto-motrice dont on n'a représenté qu'une moitié, est ici bi- ou homopolaire, c'est-à-dire qu'il comporte une paire de pôles magnétiques N, S (Nord et Sud) en saillie, agencés de façon à être disposés de manière diamétralement opposée par rapport au pignon 1 et reliés entre eux par des tronçons en arc-de-cercle appelés culasse 5. The pinion 1 is mounted on a shaft 2 which is coupled to that of a first motor Ml making it possible to ensure its drive in rotation in the direction of a first arrow 3. The inductor 4 constituting the source of the magneto- force motor of which only half has been represented, is here bi- or homopolar, that is to say that it comprises a pair of projecting magnetic poles N, S (North and South), arranged so as to be arranged diametrically opposite with respect to the pinion 1 and interconnected by arcuate sections called cylinder head 5.
Un tel inducteur 4 comprend un circuit magnétique feuilleté obtenu par la superposition de tôles décopées, dans des feuilles minces (d'épaisseur comprise entre 100 et 500 microns), en forme de cercle, munis chacun sur leurs deux côtés diamétralement opposés de saillies vers l'intérieur, qui assemblées forment des pièces polaires dont les extrémités présentent des surfaces en segments de cylindre. Ces surfaces sont disposées à proximité des sommets de la denture du pignon 1. Ces pièces polaires 6, 7 sont entourées ici par des bobinages en cuivre 8, 9 isolés du circuit magnétique (vernis) et électriquement reliés en série (la liaison étant symbolisée par des tirets 10) et alimentés en courant continu par une source 11 qui peut être constituée par un redresseur. La hauteur de l'empilage des tôles est, de préférence, au moins égale à celle de la denture. Such an inductor 4 comprises a laminated magnetic circuit obtained by the superposition of decoped sheets, in thin sheets (of thickness between 100 and 500 microns), in the shape of a circle, each provided on their two diametrically opposite sides with projections towards the 'interior, which assembled form pole pieces whose ends have surfaces in cylinder segments. These surfaces are arranged near the tops of the toothing of the pinion 1. These pole pieces 6, 7 are surrounded here by copper coils 8, 9 isolated from the magnetic circuit (varnish) and electrically connected in series (the connection being symbolized by dashes 10) and supplied with direct current by a source 11 which may be constituted by a rectifier. The height of the stacking of the sheets is preferably at least equal to that of the toothing.
Le circuit magnétique 4 est disposé coaxialement par rapport au pignon 1 et il peut être monté sur un support 12 à quatre bras 13 portés par un axe 14 dont le bout supérieur porte le logement du bout inférieur de l'arbre 2 portant le pignon 1. The magnetic circuit 4 is arranged coaxially with respect to the pinion 1 and it can be mounted on a support 12 with four arms 13 carried by a pin 14 whose upper end carries the housing of the lower end of the shaft 2 carrying the pinion 1.
L'axe 14 qui est creux ici, peut alors être entraîné par un second moteur électrique M2 dans le sens de la seconde flèche 15, c'est-à-dire opposé à celui de la première 3. Commela fréquence des courants induits est proportionnelle au nombre des dents et à la vitesse de rotation relative de l'induit denté (pignon) 1 et de l'inducteur 4, on peut ainsi obtenir des fréquences relativement élevées en les faisant tourner tous les deux. The axis 14 which is hollow here, can then be driven by a second electric motor M2 in the direction of the second arrow 15, that is to say opposite to that of the first 3. As the frequency of the induced currents is proportional the number of teeth and the relative speed of rotation of the toothed armature (pinion) 1 and of the inductor 4, it is thus possible to obtain relatively high frequencies by rotating them both.
Sur la figure 2, on a représenté en perspective un second mode de réalisation d'un dispositif de chauffage suivant l'invention, également à inducteur 40 bipolaire, adapté à être utilisé avec des couronnes à denture intérieure 16. Cet inducteur 40, également réalisé par découpage et assemblage de tôles laminées, est semblable ici au rotor ou ancre d'un générateur à champ tournant classique. In Figure 2, there is shown in perspective a second embodiment of a heating device according to the invention, also with bipolar inductor 40, suitable for use with crowns with internal toothing 16. This inductor 40, also produced by cutting and assembling laminated sheets, is similar here to the rotor or anchor of a conventional rotating field generator.
Il comporte à ses extrémités deux têtes 41, 42 en forme de sections de cylindre et un corps 43 supporté en son milieu par un arbre 20 qui peut être entraîné par un moteur. La partie centrale ou corps 43 est en forme de parallèlépipède allongé et entouré d'un bobinage 44 isolé, relié à une source de courant continu réglable 11 de façon à constituer un électroaimant. Lorsque l'inducteur 40 constitue un rotor tournant, les bornes du bobinage 44 sont respectivement reliées à deux anneaux fixés sur l'axe 20 de manière isolée, en contact avec des balais fixes (non représentés) respectivement reliées aux pôles (+, -) de la source de tension continue 11. It has at its ends two heads 41, 42 in the form of cylinder sections and a body 43 supported in its middle by a shaft 20 which can be driven by a motor. The central part or body 43 is in the form of an elongated parallelepiped and surrounded by an isolated coil 44, connected to an adjustable direct current source 11 so as to constitute an electromagnet. When the inductor 40 constitutes a rotating rotor, the terminals of the winding 44 are respectively connected to two rings fixed on the axis 20 in isolation, in contact with fixed brushes (not shown) respectively connected to the poles (+, -) of the DC voltage source 11.
Dans le cas des figures 1 et 2, la couronne dentée à denture extérieure ou intérieure, dont le diamètre peut aller de quelques centimètres à plusieurs mètres, par exemple, constitue un circuit magnétique à travers lequel est assuré le passage préférentiel des lignes de flux magnétique qui sortent du pôle N et entrent dans le pôle S de l'électroaimant-inducteur 4, 40. - Ces entrées et sorties des lignes de flux s'effectuent en majeure partie radialement des surfaces polaires de telle sorte que lorsque l'induit 1 ou 16 ou l'inducteur 4 ou 40 tourne autour de leur axe commun respectif de symétrie et de rotation ou lorsque les deux tournent dans des sens opposés, l'induit 1 ou 16 muni d'une denture sur toute sa surface en regard des pôles de l'inducteur 4 ou 40, constitue pour lui un circuit magnétique à réluctance variable (par la variation de l'entrefer) en fonction de la position angulaire relative des deux parties. La force magnéto-motrice engendrée par le courant continu parcourant les spires du bobinage, mesurée en ampère-tours, étant constante, la variation de la réluctance engendre une variation du flux qui entraîne une circulation de courant alternatif dans l'induit conducteur tournant, en le chauffant.Ainsi l'énergie mécanique du moteur d'entraînement est convertie dans la pièce dentée en rotation en courant alternatif et, par la suite, en énergie thermique, jusqu'à ce que le point de Curie soit atteint. In the case of FIGS. 1 and 2, the toothed crown with external or internal toothing, the diameter of which can range from a few centimeters to several meters, for example, constitutes a magnetic circuit through which the preferential passage of the magnetic flux lines is ensured. which leave the pole N and enter the pole S of the electromagnet-inductor 4, 40. - These inlets and outlets of the flux lines are carried out for the most part radially from the polar surfaces so that when the armature 1 or 16 or the inductor 4 or 40 rotates around their respective common axis of symmetry and rotation or when the two rotate in opposite directions, the armature 1 or 16 provided with toothing over its entire surface opposite the poles of inductor 4 or 40 constitutes for him a magnetic circuit with variable reluctance (by the variation of the air gap) as a function of the relative angular position of the two parts. The magneto-motive force generated by the direct current flowing through the turns of the winding, measured in ampere-turns, being constant, the variation of the reluctance generates a variation of the flux which causes an alternating current circulation in the rotating conductive armature, In this way, the mechanical energy of the drive motor is converted in the toothed part in rotation into alternating current and, subsequently, into thermal energy, until the Curie point is reached.
La puissance alternative induite est fonction de la force magnéto-motrice, donc de l'intensité du courant continu parcourant les bobinages et de la profondeur de la denture ou de l'écart radial entre le sommet des saillies et le fond des creux alternants, par rapport au diamètre extérieur de la pièce, qui détermine l'amplitude de la variation de la réluctance. The induced alternating power is a function of the magneto-motive force, therefore of the intensity of the direct current traversing the windings and of the depth of the toothing or of the radial difference between the top of the projections and the bottom of the alternating hollows, by relative to the outside diameter of the part, which determines the amplitude of the change in reluctance.
Lorsque la puissance maximale appelée par la couronne dentée est de l'ordre de quelques kilowatts, il n'est pas indispensable de refroidir le bobinage en cuivre par un fluide circulant à travers un conducteur creux, les ampère-tours (c'est-à-dire le courant multiplié par le nombre de spires) étant alors calculés de manière à éviter la saturation du circuit magnétique feuilleté par le courant continu. When the maximum power drawn by the ring gear is of the order of a few kilowatts, it is not essential to cool the copper winding by a fluid circulating through a hollow conductor, the ampere-turns (i.e. - say the current multiplied by the number of turns) then being calculated so as to avoid saturation of the laminated magnetic circuit with direct current.
Il suffit alors le brassage de l'air par la rotation de la couronne, si elle est assez rapide, pour refroidir le circuit magnétique. Il est avantageux de recouvrir les surfaces du circuit magnétique en regard de la denture chauffée par une mince couche d'un matériau céramique (à base d'alumine, par exemple) de couleur claire (par shoopage, par exemple), afin d'éviter son échauffement par rayonnement.It then suffices the mixing of the air by the rotation of the crown, if it is fast enough, to cool the magnetic circuit. It is advantageous to cover the surfaces of the magnetic circuit opposite the heated toothing with a thin layer of a ceramic material (based on alumina, for example) of light color (by shooping, for example), in order to avoid its radiation heating.
Lorsque la puissance appelée par la pièce à chauffer (de grande dimension) est supérieure à la centaine de kilowatts, par exemple, le bobinage doit être réalisé en cuivre tubulaire et parcouru d'un fluide réfrigérant (circulation d'eau). I1 est alors également préférable, comme il sera décrit plus loin, de disposer entre les tôles ferromagnétiques du circuit magnétique feuilleté, une ou des plaques de cuivre de forme analogue qui portent brasés sur leur pourtour des tubes de cuivre refroidis, ou si leur épaisseur le permet, munies de canalisations intérieures pour véhiculer un fluide réfrigérant. When the power called by the part to be heated (large) is greater than a hundred kilowatts, for example, the winding must be made of tubular copper and covered with a refrigerant (circulation of water). I1 is then also preferable, as will be described later, to have between the ferromagnetic sheets of the laminated magnetic circuit, one or more copper plates of similar shape which bear brazed on their periphery cooled copper tubes, or if their thickness the allows, provided with internal pipes to convey a coolant.
Contrairement à la représentation des bobinages 8, 9 et 44 sur les figures 1 et 2, ceux-ci peuvent être à deux ou plusieurs couches de spires de façon à réduire l'intensité du courant pour obtenir une même force magnéto-motrice (en ampère-tours). Contrary to the representation of the windings 8, 9 and 44 in FIGS. 1 and 2, these can be with two or more layers of turns so as to reduce the intensity of the current to obtain the same magneto-motive force (in amperes -tours).
L'expérience a montrée que la puissance fournie par la source de courant continu pour engendrer les ampère-tours nécessaires est relativement faible et ne représente qu'une fraction de la puissance alternative chauffant la pièce. Experience has shown that the power supplied by the direct current source to generate the necessary ampere-turns is relatively low and represents only a fraction of the alternating power heating the room.
Sur la figure 3, on a représenté en perspective un mode de réalisation d'un circuit magnétique inducteur ou armature multi-ou hétéro-polaire, cxest-à-dire comprenant p paires de pôles t8 pôles, p = 4 paires). Le circuit magnétique 45 est également feuilleté, c'est-à-dire réalisé à l'aide de tôles ferromagnétiques découpées en anneaux de dimensions identiques et superposées dans le sens de l'axe de rotation. Le feuilletage est donc tranverse à l'axe de symétrie commun du circuit 45 et du pignon 17 à denture extérieure à chauffer, monté sur un arbre 21 destiné à être entraîné en rotation par un moteur (non représenté) selon la flèche pleine 22. Les pôles N 46 et S 47 qui constituent des saillies vers l'intérieur de la culasse 50, alternent le long du pourtour intérieur de celle-ci. In Figure 3, there is shown in perspective an embodiment of an inductive magnetic circuit or multi-or hetero-polar armature, ie comprising p pairs of poles (t8 poles, p = 4 pairs). The magnetic circuit 45 is also laminated, that is to say made using ferromagnetic sheets cut into rings of identical dimensions and superimposed in the direction of the axis of rotation. The lamination is therefore transverse to the common axis of symmetry of the circuit 45 and of the pinion 17 with external toothing to be heated, mounted on a shaft 21 intended to be driven in rotation by a motor (not shown) according to the solid arrow 22. The poles N 46 and S 47 which constitute protrusions towards the inside of the cylinder head 50, alternate along the inner periphery thereof.
Dans l'une des variantes de ce mode de réalisation, le bobinage inducteur 80 est réalisé sur une carcasse 81 en matériau isolant qui s'emmanche sur chacune des saillies polaires 48 avec les sens de l'enroulement alternativement inversés. In one of the variants of this embodiment, the inductor winding 80 is produced on a carcass 81 of insulating material which is fitted on each of the pole projections 48 with the directions of winding alternately reversed.
Dans une autre variante, les bobinages 82 sont réalisés sur des carcasses 83 assemblées chacune de deux coquilles (non représenté) pour être disposées sur la culasse 50 entre deux pôles 51 et 52 adjacents. Le flux magnétique engendré par le courant continu parcourant le bobinage 82 se referme alors entre ces pôles 51 et 52 en passant par la pièce 17 et l'entrefer qui les sépare. Chaque tronçon de culasse 50 entre deux pôles est muni alors d'un bobinage de ce type, qui sont reliés en série et respectivement enroulés dans des sens alternativement opposés. In another variant, the windings 82 are produced on carcasses 83 each assembled from two shells (not shown) to be arranged on the cylinder head 50 between two adjacent poles 51 and 52. The magnetic flux generated by the direct current flowing through the winding 82 then closes between these poles 51 and 52 passing through the part 17 and the air gap which separates them. Each cylinder head section 50 between two poles is then provided with a winding of this type, which are connected in series and respectively wound in alternately opposite directions.
Les armatures 45 multipolaires permettent d'augmenter la fréquence du courant alternatif induit pour une même vitesse de rotation par un facteur p égal au nombre de paires de pôles. The multipole armatures 45 make it possible to increase the frequency of the alternating current induced for the same speed of rotation by a factor p equal to the number of pairs of poles.
En effet, la fréquence F en Hz du courant alternatif induit dans la pièce 17 est égale à F = n.p. N/60, où n est le nombre de dents sur la périphérie de la pièce 17 et N est la vitesse de rotation en tours par minute. Si l'on fait en même temps tourner l'armature 45 dans le sens opposé à celui de la pièce 17, c'est-à-dire dans le sens de la flèche 53 en pointillé, les deux vitesses de rotation s'ajoutent dans la formule de la fréquence. Indeed, the frequency F in Hz of the alternating current induced in room 17 is equal to F = n.p. N / 60, where n is the number of teeth on the periphery of the part 17 and N is the speed of rotation in revolutions per minute. If the armature 45 is simultaneously rotated in the opposite direction to that of the part 17, that is to say in the direction of the arrow 53 in dotted lines, the two rotational speeds are added in the frequency formula.
Pour assurer le refroidissement du circuit magnétique 45, lorsqu'il s'agit de puissances importantes (en fonction de la circonférence de la pièce ou de son volume ou poids de métal ferromagnétique), on insère entre deux paquets de tôles, par exemple, à sa mi-hauteur, une plaque de cuivre 54 de même forme que ces tôles découpées mais de dimensions extérieures au moins légèrement supérieures à celle du circuit 45. Cette plaque de cuivre 54 dont l'épaisseur peut être inférieure ou égale à 2 millimètres, porte brasée sur son bord extérieur, une tubulure 55 en cuivre parcourue d'un fluide réfrigérant (eau). Pour des circuits magnétiques 45 de grande hauteur, on peut disposer plusieurs plaques 54 de refroidissement, régulièrement espacées selon la hauteur. La plaque de cuivre annulaire 54 peut, éventuellement, être pourvue d'une fente radiale 56 pour ne pas constituer une spire fermée. To cool the magnetic circuit 45, when it is a large power (depending on the circumference of the part or its volume or weight of ferromagnetic metal), between two packets of sheets, for example, at mid-height, a copper plate 54 of the same shape as these cut sheets but with external dimensions at least slightly greater than that of circuit 45. This copper plate 54, the thickness of which can be less than or equal to 2 millimeters, carries brazed on its outer edge, a tubing 55 made of copper traversed by a cooling fluid (water). For magnetic circuits 45 of great height, it is possible to have several cooling plates 54, regularly spaced apart according to the height. The annular copper plate 54 can optionally be provided with a radial slot 56 so as not to constitute a closed turn.
Les armatures bi- et multipolaires représentées sur les figures 1, 2 et 3, sont agencées de manière analogue à celles des machines électriques (moteurs et alternateurs) classiques. The bi- and multipolar armatures shown in FIGS. 1, 2 and 3 are arranged in a similar manner to those of conventional electrical machines (motors and alternators).
On remarquera ici que pour limiter le coût de l'inducteur-armature, qui doit être différent pour chaque type de pièce, on limitera le nombre de pôles de 2 à 12. La vitesse de rotation de la pièce est également choisie en fonction de son diamètre. Une pièce de grand diamètre (et poids) tournera donc plus lentement que celle de petites dimensions, mais elle permettra la construction d'un circuit magnétique ayant un pl-us grand nombre de pôles. Il en découle que la fréquence des courants induits aura le plus souvent une valeur comprise entre quelques dizaines et quelques milliers de Hertz, les fréquences inférieures impliquant une plus grande profondeur de pénétration des courants induits, comme il sera expliqué plus loin. It will be noted here that to limit the cost of the inductor-armature, which must be different for each type of part, the number of poles will be limited from 2 to 12. The speed of rotation of the part is also chosen according to its diameter. A piece of large diameter (and weight) will therefore rotate more slowly than that of small dimensions, but it will allow the construction of a magnetic circuit having a greater number of poles. It follows that the frequency of the induced currents will most often have a value between a few tens and a few thousand Hertz, the lower frequencies implying a greater penetration depth of the induced currents, as will be explained below.
Comme dans-toutes les applications classiques-de l'induction à usage électrothermique, la densité de puissance volumique P (en
-v watts par centimètre cube) dans le métal ferromagnétique constituant l'induit, est proportionnel au carré de l'induction B, ainsi qu'à la racine carrée du produit de la résistivité r du métal en Ohm/cm, de la fréquence F en Hz et de la permittivité relative, /uR, soit
-v watts per cubic centimeter) in the ferromagnetic metal constituting the armature, is proportional to the square of the induction B, as well as to the square root of the product of the resistivity r of the metal in Ohm / cm, of the frequency F in Hz and relative permittivity, / uR, i.e.
On peut vérifier que, par exemple, pour un acier à 4000 C, de résistivité r - 30.10-6 Ohm/cm et de permittivité relative /UR = 20, avec une induction B = 0,1 V.s/cm2 et une fréquence
F = 500 Hz, la puissance volumique atteint environ 200 W/cm3.We can verify that, for example, for a steel at 4000 C, with resistivity r - 30.10-6 Ohm / cm and relative permittivity / UR = 20, with an induction B = 0.1 Vs / cm2 and a frequency
F = 500 Hz, the power density reaches approximately 200 W / cm3.
Cette puissance volumique P v est appliquée à une couche de métal d'épaisseur d en cm, comptée à partir de la surface extérieure de la denture, qui peut être exprimée par la relation suivante
ce qui donne pour l'exemple ci-dessus une profondeur de pénétration d -= 3 millimètres.This power density P v is applied to a layer of metal of thickness d in cm, counted from the outside surface of the toothing, which can be expressed by the following relation
which gives, for the example above, a penetration depth d - = 3 millimeters.
On peut alors aisément vérifier que l'élévation de la température jusqu'au point de Curie (750"C environ) d'une couche de métal d'épaisseur d (3 mm) sujette à la pénétration des courants induits dans ces conditions, peut être atteinte en quelques secondes,- ce qui est très acceptable pour des traitements thermiques à moyenne fréquence couramment effectués (trempe superficielle, recuit, par exemple). We can then easily verify that the rise in temperature to the Curie point (750 "C approximately) of a layer of metal of thickness d (3 mm) subject to the penetration of the currents induced under these conditions, be reached in a few seconds, - which is very acceptable for commonly performed medium frequency heat treatments (surface hardening, annealing, for example).
On notera ici que pour obtenir une efficacité optimale du procédé et des dispositifs décrits, I'èntrefer minimal, c'est-à-dire la
distance entre le sommet des dents et les surfaces des bouts des
pôles, doit être aussi faible que possible, au plus de quelques
millimètres, pour obtenir une variation maximale de la réluctance
entre ce sommet et le fond des creux.It will be noted here that in order to obtain optimum efficiency of the process and of the devices described, the minimum air gap, that is to say the
distance between the top of the teeth and the tip surfaces of the
poles, should be as low as possible, at most a few
millimeters, to obtain a maximum variation of the reluctance
between this top and the bottom of the hollows.
Sur la figure 4, on a représenté en perspective un circuit
magnétique inducteur réalisé à l'aide de pièces en ferrite en forme
de "C" ou de "U", identiques, assemblées en anneau. Une telle
armature est plus particulièrement adaptée au chauffage de- pièces à faible consommation de puissance, jusqu'à quelques dizaines de kilowatts par exemple. Une telle armature 60 est relativement peu
coûteuse, car elle utilise des pièces couramment disponibles dans le commerce et fabriquées en grandes séries, qui peuvent être superposées pour que la hauteur de l'armature soit au moins égale à celle de la denture à chauffer et juxtaposées de telle sorte qu'elles forment un cercle de diamètre désiré.In Figure 4, a circuit is shown in perspective
magnetic inductor made using shaped ferrite parts
of "C" or "U", identical, assembled in a ring. Such a
armature is more particularly suitable for heating rooms with low power consumption, up to a few tens of kilowatts for example. Such a frame 60 is relatively little
expensive, because it uses parts commonly available commercially and manufactured in large series, which can be superimposed so that the height of the frame is at least equal to that of the toothing to be heated and juxtaposed so that they form a circle of desired diameter.
Chaque pièce de ferrite en "U" 61 comporte deux bras parallèles 62 et 63 de même longueur et un tronçon transversal 64. Les pièces 61 sont superposées pour obtenir au moins la hauteur d'armature désirée, en formant ainsi un élément d'armature 65. Ces éléments 65 sont posés côte-à-côte de telle sorte que les extrémités des bras 62, 63 d'un élément 61 soient contigües à celles d'un autre élément adjacent. Each "U" shaped ferrite piece 61 has two parallel arms 62 and 63 of the same length and a transverse section 64. The pieces 61 are superimposed to obtain at least the desired reinforcement height, thereby forming a reinforcement element 65 These elements 65 are placed side by side so that the ends of the arms 62, 63 of one element 61 are contiguous with those of another adjacent element.
Les parois latérales des bras d'un élément 61 forment ainsi un angle 66 avec celles de l'élément adjacent, dans lequel on peut insérer une cale en coin (non représenté), en vue de rendre l'assemblage plus rigide. The side walls of the arms of an element 61 thus form an angle 66 with those of the adjacent element, in which a wedge wedge (not shown) can be inserted, in order to make the assembly more rigid.
Les bobinages 67 des pôles sont réalisés en entourant de fil verni deux bras contigus de deux éléments, par exemple. Dans ce cas, le bobinage 67 sert également d'élément d'assemblage. Il est également possible de réaliser les bobinages en entourant de fil les tronçons transverses 64 superposés, mais dans ce cas il faut prévoir des attaches serre-pinces ou tenailles (non représentés) pour maintenir les bras des éléments adjacents de façon contigüe. Dans ce cas également les bobinages sont alternativement en sens inverse ou interconnectés en série de telle sorte que les polarités de pôles successifs alternent. The windings 67 of the poles are produced by surrounding two adjacent arms of two elements, with painted wire, for example. In this case, the winding 67 also serves as an assembly element. It is also possible to make the windings by surrounding the transverse sections 64 superimposed with wire, but in this case it is necessary to provide clamp clamps or pincers (not shown) to hold the arms of the adjacent elements contiguously. In this case also the windings are alternately in opposite directions or interconnected in series so that the polarities of successive poles alternate.
Les ferrites assemblés formant l'armature 60 peuvent être moulés, avant ou après la réalisation du bobinage 67, dans de la résine polymérisante du type époxyde, par exemple. The assembled ferrites forming the frame 60 can be molded, before or after the winding 67 is produced, in polymerizing resin of the epoxy type, for example.
Si un refroidissement d'une telle armature s'avère nécessaire, il est possible d'insérer des plaques de cuivre entre les pièces de ferrite 61 superposés et/ou de réaliser les cales en coin, insérés dans les angles 66 en cuivre creux avec des embouts tubulaires. If cooling of such an armature proves necessary, it is possible to insert copper plates between the superimposed ferrite pieces 61 and / or to make wedges wedges, inserted in the corners 66 of hollow copper with tubular tips.
Sur la figure 5, on a représenté en perspective un circuit magnétique 70 feuilleté, dont le feuilletage est circonférentiel ou annulaire. La culasse 71 est réalisée à l'aide d'anneaux en tôle concentriques et les pôles 72 par des feuilles découpées en rectangles et embouties pour constituer des sections de cylindre, de dimensions décroissantes vers l'axe afin de former des saillies en pyramides tronquées. L'assemblage des pôles 72 peut être effectué à l'aide de vis 73 et d'écrous 74. In Figure 5, there is shown in perspective a laminated magnetic circuit 70, the lamination is circumferential or annular. The cylinder head 71 is produced using concentric sheet metal rings and the poles 72 by sheets cut into rectangles and stamped to form cylinder sections, of decreasing dimensions towards the axis in order to form projections in truncated pyramids. The assembly of the poles 72 can be carried out using screws 73 and nuts 74.
Le refroidissement peut être effectué à l'aide d'une ceinture de cuivre 75 serrée par un boulon 76 et portant, brasé sur son pourtour extérieur, un tube de cuivre 77 en serpentin, alimenté en fluide par des embouts 78,79. Certaines des tôles formant les pôles 72 peuvent être remplacées par des plaques de cuivre, refroidies de manière classique (par des canalisations intérieures ou par un tube de cuivre brasé sur l'un de leurs bords). The cooling can be carried out using a copper belt 75 tightened by a bolt 76 and carrying, brazed on its outer periphery, a copper tube 77 in serpentine form, supplied with fluid by ends 78,79. Some of the sheets forming the poles 72 can be replaced by copper plates, conventionally cooled (by internal pipes or by a copper tube brazed on one of their edges).
Il est bien entendu que pour chauffer des couronnes à denture intérieure, les pôles des circuits magnétiques multipolaires des figures 3 à 5 sont constitués par des saillies vers l'extérieur par rapport à la culasse annulaire. It is understood that to heat crowns with internal toothing, the poles of the multipolar magnetic circuits of FIGS. 3 to 5 are constituted by projections towards the outside with respect to the annular yoke.
Sur la figure 6, on a représenté en perspective une moitié d'un autre mode de réalisation d'une armature feuilletée, composée d'éléments feuilletés en forme "C". Le circuit magnétique inducteur 80 représenté ici est destiné au chauffage par induction d'un engrenage conique 23 monté sur un arbre 24 qui est destiné à être entraîné en rotation dans le sens de la flèche 25. A cette fin, les surfaces 81 des bouts de pôles 82 sont biseautés de façon à être tangentes à un cône entourant les sommets des dents de ce pignon 23, c'est-à-dire évasées vers le bas. In Figure 6, there is shown in perspective one half of another embodiment of a laminated frame, composed of laminated elements in "C" shape. The inductive magnetic circuit 80 shown here is intended for the induction heating of a bevel gear 23 mounted on a shaft 24 which is intended to be driven in rotation in the direction of the arrow 25. To this end, the surfaces 81 of the ends of poles 82 are bevelled so as to be tangent to a cone surrounding the tops of the teeth of this pinion 23, that is to say flared downwards.
Les éléments feuilletés 84 en forme de "C" sont formés à partir d'un ruban en tôle de largeur appropriée, découpé en tronçons de longueurs différentes à extrémités biseautées. Ces tronçons ainsi obtenus qui sont en forme de trapèzes de longueurs différentes, sont empilés pour former un paquet et repliés deux fois, par exemple, par emboutissage. Les extrémités 81 des pôles 82 sont alors, éventuellement, rectifiés pour leur donner des surfaces lisses et coniques. The laminated elements 84 in the form of "C" are formed from a sheet metal strip of appropriate width, cut into sections of different lengths with bevelled ends. These sections thus obtained which are in the form of trapezoids of different lengths, are stacked to form a package and folded twice, for example, by stamping. The ends 81 of the poles 82 are then, if necessary, rectified to give them smooth and conical surfaces.
Les paquets de tôles repliées sont rendus solidaires, éventuellement par moulage ou par réchauffement d'un vernis ou d'une colle, polymérisants (thermodurcissable) de préférence, antérieurement au lissage des surfaces polaires. The folded sheet packages are made integral, optionally by molding or by heating a varnish or an adhesive, preferably polymerizing (thermosetting), prior to the smoothing of the polar surfaces.
Les éléments en C feuilletés 84 sont ensuite- juxtaposés pour former une armature multipolaire, le bras gauche d'un élément 84 étant disposé en contact avec le bras droit de l'élément voisin pour former ensemble l'un des pôles 82 de l'armature. The laminated C elements 84 are then juxtaposed to form a multipolar armature, the left arm of an element 84 being placed in contact with the right arm of the neighboring element to form together one of the poles 82 of the armature .
On remarquera ici que l'invention s'applique å toute pièce en forme de corps de révolution à circonférence muni de saillies en forme de dents, de pales ou d'autres structures à périodicité spatiale et symétrie axiale pouvant occasionner une variation de l'entrefer, c'est-à-dire de la réluctance magnétique, lorsqu'elle tourne. It will be noted here that the invention applies to any part in the form of a body of revolution with a circumference provided with projections in the form of teeth, blades or other structures with spatial periodicity and axial symmetry which can cause a variation in the air gap. , i.e. magnetic reluctance, when it turns.
II est également à noter que le refroidissement par une ceinture extérieure de cuivre (75, fig. 5) munie d'une tubulure brasée dessus, est également applicable aux modes de réalisation des figures 1, 3, 4, et 6. It should also be noted that the cooling by an external copper belt (75, fig. 5) provided with a tube brazed above, is also applicable to the embodiments of FIGS. 1, 3, 4, and 6.
Claims (12)
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