Modélisation numérique des phénomènes couplés
Chauffage par induction électromagnétique : principes

Le chauffage par induction électromagnétique fait partie des techniques électrothermiques qui permettent de chauffer un matériau sans contact direct avec une source d’énergie électrique. Il consiste à plonger le corps à chauffer dans un champ électromagnétique variable dans le temps, et à dissiper sous forme de chaleur l’énergie entrant dans le corps. Il se distingue cependant nettement des autres techniques (infrarouge et micro-ondes) par la nature des matériaux chauffés et par la bande de fréquence électrique utilisée, c’est-à-dire par la profondeur de pénétration et par les densités de puissance de chauffage obtenues. En effet, de par son principe, il ne s’applique qu’aux matériaux conducteurs de l’électricité, c’est-à-dire aux matériaux de résistivité électrique comprise entre 10 ^–8 Ω.m (cuivre) et 10 ^–1 Ω.m (verres fondus). La bande de fréquence employée est comprise entre la fréquence industrielle de 50 Hz et quelques mégahertz, si bien que les profondeurs de pénétration s’étagent entre quelques micromètres et quelques centimètres. Les densités de puissance surfacique peuvent atteindre 10 ⁵ kW/m ².

• On peut caractériser les performances de cette technique de chauffage par le produit fréquence-puissance et en suivre ainsi l’évolution. Depuis l’époque où le chauffage par induction faisait appel aux groupes tournants, ce produit a notablement augmenté. En effet, ces premiers générateurs ont été peu à peu remplacés par des convertisseurs statiques et, jusqu’à ces dernières années, le produit fréquence-puissance était classiquement de 100 à 1 000 kHz.kW. Actuellement, la tendance forte est d’augmenter la fréquence et la puissance des installations. On peut arriver ainsi à des valeurs fréquence-puissance de l’ordre de 250 000 kHz.kW !! (comme c’est le cas, pour le soudage au défilé des tubes d’acier ou des torches à plasma inductif de forte puissance).

  Tout cela suppose un développement parallèle des matériels électrotechniques nécessaires tels que les condensateurs, les transformateurs, les inducteurs refroidis par l’eau, le câblage anti-inductif dit couramment « aselfique », etc, qui constituent la technologie moderne du chauffage par induction.

• Comme dans tout problème de chauffage, la puissance nécessaire au type de traitement thermique recherché est imposée par la masse à chauffer, la température à atteindre et le temps de chauffe. Pour l’ingénieur chargé de concevoir ou de conduire une installation de chauffage par induction, les questions à résoudre sont d’ordre électromagnétique pour optimiser le transfert de puissance entre la source et le matériau, puis d’ordre thermique pour connaître le champ de température et son évolution dans le temps.

• Une fois définie la puissance nécessaire, trois étapes sont en général à franchir.

  En premier lieu, se pose la question du choix de la fréquence de travail. En effet, ce choix conditionne la profondeur de pénétration et permet donc de localiser la source thermique plus ou moins au voisinage de la surface du matériau. De ce choix dépend la nature du générateur à utiliser.

  En second lieu, il faut assurer la maîtrise du transfert entre l’inducteur et le matériau de façon à obtenir la puissance injectée nécessaire au traitement recherché. Cette étape permet de définir la forme et la constitution de l’inducteur, puis l’adaptation correcte de l’inducteur au générateur.

  Enfin, il faut s’assurer que l’évolution des températures et leurs répartitions dans le matériau correspondent bien au but recherché. Bien que cette dernière étape relève plus de considérations thermiques qu’électromagnétiques, elle ne doit pas être négligée. La réussite de l’opération de chauffage en dépend.