Soutenance mémoire
Le chauffage par induction magnétique
Limitations de la machine de chauffe par induction
Limitation en courant et en puissance
La technologie utilisée dans les convertisseurs de fréquence, des semi-conducteurs IGBT, implique que ceux–ci fonctionnent à la fréquence de résonnance de l’ensemble constitué de la charge et du générateur en série. C’est-à-dire que le courant HF délivré par la machine est à la fréquence de résonnance de l’ensemble machine, inducteur plus pièce à traiter (voir équation 1.2).Cette approche par résonnance est le choix de l’entreprise EFD Induction S.A., et permet de transférer le maximum de puissance à la charge quelque soit la pièce à traiter (Rudnev et al., 1995). En conséquence, la puissance et le courant dépendent de la fréquence. Ainsi, dans le but de protéger l’équipement, la machine est limitée en puissance et en courant en fonction de la fréquence de résonnance, comme le montrent les Figure 2.5 et Figure 2.6.
Prédiction de la limitation en puissance
La capacité et l’inductance de la machine sont relativement difficiles à changer. Ces deux paramètres propres à la machine sont très difficiles à mesurer. Seule l’inductance liée à la charge (inducteur + pièce) varie selon la géométrie.Les calculs de l’inductance des ensembles inducteur-pièce à partir de l’équation 1.3, ont été réalisés par Leif Markegaard de la compagnie EFD en Norvège pour des engrenages traités à l’ÉTS. Ces calculs ont permis de documenter les limites d’inductance acceptables par la machine. La Figure 2.7 montre les différentes inductances calculées et les fréquences expérimentales de résonnance associées. La dispersion des points est due aux approximations géométriques prises pour faire les calculs. En effet pour pouvoir calculer l’inductance, les roues dentées ont été représentées par des cylindres équivalents. On peut remarquer qu’avec la courbe de tendance, caractérisée par (équation 2.1), une fréquence de 300 kHz correspond à une inductance de charge nulle, c’est-à-dire que la machine fonctionne à vide. Comme expliqué précédemment, pour protéger les transistors des convertisseurs de fréquence, une limite fréquentielle fixée à 253 kHz a été introduite, ce qui correspond à une limite d’inductance de 26,7 nH.En effet selon l’inductance de la charge il n’est pas possible de traiter thermiquement la pièce avec la machine à induction. En fait si l’inductance pièce + inducteur donne une fréquence qui n’est pas comprise entre 100 et 253 kHz, la machine ne sera pas capable d’induire suffisamment de puissance dans la pièce pour qu’elle soit traitée. D’où l’importance de pouvoir prédire l’inductance en fonction de la géométrie de la pièce et de l’inducteur.La présence de la profondeur de pénétration dans l’équation 1.3, elle-même dépendante de la fréquence (voir équation 1.1), montre bien la complexité du problème et pourquoi il n’est possible que d’estimer la valeur de l’inductance en fonction de la géométrie.La présence de la perméabilité relative de la pièce dans l’équation 1.3 introduit pour finir une dépendance de l’inductance à la température et à la puissance transmise. Ces variations seront abordées lorsque l’on cherchera à expliquer l’influence de la variation de fréquence lors d’un essai dans la section 4.1.2.2 du chapitre 4.
Effets électromagnétiques pouvant influencer le profil de dureté
Certains phénomènes électromagnétiques issus de la géométrie peuvent également fortement influencer le profil de dureté pour un couple pièce/inducteur donné. Sur la base d’un grand nombre de traitements effectués avec la machine à induction de l’ÉTS sur des engrenages, ces influences ont pu être observées.Les effets les plus classiques, comme l’effet de proximité, plus connu sous l’anglicisme « proximity effect », et l’effet de bord, « end effect », illustré par la Figure 2.8 et la Figure 2.9, sont présentés dans le chapitre 1. En ce qui concerne la dent sur la Figure 2.10, le décalage du profil de dureté est du au fait que la denture est hélicoïdale. Ces effets modifient la distribution des courants de Foucault dans la pièce, car le flux magnétique dans la pièce est influencé par les particularités géométriques de la pièce et/ou de l’inducteur.
Conclusion
Ce chapitre constitue la mise en contexte du travail de maitrise réalisé. Il permet d’introduire les interactions entre la géométrie de la pièce et l’inducteur avec les paramètres de chauffe tels que la puissance, le courant et la fréquence. Ainsi, la géométrie détermine l’inductance, qui elle détermine la fréquence délivrée par le générateur. Or la puissance et le courant maximum fournis par le générateur sont fonctions de la fréquence. De plus les effets électromagnétiques comme l’effet de proximité et l’effet de bord, influent directement sur le profil de dureté induit. C’est pourquoi il est nécessaire de savoir comment les variations géométriques principales, comme le couplage ou l’épaisseur de la pièce influencent les profils de dureté et les paramètres du générateur. Ceci s’inscrit dans l’objectif du projet de recherche, dont cette étude fait partie, de prédire la dureté, les contraintes résiduelles et les distorsions induites lors d’un traitement thermique superficiel par induction magnétique
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Le chauffage par induction magnétique
1.1.1 L’histoire
1.1.2 Le principe de fonctionnement
1.1.3 Les différents aspects du traitement thermique superficiel par induction
1.2 Importance de la géométrie de la pièce et de l’inducteur
1.2.1 L’inductance
1.2.2 Les effets électromagnétiques pouvant influencer le profil de dureté
1.2.2.1 L’effet de proximité
1.2.2.2 L’effet de bord
1.3 La simulation numérique du chauffage par induction
1.3.1 Les approximations standards
1.3.2 La discrétisation
1.3.3 Les paramètres physiques
1.4 Résumé
CHAPITRE 2 MACHINE DE CHAUFFE PAR INDUCTION MAGNÉTIQUE ET GÉOMETRIE : MISE EN PLACE DU CONTEXTE D’ÉTUDE
2.1 Description technique de la machine de chauffe par induction magnétique
2.2 Les différents modes de fonctionnement
2.2.1 Comparaison entre les modes puissance constant et courant constant
2.3 Limitations de la machine de chauffe par induction
2.3.1 Limitation en courant et en puissance
2.3.2 Prédiction de la limitation en puissance
2.4 Effets électromagnétiques pouvant influencer le profil de dureté
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 SIMULATION DU PROCÉDÉ DE CHAUFFE PAR INDUCTION MAGNÉTIQUE
3.1 Le module Comsol® AC/DC en 2 dimensions axisymétrique
3.1.1 Le module électromagnétique
3.1.2 Le module transfert de chaleur
3.2 Les paramètres matériaux
3.2.1 Les paramètres électromagnétiques
3.2.2 Les paramètres thermiques
3.3 Les paramètres d’entrée du modèle pilotant les conditions de chauffe par induction
3.3.1 La géométrie
3.3.2 La fréquence
3.3.3 Le courant d’entrée I0
3.4 Les approximations du modèle
3.5 Description du modèle
3.6 Influence du type de maillage et convergence du modèle
3.7 Couplage Matlab – Comsol®
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4 INFLUENCE DU COUPLAGE SUR LES PARAMÈTRES DU GÉNÉRATEUR ET LE PROFIL DE DURETÉ
4.1 Procédure expérimentale
4.1.1 Description de l’expérience menée
4.1.2 Analyse des résultats expérimentaux
4.1.2.1 Influence du couplage sur la puissance transmise
4.1.2.2 Influence du couplage sur la fréquence
4.1.2.3 Influence du couplage sur le courant.
4.1.2.4 Influence du couplage sur le profil de dureté
4.2 Analyse et comparaison des résultats issus de la simulation
4.2.1 Influence du couplage sur la puissance simulée
4.2.2 Influence du couplage sur le courant simulé
4.2.3 Influence du couplage sur le gradient thermique simulé
4.3 Conclusion
CHAPITRE 5 INFLUENCE DE L’ÉPAISSEUR DE LA PIÈCE SUR LES PARAMÈTRES DU GÉNÉRATEUR ET LE PROFIL DE DURETÉ
5.1 Procédure expérimentale
5.1.1 Description de l’expérience menée
5.1.2 Analyse des résultats expérimentaux
5.1.2.1 Influence de l’épaisseur sur la puissance transmise
5.1.2.2 Influence de l’épaisseur sur la fréquence
5.1.2.3 Influence de l’épaisseur sur le courant
5.1.2.4 Influence de l’épaisseur sur le profil de dureté
5.2 Analyse et comparaison des résultats issus de la simulation
5.2.1 Influence de l’épaisseur sur la puissance simulée
5.2.2 Influence de l’épaisseur sur le courant simulé
5.2.3 Influence de l’épaisseur sur le gradient thermique simulé
5.3 Conclusion
CHAPITRE 6 TRAVAUX COMPLÉMENTAIRES POUR AMÉLIORER LA COMPARAISON ENTRE L’EXPÉRIMENTAL ET LA SIMULATION
6.1 Choix du pilotage de la machine et adaptation de la consigne en simulation numérique
6.1.1 Étude expérimentale
6.1.1.1 Influence du mode de pilotage machine sur la puissance transmise
6.1.1.2 Influence du mode de pilotage machine sur la fréquence
6.1.1.3 Influence du mode de pilotage machine sur le courant consommé
6.1.1.4 Influence du mode de pilotage machine sur le profil de dureté
6.1.2 Étude numérique et comparaison
6.1.2.1 Influence du mode de pilotage sur la puissance transmise simulée
6.1.2.2 Le courant consommé
6.1.2.3 Les profils thermiques
6.2 Mesure et l’acquisition expérimentale des différents paramètres de chauffe
6.3 Importance de la bonne description des paramètres matériaux électromagnétiques et thermiques
6.3.1 Étude de l’influence de µr et σ
6.3.1.1 Influence de µr et de σ sur la puissance transmise
6.3.1.2 Influence de µr et de σ sur le courant consommé
6.3.1.3 Influence de µr et de σ sur le profil thermique
6.3.2 Développement pour une comparaison directe entre le profil de dureté et le profil thermique simulé
6.3.2.1 Détermination de la température de transformation austénitique Ac3
6.3.2.2 Étude de la diffusion après chauffe dans le modèle numérique
5 6.4 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE I PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL DE MESURE DU COURANT
ANNEXE II MESURES DE MICRODURETÉ DES CYLINDRES C-XX
ANNEXE III MESURES DE MICRODURETÉ DES CYLINDRES E-XX
ANNEXE IV INFLUENCE DES ANGLES DROITS SUR LE PROFIL DE TEMPÉRATURE SIMULÉ
lISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
BIBLIOGRAPHIE
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