Simulation des phénomènes de chauffage par induction

Simulation of induction heating phenomena. Application to induction hardening problems

• Auteur / Autrice : Sven Wanser
• Direction : Alain Nicolas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Génie électrique
• Date : Soutenance en 1995
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEGELY - Centre de génie électrique de Lyon (Rhône ; 1992-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations intégrales

Chauffage par induction

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Impédances de surfaces

Problèmes couplés

Phénomènes magnéto-thermiques

Eléments finis

Résumé

Tout matériau conducteur électrique expose à un champ magnétique variable développe des courants de Foucault, donc s'échauffe par l'effet Joule. La répartition des courants de Foucault dépend de la forme de ce matériau, de celle de l'inducteur, de la fréquence et de l'amplitude du champ, ainsi que des propriétés physiques des matériaux. Le chauffage par induction est une technique bien adaptée aux traitements thermiques en métallurgie. Cependant il est nécessaire de bien dimensionner les inducteurs afin d'avoir un processus optimal. Vu le nombre de paramètres à prendre en compte pour cette étude, il semble adéquat et nécessaire d'avoir recours à des techniques numériques. Dans ce travail, après avoir décrit les phénomènes physiques et principes mathématiques, les méthodes d'analyse numériques adaptées aux problèmes magnétodynamiques et thermiques, on présente un modèle pour le couplage magnéto-thermique appliqué aux problèmes de chauffage par induction pour la trempe superficielle. Ce couplage fait appel aux méthodes intégrales de frontière associée aux impédances de surface, linéaire ou non linéaire, pour la partie électromagnetique, et aux méthodes d'éléments finis volumiques pour la partie thermique. Un problème industriel et 3D de chauffage par induction est résolu a titre d'illustration, en utilisant les logiciels PHI3D (magneétodynamique, modifié) et FLUX-EXPERT (thermique) pilotés par un superviseur qui automatise le processus.

Every conducting material exposed to an alternating magnetic field generates eddy currents. The material will be heated be Joule's effect. The shape ot the eddy currents depends on the shape of the material and of the inductor, on the frequency and the and the amplitude of the magnetic field, and also on the physical properties of the materials. The induction heating is a technology which is very well adapted to thermic treatments in metallurgy. But it is necessary to use an inductor with the right dimensions to obtain an optimal result. As there are many parameters to take in account, it seems to be usefull to work with numerical support. In this work, after describing the physical and mathematical bases,the numerical methods adapted to magnetodynamic and thermal problems, we are presenting a method for a magneto-thermal coupling adapted to induction heating and induction hardening problems. The coupling procedure is based on an boundary element calcul combined with surface impedance method for the magnetic part. The thermal problem is calculated by the volume finite element method. Finally an industrial problem of induction heating is solved in three dimensions using the software packages PHI3D (magnetodynamic, modified) and FLUX-EXPERT (thermic) guided by a supervisor which automates the computation process.