ED 4211

PRINCIPEDE FONCTIONNEMENT

Le chauffage par induction lectromagn-tique est une technique lectrothermiquepermettant de chauffer des matriaux conduc-teurs dlectricit, sans contact matriel avecune source lectrique.Lorsquun conducteur lectrique est dplacdans un champ magntique statique, un cou-rant lectrique stablit dans cet objet. Cest lephnomne dinduction. De la mme manire,

CHAMPS LECTROMAGNTIQUES

on induit un courant dans un conducteur fixeplac dans un champ magntique variable.Un courant alternatif parcourant un bobinage(ou solnode) gnre en effet un champ ma-gntique oscillant la mme frquence dontlintensit est maximale lintrieur de ce-lui-ci (loi dAmpre). Si une pice conductrice est place lint-rieur dune bobine, les courants induits par lechamp magntique sy dveloppent (loi deLenz) et chauffent la pice par effet Joule.Un quipement de chauffage par induction

comprend essentiellement un ou plusieursinducteurs de chauffage (avec parfois unconcentrateur de champ), une alimentationlectrique, un systme de refroidissement delinducteur et de lalimentation lectrique etun systme de contrle-commande.Les configurations dinducteurs, les frquences(de 1 Hz 5 MHz) et les puissances lectriquesmises en uvre sont trs varies et dpendentde lapplication (chauffage dans la masse ousuperficiel, cuisson, fusion), du matriau et desa forme (billettes, lopins, cuves).

Juin 2012

Le chauffage par inductionlectromagntique

2 Champs lectromagntiques ED 4211

Le chauffage par induction entrane succes-sivement les trois phnomnes physiquessuivants : transfert de lnergie par voie lectroma-gntique de linducteur vers le matriau chauffer ; transformation de cette nergie lectriqueen chaleur par effet Joule ; diffusion par conduction thermique de lachaleur au sein du matriau.

APPLICATIONSLe chauffage par induction ne sappliquequaux matriaux de rsistivit lectriquecomprise entre 10 8 .m (cuivre) et 10 1 .m(verre fondu). La profondeur de pntrationthermique est inversement proportionnelle la racine carre de la frquence et varie de quelques micromtres plusieurs centi-mtres.Les puissances mises en uvre peuvent va-rier de quelques centaines de watts (petitsfours induction de laboratoire ou de pro-thsiste dentaire) plusieurs mgawatts pourles grosses installations de fusion.

On trouve principalement des installationsde chauffage par induction dans les domainesde la mtallurgie et de la mcanique : 45 %pour la fusion, 45 % pour le chauffage avantformage, 10 % pour le traitement thermiqueet les applications diverses. Cependant, grce lvolution des technolo-gies de llectronique et lapparition de com-posants de commutation plus rapides, desapplications innovantes sont apparues dansdautres domaines : chimie (fusion directe deverres et doxydes), grand public (plaquechauffante de cuisine).

FusionLes fours les plus rpandus sont les fours creuset basculement, plutt utiliss pourla fusion, et les fours canal, souvent rser-vs au maintien en temprature des mtauxfondus (figure 2).

Rchauffage avant formage et forgeageLe rchauffage par induction est de plus enplus utilis dans le milieu industriel en rai-son de ses possibilits de productivit le-ve, de sa faible consommation d'nergie, desa rapidit de chauffage, de la rduction despertes par oxydation, de la bonne prcision detemprature permise et de la possibilit dechauffer une zone bien dlimite au niveaudes pices.

F

err

op

em

Figure 1. Four induction utilis en fonderie pourraliser les alliages ferreux (acier, fonte).

Type de chauffage Frquence ApplicationsPntrant 1 Hz quelques kHz pour les mtaux Forge, fusion

0,1 5 MHz pour les semi-conducteurs

Superficiel 10 500 kHz pour les mtaux Trempe superficielle,brasage

Pelliculaire 10 1 000 kHz pour les mtaux Soudage des tubes, scellement thermique

Figure 3. Exemples dapplications du chauffage par induction.

Axe de basculement

Protection par briquetage

Inducteur

Culasse magntique

Creuset rfractaire

Protection par briquetage

Figure 2. Schma de principe dun four de fusion creuset..

Traitement thermique superficiel La fabrication mcanique de grandes sries et en particulier lindustrie automobile avu ces dernires annes le dveloppementdun traitement thermique de qualit desaciers et des fontes constitu dun chauffagesuperficiel par induction basse frquence (50ou 60 Hz), moyenne frquence (entre 100 et20 000 Hz) ou haute frquence (suprieur 20 kHz) suivi de trempe. Linduction permet de chauffer la surface dela pice sans affecter notablement le cur,puis de durcir par refroidissement (trempe leau ou lair) de manire obtenir une struc-ture htrogne constitu : dune couche superficielle dure (entre 0,3 et6 mm dpaisseur) afin dassurer la piceune bonne rsistance la fatigue et lusure ; dun cur rsilient assurant la scurit defonctionnement de la pice.On peut ainsi accrotre les performances despices sollicites.

Industrie chimiqueLinduction est utilise comme moyen dechauffage des parois de racteurs chimiques.On trouve ce type de racteurs dans la fabri-cation des rsines, des cosmtiques et danslindustrie pharmaceutique.

Plasma dinductionConstitu de gaz partiellement ionis, leplasma peut tre assez conducteur pour en-tretenir une raction thermique par induc-tion.

Autres applications de linductionOn peut citer entre autres : le brassage lectromagntique dalliagesmtalliques ; le confinement lectromagntique deplasma ; le dcapage de peinture ; les plaques de cuisson ; la recharge daccumulateurs.

ED 4211 Champs lectromagntiques 3

VALEURS DCLENCHANTLACTION

La directive europenne 2004/40/CE du29 avril 2004 sur les risques lis aux champslectromagntiques dfinit les valeurs d-clenchant l'action afin de limiter l'expositiondes travailleurs. Le fait de ne pas dpasserces valeurs garantit le respect des valeurs li-mites d'exposition.Ces installations gnrent des champs lectro-magntiques avec une trs forte prpond-rance du champ magntique dans lenviron-nement du systme induction et des cblesdalimentation lectrique. Ce champ seradautant plus lev que lintensit du courantconsomm par la machine sera importante.

RISQUESExposition aux champslectromagntiquesLe parc franais dquipements de chauffagepar induction est estim dans lindustrie 13 000 units. Ces quipements peuvent trerpartis en quatre sous-familles selon leurapplication savoir : traitement de surface ; chauffage ; fusion et soudage ; autres applications.Une tude ralise par lINRS sur 130 postesde travail a montre que la valeur du champmagntique au poste de travail dpasse laVDA pour : plus de 50 % des applications de traitementde surface ; presque 40 % des applications de chauf-fage ; 20 % des applications de fusion et de sou-dage ; 20 % des applications nentrant pas dansces catgories (ajout de mtal en particulier).Des valeurs importantes de champ magn-tique sont gnralement mesures non seu-lement dans les zones proches des induc-teurs mais galement proximit de leurscbles dalimentation.

Compatibilit lectromagntiqueavec les implantsIl existe un risque de dysfonctionnement desimplants actifs tels que les stimulateurs car-diaques, les dfibrillateurs, les prothses au-ditives, les pompes insuline, les valves c-rbrales (voir fiche ED 4206).D'autres implants dits passifs (broches,plaques, par exemple) raliss dans des ma-triaux ferromagntiques sont sensibles auchamp magntique. Les consquences del'exposition peuvent tre l'aimantation del'implant, son dplacement par attraction,son chauffement par induction.

Autres risquesDautres risques non traits dans cette ficheexistent, tels que les risques lectriques, ther-miques, mcaniques et chimiques.

MOYENS DE PRVENTIONIl convient en premier lieu de choisir des qui-pements de travail moins rayonnants. Parexemple, lamlioration du rendement dun in-ducteur utilis pour le chauffage par induc-tion permet, pour la ralisation de tchesquivalentes, une diminution de la valeur duchamp magntique au poste de travail.Lorganisation de lactivit doit tre telle quela puissance de lquipement soit rduite lorsde toute intervention proximit. Enfin, lemoyen de protection le plus frquent contrelexposition aux rayonnements lectroma-gntiques est lloignement.

Gamme de frquences Intensit de champ magntique (A/m)Jusqu 1 Hz 1,63.1051-8 Hz 1,63.105/f28-25 Hz 2.104/f0,025-0,8 kHz 20/f0,82-65 kHz 24,465-100 kHz 1 600/f0,1-10 MHz 1,6/f

Figure 4. Valeurs dclenchant laction (VDA) dfinies pour le champ magntique par la directive 2004/40/CE dans la gamme de frquences de 0 10 MHz.

f est la frquence exprime dans lunit prcise dans la premire colonne.

#HAMPMAGNmTIQUE(!M

&RmQUENCE(Z

Figure 5. Reprsentation graphique des valeurs dclenchant lactionconcernant le champ magntique entre 0 et 10 MHz.

Champs lectromagntiques ED 4211

Institut national de recherche et de scurit pour la prvention des accidents du travail et des maladies professionnelles30, rue Olivier-Noyer 75680 Paris cedex 14 Tl. 01 40 44 30 00 Fax 01 40 44 30 99 Internet : www.inrs.fr e-mail : info@inrs.fr

1re dition juin 2012 3000 ex. Mise en pages : Atelier F. Causse

Technique de lingnieur : guides D 5935et D 5936.

Directive 2004/40/CE du Parlementeuropen et du conseil du 29 avril 2004concernant les prescriptions minimalesde scurit et de sant relatives l'exposition des travailleurs aux risquesdus aux agents physiques (champslectromagntiques).

Directive 2008/46/CE du Parlementeuropen et du conseil du 23 avril 2008modifiant la directive 2004/40/CE.

Stephan M., Inducteur culasse moulepour le chauffage par induction, 33econgrs du traitement thermique et de lingnierie des surfaces ( juin 2005).

Fiches Champs lectromagntiques de lINRS : Gnralits sur les rayonnements nonionisants jusqu 300 GHz, ED 4201.

Les sources de rayonnements non ionisants ( jusqu 60 GHz), ED 4202.

Les effets des rayonnements non ionisants sur lhomme, ED 4203.

La rglementation en milieu professionnel, ED 4204.

Les stimulateurs cardiaques, ED 4206.

Les mcanismes dinteraction avec le corps humain, ED 4215.

Grossesse et champs lectromagntiques, ED 4216.

Guide pour l'tablissement de limitesd'exposition aux champs lectriques,magntiques et lectromagntiques.Champs alternatifs (de frquence variabledans le temps, jusqu' 300 GHz), INRS,ND 2143.

Site www.inrs.fr

POUR EN SAVOIR PLUS

Auteurs :

Groupe RNI Carsat/Cram/INRS

Ch. Bisseriex, Carsat Auvergne

P. Laurent, Carsat Centre-Ouest

Ph. Cabaret, Carsat Languedoc-Roussillon

Ch. Bonnet, Carsat Centre

E. Marteau, Cram le-de-France

G. Le Berre, Carsat Bretagne

S. Tirlemont, Carsat Nord-Picardie

M. Castro, Carsat Midi-Pyrnes

Y. Ganem et P. Moureaux, INRS Paris

A. Becker, Ph. Demaret, P. Donati, INRS Lorraine

Contacts :

Ph. Demaret : INRS 03 83 50 85 32

Services Prvention des Carsat et Cram

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