Les ingénieurs habilitent les chefs à analyser le chauffage par induction grâce à EMS for SOLIDWORKS

Article par Arvind Krishnan mis à jour le 4 décembre 2016.

Article

Le chauffage par induction est un procédé consistant à chauffer un conducteur électrique (généralement des matériaux ferromagnétiques et des métaux) par induction électromagnétique.

La chaleur générée dans le conducteur est due aux courants de Foucault induits dans le conducteur. Dans sa forme la plus simple, un chauffage par induction est constitué d'une bobine traversée par un courant alternatif à haute fréquence. Ce courant alternatif à haute fréquence crée un champ magnétique alternatif rapide qui provoque des courants de Foucault dans le conducteur. Les courants de Foucault sont responsables de l'échauffement du conducteur. Plus la résistance au passage du courant est élevée, plus l'échauffement est important. Ce phénomène de réchauffement du conducteur par les courants de Foucault est appelé effet Joule.

Tige conductrice

Figure 1 : Une tige conductrice est chauffée par induction.

Il faut faire la différence entre la conduction et l'induction. Dans le cas du chauffage par induction, la chaleur est générée à l'intérieur de l'objet et l'objet n'a pas besoin d'être en contact avec la source de chaleur. L'induction permet donc un chauffage rapide. L'induction est utilisée dans de nombreuses applications telles que les fours à induction, la soudure par induction, les appareils de cuisson par induction, etc. Le reste de cet article traite de l'application de la cuisson par induction.

Qu'est-ce que la cuisson par induction ?

Dans le cas d'une cuisinière à induction, un récipient de cuisson généralement constitué d'un matériau ferromagnétique est chauffé par induction. En revanche, le même récipient est chauffé par une flamme ou une bobine électrique. Le chauffage par induction entraîne une augmentation rapide de la température du récipient. Comme le montre la figure 2, une bobine de cuivre est placée sous le récipient. Une couche de céramique se trouve également entre la bobine et le récipient. C'est ce qu'on appelle communément la plaque supérieure.

Éléments de la cuisson par induction

Figure 2 : Éléments d'un appareil de cuisson par induction

Lorsqu'un courant alternatif à haute fréquence passe dans la bobine de cuivre, de grands courants de Foucault sont induits dans le récipient. La résistance de surface du récipient le réchauffe rapidement, ce qui permet la cuisson. Il est possible de choisir le matériau utilisé pour le récipient de cuisson, mais il est fortement recommandé que le récipient soit fabriqué dans un matériau ferromagnétique comme la fonte ou certaines qualités spécifiques d'acier inoxydable. Il n'est pas recommandé d'utiliser des récipients en aluminium ou en cuivre (vous pouvez utiliser de l'aluminium ou du cuivre en modifiant l'appareil de cuisson en incluant un disque ferromagnétique qui fonctionne comme une plaque chauffante). L'utilisation d'un matériau ferromagnétique présente 2 avantages :

  1. La résistance électrique est plus élevée que celle des conducteurs purs et la chaleur produite est donc plus importante.
  2. La profondeur de peau (dont nous parlerons plus en détail dans un prochain article) des matériaux ferromagnétiques est plus faible que celle des conducteurs purs et, par conséquent, la résistance de surface est plus importante, ce qui entraîne un réchauffement par effet joule plus élevé.

Pourquoi la cuisson par induction est-elle intéressante ?

  • Il est économe en énergie. Elle fournit un chauffage plus rapide et plus constant avec une efficacité thermique supérieure. Selon un document technique du ministère américain de l'énergie (DOE) de 2001, l'efficacité du transfert d'énergie pour une cuisinière à induction est de 84 %, contre 74 % pour un appareil électrique à dessus lisse sans induction.
  • La performance de chauffage est uniforme et se compare à celle d'un brûleur à gaz.
  • Un système de contrôle arrête généralement l'élément chauffant si le récipient de cuisson n'est pas présent ou n'est pas assez grand.
  • Ils sont faciles à nettoyer et à entretenir car la surface de cuisson est plate et ne devient pas trop chaude pour brûler et coller les aliments renversés. La figure 3 montre que la chaleur est produite uniquement dans la cuve.
La cuisson par induction

Figure 3 : La chaleur est produite uniquement dans la cuve et non dans la plaque supérieure.

Simulation à l'aide d'un dispositif de bobine de cuisinière à induction standard

La figure 4 montre un modèle CAO d'un arrangement de bobine et de noyau de fer pouvant être utilisé pour la cuisson par induction. Une analyse du chauffage par induction a été réalisée à l'aide d'EMS pour SOLIDWORKS avec une excitation CA à 24 KHz. L'inductance de la bobine a été calculée et la densité du flux magnétique a été visualisée.

Analyse du chauffage par induction

Figure 4 : Modèle CAO d'une bobine typique utilisée pour la cuisson par induction

La valeur de l'inductance calculée par le logiciel était de 94,44 micro Henry et se comparait très bien au résultat de la mesure en laboratoire (93,8 micro Henry). La figure 5 montre le tracé de la densité du flux magnétique dans la bobine et les noyaux de fer.

Résultats de l'analyse des bobines d'induction

Figure 5 : Tracé de la densité du flux magnétique dans la bobine et les noyaux de fer.

Conclusion

Ce sont les ingénieurs qui ont donné aux chefs une solution parfaite pour un appareil de cuisson économe en énergie. EMS for SOLIDWORKS peut aider les ingénieurs à concevoir et à simuler différents types d'arrangements de bobines d'induction pour les applications de cuisson. Comme il est entièrement intégré à SOLIDWORKS, EMS peut simuler directement les conceptions SOLIDWORKS, évitant ainsi la perte de données CAO due à la traduction. Pour connaître la gamme complète des applications qu'EMS peut traiter, visitez le site www.emworks.com. Cet article de blog a été inspiré par l'excellent travail réalisé par un ingénieur en herbe, Majdi El Fahem, dans le cadre de son projet de conception senior.

EMS pour SOLIDWORKS

EMS for SOLIDWORKS est le premier et le seul logiciel entièrement intégré et certifié Gold Certified pour SOLIDWORKS qui aide les utilisateurs de SOLIDWORKS à étudier leurs conceptions magnétiques, électriques et électromagnétiques de manière transparente. Il peut utiliser la géométrie créée à l'aide de SOLIDWORKS directement pour la simulation. Son interface utilisateur émule SOLIDWORKS et il n'y a donc aucune courbe d'apprentissage associée au logiciel EMS pour les utilisateurs de SOLIDWORKS. Vous voulez essayer une simulation électromagnétique SOLIDWORKS ?

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Arvind Krishnan

Arvind Krishnan est le directeur de la gestion des produits chez EMWorks. Il utilise SOLIDWORKS et les outils d'IAO depuis 15 ans et s'intéresse aux technologies basées sur le magnétisme.