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CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES Février 2021 ED 4211 1) création d’un champ magnétiqu

CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES Février 2021 ED 4211 1) création d’un champ magnétique variable dans le temps à l’aide d’un bobinage appelé inducteur et parcouru par un courant à la fré quence souhaitée. L’inducteur peut prendre différentes formes adaptées à la géométrie de la pièce à chauffer ; 2) création d’un courant au sein de la pièce par induction électromagnétique. Ce phénomène se produit lorsqu’un élément conducteur est plongé dans un champ magnétique variable ; 3) échauffement de la pièce dû au passage de ce courant induit (effet Joule). Un équipement de chauffage par induction comprend généralement un ou plusieurs Le chauffage par induction est une méthode électrothermique permettant de chauffer un élément conducteur sans contact direct avec celui-ci. Ce procédé est largement utilisé dans l’industrie, notamment pour le soudage, le brasage, la fusion, les traitements thermiques etc. C’est ce même procédé qui est utilisé pour les plaques à induction domestiques. Principe de fonctionnement Le procédé de chauffage par induction résulte de la combinaison de différents phénomènes physiques (voir figure 1) : Courant variable Pièce à chauffer Courant induit Champ magnétique variable Inducteur Figure 1. Schéma de principe du procédé de chauffage par induction Le chauffage par induction électromagnétique 2 Champs électromagnétiques ED 4211 inducteurs (avec parfois un concentrateur de champ), une alimentation électrique, un sys tème de contrôle-commande et un système de refroidissement de l’inducteur et de l’ali mentation électrique. Les configurations d’inducteurs, les fréquences (de 1 Hz à 5 MHz) et les puissances électriques mises en œuvre sont très variées et dépendent de l’application (chauffage dans la masse ou superficiel, cuisson, fusion…), du matériau et de sa forme (billettes, lopins, cuves…). Applications Le chauffage par induction ne s’applique qu’aux matériaux conducteurs ayant une conductivité électrique comprise entre 10 S/m et 108 S/m. La profondeur de pénétration du champ pour un matériau donné est inverse ment proportionnelle à la racine carrée de la fréquence et varie de quelques micromètres à plusieurs centimètres (voir tableau 1). De même, les puissances mises en œuvre peuvent varier de quelques centaines de watts (petits fours à induction de laboratoire ou de prothé siste dentaire) à plusieurs mégawatts pour les grosses installations de fusion. On trouve principalement des installations de chauffage par induction dans les domaines de la métallurgie et de la mécanique : fusion, chauffage avant formage, traitement ther mique (trempe)… Cependant, grâce à l’évolution des techno logies de l’électronique et à l’apparition de composants de commutation plus rapides, des applications sont apparues dans d’autres domaines tels que la chimie (fusion directe de verres et d’oxydes…) et l’industrie agroalimen taire. Ces installations génèrent des champs ma gnétiques prépondérants à proximité de l’inducteur et des câbles d’alimentation électrique. Ces champs sont d’autant plus importants que l’intensité du courant parcou rant l’inducteur est élevée. Fusion Les fours les plus répandus sont les fours à creuset à basculement, plutôt utilisés pour la fusion (voir figures 2 et 3), et les fours à canal, souvent réservés au maintien en température des métaux fondus. Réchauffage avant formage et forgeage Le réchauffage par induction est de plus en plus utilisé dans le milieu industriel. Il pré sente en effet des atouts majeurs : ■possibilité d’une productivité élevée ; ■faible consommation énergétique ; ■rapidité de chauffage ; ■réduction des pertes par oxydation ; ■bonne précision de température ; ■possibilité de chauffer une zone bien déli mitée au niveau des pièces. Traitement thermique superficiel La fabrication mécanique de grandes séries – en particulier dans l’industrie automobile – a vu ces dernières années le développement d’un traitement thermique de qualité des aciers et des fontes. Celui-ci est constitué d’un chauffage superficiel par induction à basses (50 ou 60 Hz), moyennes (entre 100 et 20 000 Hz) ou à hautes fréquences (supérieures à 20 kHz) en fonction des carac téristiques du matériau, suivi d’une trempe. L’induction permet de chauffer la surface de la pièce sans affecter notablement le cœur, puis de la durcir par refroidissement (trempe à l’eau ou à l’air) de manière à obtenir une struc ture hétérogène constituée par exemple : ■d’une couche superficielle dure (entre 0,3 et 6 mm d’épaisseur) afin d’assurer à la pièce une bonne résistance à la fatigue et à l’usure ; ■d’un cœur résilient assurant la sécurité de fonctionnement de la pièce. On peut ainsi accroître les performances des pièces sollicitées. Industrie chimique L’induction est utilisée comme moyen de chauffage des parois de réacteurs chimiques. On trouve ce type de réacteurs dans la fabri cation des résines, des cosmétiques et dans l’industrie pharmaceutique. Autres applications de l’induction On peut citer entre autres : ■le brassage électromagnétique d’alliages métalliques ; ■le plasma entretenu par induction utilisé dans la production de poudre ou la synthèse de nanomatériaux ; ■le décapage de peinture. Le phénomène physique de l’induction est de plus en plus utilisé pour le transfert d’énergie (recharge d’accumulateurs). Figure 2. Four à induction utilisé en fonderie pour réaliser les alliages ferreux (acier, fonte) Figure 3. Schéma de principe d’un four de fusion à creuset © Carsat Bretagne Axe de basculement Protection par briquetage Inducteur Culasse magnétique Creuset réfractaire Protection par briquetage Tableau 1. Exemples d’applications du chauffage par induction Type de chauffage Fréquences Applications Pénétrant 1 Hz à quelques kHz (0,1 à 5 MHz pour les se mi-conducteurs) Forge, fusion Superficiel 10 à 500 kHz Trempe superficielle, brasage Pelliculaire 10 à 1 000 kHz Soudage des tubes, scellement thermique ED 4211 Champs électromagnétiques 3 Une étude réalisée par l’INRS et les Carsat sur plus de 200 postes de travail de différentes natures a montré que l’intensité du champ magnétique dépassait les VA applicables aux travailleurs sans risques particuliers pour un cinquième des cas. Concernant les travailleurs équipés de dispositifs médicaux implantés et les femmes enceintes, les VA pertinentes étaient dépassées dans les trois quarts des cas. D’après cette étude, on constate que : ■des valeurs importantes de champ ma gnétique sont généralement mesurées, non seulement dans les zones proches des induc teurs, mais également à proximité de leurs câbles d’alimentation ; ■l’exposition est fonction de la puissance de l’installation et de la distance de l’opérateur avec la source ; ■ainsi, les petites installations peuvent s’avé rer plus exposantes du fait de la proximité du travailleur avec l’inducteur. Compatibilité électromagnétique avec les dispositifs médicaux Il existe un risque de dysfonctionnement des dispositifs médicaux implantés actifs tels que les stimulateurs cardiaques, les défibril lateurs, les prothèses auditives, les pompes à insuline, etc. en raison des interférences pos sibles avec le champ électromagnétique. Ce risque est possible même si l’intensité de ce champ est inférieure aux valeurs réglemen taires (voir la fiche INRS ED 4267, Dispositifs médicaux implantables). Valeurs réglementaires Le Code du travail (articles R. 4453-3 et R. 4453-4) fixe des valeurs limites d’exposition (VLE) ainsi que des valeurs déclenchant l’action (VA : voir tableau 2) afin de limiter les risques liés à l’ex position des travailleurs aux champs électro magnétiques. Pour avoir une vue d’ensemble sur ces VLE et VA, on peut consulter la fiche INRS ED 4204, La réglementation en milieu professionnel. Risques Effets de l’exposition aux champs électromagnétiques Jusqu’à des fréquences de 10 MHz, les effets des champs électromagnétiques sur le corps humain consistent en des stimulations du système nerveux central et périphérique ainsi que des effets sensoriels pour les fréquences allant de 1 Hz à 400 Hz. Pour les applica tions utilisant des fréquences supérieures à 100 kHz, s’ajoute un risque d’échauffement des tissus. Pour disposer de plus d’informa tions sur les effets, on peut se reporter à la fiche INRS ED 4350, Les ondes électromagné tiques : actions et effets sur le corps humain. Le respect des VA permet de se prémunir de ces phénomènes. Le parc français d’équipements de chauffage par induction est estimé dans l’industrie à plus de 10 000 unités. Il existe aussi un risque d’échauffement des parties métalliques conductrices des disposi tifs médicaux et, par conséquence, des tissus au contact. Cas des travailleuses enceintes Le niveau d’exposition des travailleuses en ceintes doit être maintenu à un niveau aussi faible qu’il est raisonnablement possible d’at teindre en tenant compte des recommanda tions de bonnes pratiques existantes, et, en tout état de cause, à un niveau inférieur aux limites réglementaires fixées pour le public (voir ED 4216, Grossesse et exposition profes sionnelle aux champs électromagnétiques). Par ailleurs, la travailleuse enceinte deman dera conseil au médecin du travail par rapport à son poste de travail. Cas des jeunes travailleurs Il est interdit d’affecter un jeune travailleur de moins de 18 ans à des travaux susceptibles de l’exposer au-delà des VLE relatives aux effets sur la santé mais également aux VLE relatives aux effets sensoriels. Autres risques D’autres risques professionnels non traités dans cette fiche existent avec l’utilisation des procédés de chauffage par induction magné tique, tels que les risques électriques, ther miques, mécaniques et chimiques. Tableau 2. Valeurs déclenchant l’action (VA) définies pour le champ électrique et magnétique par le Code du travail pour les travailleurs sans risques particuliers Exposition Champ électrique Champ magnétique Fréquence VA VA basse VA haute Exposition des membres à un uploads/s3/ ed-4211.pdf