Champ magnétique à deux fréquences

Dans notre étude, la valeur de la fréquence du champ magnétique doit être suffisamment élevée pour chauffer la charge par effet Joule et assurer un brassage convenable au cœur du bain métallique. De ce fait et pour les raisons électrotechniques exposées au paragraphe 2.4.2.b, la valeur de la fréquence du champ utilisée est comprise entre 14 kHz et 15kHz ce qui correspond à une valeur de paramètre d’écran R_ω ≥750.

A cette valeur de ^Rω ^{les forces électromagnétiques, qui sont essentiellement irrotationnelles,} permettent de déformer la surface libre sous la forme d’un dôme statique mais pas de l’agiter efficacement. Aussi, afin d’obtenir des oscillations de surface et assurer ainsi une meilleure agitation de cette surface, on se propose de créer des oscillations verticales en modulant en amplitude les forces électromagnétiques. Cette modulation est rendue possible par l’utilisation d’un champ magnétique modulé en amplitude et possédant une deuxième fréquence, appelée fréquence de modulation, dont la valeur est inférieure à 10 Hz.

a) Ondes de surface induites par un champ oscillant à basse fréquence

Galpin et Fautrelle ^[18] ont étudié les déformations de la surface libre d’une cuve cylindrique de mercure placée à l’intérieur d’un inducteur solénoïdal. Ils ont exploré une gamme de fréquence du champ magnétique comprise entre 1Hz et 10 Hz, ce qui correspond à une faible valeur du paramètre d’écran R_ω ≤0,67. Pour cette valeur de ^Rω^{, la partie pulsante des} forces électromagnétiques présentes dans le bain est prédominante.

Galpin et Fautrelle ^[18] ont observé différents systèmes d’ondes à la surface du mercure suivant les valeurs de l’intensité et de la fréquence du champ magnétique. En particulier aux faibles valeurs du champ magnétique ils ont observé un système d’ondes stationnaires axisymétriques oscillant à la fréquence des forces électromagnétiques d’excitation. Les modes

0.01 0.1 1 0.1 1 10 100 1000 U/U_Alf (u'/U)_w (wall) u'/U (bulk) Shield parameter Rω

Chapitre 1 de surface excités étaient ceux dont la fréquence propre correspondait à la fréquence des forces électromagnétiques dans le bain.

Ainsi, en utilisant un champ magnétique à basse fréquence, ils ont mis en évidence la possibilité de créer à la surface du bain métallique des ondes de surface concentriques directement forcées par la partie pulsante des forces électromagnétiques.

b) Modulation du champ magnétique

La valeur élevée de la fréquence du champ magnétique dans notre système d’étude ne nous permet pas de créer des ondes de surface comme Galpin et Fautrelle ^[18] puisque le fluide, en raison de son inertie, ne peut suivre l’excitation due à la partie oscillante des forces électromagnétiques. Aussi on se propose de moduler le champ magnétique en amplitude avec une basse fréquence inférieure à 10 Hz afin de donner un caractère pulsant basse fréquence aux forces électromagnétiques et pouvoir ainsi exciter les fréquences propres de la surface libre.

Un tel champ bifréquence est obtenu à partir d’un courant inducteur I possédant deux fréquences ^[30] :

- une moyenne fréquence f1 comprise entre 14 kHz et 15kHz pour chauffer et assurer un brassage au sein de la charge.

- une basse fréquence f2 comprise entre 1Hz et 10 Hz destinée à agiter la surface libre de la charge.

Le courant inducteur de moyenne fréquence f1 et d’intensité I_o est modulé en amplitude par une fonction de modulation périodique m(t) de basse fréquence f2. L’expression du courant inducteur I ainsi obtenu peut s’écrire :

I =m(t)I_ocos

ω

₁t (1.47) avec

ω

₁ =2

π

f₁.

Il est possible d’utiliser divers types de fonction de modulation. Ainsi par exemple, pour une modulation de type sinusoïdale la fonction de modulation est de la forme:

m(t)=1+

α

cos

ω

₂t (1.48) où

α

< 1 désigne le taux de modulation et

ω

₂ =2

π

f₂ la pulsation de modulation.

Dans la limite 1 2

f f

<< 1, les forces électromagnétiques Fr_p

sont également modulées en amplitude et elles peuvent être exprimées sous la forme suivante ^[31] :

      + = 1 2 o p 2 p f f O F ) t ( m Fr r (1.49) r

La fonction m²(t) peut se décomposer en deux parties distinctes :

m²(t) =m_o²+m^~(t) (1.50) où m_o²représente la partie moyenne indépendante du temps définie par

2 1

m_o² _{= +}

α

² _(1.51)

et m^~(t) la partie oscillante définie par

cos2 t 2 t cos 2 ) t ( m^~ =

α ω

₂ +

^α

²

ω

₂ (1.52)

En fonction de la forme de la fonction de modulation m(t) il est possible de créer plusieurs effets. La partie moyenne m_o² contrôle le brassage électromagnétique à l’intérieur du bain tandis que la partie oscillante m^~(t) agit à la fois sur l’amplitude et la fréquence des oscillations de la surface libre. Il est à noter que, d’après l’expression (1.52), les ondes de surface directement forcées par les forces électromagnétiques sont susceptibles d’osciller à l’une ou l’autre des fréquences d’oscillation possible correspondant à f₂ ou 2 f₂. Ceci sera confirmé par les mesures expérimentales des fréquences d’oscillation exposées dans le paragraphe 3.4.1b.

c) Exemple d’une étude réalisée avec un champ magnétique bifréquence

L’étude bibliographique que nous avons effectuée montre que très peu de travaux ont été réalisés avec des procédés de fusion inductifs utilisant un champ magnétique à deux fréquences. Nous allons exposer dans ce paragraphe l’étude réalisée par Chino et col. ^[32] concernant le contrôle de la forme de la surface libre d’un métal liquide soumis à des oscillations mécaniques et à un champ magnétique alternatif intermittent. Nous ne nous intéressons qu’à l’effet de l’application du champ magnétique sur la surface du métal liquide. Chino et col. ^[32] ont placé un creuset cylindrique en acrylique de rayon 2,3 cm contenant 0,8

Kg de gallium liquide, soit une hauteur de gallium de 8 cm, au centre d’un inducteur

solénoïdal. La forme du champ magnétique alternatif appliqué est illustrée sur la figure 1.11.

Le champ magnétique de fréquence principale f =30kHz est modulé en amplitude à la

fréquence f_i, appelée fréquence intermittente. Le champ possède alors deux valeurs

d’amplitude possible B_min =9mT et B_max =23mT qui se répètent à la fréquence f_i, ce qui correspond à une fonction de modulation m(t) en forme de créneaux.

Chapitre 1

Figure 1.11 : Caractéristiques du champ magnétique alternatif intermittent utilisé par Chino et col. ^[32], possédant une basse fréquence f et une moyenne fréquence _i f =30kHz.

Chino et col. ^[32] ont mesuré à l’aide d’un laser la hauteur η des déformations de la surface à

17 mm du centre du creuset. Ils ont noté qu’en appliquant une fréquence

Hz 7

f_i = correspondant à la fréquence propre du mode de surface (0,1), ils pouvaient créer à la surface libre du métal des ondes de surface oscillant à la fréquence 7 Hz et d’amplitude maximale 2 mm. La déformation de la surface libre correspondante est présentée sur la figure 1.12.

Chino et col. ^[32] ont montré que les ondes de surface obtenues étaient directement forcées par les forces électromagnétiques qui agissent sur le métal liquide comme des forces de pression pulsant à la fréquence intermittente f_i.

Figure 1.12 : Forme du champ magnétique et déformation de la surface libre du gallium liquide correspondante. Les hauteurs η sont mesurées à 17 mm du centre du creuset et pour

une valeur de fréquence f_i =7Hz par Chino et col. ^[32].

1.2.3 Conclusions

effets thermiques et mécaniques dans le métal tels que le chauffage par effet Joule, le brassage électromagnétique à cœur et une déformation de la surface libre du métal sous forme de dôme statique. Les grandeurs caractéristiques des effets mécaniques ont déjà fait l’objet de nombreuses études et leurs valeurs sont données dans la littérature en fonction de paramètres de similitudes tels que le paramètre d’écran ^Rω ^{et le paramètre d’interaction R}i.

Une agitation de la surface libre du métal, sous forme de système d’ondes concentriques, s’avère possible en modulant en amplitude le champ magnétique monofréquence. Le champ

magnétique obtenu possède alors une deuxième fréquence f2, appelée fréquence de

modulation. L’expression des forces électromagnétiques engendrées par un tel champ bifréquence est égale à l’expression des forces correspondant au champ monofréquence modulée par la fonction m²(t). Comme nous le verrons au paragraphe 3.4, les paramètres de cette fonction tels que le taux de modulation

α

et la fréquence de modulation f₂ permettent d’agir sur l’amplitude et la fréquence des oscillations de la surface libre du métal.

Dans le document Mise en œuvre et caractérisation d'un nouveau procédé électromagnétique destiné à favoriser les transferts de masse aux interfaces entre un métal liquide et un sel fondu (Page 40-44)