Brevet FR2502834A1 — publié le 19821001

La présente invention concerne un noyau de transformateur différentiel pour courants pulsatoires, ainsi qu'un interrupteur de protection contre les courants de fuite, utilisant un tel noyau de transformateur différen- tiel. L'utilisation de noyaux de haute perméabilité pour les transformateurs différentiels utilisés dans les interrupteurs de protection contre les courants de fuite est connue depuis longtemps, par exemple d'après la publica- tion du Docteur GaEnter B. Finke, qui est l'un des inventeurs de la présente invention, ayant pour titre "Differential- Transformatoren-Kerne fur Fehlerstromschutzschalter", ("Noyaux de transformateurs différentiels pour les interrup- teurs de protection contre les courants de fuite"), IEEE TRANSACTIONS ON fMAGNETICS, volume MAG-10, N0 2, juin 1974, page 13, Ainsi que cela est précisé dans cet article, les interrupteurs de protection contre les courants de fuite sont des appareils qui interrompent un courant électrique d'alimentation lorsqu'un courant de fuite d'une grandeur pré- déterminée s'écoule de ce circuit vers la terre. Ce courant peut avoir une forme sinusoïdale ou bien il peut s'agir d'un courant pulsatoire redressé, comme cela est fréquemment le cas dans les circuits qui sont commandés par des redresseurs au silicium, comme par exemple dans les circuits de commande de lampes. En utilisant un tel interrupteur et en produisant ainsi une interruption du circuit au bout de quelques demi- ondes, il est possible de protéger les êtres humains et les animaux contre le risque d'une électrocution. Un tel interrupteur de protection contre un courant de fuite fonctionne de la manière suivante: dans le cas d'une intensité de courant d'utilisation I pou- vant atteindre 50 A, il s'écoule à la terre un courant de fuite IT' qui s'élève, pour la protection de personnes et d'animaux, à environ 5 mA mA seulement (et à environ 300 mA pour une protection contre l'incendie); il produit une variation mesurable de la magnétisation du transforma- teur de courant différentiel. Sans courant de fuite, le courant passant dans l'enroulement primaire est exactement identique et de sens opposé de sorte qu'il ne se produit aucune magné- tisation du noyau. La plus petite inégalité du courant pri- maire, qui est provoquée par l'écoulement d'un courant de fuite vers la terre, engendre cependant une magnétisation à laquelle doit réagir l'interrupteur de protection contre les courants de fuite. Aux Etats-Unis, on applique un règlement pré- cisant que l'interrupteur doit ouvrir le circuit pour un cou- rant de fuite d'une intensité maximale qui est de 5 iA seule- ment. Pour satisfaire à cette condition, il faut utiliser un amplificateur électronique relié au noyau magnétique. Dzns La plupart des pays européens, il existe des normes qui imposent qu'un relais de l'interrupteur de protection ouvre le circuit pour un courant de fuite de 30 mA. Un tel courant de fuite relativement élevé est suffisant pour commander directement un relais sans amplificateur. D'autre part, cela nécessite, un fonctionnement très précis du noyau du transformateur dif- férentiel. Les transformateurs différentiels destinés à être incorporés à des interrupteurs de protection contre les courants de fuite réagissant directement à une intensité de mA se composent normalement d'une bande de "Supermalloy' de 0,1 mm d'épaisseur. Dans des applications typiques, les noyaux ont un diamètre extérieur d'environ 20 mm et une sec- tion droite d'environ 1 cm. La matière du noyau est traitée thermiquement de façon à obtenir une grande perméabilité maximale ( max = 200.000), de sorte qu'un courant de fuite de 30 mA dans une ou plusieurs spires magnétise le noyau avec une induction de 2.000 à 5.000 Gauss et transmet ainsi une énergie suffisante pour déclencher directement un relais. Des interrupteurs de protection contre les courants de faite peuvent également être installés dans des volumes situés à l'extérieur d'une habitation chauffée, de sorte qu'il est nécessaire de stabiliser la perméabilité maximale dans une gamme de températures comprise entre -15'C et +45WC. On a déjà précisé dans des publications que, dans les alliages fer-nickel de haute perméabilité comme le "Supermalloy" (80,25 Ni, 4,25 Mo complément Fe), la perméa- bilité peut être stabilisée en soumettant l'alliage à un revenu au-dessous des températures normales de façon à augmen- ter la formation de Ni 3Fe. Un tel traitement de revenu décale le point d'annulation de l'anisotropie magnéto-cristalline (Y, = O) vers des températures plus basses, de sorte que la perméabilité maximale (tL (T) est obtenue à des températures plus basses, normalement inférieures à la température am- biante. Cependant, ce traitement thermique produit également une modification de la boucle d'hystérésis. Pour des températures supérieures au maximum &J (T) dans la zone o K1 = 0, la matière présente alors une boucle d'hystérésis de forme rectangulaire, de sorte que la possibilité d'uti- lisation de la matière dans les transformateurs différentiels pour courants pulsatoires redressés est limitée. Les interrup- teurs de protection contre les courants de fuite décrits ci- dessus ne peuvent donc pas être utilisés dans le cas de courants pulsatoires redressés. Dans la demande de brevet allemand DE-OS 2.036.497 qu'il y a lieu de citer pour définir l'état antérieur de la technique on a reconnu ce fait et cette demande de brevet pré- cise que, par branchement d'un condensateur en série avec l'enroulement secondaire du transformateur différentiel, on peut convertir par un effet de résonance la magnétisation redressée en une magnétisation alternative d'une amplitude suffisante pour qu'il existe dans le circuit secondaire une énergie assez grande pour faire déclencher le relais. Cepen- dant pour obtenir cet effet de résonance avec des courants redressés dans le circuit primaire, il faut que le cycle d'hystérésis du noyau soit relativement arrondi et non rec- tangulaire. On a essayé de produire un tel cycle arrondi par deux procédés connus. Le premier procédé consiste à produire, par un traitement thermique approprié, dans des champs axiaux et dans une gamme de températures comprise entre 250WC et 3501C dans Le noyau, une orientation préférentielle uniaxe perpendiculaire au champ du courant de fuite. Ce processus de traitement thermique est cependant très compliqué et difficile à mettre en oeuvre, de sorte que le rendement de production de noyaux corrects n'est pas satisfaisant. Un second procédé pour produire un cycle arrondi consiste à refroidir rapidement le noyau ou à assurer sa trempe à partir de températures supérieures à 5001C de façon à décaler le point d'annulation de l'anisotropie magnéto- cristalline (K1 = O) vers les températures supérieures. Ce processus produit un cycle arrondi à la température ambiante et au-dessous de celleci. Cependant, il provoque une forte diminution de la perméabilité aux basses températures, de sorte que l'effet de résonance du circuit secondaire est fortement modifié et que le seuil de commande de l'interrup- teur de protection contre les courants de fuite croit, de sorte qu'il dépasse nettement la limite de 30 mA. L'invention concerne des structures de noyaux pour transformateurs différentiels, qui produisent un cycle d'hystérésis de forme arrondie et qui sont utilisables pour engendrer une résonance de courant dans le circuit secondaire. On a trouvé qu'on obtient un tel cycle d'hystérésis de profil arrondi lorsque deux ou plusieurs bandes de perméabilité re- lativement élevée sont enroulées en circuit fermé. Bien que la matière utilisée possède la propriété de produire, dans le cas d'un enroulement de noyau à une couche, un cycle c'hys- térésis rectangulaire indésirable, on a constaté de façon inattendue que, lorsqu'on enroule simultanément deux ou plu- sieurs bandes du type précité, le cycle d'hystérésis est considérablement arrondi. L'invention permet d'éliminer les inconvénients des procédés de fabrication utilisés jusqu'à présent. Les structures de noyaux décrites dans la suite, qui sont caractérisées par la génération d'un cycle d'hystér6sis arrondi, peuvent être fabriquées avec une grande uniformité et elles peuvent fonctionner dans les circuits de résonance pour une large gamme de températures. En outre, le traitement thermique de ces noyaux peut être effectué de telle sorte qu'on obtienne dans le noyau la plus faible intensité du champ coercitif et la plus forte perméabilité de la matière. Il est ainsi possible d'obtenir une forte in- duction magnétique et, par conséquent, un noyau de faible volume. En pratique, on obtient ainsi les avantages d'une diminution des frais de matière et de fabrication et, en outre, une réduction de l'encombrement des noyaux des interrupteurs de protection contre les courants de fuite. La description qui va suivre, et qui ne présente aucun caractère limitatif, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. Elle doit être lue en regard des dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un transformateur différentiel placé dans le circuit d'un interrupteur de protection contre les courants de fuites. La figure 2A est une représentation graphique d'un courant de fuite de forme pulsatoire redressée et du courant de résonance en fonction du temps. La figure 2B représente des boucles d'hystérésis pour les courants de la figure LA. Les figures 3A à 3D donnent des courbes B-H et des cycles d'hystérésis pour des noyaux formés par enroulement d'une couche et de plusieurs couches et fabriqués conformément à la présente invention. La figure 4 est une représentation comparative de cycles d8hystérésis, qui illustre comment le cycle d'hys- térésis s'arrondit en fonction de l'augmentation du nombre de couches. La figure 5 est une vue en perspective d'une structure de noyau à deux couches conforme à l'invention. La figure 1 représente un circuit d'interrupteur de protection contre les courants de fuite de type connu, et conforme à la demande de brevet allemand précité DE-OS 2.036.497. Les conducteurs 10 et 12, reliés à une source de tension si- nusoidale et aboutissant à un réseau d'utilisation 16, compor- tant quelques spires enroulées autour du noyau 14 et consti- tuent dans cette zone un enroulement primaire. En marche nor- male, les amplitudes du courant passant dans des conducteurs 10 et 12 sont égales et opposées. Lorsque, sur le côté du noyau 14 correspondant au réseau d'utilisation, le conduc- teur 10 est touché par exemple par une personne ou un animal, il passe dans la résistance 18 représentant la résistance du corps un courant de fuite vers la terre. Les courants passant dans les conducteurs 10 et 12 sont alors inégaux, de sorte qu'il se produit un courant de magnétisation, et par conséquent un champ magnétique correspondant dans le noyau 14. Un enroulement secondaire 20 placé sur le noyau 14 est branché en parallèle ou en série avec un condensateur 26 par l'intermédiaire de conducteurs 22 et 24 pour former un circuit de résonance. Le noyau 14 doit avoir un cycle d'hystérésis aussi arrondi que possible et, en outre, il doit présenter une grande perméabilité magnétique de façon qu'après quelques impulsions du courant de fuite, seulement il s'établisse;r. courant de résonance suffisant pour commander l'interrupt;ur de protection S et interrompre le passage du courant dans le con- ducteur 10 en direction du réseau d'utilisation 16. Comme indiqué ci-dessus, le noyau selon l'in- vention, représenté sur la figure 5, présente le cycle d'hys- térésis arrondi nécessaire dans une large gamme de tempéra- tures. Un tel cycle d'hystérésis d'un noyau permet de réaliser un circuit conforme à la figure 1, qui fonctionne aussi bici avec un courant pulsatoire redressé qu'avec un courant sinu- soldal. Pour mieux comprendre la signification d'un cy- cle d'hystérésis correctement arrondi, on va expliquer de façon plus précise, en se référant aux figures 2A et 2,, le cycle de magnétisation d'un noyau par un courant pulsatoire redressé et le début de l'effet de résonance. Au début de la première impulsion de courant redressé comme indiqué en 34, la magnétisation du noyau l4a est située dans l'état rémanent en 34a. Pendant la première demi-onde, le noyau est magnétisé jusqu'à un point 62 et il se produit par conséquent une variation de flux A Bi* A la fin de la première onde du courant pulsatoire, la magnétisa- tion du noyau correspond à 38a. Pendant la première demi-onde, la variation de flux à B1 engendre dans le circuit secondaire une tension qui crée un courant assurant la charge du condensateur 26. A la fin de la première demi-onde du courant pulsatoire, le con- densateur 26 a tendance à se décharger et il démagnétise ainsi le noyau jusqu'au point 40a. Dans l'intervalle de temps o le courant de fuite est nul, la magnétisation entre les points 42 et 44 diminue du point 40a placé sur le cycle d'hystérésis en courant alternatif jusqu'au point 40a situé sur le cycle d'hystérésis en courant continu. La demi-onde suivante commençant au point 44, qui atteint son maximum au point 46, assure la magnétisation du noyau de 44a à 62 et elle provoque alors une plus grande variation de flux a B2, qui charge plus fortement le conden- sateur 26. Le courant de décharge 48-52 du condensateur 26 dé- magnétise le noyau de 38a jusqu'à 52a. L'onde de courant pulsatoire suivante, entre 52 et 56, magnétise le noyau de 52a jusqu'à 62 et elle produit ainsi une variation encore plus grande de la magnétisation A B3* Le courant de décharge du condensateur, entre 56 et 60, démagnétise le noyau de 38a jusqu'à 58a. Ensuite le noyau est en résonance et il est magnétisé de façon continue entre les points 58a et 62. Ainsi, on obtient à la sortie une tension suffisamment grande pour commander l'interrupteur de pro- tection S. Pour obtenir l'effet de résonance qui a été décrit ci-dessus en se référant aux figures 2A et 2B, le cy- cle d'hystérésis du noyau doit être profilé de telle façon que quelques demi-ondes du courant de fuite provoquent déjà une variation suffisante de la densité du flux de magnéti- sation. Les spécialistes en la matière savent que les noyaux classiques présentant un cycle sensiblement rectangu- laire produisent seulement, dans les circonstances indiquées ci-dessus, une faible valeur de A B, de sorte qu'aucune réso- nance n'est amorcée. La figure 5 représenté la structure d'un noyau de transformation différentiel conforme à l'invention, qui est réalisé par enroulement simultané de deux bandes ou plus. L'extrémité extérieure du noyau peut avoir un profil pointu et être soudée par points en 64 de façon à emp&cher tout dé- roulement du noyau. On peut également envisager l'utilisation d'autres procédés classiques d'enroulement et de fixation. Conformément à une forme avantageuse de réali- sation de l'invention, on utilise pour les bandes de lzenrou- lement un alliage du type "Supermalloy de haute perméabilité, bien qu'on puisse également utiliser d'autres matériaux à magnétisme doux pour produire un cycle arrondi. Le "Supermalloy se compose de 80% de nickel et de 5% de molybdène, le reste étant du fer. La présente invention n'est pas limitée à l'utilisation d'un tel matériau car il est possible d'envi- sager l'application d'autres alliages à magnétisme doux (essentiellement des alliages nickel-fer et silicium-fer). L'invention est également applicable dans le cas de l'utilisa- tion de ce que l'on appelle des verres magnétiques (verres au Fe-B) et analogues. Au début de l'opération, on munit les bandes d'un revêtement inerte en oxyde de magnésium ou en oxyde d'aluminium, qui est déposé avant l'enroulement du noyau, ou bien la bande revêtue d'un film d'huile est tirée à travers une masse de poudre d'oxyde d'aluminium ou d'oxvlc de magnésium. L'épaisseur de couche d'une telle isolation inerte est de préférence comprise entre 1/10 et 1/5 de l'épai- seur de la bande. Ensuite, deux ou plusieurs couches ou ban- des sont enroulées en forme de noyau et leur extrémité est soudée en 64 de façon à obtenir la forme du noyau. Ce dernier peut présenter différentes formes fermées, par exemple unc forme annulaire, rectangulaire, etc. La forme du noyau doit cependant correspondre à une structure magnétiquement fer"me. Ensuite le noyau est traité thermiquement. Le traitement thermique peut être le même que celui normalement utilisé pour la fabrication des noyaux à bandes annulaires. On effectue ce traitement thermique dans une atmosphère conte- nant de l'hydrogène en opérant à des températures élevées proches de 1. 180WC pendant une durée d'environ 1 à 4 heures et on effectue ensuite un refroidissement au four. On peut réaliser ensuite un traitement secondaire de revenu à environ 485WC et pendant une heure, suivi par un refroidissement rapide, de façon à fixer le rapport ordre/désordre dans le réseau cristallin et à amener le point dianisotropie cristal- line Ki = O à une valeur approximative de + 100. Un tel trai- tement thermique produit dans le "Supermalloy" des perméabili- tés maximales supérieures à 200.000, et fréquemment des per- méabilités de 350.000 à 400.000 dans le cas d'une variation minimale de perméabilité dans une gamme de températures com- prise entre -250C et +450C. Dans les noyaux avec un enroule- ment à une couche, un tel traitement thermique produit un cycle d'hystérésis rectangulaire qui empêche que le circuit de commande représenté sur la figure 1 entre en résonance. En enroulant simultanément deux couches ou plus, on obtient un arrondissement du cycle d'hystérésis, de sorte qu'on peut créer un circuit de résonance qui entre plus sarement en ré- sonance. L'épaisseur des bandes intervenant dans ces noyaux est normalement de 0,1 mm, mais elle peut également Otre com- prise entre 0,025 et 0,15 mm ou plus. On choisit l'épaisseur des bandes de façon à réduire au minimum les pertes par courants de Foucault dans le noyau. Les exemples donnés dans cette description concernent des noyaux dans lesquels une matière de haute per- méabilité d'épaisseur constante et une matière en deux ou plusieurs couches ont été enroulées simultanément* Cependant, les effets avantageux précités sont également obtenus lorsque l'on enroule simultanément des matériaux ayant des épaisseurs et des compositions légèrement différentes. Tous ces matériaux doivent cependant présenter une faible force coercitive qui ne doit pas différer d'une bande à l'autre. La figure 3A montre qu'un noyau à une seule couche présente un cycle d'hystérésis sensiblement rectangulaire qui n'entre donc pas en résonance aux températures supérieures à 25 C. Les figure3 3A à 3D représentent également des courbes B-Hi pour des ondes pulsatoires unipolaires et pour une excitation sinusoïdalec Le noyau à une seule couche de la figure 3A pré- sente une perméabilité relativement grande dans le cas d'une excitation sinusoïdale. La courbe B-H du noyau à une seule couche met en évidence, pour un courant sinusoidal et pour une densité de courant d'environ 10 mA/Cm, ce qui correspond approximativement au point de fonctionnement du transformatcur différentiel dans un interrupteur de sécurité de 30 mA, une induction élevée égale à 0,54 Tesla, tandis que la magnétisa- tion produite par le courant pulsatoire est relativement basse et égale à 0,19 Tesla. Le même matériau agencé sous la forme d'un noyau enroulé avec deux couches produit, pour un courant sinusoïdal de 10 mA/cm, une magnétisation de 0,42 Tesla et pour une masnê- tisation par demi-ondes une valeur égale à 0,23 Tesla (c.f. figure 3B). En d'autres termes, lorsque le noyau est formé par enroulement de deux couches, la magnétisation par der.mi- ondes est supérieure, la magnétisation par courant alteunatif est plus faible et la différence est plus faible. Ceci est souhaitable lorsque l'interrupteur de protection contre le; courants de fuite doit être actionné, pour le m9me courant de fuite, aussi bien lorsqu'il passe un courant alternatif qu'un courant pulsatoire unipolaire. Une autre amélioration, c'est- à-dire une augmentation de la magnétisation par impulsions et une diminution de la magnétisation par courant alternatif, est obtenue lorsque trois ou quatre couches sont enroulées simultanément, comme indiqué sur les figures 3C et 3D. Les cy- cles d'hystérésis également indiqués sur les figures 3A 5 3D mettent en évidence l'arrondissement accru des cycles d'iys- térésis des noyaux formés par enroulement des deux, trois et quatre couches. Elles montrent également que les cycles d'hystérésis et, par conséquent, la magnrtisation pour une intensité de champ donnée, ne varient pas très fortement quand la température change. Ceci signifie que le courant de commande de l'interrupteur de protection contre les courants de fuite reste à peu près constant dans la gamme désirée de températures allant de -250C à +650C. La figure 4 montre à nouveau l'arrondissement du cycle d'hystérésis à 250C pour un noyau enroulé avec deux, trois et quatre couches par rapport aux noyaux enroulés avec une seule couche. La présente invention concerne ainsi un noyau qui possède, du fait de sa structure, un cycle d'hystérésis arrondi, comme cela est nécessaire pour les interrupteurs de protection contre les courants de fuite. Par enroulement de plusieurs couches de bandes stratifiées pour former un noyau fermé à couches multiples, l'invention peut être appliquée de façon satisfaisante aussi bien avec un courant alternatif qu'avec un courant pulsatoire unipolaire et dans une large gamme de températures. Le noyau selon l'invention peut, comme le montre la figure 5, être fabriqué rapidement en grande série et avec une haute qualité constante. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés et elle est sus- ceptible de nombreuses variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. L'invention a été décrite ci-dessus en référence à l'utilisation des noyaux dans les interrupteurs de protection contre les courants de fuite. Ces possibilités d'utilisation ne sont cependant pas limitées à cette application et l'in- vention peut être utilisée dans tous les cas o il est souhai- table d'avoir un cycle d'hystérésis arrondi dans un circuit magnétique fermé, et notamment lorsqu'il est nécessaire de fa- briquer de tels noyaux possédant des propriétés magnétiques très uniformes dans une large gamme de températures. REVENDICATIONS 1.- Noyau de transformateur différentiel pour courants pulsatoires, caractérisé en ce qu'il comporte plu- sieurs couches placées l'une sur l'autre, disposées parallè- lement et enroulées sur un support fermé, lesdites couches étant constituées d'une matière magnétiquement perméable pos- sédant une force coercitive relativement faible. 2.- Noyau de transformateur différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte de deux à quatre couches de matière. 3.- Noyau de transformateur différentiel selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les couches sont enroulées avec un faible espacement radial. 4.- Noyau de transformateur différentiel selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière magnétiquement perméable est un alliage nickel- fer, et de préférence du "Supermalloy" (80% Ni et 5% Mo, le reste étant du fer). 5.- Noyau de transformateur différentiel selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière magnétiquement perméable est une bande d'une épaisseur d'environ 0,1 mm. 6.- Noyau de transformateur différentiel selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière magnétiquement perméable porte une isolation inerte dont l'épaisseur est comprise entre environ 1/10 et 1/5 de l'épaisseur de matière. 7.- Interrupteur de protection contre les courants de fuite, comportant un noyau de transformateur différentiel conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, carac- térisé en ce que le circuit primaire alimenté par une 3ource de tension, aboutissant à un appareil de consommation et comportant au moins deux conducteurs (10, 12) est disposé de façon à traverser ledit noyau (14), et en ce que l'enrou1erv cnt secondaire (20) enroulé sur ce noyau (14) est relié à l'enrou- lement de commande d'un interrupteur de coupure (S) monté sur le circuit primaire. l.- Interrupteur de protection contre les cou- rants de fuite selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire (20) est associé à une capacité (26) pour former un circuit de résonance.