Brevet FR2571886A1 — publié le 19860418

La présente invention concerne un ensemble capteur de courant alternatif et son procédé de fabrication. En raison du besoin de structures d'inducteurs miniatures destinées à être utilisées dans des micromodules tels que ceux employés dans l'industrie des aides auditives, il a été mis au point non seulement des dispositifs plus sensibles et efficaces, mais aussi des dispositifs qui sont plus économiques. Ceci a conduit à affiner des matériaux de manière plus précise et concentrée en relation avec la technique de développement associée. Au cours de la recherche d'une bobine téléphonique minuscule, fiable et sensible, le capteur de courant selon l'invention a été produit. Il est bien connu qu'une bobine enroulée en forme de tore constitue un bon transformateur de courant. Lorsqu'un fil transportant un courant à mesurer passe dans le trou du tore, il se forme unenroulement primaire à une seule spire, et le rapport de transformation, ou rapport du nombre des spires, du primaire au secondaire est déterminé par le nombre des spires se trouvant sur Le noyau en forme de tore. Sur la base de considérationsélec- triques,la forme idéale théorique des dispositifs à inductance est un tore. On utilise des transformateurs à noyaux en forme de tore très largement en électronique pour la conversion d'énergie et le transfert de signaux même à des fréquences élevées; ils sont uti- lisés pour des buts que d'autres dispositifs ne peuvent réaliser; toutefois, les bobines et les transformateurs en forme de tore sont difficiles et coûteux à construire, en particulier en raison de la difficulté d'appliquer un bobinage multiple à des noyaux en forme de tore complètement fermés dans la production en série. Pour tenter de résoudre ce problème, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 238 484 décrit un procédé de fabri- cation d'un dispositif à inductance dans lequel on applique une structure de bobine à un élément de noyau magnétique en forme d'arc ayant une section droite d'aire sensiblement uniforme et comportant deux extrémités, en appliquant un élément de pont magnétique directement sur les extrémités de l'élément en arc, puis en ajustant l'écartement entre l'élément de pont et l'élément en arc 27 7 1886 jusqu'à ce que l'enrouLement présente une valeur prédéterminée d'inductance, puis en fixant finalement la position relative des éléments en arc et de pont, de façon à rendre permanente la jonction du noyau en forme de D ainsi ajustée. Un tel dispositif est encore complexe et difficile à produire. L'invention propose un ensemble capteur de courant comprenant: un seul élément de noyau magnétique, qui possède deux parties terminales incurvées, magnétiquement liées de manière à former une boucle unique, une bobine à une seule spire, et un moyen de bobinage placé sur l'élément de noyau, caractérisé en ce que l'élément de noyau comprend une partie centrale rectiligne, sur laquelle le moyen de bobinage est placé, et les parties terminales incurvées,qui sont reliées mécaniquement et magnétiquement de façon permanente. Selon un autre aspect, l'invention propose un pro- cédé de production d'un ensemble capteur de courant, caractérisé par Les opérations suivantes: monter un unique noyau magnétique rectiligne de façon qu'il puisse tourner sur son axe longitudinal; enrouter une bobine faite d'un fil pour transformateur de petit diamètre et isolé sur la partie centrale du noyau rectiligne en faisant tourner te noyau; courber les extrémités du noyau vers l'extérieur de la partie centrale rectiligne portant la bobine pour en faire une partie incurvée de façon que les extrémités soient mises en contact l'une avec l'autre; et relier ensemble Les extrémités magnétiquement et de façon permanente. L'invention produit une bobine qui imite les bobines enroulées en forme de tore et se compare favorablement avec celles- ci tout en étant d'une petite taille. Il est possible de produire de semblables dispositifs économiquement et avec une qualité élevée maintenue. En particulier, ils ont une forte sensibilité pour un élément d'un volume donné. Le noyau magnétique rectiligne de l'invention permet d'effectuer facilement l'enroulement d'une bobine multispire ayant un grand nombre de spires sur un mandrin d'enroulement simple tandis qu'on protège la bobine vis-à-vis des contraintes et des tensions en conservant le noyau rectiligne au-dessous de la bobine 2 5 7 1886 du fait qu'on courbe Les extrémités du noyau rectiligne au-delà de la bobine pour en faire une partie courbe jusqu'à ce que les extrémités viennent en contact magnétique et soient alors reliées en permanence, par exemple par soudage, sertissage ou enroulement d'un fil formant une liaison unique. Dans le procédé du brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 238 484, on note que, inversement, des liaisons multiples sont réalisées entre des sections multiples de parties de noyau courbes. La fonction de transfert d'un teL dispositif est définie comme étant la tension présente sur la sortie du capteur de courant, laquelle est prélevée aux bornes de la bobine multi- spire,en fonction-du courant circulant dans un conducteur qui passe dans le trou central du noyau en forme de D ou à spire unique. Des fonctions de transfert de plusieurs milliers de microvoLts par milliampère ont été obtenues à l'aide de l'invention dans la gamme des fréquences de 50 Hz et 20 MHz. Le phénomène d'hystérésis et l'effet de peau sont évidents à certaines fréquences, mais le plus important est la possibilité que soit transmis le signal du fil conducteur sous une charge très Légère telle qu'un inducteur plutôt qu'un convertisseur de puissance efficace. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur Les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en plan d'une forme préférée du capteur de courant selon l'invention, monté dans un boîtier en matière plastique; - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est une vue en plan du capteur de courant, illustrant un procédé de connexion des extrémités du noyau en forme de D; - la figure 4 est une vue en plan d'une partie du noyau en forme de D, illustrant un autre procédé de connexion de ses extrémités; 257 1886 - la figure 5 est une vue en plan d'une partie du noyau en forme de D illustrant un autre procédé de connexion de ces extrémités; - la figure 6 est une vue en coupe suivant la ligne 6-6 de la figure 1; - la figure 7 illustre une autre forme d'extrémité de bobine, ou de corps de bobine, utilisant des bandes de matière plastique collées au noyau; - la figure 8 est une représentation graphique de la fonction de transfert d'un capteur du type BG donnant le signal de sortie en volt en fonction du courant d'entrée à 60 Hz; - la figure 9 est une représentation graphique de la fonction de transfert d'un capteur du type BE donnant le signal de sortie en volt en fonction du courant d'entrée à 60 Hz; - la figure 10 est une représentation graphique de la fonction de transfert d'un capteur du type AO en fonction de la fréquence pour différents courants d'essai; et - la figure 11 est une représentation graphique de la fonctien de transfert d'un capteur du type BE en fonction de la fréquence pour différents courants d'essai. Un capteur de courant 10 comprend un noyau recti- ligne 12 en matériau magnétique sur lequel est enroulée une bobine de fil 14, faite d'un fil pour transformateur de petit diamètre portant un revêtement isolant. La partie rectiligne 12a du noyau 12 est dotée de rebords, c'est-à-dire de butées ou de barrières, 16 à l'une et l'autre d'extrémités de la partie du noyau o la bobine doit être enroulée, de manière à limiter la largeur de la bobine. Les butées 16 peuvent être faites d'une ou plusieurs pièces 18a et 18b faites d'un tube rétréci par contraction sur le noyau. Le noyau 12 est placé sur un mandrin d'enroulement rotatif approprié et tourne suivant son axe longitudinal si bien que le noyau fait fonction de corps de bobine pour fil rectiligne. La bobine de fil 14, ou le moyen de bobinage, est enroulée sur le corps de bobine rectiligne et est fixée, aux extrémités, par des torons 20 attachés autour des butées 16. On courbe ensuite les extrémités 22 et 24 du noyau de fil rectiligne 12 afin de former un noyau en forme de D tout en maintenant rectiligne la partie du noyau portant La bobine. On connecte magnétiquement ensemble les extrémités 22 et 24 du noyau 12 par des moyens appropriés. Sur la figure 3, est représenté un procédé préféré de connexions magnétiques des extrémités courbées 22 et 24, o l'on place un manchon magnétique 26 au-dessus des extrémités 22 et 24 en appui l'une contre l'autre, puis on sertit le manchon de manière à fixer et maintenir matériellement ensemble les extrémités en une connexion magnétique. La figure 4 montre un autre procédé approprié'de connexion des extrémités courbées 22 et 24. Ici, on fait se chevaucher les extrémités 22 et 24 et on enroule un fil magnétique 28 serré au-dessus des extrémités de noyau se recouvrant. On peut lier Le fil, le coller ou le souder avec un faible apport thermique pour maintenir Le fil en place. La figure 5 montre encore un autre procédé de connexion magnétique des extré- mités courbées du noyau 12. Là, on fait se chevaucher les extrémités 22 et 24 courbées du noyau et on les fixe ensemble en effectuant un soudage en compression à résistance comme indiqué en 30. Comme le montre La figure 6, les butées 16 sont de préférence constituées de pièces courtes d'un tube contracté 18a et 18b qui sont glissées audessus du noyau de fil rectiligne et sont d'abord comprimées sur le noyau avant d'être comprimées ensemble. Les bandes de matière plastique 40 collées au noyau 12 peuvent également être utilisées, comme représenté sur La figure 7. Comme on peut Le voir sur La figure 1, le capteur de courant 10 est monté dans un boîtier 32 en matière plastique qui est rempli au moyen d'un composé de bourrage approprié. Il peut être souhaitable d'immerger tout L'ensemble de La bobine et du noyau dans un coussin de polyuréthanne de façon que l'action de contraction du composé de bourrage ne brise pas Les fils de la bobine ou les torons. Le bottier 32 possède une forme Lui permet- tant de recevoir La structure en D du capteur et est doté de deux pattes de soudure 34 et 36 auxquelles les torons 20 sont soudés à l'aide d'une soudure demandant un faible apport thermique. On dote en outre le boîtier d'une ouverture 38 par Laquelle un un conducteur de transport de courant (non représenté) est enfité afin de positionner celui-ci aussi près que possible du primaire 12 à une seule spire du capteur 10 de manière à disposer de La sen- sibilité maximale vis-à-vis du courant. Un type de capteur, le type BG, dont la caracté- ristique est présentée sur la figure 8, possède un noyau à per- méabilité magnétique élevée (Le coefficient p) si bien que, pour tes très bas niveaux de courant, ta fonction de transfert est élevée par comparaison avec la fonction de transfert caractéris- tique du capteur de type BE, qui est représentée sur la figure 9, tous deux pour une fréquence de 60 Hz. Toutefois, le type BE peut être utilisé jusqu'à 240 A (l'intensité de courant maximale ayant fait l'objet d'un essai) et même jusqu'à I 000 A probablement avant que la saturation ne commence, puisque le noyau 12 du capteur de type BE présente une perméabilité très inférieure à cettlle du capteur de type BG. Le capteur de type BG commence à se saturer avant 10 A et peut être utilisé de 100 à 240 A, mais son signal de sortie diminue abruptement pour la valeur la plus élevée. Pour cette intensité de courant supérieure, Le signal de sortie du capteur de type BE augmente toujours lorsqu'augmente le courant circulant dans le conducteur qui passe dans l'ouverture 38. Les graphes présentant la fonction de transfert en fonction de la fréquence ne permettent pas d'eux-même une compa- raison directe, puisque Les noyaux 12 des différents cas ont des diamètre différents. Si le capteur de type AO, que l'on peut voir sur la figure 10, était essayé à une intensité de 0,1 pA, sa fonction de transfert serait plus élevée que celle du capteur de type BE, que L'on peut voir sur la figure 9. Les courbes des figures 8, 9 et 10 se rapportent à des capteurs possédant un même nombre de spires dans la bobine 14. Le capteur de type AO, que l'on peut voir sur la figure 10, est destiné à être utilisé dans les appli- cations instrumentales à niveau bas, tandis que le capteur de type BE est un capteur à 60 Hz pour courant alternatif d'intensité élevée qui fonctionne néanmoins très bien sur une Large bande de fréquence pour un signal de sortie quelque peu inférieur, comme représenté sur la figure 11. 25718 3 6 Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif et du procédé dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble capteur de courant, comprenant un seul élément de noyau magnétique (12), qui possède deux parties ter- minales courbées, magnétiquement liées de manière à former une boucle unique, une bobine à une seule spire et un moyen de bobi- nage (14) se trouvant sur l'élément de noyau (12), caractérisé en ce que l'élément de noyau (12) comprend une partie centrale rectiligne, sur laquelle le moyen de bobinage (14) est placé, et les parties terminales courbées,qui sont mécaniquement et magnétiquement reliées de façon permanente. 2. Ensemble capteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie centrale rectiligne de L'élément de noyau est dotée d'un moyen (16, 18) constituant une extrémité de corps de bobine qui est placé sur la partie rectiligne à chaque extrémité du moyen de bobinage (14). 3. Ensemble capteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de bobinage (14) est constitué d'un fil pour transformateur isolé. 4. Ensemble capteur de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les parties ter- minales sont connectées ensemble en un point qui est diamétralement opposé à la partie centrale rectiligne. 5. Procédé de production d'un ensemble capteur de courant, caractérisé par les opérations suivantes: monter un unique noyau magnétique rectiligne (12) de façon qu'il puisse tourner sur son axe longitudinal; enrouler une bobine faite d'un fil pour trans- formateur de petit diamètre isolé sur la partie centrale du noyau rectiligne en faisant tourner le noyau; courber les extrémités du noyau vers l'extérieur de la partie centrale rectiligne portant La bobine pour en faire une partie courbée de sorte que les extré- mités soient amenées en contact L'une avec l'autre; et relier ensemble les extrémités du point de vue magnétique et en permanence. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on courbe les extrémités du noyau rectiligne (12) tout en main- tenant rectiligne la partie rectitigne centrale du noyau. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé -en ce que,sur La partie centrale du noyau rectiligne (12), sont placés deux rebords (16, 18) entre lesquels on enroule la bobine et à l'extérieur desquels on courbe les extrémités du noyau.