Brevet FR2703467A1 — publié le 19941007

La présente invention est relative à un capteur de courant à effet Hall à flux nul destiné à mesurer l'intensité d'un courant électrique parcourant au moins un conducteur électrique. On sait que les capteurs de courant à effet Hall à flux nul sont utilisés pour la mesure de l'intensité de courants électriques alternatifs ou continus, notamment dans les véhicules automobiles et scooters électriques pour mesurer l'intensité du courant électrique de charge et de décharge des batteries, remplissant ainsi le rôle de jauge à essence. De tels capteurs sont généralement constitués d'un noyau magnétique présentant au moins un entrefer et sur lequel est disposé au moins un bobinage de flux nul, d'une sonde à effet Hall logée dans l'entrefer, alimentée en courant continu et délivrant un signal de sortie à l'entrée, d'un bloc électronique amplificateur, ledit amplificateur étant connecté en sortie à l'une des extrémités du bobinage de flux nul, et d'une résistance de mesure d'un courant dit de flux nul qui est reliée, d'une part, à l'extrémité opposée dudit bobinage de flux nul et d'autre part à la masse électrique. Le courant électrique à mesurer est celui qui parcourt un conducteur électrique autour duquel est disposé le noyau magnétique du capteur de courant. Il existe plusieurs techniques de fabrication des noyaux magnétiques dont une consistant à enrouler sur elle même une bande de matériau magnétique afin de former un noyau en forme de tore Le tore est ensuite imprégné, coupé et protégé soit par encapsulage, soit par enrobage au moyen d'une résine. Cette technique présente toutefois 1 'inconvénient majeur de nécessiter un grand nombre d'opérations plus ou moins longues, compliquées et dispendieuses en énergie. On connaît également une autre technique qui consiste à découper des tôles de faible épaisseur, par exemple de 0,2 ou 0,3 mm, par exemple en forme de tore afin de constituer des rondelles qui sont ensuite empi- lées L'empilage des rondelles peut être réalisé par sertissage en même temps que la découpe ou simplement par la mise en boîtier. Le noyau magnétique ainsi obtenu est pourvu d'au moins un entrefer réalisé par découpe avant, pendant ou après l'empilage des rondelles L'entrefer a une largeur par exemple égale à 2 mm pour loger la sonde à effet Hall dont la partie active a une surface de quelques dixièmes de millimètres de côté et dont la hauteur dépasse rare- ment 2 mm. Ces noyaux magnétiques sont utilisés dans des capteurs de courant à effet Hall à flux nul dans lesquels le ou les courants électriques dont on mesure l'intensité sont de forme quelconque et par exemple continus, alter- natifs, voire continus et alternatifs superposés, impul- sionnels, et pour lesquels les fréquences d'utilisation sont de l'ordre de plusieurs k Hz, voire plusieurs centai- nes de k Hz. En effet, l'empilage de rondelles permet de limiter les pertes par courants de Foucault et la satura- tion magnétique du matériau constituant les rondelles et procure au noyau ainsi formé la tenue mécanique suffisan- te. Cependant, la fabrication de ces noyaux magnéti- ques impose un grand nombre d'opérations toujours consom- matrices de temps et d'énergie et trop souvent complexes. En outre, la demanderesse s'est aperçue que le bobinage de flux nul enroulé autour du noyau magnétique est constitué de plusieurs milliers de spires de diamètre élevé, entraînant par la même une résistance de bobinage élevé, par exemple voisine de 25 ohms pour un capteur de courant de calibre 300 A et comportant 2000 spires. Par conséquent, il est nécessaire d'introduire dans le capteur de courant un circuit électronique complexe qui permet notamment d'amplifier le gain. La présente invention a pour but de pallier à ces inconvénients en proposant un capteur de courant à effet Hall à flux nul de conception particulièrement simple, nécessitant moins de matériau magnétique pour sa fabrica- tion, très efficace et dont la résistance de flux nul est considérablement réduite. La présente invention a donc pour objet un capteur de courant à effet Hall à flux nul destiné à mesurer l'intensité d'un courant électrique parcourant au moins un conducteur électrique, destiné à être utilisé en particulier dans les véhicules automobiles électriques et comprenant: un noyau magnétique de forme générale plane entourant ledit conducteur électrique, présentant au moins un entrefer et comportant au moins un bobinage de flux nul enroulé autour dudit noyau magnétique, ledit conducteur électrique pouvant être enroulé autour dudit noyau magnétique; une sonde à effet Hall logée dans chaque entrefer, alimentée en courant continu et délivrant un signal de sortie; des moyens de traitement dudit signal de sortie pour alimenter avec ledit signal traité une des extrémi- tés du bobinage de flux nul; une résistance de mesure d'un courant dit de flux nul étant reliée à l'extrémité opposée dudit bobi- nage de flux nul, caractérise en ce que le noyau magnéti- que est formé d'un élément massif en matériau magnétique. Selon une première forme de réalisation de l'invention, le noyau magnétique a une forme de tore, le diamètre moyen de ce tore est compris entre 10 et 200 mm et de préférence compris entre 30 et 50 mm pour un calibre de 200 à 1000 A. Avantageusement, l'élément massif est constitué par un fil. Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, l'élément massif est un méplat Avantageusement, ce méplat a une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm et une largeur comprise entre 1 et 5 mm. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément massif est constitué par une bande dont les extrémités ménagent entre elles l'entrefer et sont relevées vers l'extérieur dudit élément massif de manière à faire face à la sonde à effet Hall Avantageu- sement, cette bande a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm et une largeur comprise entre 2 et 5 mm. Avantageusement, le matériau magnétique est un alliage de fer et de nickel, par exemple possédant la composition pondérale suivante: Fer 15 %, Nickel: 75 % à 82 %, Molybdène: 3 % à 7 %, Cuivre 0 % à 5 %. De préférence, le matériau magnétique possède la composition suivante: Fer: 15 %, Nickel: 80 %, Molybdène: 5 %. En outre, le matériau magnétique possède, après sa mise en forme et un éventuel traitement thermique un champ coercitif inférieur ou égal à 10 m Oe. D'autres caractéristiques et avantages ressorti- ront de la description qui suit d'exemples de réalisation de l'invention, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente le schéma de principe d'un dispositif selon l'invention; la figure 2 représente en section une autre forme de réalisation du noyau magnétique; les figures 3 et 4 représentent en vue de face et de profil un autre mode de réalisation de l'invention; et la figure 5 illustre encore un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente un capteur de courant à effet Hall à flux nul désigné dans un ensemble par la référence 1; ce capteur de courant est utilisé pour la mesure de l'intensité Il d'un courant électrique dit primaire qui parcourt un conducteur électrique 2. Ce capteur de courant comprend un noyau magnéti- que 3 dont la forme générale est contenue dans un plan. Ainsi que représenté figure 1, le noyau magnéti- que a la forme d'un tore interrompu qui présente un entrefer 4 pour loger une sonde à effet Hall 5 classique. Cette sonde 5 est alimentée en courant continu et délivre un signal de sortie qui est une tension de faible valeur. Le capteur de courant 1 comprend également des moyens 6 de traitement du signal de sortie de la sonde 5 qui sont par exemple représentés par un bloc électronique amplificateur commandé par la tension délivrée par la sonde à effet Hall 5 et fournissant un courant électrique I 2 de faible intensité égale à Il nl/n 2; n, est le nombre de spires du conducteur 2 autour du tore 3, ce nombre N 1 est égal à 1 lorsque le fil conducteur 2 traverse simplement le tore 3, et N 2 est le nombre de spires de l'enroulement 7. Le signal de sortie ainsi traité alimente un bobinage 7 dit de flux nul enroulé autour du tore magné- tique 3 et est envoyé à une première extrémité 7 a de ce bobinage 7 qui a pour effet de compenser le champ magné- tique créé par le passage du courant électrique d'inten- sité Il, parcourant le conducteur électrique 2. Ce conducteur 2 est disposé sensiblement au centre du tore magnétique et traverse une fois le plan de ce dernier, mais on peut concevoir que ce même conducteur soit enroulé plusieurs fois (n,) autour dudit tore. On peut également disposer plusieurs conducteurs électriques primaires de calibres éventuellement diffé- rents, par exemple un conducteur central de calibre 400 A et un autre conducteur enroulé sur le tore et de calibre A. Le capteur de courant 1 comprend en outre une résistance de mesure 8 du courant I 2 dit de flux nul fourni par le circuit de flux nul électronique 6 et traversant le bobinage 7 Cette résistance de mesure 8 est branchée entre la deuxième extrémité 7 b du bobinage de flux nul 7 et la masse électrique et peut être inté- grée ou non dans le boîtier (non représenté) qui renferme le capteur de courant 1. Avantageusement, le noyau magnétique 3 est formé d'un élément massif en matériau magnétique qui est dans cet exemple de réalisation un fil 10 de section circulai- re. Pour un fil 10 de section circulaire, on utilise un diamètre compris entre 1,5 et 10 mm, de préférence compris entre 2 et 4 mm et par exemple égal à 2,4 mm. La condition minimale requise pour les dimensions du fil, ou de manière générale de l'élément massif 3, au droit de l'entrefer 4 réside dans le fait que la surface de chaque extrémité 10 a ou 10 b de l'élément massif soit au moins égale à celle de la partie active de la sonde à effet Hall 5 Le fil 30 peut également posséder une section rectangulaire ou d'une autre forme appropriée. Le tore a un diamètre moyen compris entre 10 et mm, de préférence compris entre 30 et 50 mm pour un calibre de 200 à 1000 A et par exemple égal à 32 mm. L'entrefer 5 du tore a une largeur comprise entre 1,7 et 2,1 mm et par exemple de 1,9 mm. Le matériau magnétique est un alliage de fer et de nickel de composition pondérable suivante: Fer: 15 %, Nickel: 75 % à 82 %, Molybdène: 3 % à 7 %, Cuivre: 0 % à 5 %. De préférence, le matériau magnétique possède la composition suivante: Fer: 15 %, Nickel: 80 %, Molybdène: 5 %. Ce matériau magnétique doit posséder, après sa mise en forme et un éventuel traitement thermique, un champ coercitif inférieur ou égal à 10 m Oe afin de garantir une précision suffisante du capteur de courant 1, celle-ci étant comprise entre 0,1 et 1 % dans toute la gamme de mesure. La fabrication d'un tel noyau magnétique 3 se résume à l'élaboration du fil, à sa découpe, sa mise en forme pour réaliser le tore, son traitement thermique et l'opération d'enroulement du bobinage de flux nul 7 Il convient de noter que le fil 10 est préalablement recou- vert d'un vernis pour éviter le contact direct du fil du bobinage de flux nul 7 et du conducteur électrique primaire 2 avec le matériau magnétique. Le bobinage de flux nul 7 est constitué d'un fil de cuivre de diamètre compris entre 0,15 et 0,25 mm et par exemple égal à 0,2 mm enroulé autour du tore 3 de manière à former un nombre de spires par exemple égal à 2500. La longueur du fil est telle que la résistance ohmique totale est inférieure à 20 ohms. Ce bobinage 7 peut être enroulé directement sur le tore imprégné 3 sans que celui-ci nécessite un boîtier de protection. Ainsi, le nombre d'opérations pour la fabrication du noyau magnétique 3 est considérablement réduit par rapport aux techniques de l'art antérieur puisqu'il se résume à deux étapes et permet donc une mise en oeuvre aisée. Par ailleurs, la fabrication d'un tel capteur de courant continu occasionne une réduction de 50 à 75 % du coût suivant le calibre envisagé par rapport à un capteur de courant de l'art antérieur. Ce gain se répartit de façon sensiblement égale entre la matière première et les étapes de fabrication du capteur de courant. En outre, le traitement thermique du noyau magnétique 3 est effectué après la mise en forme du tore, ce qui procure à celui-ci les caractéristiques optimales, par exemple un champ coercitif minimal, qui ne seront pas altérées par une mise en forme ultérieure comme dans l'art antérieur. Dans le mode de réalisation décrit, l'intensité du courant à mesurer est comprise entre 200 et 400 A et par exemple de l'ordre de 300 A, la tension d'alimentation variant de 9 à 16 V. Selon l'art antérieur, un capteur de courant à effet Hall à flux nul 1 comme celui précédemment décrit, comprend un noyau magnétique en forme de tore constitué d'un empilage par exemple de dix rondelles d'un matériau magnétique identique au précédent d'épaisseur égale à 0,3 mm ou 0,35 mm et de largeur égale à 6 mm. Le tore a un diamètre moyen égal à 32 mm, le bobinage de flux nul possède un nombre de spires égal à 2000 réalisées dans un fil de diamètre égal à 0,15 mm. Ainsi, le noyau magnétique 3 selon l'invention, et par exemple constitué d'un fil 10, possède une tenue mécanique comparable à celle que procure l'empilage de rondelles et permet de minimiser le volume de matériau magnétique employé pour réaliser le noyau 3, conduisant ainsi à un allégement du capteur de courant ce qui est toujours un atout dans le domaine des transports. Par ailleurs, la longueur de la spire moyenne du bobinage de flux nul 7 a considérablement diminué par rapport au capteur de courant de l'art antérieur ce qui permet de réduire la résistance de ce bobinage 7 d'envi- ron 30 % et de simplifier le bloc électronique amplifica- teur associé au capteur de courant. L'invention permet de diminuer les capacités parasites dues au bobinage de flux nul 7 et donc d'aug- menter les fréquences de travail. L'invention permet également de réduire la tension d'alimentation du capteur de courant 1 pour une intensité de courant à mesurer, un volume de capteur et une tension U à pleine échelle aux bornes de la résis- tance de mesure donnés Ainsi, au lieu d'utiliser une alimentation 15 et + 15 V, il est également possible d'alimenter le capteur de courant en monotension, et par exemple avec une tension d'alimentation batterie de 12 V. Selon un deuxième mode de réalisation, le noyau magnétique 3 peut être constitué par un méplat 11 tel que représenté sur la figure 2. Ce méplat 11 a une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm par exemple égale à 1 mm, et a une longueur com- prise entre 1 et 5 mm et par exemple égale à 3 mm. Selon un troisième mode de réalisation illustré par les figures 3 et 4, l'élément massif 3 en matériau magnétique est une bande 12 refermée sur elle même de manière à former un tore et dont les extrémités 12 a et 12 b se faisant face ménagent entre elles un entrefer 4. La bande 12 a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm et une largeur comprise entre 2 et 5 mm, par exemple, la bande 12 a une épaisseur de 0, 5 mm et une largeur de 3 mm. Ces extrémités 12 a,12 b sont relevées à peu près à angle droit par rapport au reste de la bande 12 et tournées vers l'extérieur du tore (figure 3), offrant ainsi une plus grande surface de bande en regard de la partie active de la sonde à effet Hall 5 logée dans l'entrefer 4. Les extrémités 12 a et 12 b relevées ont une hauteur égale et sont parallèles entre elles. La largeur de ces extrémités 12 a et 12 b relevées est comprise entre 0,5 et 5 mm est par exemple égale à 3 mm. La hauteur de ces extrémités 12 a et 12 b relevées est comprise entre 0,5 et 5 mm est par exemple égale à 3 mm. Tel que représenté à la figure 5 selon un qua- trième mode de réalisation, le noyau magnétique 3 est composé de deux parties 3 a, 3 b, chacune ayant une forme de U dont les branches se font face et ménagent entre elles deux entrefers 4 destinés au logement de deux sondes à effet Hall 5. Chaque partie 3 a,3 b identique est formée par un fil 13, par exemple de section circulaire de diamètre égal à 3 mm. Le capteur de courant 1 selon l'invention s'ap- plique tout particulièrement aux véhicules automobiles et scooters électriques et permet de mesurer l'intensité de courants continus, alternatifs, continus et alternatifs superposés, impulsionnels jusqu'à des fréquences de quelques dizaines de k Hz, voire de quelques centaines de k Hz. Les modes de réalisation précédents ne sont en aucune manière limitatifs et l'on conçoit aisément que le noyau magnétique peut prendre des formes diverses autres que le tore ou le double U, l'élément massif constituant ledit noyau magnétique pouvant lui aussi revêtir des formes variées même non décrites. En outre, cette technologie peut parfaitement s'appliquer à tout autre domaine en conservant les avantages liés au faible coût de fabrication, à la faible consommation de courant électrique et à l'excellente précision dans la mesure de l'intensité du ou des cou- rants électriques. REVENDICATIONS 1 Capteur de courant à effet Hall à flux nul ( 1) destiné à mesurer l'intensité d'un courant électrique parcourant au moins un conducteur électrique ( 2), destiné à être utilisé en particulier dans les véhicules automo- biles et scooters électriques et comprenant: un noyau magnétique ( 3) de forme générale plane entourant ledit conducteur électrique ( 2), présentant au moins un entrefer ( 4) et comportant au moins un bobinage de flux nul ( 7) enroulé autour dudit noyau magnétique ( 3), ledit conducteur électrique pouvant être enroulé autour dudit noyau magnétique; une sonde à effet Hall ( 5) logée dans chaque entrefer ( 4), alimentée en courant continu et délivrant un signal de sortie; des moyens ( 6) de traitement dudit signal de sortie pour alimenter avec ledit signal traité une des extrémités ( 7 a) du bobinage de flux nul ( 7); une résistance ( 8) de mesure d'un courant dit de flux nul étant reliée à l'extrémité opposée ( 7 b) dudit bobinage de flux nul ( 7), caractérisé en ce que le noyau magnétique ( 3) est formé d'un élément massif en matériau magnétique. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau magnétique ( 3) a une forme de tore. 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tore a un diamètre moyen compris entre 10 et mm et de préférence compris entre 30 et 50 mm pour un calibre de 200 à l OOQA. 4 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrefer ( 4) du noyau magnétique ( 3) a une largeur comprise entre 1,7 et 2,1 mm. Capteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément massif est constitué par un fil ( 10). 6 Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fil ( 10) a une section circulaire. 7 Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fil ( 10) a un diamètre compris entre 1,5 et 10 mm et de préférence compris entre 2 et 4 mm. 8 Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément massif est un méplat ( 11). 9 Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le méplat ( 11) a une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm et une largeur comprise entre 1 et 5 mm. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément massif est constitué par une bande ( 12) dont les extrémités ( 12 a,12 b) ménagent entre elles l'entrefer ( 4) et sont relevées vers l'exté- rieur dudit élément massif de manière à faire face à la sonde à effet Hall ( 5). 11 Capteur selon la revendication 10, caracté- risé en ce que la bande ( 12) a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0, 5 mm et une largeur comprise entre 2 et mm. 12 Capteur selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les extrémités relevées ( 12 a, 12 b) de la bande ( 12) offrent une surface en regard de la sonde à effet Hall ( 5) dont la largeur est comprise entre 2 et 5 mm et dont la hauteur est comprise entre 0,5 et mm. 13 Capteur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le matériau magnétique est un alliage de fer et de nickel. 14 Capteur selon la revendication 13, caracté- risé en ce que l'alliage possède la composition pondérale suivante: Fer 15 %, Nickel: 75 % à 82 %, Molybdène: 3 % à 7 %, Cuivre 0 % à 5 %. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau magnétique possède, après sa mise en forme et un éventuel traitement thermique, un champ coercitif inférieur ou égal à 10 m Oe.