Brevet FR2984513A1 — publié le 20130621

- 1 - " Capteur de courant par mesure du champ magnétique interne au conducteur." La présente invention concerne un nouveau dispositif de mesure isolée d'un courant électrique dans un conducteur par l'intermédiaire de la mesure d'une partie du champ magnétique généré par ledit courant. Parmi les dispositifs existants capables de mesurer les courants sans contact le plus connu est le transformateur. Son désavantage principal est qu'il fonctionne uniquement en courant alternatif. Un autre dispositif connu est la bobine Rogowski qui présente le même désavantage que le transformateur. Un autre dispositif connu, capable de mesurer un courant alternatif AC et continu DC, est le capteur de courant à effet Hall utilisant un circuit magnétique pour concentrer le champ magnétique du courant à mesurer sur une cellule Hall. Pour obtenir des grandes précisions, de tels capteurs de courant utilisent une bobine de contre-réaction et un contrôleur qui renvoie le courant de contre-réaction nécessaire pour maintenir un champ magnétique nul sur la cellule Hall. Un autre dispositif connu, appelé « Flux-Gate » se base sur la saturation de matériaux magnétiques sensibles et souffre du même inconvénient que ceux à effet Hall. Un autre dispositif, capable de mesurer un courant alternatif AC et continu DC, est celui présenté dans le brevet FR2931945B1, utilise la non- linéarité magnétique des matières souples à faible perméabilité magnétique, ou de matières souples super-paramagnétiques, pour mesurer la circulation du champ magnétique autour d'un conducteur primaire où circule le courant à mesurer. Tous ces capteurs de courant qui se base sur la circulation magnétique autour d'une barre de courant primaire ont potentiellement un problème sur la bobine de contre-réaction. Elle doit être capable de contrebalancer le champ de la barre primaire. Quand l'intensité à mesurer est grande, la bobine de contre réaction demande trop de puissance, ce qui implique une grande quantité de cuivre, donc un encombrement non négligeable voire pénalisant. Un autre effet indésirable est l'inductance de cette bobine de contre réaction qui doit être de grande taille dans le cas de forts courants à - 2 - mesurer, ce qui devient donc facteur de limitation pour la rapidité du capteur de courant. La présente invention a pour but un nouveau capteur peu encombrant, en particulier pour la mesure de courants forts. Un autre but de l'invention est de permettre un fonctionnement rapide de mesure de courants forts. On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un capteur de courant par mesure du champ magnétique créé par le courant à mesurer circulant dans un conducteur. Selon l'invention, ce capteur comprend un dispositif de mesure de champ magnétique positionné à l'intérieur du conducteur de sorte que la circulation magnétique, conformément à la loi d'Ampère, le long de la majorité des lignes de champ magnétique qui participent à son fonctionnement, est inférieure à celle générée par le courant total à mesurer. Les lignes de champ magnétique qui participent au fonctionnement du dispositif de mesure constituent un sous ensemble des lignes de champ totales générées par le courant à mesurer. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de mesure est un capteur de circulation de champ constitué d'au moins une bobine enroulée autour d'un noyau comprenant des matières souples à faible perméabilité magnétique ou des matières souples super-paramagnétiques. Un tel noyau est notamment décrit dans le document FR2931945B1 auquel la présente invention fait explicitement référence. Avantageusement, le dispositif de mesure de champ magnétique est une boucle, de forme circulaire, carrée, rectangulaire ou autre, arrangée dans un canal réalisé à l'intérieur du conducteur. La présente invention résout le problème de dimensionnement de la bobine de contre réaction par le positionnement de la structure de détection de champ magnétique, inclusivement la dite bobine de contre-réaction, à l'intérieur des barres de courant. Dans le cas de ce capteur de courant mesurant la circulation magnétique sur une boucle fermée, en plaçant cette boucle à l'intérieur de la barre de courant à mesurer (barre primaire, aussi nommée conducteur) et en choisissant son trajet on choisit la grandeur de la circulation. A l'extérieur, la - 3 - circulation, dictée par la loi d'Ampère, est égale au courant de la barre primaire. A l'intérieur, conformément à la présente invention, la circulation sur une boucle est égale à seulement une fraction de ce courant, correspondant à la partie de courant circonscrite par la boucle de notre choix. L'avantage est similaire à la mesure d'une grande tension à l'aide d'un diviseur de tension, ou la mesure d'un grand courant à l'aide d'un diviseur de courant. Conformément à la présente invention une boucle interne à la barre, divise le courant dans la barre en deux parties : un courant qui passe à travers la surface encerclée par la boucle et un courant qui passe à travers la section externe à la boucle. Toujours la loi d'Ampère nous indique que seulement le courant dans la surface encerclé compte pour la circulation le long de la dite boucle. Donc, en positionnant la boucle de mesure à l'intérieur de la barre primaire nous avons la possibilité de choisir la taille de la surface de la boucle de mesure et ainsi réduire convenablement le niveau de champ à mesurer. Il faut observer que le ratio surface courant dans la boucle de mesure versus courant total dans la barre primaire est un facteur géométrique facilement métrisable. Selon un mode de réalisation de l'invention, le canal est une boucle entourant l'axe central du conducteur. Selon un autre mode de réalisation, ce canal peut être une boucle hors axe central du conducteur. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention pour des mesures ne faisant pas intervenir la circulation de champ magnétique notamment, le dispositif de mesure de champ magnétique est un élément linéaire inséré dans des canaux longitudinaux réalisés dans le conducteur. On peut également envisager que ce dispositif de mesure de champ magnétique soit un élément linéaire inséré dans des rainures réalisées sur deux faces latérales opposées du conducteur. Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes et variantes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres et avec des modes de réalisation décrits dans le document FR2931945B1 selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. - 4 - D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 est une vue schématique en section d'un capteur en forme de boucle inséré à l'intérieur d'un conducteur selon l'invention ; La figure 2 est une vue schématique en perspective d'un conducteur dans lequel des trous ou canaux ont été réalisés pour permettre l'insertion de capteur de forme linéaire selon l'invention ; et La figure 3 est une vue schématique en coupe du conducteur illustrant un dispositif de mesure de champ magnétique positionné à l'endroit où les lignes de champs sont droites. Un premier exemple de réalisation de la présente invention est illustré sur la figure 1 qui est une vue en section. Un dispositif 2 qui mesure la circulation de champ magnétique sur un cercle (qui contient par exemple des bobines toroïdales, avec ou sans cellules Hall) est positionné à l'intérieur d'une barre primaire section ronde formée par l'ensemble des sections la et lb. On comprend donc que le champ magnétique à saisir est déterminé seulement par le courant circulant dans la couronne lb intérieure au tore et non pas par la totalité du courant dont la majeure partie circule à travers la section la externe au tore. Intentionnellement, la section qui est parcourue par la fraction de courant mesuré est dessinée creuse, comme un tube pour souligner la facilité à réduire le courant à saisir et donc on pourrait travailler avec de faibles champs. En effet, cette structure est spécifique au voisinage du dispositif 2 car plus loin la barre primaire peut être simplement pleine. A la surface de la barre primaire, le champ magnétique est maximal mais au fur et à mesure qu'on se déplace vers l'intérieur, ce champ diminue pour atteindre zéro au centre. Dans le cas des dispositifs à structures non bouclées, ouvertes (c'est-à-dire qui ne saisissent pas la circulation magnétique sur toute une boucle, comme c'est le cas des bobines linéaires), il suffit de positionner ledit dispositif suffisamment proche du centre de la barre primaire. Un deuxième exemple de réalisation de la présente invention concerne une barre primaire de la forme illustrée sur la figure 2. Au milieu de la barre ou conducteur 3 on voit quatre trous 4 qui reçoivent des dispositifs (des bobines, cellule hall, etc.) de géométrie linéaire pour saisir le champ - 5 - magnétique à l'intérieur de la barre. Cette barre 3 peut-être fabriquée à partir d'une barre de section rectangulaire sur laquelle on creuse des canaux longitudinaux ou bien des rainures sur deux faces latérales opposées. Ce profil est destiné à étirer les lignes de champ magnétique sur un certain axe à l'intérieur de la barre 3 tel qu'illustrées sur la figure 3. Sur cette dernière figure on voit un rectangle hachuré 5, représentant un dispositif de mesure de champ magnétique, positionné à l'endroit où les lignes de champs sont droites. Les deux exemples cités sont non limitatifs en ce qui concerne les profils utilisables pour mesurer le champ magnétique interne à la barre primaire : des tubes, des sections pleines percées, des plaques voisines prenant en sandwich les dispositifs de mesure, etc...peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. Le sens du terme « circulation magnétique » est celui de la loi d'Ampère : H-d = où r. est l'intégrale au long d'une courbe fermée C; H est le champs magnétique F en Ampère par mètre; - est le produit scalaire de deux vecteurs ; df est un élément infinitésimal de la courbe (un vecteur avec le module égal à la longueur de l'élément infinitésimal de courbe et la direction donnée par la tangente à la courbe); If,enc est le courant net pénétrant une surface assise sur la courbe C; Toutes les lignes de champ magnétique externes à la barre primaire ont la même circulation de H - égale au courant dans la barre. Au contraire les lignes magnétiques internes à la barre ont une circulation de champ H moindre : c'est ce qui fait la différence entre intérieur et extérieur. Donc pour les dispositifs qui saisissent la circulation sur une boucle fermée, on les considère comme des dispositifs internes ou externes à la barre primaire en fonction de l'intégrale d'Ampère sur leurs boucles. Pour les dispositifs qui n'utilisent pas une boucle fermée, le raisonnement est similaire : on poursuit les lignes de champs qu'ils utilisent sur toute leur longueur entière (même si elles ne sont pas utilisées sur toute - fi- leur longueur) et on tire la conclusion sur le caractère interne ou externe de ladite ligne de champ. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être 5 décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Capteur de courant par mesure du champ magnétique créé par le courant à mesurer circulant dans un conducteur (1a,1b), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (2) de mesure de champ magnétique positionné à l'intérieur du conducteur (1a,lb) de sorte que la circulation magnétique, conformément à la loi d'Ampère, le long de la majorité des lignes de champ magnétique qui participent à son fonctionnement, est inférieure à celle générée par le courant total à mesurer. 2. Capteur de courant selon la revendication 1 dont le dispositif (2) de mesure est un capteur de circulation de champ constitué d'au moins une bobine enroulée autour d'un noyau comprenant des matières souples à faible perméabilité magnétique ou des matières souples super- paramagnétiques. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif (2) de mesure de champ magnétique est une boucle (circulaire, carrée, rectangulaire) arrangée dans un canal réalisé à l'intérieur du conducteur. 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le canal est une boucle entourant l'axe central du conducteur. 5. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le canal est une 25 boucle hors axe central du conducteur. 6. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de champ magnétique est un élément linéaire inséré dans des canaux (4) longitudinaux réalisés dans le conducteur. 30 7. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (2) de mesure de champ magnétique est un élément linéaire inséré dans des rainures réalisées sur deux faces latérales opposées du conducteur.