Brevet FR2982409A1 — publié le 20130510

PROCEDE DE FABRICATION D'UN TORE MAGNETIQUE POUR CAPTEUR DE COURANT CONTINU, ET TORE REALISE SELON CE PROCEDE. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'au moins un tore magnétique pour capteur de courant continu, ainsi qu'un tore magnétique obtenu selon ce procédé. On connaît une méthode de détection d'un courant continu destinée à être utilisée dans des disjoncteurs différentiels et utilisant le principe dit « fluxgate ». 10 Ce principe consiste de manière connue en soi, à exciter à saturation un tore magnétique doux par un courant alternatif (signal triangulaire, sinusoïdale, rectangulaire ou impulsionnel). En l'absence de courant primaire correspondant à un signal de défaut, le tore est saturé périodiquement et symétriquement dans les sens positif et négatif. Le passage d'un courant continu au primaire créé un 15 champ magnétique continu et modifie ainsi la symétrie temporaire de saturation dans le tore. Cette dissymétrie temporaire est proportionnelle au courant primaire continu à mesurer. On distingue généralement deux manières de détection, à savoir la méthode du rapport cyclique qui consiste en une exploitation directe du signal temporaire, ou une seconde méthode dite harmonique consistant à 20 exploiter le spectre fréquentiel. L'un des inconvénients de ce principe « Fluxgate » se trouve dans sa consommation électrique relativement importante. L'excitation à saturation du tore magnétique représente la plus grande partie de la consommation électrique du circuit électronique. La puissance électrique 25 nécessaire pour saturer le tore dépend de trois choses, à savoir la nuance du matériau magnétique, la fréquence d'excitation, et la géométrie du matériau, plus particulièrement le produit de la section du tore par sa longueur moyenne. Aujourd'hui, on doit utiliser un matériau magnétique à très faible champ coercitif, à très forte perméabilité et à faible pertes par courant induit. On utilise donc 30 avantageusement des matériaux nanocristallins. Or, actuellement, les tores en ruban enroulé nanocristallin représentent une limite industrielle concernant les dimensions de la bande, la largeur de bande devant être supérieure à 5 mm, et l'épaisseur de la bande enroulée devant être supérieure à 1,5mm, avec des coefficients de foisonnement de 0,8, la section minimale utile réalisable étant d'environ 6mm2. La présente invention résout ce problème et propose un procédé de fabrication d'un tore magnétique, ainsi qu'un tore réalisé selon ce procédé, lesquels permettent l'obtention d'un tore présentant une consommation électrique réduite lorsqu'il est utilisé pour la détection d'un courant continu selon le principe Fluxgate. 10 A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'au moins un tore magnétique pour capteur de courant continu, ce procédé étant caractérisé en ce que ledit tore est réalisé par juxtaposition de plusieurs couches constituées chacune par une bande constituée d'un film réalisé en un matériau magnétique, puis fixation desdites couches juxtaposées les unes aux autres de 15 manière à réaliser une bande, puis réalisation du tore à partir de la bande, la section du tore étant dépendante du nombre de couches juxtaposées. Selon une caractéristique particulière, le matériau magnétique est un matériau magnétique doux en forme de ruban. 20 Avantageusement, le matériau magnétique est un matériau nanocristallin ou amorphe. Avantageusement, le matériau magnétique est un matériau nanocristallin ou 25 amorphe à cycle rectangulaire, rond ou couché. Selon une réalisation particulière, le tore précité est formé par l'empilage de plusieurs couches réalisées chacune par une bande de matériau magnétique, puis fixation de ces couches les unes aux autres de manière à former une bande 30 rigide, puis découpe de ladite bande de manière à former au moins une rondelle formant un tore, cette rondelle présentant un diamètre intérieure, un diamètre extérieur et une épaisseur, cette épaisseur mesurée parallèlement à l'axe du tore, étant dépendante du nombre de couches empilées. Selon la (les) rondelle(s) précitée(s) est (sont) ensuite recuite(s) afin de restaurer ses caractéristiques magnétiques. Selon une caractéristique particulière, la rondelle est formée par poinçonnage. Selon une autre réalisation, ledit tore est réalisé par enroulement d'au moins une bande sous forme de film de manière à former plusieurs couches juxtaposées, lesdites couches étant ensuite fixées l'une à l'autre, l'épaisseur du tore correspondant à la différence entre le diamètre intérieur du tore et le diamètre extérieur du tore, étant dépendante du nombre de couches juxtaposées. Selon une caractéristique particulière, une bande réalisée en un matériau amagnétique souple est interposée entre deux bandes de matériau magnétiques d'au moins une paire de deux bandes de matériau magnétique juxtaposées, de 15 manière à augmenter le foisonnement de la bande constituée. Selon une autre caractéristique, cette bande amagnétique est réalisée au moins en partie en un matériau adhésif. 20 Selon une autre caractéristique, les bandes superposées précitées sont fixées les unes aux autres par collage. La présente invention a encore pour objet un tore magnétique pour capteur de courant continu, ce tore étant caractérisé en ce qu'il est réalisé selon un procédé 25 comportant les caractéristiques précédemment mentionnées prises seules ou en combinaison. Selon une autre caractéristique, ce tore comporte dix couches constituées chacune d'un matériau nanocristallin, lesdites couches présentant chacune une 30 épaisseur de sensiblement 20pm, la section du tore étant de sensiblement 0,3mm2. La présente invention a encore pour objet un disjoncteur différentiel comportant un tore comportant les caractéristiques concernant le tore précédemment mentionnées prises seules ou en combinaison. Mais d'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels : -La figure 1 est une courbe représentant l'intensité du courant d'excitation dans le 10 circuit secondaire du tore en fonction du temps, en l'absence de courant de défaut, -La figure 2 illustre le champ magnétique crée autour du tore par le passage du courant alternatif d'excitation, 15 -La figure 3 représente la tension générée par ce signal aux bornes de la bobine secondaire du tore, -La figure 4 est une représentation des Ampères-tours du courant, vus par le tore, 20 lors de la présence d'un courant continu de défaut dans le circuit primaire du tore, -La figure 5 est une représentation du champs magnétique crée lors de la présence de ce courant de défaut, 25 -La figure 6 est une représentation de la tension aux bornes du circuit secondaire du tore, -La figure 7 est une courbe représentant l'angle correspondant à la dissymétrie temporaire de saturation dans le tore, en fonction du courant de défaut continu 30 dans le circuit primaire, -La figure 8 est une vue partielle illustrant de côté, le tore et le passage du courant dans le circuit secondaire du tore, 2 9 82 409 5 -La figure 9 est une vue en perspective du tore, -La figure 10 est une vue partielle en coupe, illustrant la section du tore dans un 5 plan de coupe passant par l'axe du tore, -La figure 11 est une vue de dessus, illustrant une bande rigide réalisée selon l'invention avant découpage destinée à former plusieurs rondelles, -La figure 12 est une vue en coupe transversale de la bande de la figure précédente, illustrant la superposition des différentes couches selon une réalisation particulière de l'invention, -La figure 13 est une vue en coupe identique à la figure 12, selon une autre réalisation du procédé selon l'invention, et -La figure 14 est une vue en coupe suivant un plan perpendiculaire à l'axe du tore, d'un tore réalisé selon une autre réalisation du procédé selon l'invention, Sur les figures 1 à 7, a été expliqué le principe du « fluxgate » utilisé pour réaliser la détection d'un courant de défaut continu dans un disjoncteur différentiel, de manière connue en soi. Ce principe consiste à exciter à saturation un tore magnétique doux 1 par un courant alternatif pouvant prendre différentes formes à savoir par exemple un signal triangulaire tel qu'illustré sur la figure 1, ou bien un signal sinusoïdale, rectangulaire, ou sous forme d'impulsions. En l'absence de courant de défaut dans le circuit à protéger, il n'y a pas de courant dans le circuit primaire du tore, et le tore est saturé périodiquement et symétriquement dans les sens positif et négatif, tel que ceci est illustré par la figure 3, qui illustre la tension aux bornes du secondaire du tore. On voit en effet que les valeurs t1 et t2 représentent chacun la moitié de la valeur totale de la période de la tension. De même sur la figure 2, on observe une certaine symétrie du champ électrique par rapport au centre représentant le point d'intersection des deux axes. Lors de l'apparition d'un courant de défaut I dans le circuit électrique à protéger, il y a création d'un courant continu dans le circuit primaire du tore, ce qui entraîne la création d'un champ magnétique continu au niveau du tore, tel que ceci est illustré sur la figure 5 qui montre le décalage vers la droite de la courbe. Ce champ supplémentaire modifie la symétrie temporaire de saturation dans le tore. Cette dissymétrie est également observable sur la figure 6 illustrant la tension aux bornes du secondaire du tore, par le fait que la valeur t1 est plus élevée que la valeur t2, la somme de ces deux valeurs restant égale à T. Cette dissymétrie temporaire a est proportionnelle au courant primaire continu à mesurer, comme illustré sur la figure 7 et correspond au quotient t1/T. L'un des inconvénients de ce principe du « fluxgate » tient, comme ceci a déjà été expliqué précédemment, dans la consommation électrique excessive, de son circuit électronique. La puissance électrique nécessaire pour saturer le tore dépend en particulier de la géométrie du tore, c'est-à-dire du produit de la section S du tore par sa longueur moyenne L, tel qu'illustré sur la figure 8. Cette longueur moyenne du tore étant fixée par le diamètre des conducteurs primaires, seule la diminution de la section S du tore illustrée également sur les figures 9 et 10, permet de réduire la consommation en puissance électrique. Cette section S est située dans un plan passant par l'axe X du tore 1, et est définie par le produit de son épaisseur d par sa largeur I. L'épaisseur d du tore 1 est mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe X du tore, comme étant la distance entre la surface extérieure (a) du tore 1 et la surface intérieure (b) du tore. L'objectif de l'invention est donc de réduire la section utile du tore et donc la puissance électrique nécessaire pour exciter le tore. Selon une première réalisation de l'invention illustrée sur les figures 11 et 12, le tore est réalisé par superposition de plusieurs bandes de matériau nanocristallin 2 sous forme de film (nano-film) de manière à réaliser un empilage de plusieurs bandes 2a,2b,2c,2d les unes sur les autres, et collées les unes sur les autres de manière à former une bande rigide B. Cette bande rigide est ensuite découpée par poinçonnage, de manière à former plusieurs rondelles 4 formant autant de tores, de largeur I et d'épaisseur d, ces rondelles présentant des découpes nettes. Les rondelles obtenues sont ensuite recuites afin de restaurer leurs caractéristiques magnétiques. L'avantage de cette solution est d'obtenir un contrôle de la section des rondelles par un choix approprié du nombre de couches 2a,2b,2c,2d. Cette solution permet à la fois une réduction de la puissance de l'alimentation électrique nécessaire pour saturer le tore, et une réduction du volume du tore, ce qui permet une miniaturisation du capteur. Par exemple, lorsque le tore comporte dix couches de 20pm chacune, l'on peut facilement obtenir des sections de tore S de 0,3 mm2. Ce qui permet de réduire la puissance d'un facteur de 20 par rapport aux solutions actuelles. Selon une autre réalisation illustrée sur les figures 13 et 14, ce tore est constitué par superposition de deux bandes 2,3 sous forme de film, dont l'une 2 est réalisée dans un matériau nanocristallin, alors que la seconde 3 est une bande amagnétique comportant un matériau adhésif par exemple, et ensuite par enroulement en même temps de ces deux bandes 2,3, de manière à former un tore bi-matière 1 composé d'un certain nombre de bandes 2a,3a,2b,3b,2c,3c superposées. Ceci permet d'augmenter le foisonnement de la bande, et de réaliser ainsi des tores 1 enroulés comportant des sections utiles réduites. L'invention propose donc un procédé de réalisation d'un tore destiné à être utilisé avantageusement mais pas exclusivement pour la détection des courants de défaut dans un disjoncteur différentiel, ce procédé permettant de réduire la consommation du tore pour réaliser sa saturation, et de réduire le volume du capteur comportant un tore fabriqué selon ce procédé. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que le matériau magnétique pourra être tout matériau magnétique à très faible champ coercitif, à très forte perméabilité et à faible pertes par courant induit. De même, l'obtention des tores selon la réalisation illustrée sur les figures 11 et 12, pourra être réalisée par simple poinçonnage, ou bien par divers procédés protégeant les caractéristiques magnétiques (électroérosion, jet d'eau, laser ) Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont réalisées suivant son esprit. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'au moins un tore magnétique pour capteur de courant continu, caractérisé en ce que ledit tore (1) est réalisé par juxtaposition de plusieurs couches (2a,2b,2c,2d) constituées chacune par une bande constituée d'un film réalisé en un matériau magnétique, puis fixation desdites couches juxtaposées les unes aux autres de manière à réaliser une bande, puis réalisation du tore à partir de la bande, la section S du tore (1) étant dépendante du nombre de couches juxtaposées. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau magnétique est un matériau magnétique doux en forme de ruban. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau magnétique est un matériau nanocristallin ou amorphe. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau magnétique est un matériau nanocristallin ou amorphe à cycle rectangulaire rond ou couché. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tore précité (1) est formé par l'empilage de plusieurs couches (2) réalisées chacune par une bande de matériau magnétique, puis fixation de ces couches les unes aux autres de manière à former une bande rigide 25 B, puis découpe de ladite bande de manière à former au moins une rondelle (4), ladite rondelle (4) formant un tore (1), cette rondelle présentant un diamètre intérieure, un diamètre extérieur et une épaisseur (d), cette épaisseur (d) mesurée parallèlement à l'axe du tore, étant dépendante du nombre de couches empilées. 30 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que la(les) rondelle(s) (4) est (sont) ensuite recuite(s) afin de restaurer leurs caractéristiques magnétiques. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la (les) rondelle(s) (4) est (sont) formée(s) par poinçonnage. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tore (1) est réalisé par enroulement d'au moins une bande (2,3) sous forme de film de manière à former plusieurs couches juxtaposées, lesdites couches étant ensuite fixées l'une à l'autre, l'épaisseur du tore (1) correspondant à la différence entre le diamètre intérieur du tore et le diamètre extérieur du tore, étant dépendante du nombre de couches juxtaposées. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une bande (3a,3b,3c) réalisée en un matériau amagnétique souple est interposée entre deux bandes (2a' 2b,2c) de matériau magnétiques d'au moins une paire de deux bandes de matériau magnétiques juxtaposées, de manière à augmenter le foisonnement de la bande constituée. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que cette bande amagnétique (3) est réalisée au moins en partie en un matériau adhésif. 11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bandes superposées précitées (2,3) sont fixées les unes aux autres par collage. 12. Tore magnétique pour capteur de courant continu, caractérisé en ce qu'il est réalisé selon un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13. Tore magnétique selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte dix couches (2) constituées chacune d'un matériau nanocristallin, 30 lesdites couches présentant chacune une épaisseur de sensiblement 20pm, la section du tore étant de sensiblement 0,3mm2. 14. Disjoncteur différentiel comportant un tore selon la revendication 12 ou 13.