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 document US8076931, qui 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 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 constitué par au moins une bobine enroulée autour d'un noyau comprenant des matières à faible perméabilité magnétique ou des matières super- paramagnétiques. Un tel noyau est notamment décrit dans le document US8076931 (également publié sous le numéro FR2891917) 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 un mode de réalisation, le capteur de courant selon l'invention 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 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.

Un élément linéaire est notamment un élément allongé rigide et droit, ne réalisant donc pas une boucle. Cet élément est avantageusement disposé dans un canal linéaire de préférence de façon colinéaire aux lignes de champ magnétique engendrées par un courant traversant le conducteur. La taille de l'élément linéaire peut être déterminée de sorte qu'il est traversé par des lignes de champ magnétique sur toute sa longueur. Lorsqu'il y a plusieurs éléments linéaires, on peut en disposer de part et d'autre de l'axe du conducteur de façon notamment à réaliser des mesures différentielles et améliorer l'immunité contre des champs magnétiques perturbateurs.

Cet élément linéaire peut être une bobine enroulée autour d'un noyau rigide de forme cylindrique. Avantageusement, la forme cylindrique est une forme de l'un des cylindres suivants :

- cylindre de révolution,

- cylindre à base rectangulaire ou carré, ou

- cylindre à base triangulaire ou prisme.

Avec un capteur linéaire, on ne saisit qu'une partie de la ligne de champ magnétique, alors qu'avec un capteur à circulation de champ souple et en boucle, la forme et la structure sont conditionnées par le respect d'un principe d'interprétation du théorème d'Ampère qui préconise de réaliser la mesure en intégrant le champ magnétique le long d'une courbe fermée, c'est le principe de la circulation de champ magnétique. C'est sur la base de ce principe qu'ont été élaborée la plupart des capteurs de l'art antérieur, à savoir un capteur de forme circulaire autour du conducteur. Le capteur linéaire capte uniquement une partie de la ligne de champ magnétique au moyen, par exemple d'une bobine autour d'un noyau en forme de cylindre. Par cylindre, on entend un solide (rigide), tel un cylindre de révolution (base circulaire), un parallélépipède, un cube,... Les inventeurs ont démontré qu'un tel composant, avantageusement superparamagnétique, placé sur une ligne de champ magnétique à l'intérieur d'un conducteur véhiculant le courant à mesurer, permet de mesurer efficacement le courant. L'avantage est un encombrement réduit par rapport aux dispositifs de l'art antérieur où il était nécessaire d'entourer complètement le conducteur. Un capteur de l'art antérieur nécessite :

une longueur suffisamment grande pour pouvoir faire le tour externe du conducteur,

un mécanisme parfois complexe pour raccorder les deux extrémités de façon à réaliser une boucle fermée selon le préjugé de courbe fermée de la loi d'Ampère, et

un noyau souple pour pouvoir entourer le conducteur.

Au contraire, le dispositif selon la présente invention est de taille plus réduite que le capteur de l'art antérieur puisqu'il est rectiligne, donc ne fait pas le tour du conducteur. Sa mise en œuvre est simple puisqu'on le place à l'intérieur du conducteur sur une ligne de champ pour être sensible au champ magnétique. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif de mesure peut comprendre un pont constitué de deux ensembles connectés entre eux, chaque ensemble comprenant au moins une bobine enroulée autour d'un noyau rectiligne contenant des matières à faible perméabilité magnétique ou des matières superparamagnétiques. On réalise ainsi un pont électromagnétique ayant pour sortie le point de connexion entre les deux ensembles.

On peut également envisager un autre pont constitué de quatre ensembles répartis en deux paires parallèles, chaque paire comprenant deux ensembles en série :

- un ensemble comprenant au moins une bobine enroulée autour d'un noyau rectiligne contenant des matières à faible perméabilité magnétique ou des matières superparamagnétiques, et

- un ensemble comprenant au moins une bobine enroulée autour d'un noyau rectiligne non sensible au champ magnétique. On réalise ainsi une mesure différentielle à partir de deux sorties : une à chaque point de connexion entre deux ensembles.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif de mesure est généralement constitué par au moins une bobine d'excitation et une bobine de contre-réaction enroulées autour d'un noyau. Et lorsqu'il y a plusieurs noyaux (avec notamment leur bobine d'excitation associée), les bobines de contre-réaction peuvent être reliées en série.

Selon un mode de réalisation de l'invention, un évidement est réalisé sur au moins une face du conducteur afin d'améliorer le taux de champ magnétique capté par le dispositif de mesure. Cet évidement permet de confiner les lignes de champ, de les rendre rectilignes dans l'épaisseur du conducteur où est disposé le dispositif de mesure (bobines-noyau). Idéalement, les noyaux sont colinéaires aux lignes de champ. Avantageusement, le conducteur peut être une barre amovible à insérer en série dans un conducteur fixe. Le capteur peut ainsi comprendre un morceau de conducteur dans lequel est inséré le dispositif de mesure, le rapport de transformation magnétique entre ce morceau de conducteur et le dispositif de mesure étant prédéterminé. Pour réaliser une mesure sur un conducteur sur site, on dispose ce morceau de conducteur en série avec le conducteur sur site.

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 US8076931 selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres ; en particulier sur la matière composant le noyau superparamagnétique et sur la technique de mesure utilisant une bobine de contre réaction.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre 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 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. Plus précisément, la barre 3 comporte un évidement 6 réalisé sur deux faces latérales opposées de façon à constituer un profil en forme de « H ». Ce profil est destiné à étirer les lignes de champ magnétique sur un certain axe à l'intérieur de la barre 3 telles 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. Ce dispositif de mesure peut également être disposé affleurant à la surface de la barre.

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 : OÙ

$ est l'intégrale au long d'une courbe fermée C;

H est le champ magnétique F en Ampère par mètre;

■ est le produit scalaire de deux vecteurs ;

di 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 leur longueur) et on tire la conclusion sur le caractère interne ou externe de ladite ligne de champ.

La figure 4 représente un exemple de schéma bloc du capteur de courant conformément à la présente invention. Un jeu de bobines 45, positionné à l'intérieur d'une barre 46 parcourue par le courant à mesurer I, reçoit un courant d'excitation 40 de la part d'un contrôleur 41. Il y a une interaction notable entre le champ magnétique du courant à mesurer I et le champ magnétique du courant d'excitation 40 dans les noyaux des bobines formant le jeu de bobines 45. Le courant d'excitation a une fréquence élevée par rapport à la fréquence maximale du courant à mesurer et son spectre de fréquences ne présente pas des harmoniques paires. Par interaction entre le champ magnétique du courant à mesurer I et le champ magnétique du courant d'excitation 40 dans les noyaux des bobines formant le jeu de bobines 45, des harmoniques paires naissent portant l'information 44 sur la polarité et la grandeur du courant primaire I. Cette information est transmise au contrôleur 41 qui renvoie un courant de contre-réaction 42 au jeu de bobines 45 de telle manière à minimiser les harmoniques paires générées dans le jeu de bobines 45 ou en d'autres termes annuler l'effet du champ magnétique du courant primaire. La valeur du courant de contre réaction représente le courant primaire jusqu'à un facteur de proportionnalité fixe qui est fonction de la construction du jeu de bobines 45 et peut être livré directement comme résultat de la mesure 43 ou un post-traitement appliqué en fonction des besoins.

Sur la figure 5 est illustré un exemple de réalisation du jeu de bobines 45 sous forme d'un pont 50. Les éléments de la figure 5 sont représentés de façon très schématique. En particulier le mode de bobinage des bobines n'est nullement limitatif.

On distingue deux noyaux 51 et 52 réalisés dans une matière choisie en fonction des contraintes sur l'utilisation du capteur de courant. A titre d'exemple : on choisira une matière à grande perméabilité relative et faible champ de saturation pour des mesures de faibles courants sans perturbation magnétiques externes et on choisira une matière à faible perméabilité mais grand champ de saturation pour le cas où les perturbations magnétiques externes sont importantes. De préférence, on choisira une matière superparamagnétique.

Chaque noyau 51,52 est entouré d'une bobine 53, 54. Les deux bobines sont reliées en un point de connexion 55 utilisé comme sortie pour véhiculer le signal 44 vers le contrôleur 41.

Le noyau 51 est excité par un champ magnétique alternatif créé à l'aide de sa bobine qui reçoit un courant d'excitation, de haute fréquence, par exemple 100kHz pour une fréquence maximale de 10kHz du courant à mesurer, de la part du contrôleur (bloc électronique). Comme forme d'onde, on peut utiliser un courant sinusoïdal, triangulaire, trapézoïdal, carré, etc. ou toute autre forme d'onde à condition que les semi-alternances du courant d'excitation soient symétriques, ce qui revient à dire que les amplitudes des harmoniques paires sont nulles. Supposant que le courant primaire I reste nul et étant donné la symétrie de la caractéristique B(H) de la matière du noyau, l'effet de la non linéarité de cette même caractéristique B(H) est une distorsion temporelle de l'induction B symétrique par rapport aux deux semi- alternances, c'est à dire une redistribution spectrale de la puissance d'excitation tout en respectant la règle des harmoniques paires nulles. Quand le courant primaire I n'est pas nul, la superposition des deux champs, celui du courant d'excitation et celui du courant primaire crée une distorsion asymétrique de l'induction magnétique B dans le noyau, donc les harmoniques d'ordre 2, 4, 6, etc...apparaissent dans son spectre. La variation temporelle de l'induction B dans la bobine 53 induit une tension électromotrice à la fréquence d'excitation et ses harmoniques impaires en absence du courant primaire I. Quand le courant primaire est présent, dans le spectre de la tension induite, on retrouve des harmoniques paires.

Le contrôleur 41, par l'interprétation de la phase de la tension induite dans la bobine 53 trouve la polarité du champ magnétique ajoutée par le primaire, donc la polarité du courant primaire. Par l'interprétation de l'amplitude des harmoniques paires (par exemple l'harmonique 2), le contrôleur trouve aussi la grandeur du courant primaire mais cette information reste approximative car elle inclut les distorsions générées par la matière du noyau. Pour réaliser une mesure précise, le contrôleur renvoie un courant de contre réaction dans la bobine 53 d'une valeur telle que la génération d'harmonique paires provoquée par le courant primaire soit annulée. Ainsi le noyau travail dans une condition de champ magnétique, autre que l'excitation, quasi nul.

Du récit précédent, il en résulte que la bobine 53 joue un triple rôle : excitation, mesure harmoniques paires et contre-réaction. Pour des raisons d'optimisation, il est raisonnable de créer plusieurs enroulements sur le même noyau complètement superposés. Ainsi on pourrait avoir des fils de bobinage adaptés aux contraintes d'utilisation du capteur de courant et à diverses contraintes technologiques. On peut considérer un enroulement à fils très fin et beaucoup de spires pour la mesure des harmoniques, un enroulement à fil de moyenne épaisseur pour l'excitation et un bobinage à fil plus épais pour la contre-réaction. En combinant ou pas les trois fonctions on peut donc utiliser un deux ou trois enroulements sur le noyau 51. Sur les figures 5 et 6, par simplification des dessins, seul un enroulement est représenté.

Le terme «harmoniques paires » ne signifie pas l'obligation d'utiliser plusieurs harmoniques paires à la fois. Dans le cas d'utilisation d'une excitation sinusoïdale, il suffit d'utiliser l'harmonique 2 seulement, par exemple. La construction et le fonctionnement de la bobine 54 sur son noyau 52 est identique à la bobine 53 sur le noyau 51. La particularité qui différentie les deux est le fait qu'elles se trouvent de part et d'autre de l'axe central longitudinal de la barre 3. Observons que le champ magnétique autour de l'axe créé par un courant I pénètre en sens opposés les noyaux 51 et 52 tandis qu'un champ magnétique d'une source lointaine, étant plus ou moins un champ parallèle, pénètre dans le même sens lesdits noyaux. On exploite cette particularité: en choisissant le sens de connexion des deux bobines on arrange l'addition des signaux d'origine courant primaire et extinction des signaux d'origine champ magnétique externe. Au même sujet d'immunité aux champs magnétiques externes, il faut souligner l'intérêt pour réaliser une structure la plus compacte possible, de façon à avoir des champs de perturbation sur les deux bobines, le plus semblable possible. La figure 6 illustre un autre exemple de réalisation du jeu de bobines

45 sous forme d'un pont 60. Les éléments de la figure 6 sont représentés de façon très schématique. En particulier le mode de bobinage des bobines n'est nullement limitatif.

Le capteur de courant de la figure 6 comprend quatre bobines 62, 64, 66, 68 réalisées autour respectivement de quatre noyaux 61, 63, 65, 67. Les bobines 62, 64, 66, 68 sont de géométries similaires aux bobines 53 et 54 de la figure 5. Cependant, les noyaux 62 et 68 sont identiques aux noyaux 51 et 52 de la figure 5, c'est-à-dire comporte de la matière sensible au champ magnétique, alors que les noyaux 63 et 65 sont soit inexistants soit sans matière sensible au champ magnétique.

Le pont 60 est constitué par deux ensembles en parallèle. Le premier ensemble comporte les deux bobines 62 et 64 en série. Donc, on a disposé en série une bobine à noyau sensible avec une bobine à noyau non sensible au champ magnétique. L'autre ensemble comporte la bobine 66 en série avec la bobine 68. En particulier, les bobines sont disposées en quinconce autour de l'axe central de façon à permettre une mesure différentielle.

Les bobines sont connectées entre elles de façon que les tensions induites par un courant primaire variable dans les bobines sans noyaux sensibles au champ magnétique annulent par soustraction les tensions induites par ledit courant dans les bobines à noyaux sensibles au champ magnétique. L'intérêt pour la réjection des signaux générés par le courant primaire en bande de base dépend du spectre de fréquence dudit courant primaire, de la dynamique permissible à l'entrée de mesure du contrôleur et en général des effets que la présence des signaux en bande de base pourrait avoir sur la précision de la détection du nul sur les harmoniques paires par le contrôleur.

Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.