L'invention concerne un tore magnétique utilisé pour la fabrication d'un composant inductif, de type capteur de courant.

Dans le cas des composants pour capteur de courant et notamment pour capteur de courant alternatif, comportant éventuellement une compo¬ sante continue superposée significative, il est nécessaire de disposer de to¬ res ayant des perméabilités réduites afin de ne pas saturer le tore, sans tou¬ tefois être trop faibles pour conserver une bonne précision de mesure du capteur. Il faut que les performances du capteur soient stables sous des champs de polarisation élevés et dans une plage de température aussi large que possible et dans certains cas, dans une large bande de fréquence.

De tels capteurs de courant trouvent notamment un usage dans les transformateurs de compteurs d'énergie électrique, qui à la fois isolent tout le dispositif du réseau de charge sous tension et fournissent le signal électrique qui sert au comptage d'énergie.

Un transformateur de courant à branchement direct sur le courant de charge (de type 1 selon la norme IEC 1026 ; dans tout le document, lors¬ qu'on se réfère à cette norme, on se réfère à son édition antérieure mais la plus proche du 30.10.2004) comporte un seul étage, qui prend la forme d'un tore cumulant à la fois les fonctions de transformateur-isolateur et de capteur de courant pour comptage d'énergie. Comme on peut le voir en figure 1 , un tel transformateur repéré généralement par 1 à la figure 1 , est généralement constitué de trois parties :

- un circuit magnétique torique (non directement visible sur la figure) pour minimiser les fuites magnétiques,

- un enroulement primaire 2 de N-i spires de résistance Ri se ramenant souvent à-un-simple_cond.u.cteuriravsrsarιt_LeJoxe. (hLι_=J-)_et parmuru .par. un courant J ₁ ,

- un enroulement secondaire 3 de N ₂ spires de résistance R ₂ (de l'ordre de 2500 en général) parcouru par un courant i ₂ ,

Un capteur de courant est de bonne précision pour le comptage d'énergie si le déphasage entre courant et tension est très faible, et si la rela¬ tion entre courants primaire et secondaire est la plus linéaire possible. Cela s'obtient en particulier par une inductance magnétisante AL la plus élevée possible, ce qui implique qu'on dispose d'un très grand nombre de spire se¬ condaire N ₂ , mais aussi d'une perméabilité μ aussi élevée que possible. En effet, qu'il y ait ou non une composante continue superposée l<χ au courant alternatif à mesurer I ₁ , il ne faut pas que l'ensemble de ces courants amène le tore à proximité de la zone de saturation, car alors la relation B-H ne serait plus du tout linéaire. Si on appelle ΔB l'étendue de la plage d'induction où la relation B-H est approximativement linéaire, le champ critique à ne pas dé¬ passer sous peine de saturation est alors ΔB/μmax et la condition de non saturation qui en découle est la suivante : lmax = l(lcc + li)l < Ni.( ΔB/μ _ma χ).

Ceci signifie que plus le courant maximum admissible à mesurer Imax croît, plus la perméabilité du matériau devra être diminuée pour échapper à la saturation.

En pratique pour les plus petits calibres de mesure (5 à 5OA d'après la norme) auxquels se superposent d'éventuelles composantes continues, on utilise une structure de capteur à simple étage et un tore magnétique en al¬ liage amorphe à base de cobalt.

Pour les calibres de courant de charge supérieurs à 5OA, auxquels se superposent d'éventuelles composantes continues, la norme recommande une structure à double étage telle que représentée à la figure 2, avec trans¬ formateur de courant en tête repéré généralement par 4, chargé d'isoler et d'éliminer la composante continue semblable à celui du cas précédent, et un -eapteur-de-eour-ant-haute-sensibilité repéré-généralemeRt-par-ëren dérivation- du transformateur. Comme ce dernier évite tout risque de saturation au cap-

teur, on a tout intérêt à utiliser un noyau magnétique à très haute perméabili¬ té.

Une autre application type de ces capteurs de courant est le contrôle de courant des composants actifs de puissance (IGBT, GTO, thyristor...) pour les dispositifs de moyenne et forte puissance. Ce type d'application né¬ cessite que le capteur puisse mesurer des courants variant très vite et sou¬ vent dans le temps, et donc qu'il dispose d'une grande dynamique de me¬ sure, qui couvre une plage de fréquence de mesure la plus grande possible, typiquement d'au moins 1 MHz. Le capteur le plus performant est celui qui a le maximum de précision et de dynamique de mesure pour un encombre¬ ment global le plus faible.

Pour de tels équipements, on utilise des structures à double étage semblable à celui qui vient d'être décrit, avec un transformateur de courant en tête à faible perméabilité équivalente et un capteur de courant en dériva¬ tion basé sur un noyau magnétique à haute perméabilité et grande stabilité fréquentielle tel qu'un tore nanocristallin conventionnel à haute perméabilité (μ>20 000).

Les performances demandées aux tores de transformateur de capteur de courant exposés soit à des composantes fortes de courant continu super¬ posé (application compteur d'énergie) soit à de fortes et rapides variations de courant (application à la mesure harmonique type sonde de courant pour contrôle des composants actifs de puissance) sont essentiellement les mê¬ mes et peuvent être résumées ainsi :

- Le tore du composant inductif doit présenter une bonne stabilité thermi¬ que de ses propriétés magnétiques, ce qui permet en particulier de re¬ pousser plus haut la température limite de fonctionnement du composant et d'avoir une précision de mesure peu dépendante de la température de fonctionnement. Cette stabilité en température est typiquement de l'ordre de quelques % de variation de perméabilité entre -40 ⁰ C et +60 ⁰ C.

II doit en outre présenter un faible vieillissement dans des atmosphères pouvant excéder 100 ⁰ C.

La perméabilité sous champ alternatif du tore magnétique doit être limitée à un niveau de perméabilité tel que le matériau ne peut-être mis en satu¬ ration sous l'effet conjugué de la composante alternative fondamentale, de ses harmoniques éventuelles (cas de l'alimentation d'un semi¬ conducteur de puissance) et de composante continue superposée éveh- tuelle. Pour l'utilisation au sein d'un transformateur utilisé dans un comp¬ teur d'énergie, on préférera plus particulièrement une perméabilité ma¬ gnétique relative inférieure à 4 000, et de préférence inférieure à 3000 tout en restant supérieure à 200, voire à 300.

La solution magnétique utilisée ne doit pas comporter d'entrefer localisé, de manière à limiter la sensibilité aux rayonnements électromagnétiques parasites. Ceci permet également d'éviter d'avoir à utiliser un blindage. Il est nécessaire également de rechercher une induction à saturation Bs qui soit élevée, afin de miniaturiser le capteur et/ou d'améliorer sa préci¬ sion. On préférera en particulier les tores présentant une induction à satu¬ ration Bs supérieure ou égale à 1T, voire supérieure à 1 ,2T. Pour les transformateurs de courant destinés à travailler sous compo¬ sante continue superposée, il est souhaitable d'avoir une "forte linéarité B-H", c'est à dire une relation entre B et H aussi linéaire que possible sur une plage importante d'induction ΔB : on vise une variation maximale de μ sur cette plage d'au plus quelques %. En effet, plus ΔB est élevé, à plage de courant de polarisation lcc ^max constant, plus la perméabilité peut être accrue et donc la précision du capteur ou bien plus le rayon et le vo¬ lume du tore peuvent être réduits.

Il est souhaitable, d'avoir une perméabilité efficace locale μ\ _oc , sous com¬ posante de courant alternatif aussi indépendante que possible de la com¬ posante continue ^' superposée- Hccr^ on appelle-perméabilité-différentielle- ou locale μi _oc la dérivée de B par rapport à H au point de fonctionnement B(H).

- Le tore doit également présenter de faibles pertes magnétiques pour limi¬ ter le déphasage entre courant et tension du capteur et donc accroître la précision.

- Il est souhaitable également que les propriétés magnétiques des compo¬ sants inductifs soient peu sensibles aux contraintes externes, telles que les contraintes d'enrobage, de bobinage.

- En outre, la dynamique fréquentielle d'aimantation doit être bonne, c'est- à-dire que la fréquence de « coupure, intrinsèque haute » est élevée, et plus particulièrement au moins égale à 1MHz sans blindage du capteur. Dans le cadre de la présente invention, on appelle fréquence de coupure d'un matériau conducteur la fréquence pour laquelle on obtient le maxi¬ mum d'amplitude de μ ", partie imaginaire complexe de la perméabilité et représentant les effets dissipatifs par courants induits.

- Le tore doit être le plus économique possible.

Pour réaliser des transformateurs de courant, il est commun d'utiliser des noyaux magnétiques toriques en alliage Fe Ni à 80 % de nickel, mais ces alliages ont une perméabilité relative qui varie sensiblement avec le champ de polarisation, tout en restant toujours très supérieure à 10 000. Ils sont donc inadaptés aux transformateurs de courant travaillant sous forte composante continue.

On a proposé, notamment dans US 6,507,262 B1 , d'utiliser un alliage nanocristallin base fer du type Fe Co Cu Si B pouvant ne pas contenir de cobalt, ayant une perméabilité élevée, comprise entre 12 000 et 300 000. De même, on a proposé d'utiliser un alliage amorphe base cobalt ayant une perméabilité comparable. Ces deux solutions qui ont l'avantage de présenter des relations B-H très linéaires, présentent l'inconvénient d'avoir des per¬ méabilités très élevées qui conduisent à la saturation de noyaux magnéti- ques_dès_que la com posante. continue du courant à mesurer atteint quelques ampères.

On a également proposé d'utiliser des noyaux magnétiques en alliage amorphe base cobalt ayant une perméabilité relative de quelques milliers réglée par recuit sous champ transverse. Ces alliages qui ont l'avantage d'avoir une perméabilité pas trop élevée, présentent cependant l'inconvénient d'avoir une induction à saturation inférieure à 0,8 Tesla, ce qui n'est pas fa¬ vorable à l'obtention d'une bonne précision pour le capteur. En outre, ces alliages sont sensibles au vieillissement dès 100 ⁰ C et le cobalt est un élé¬ ment très coûteux.

On a aussi proposé d'utiliser un alliage nanocristallin Fe Co Nb Si B Cu contenant 60 % (atomique) de Co qui permet de régler la perméabilité jusqu'à des valeurs de quelques centaines ou quelques milliers tout en conservant certains des avantages des alliages nanocristallins Fe Cu Nb Si B, à savoir la stabilité en température des performances, la faible rémanence et le faible champ coercitif. Ces alliages présentent cependant l'inconvénient d'avoir une induction à saturation basse et de contenir beaucoup de cobalt qui est très coûteux.

On a enfin proposé des transformateurs de courant sans noyau ma¬ gnétique (Capteur Rogowski) ou avec des noyaux magnétiques constitués de pots en ferrite. Ces capteurs présentent l'inconvénient d'être très sensi¬ bles aux champs magnétiques extérieurs qui viennent perturber les mesures. Pour éviter ces perturbations, il est nécessaire de prévoir des blindages ma¬ gnétiques très coûteux.

Il apparaît qu'aucune des solutions connues n'est vraiment satisfai¬ sante.

Le but de la présente invention est donc de proposer un tore enroulé ferromagnétique amélioré par rapport à ceux de l'art antérieur et qui soit en particulier, sans entrefer, à perméabilité magnétique relative réglable préci¬ sément entre 200 et 4000, apte à satisfaire les besoins des capteurs de cou- rant pour compteur_d^énergje, jaussi bjen en branchement direct avec struc¬ ture à un seul étage, qu'en branchement sur transformateur de courant en structure à double étage, et apte à satisfaire également les besoins des son-

des de courant pour contrôle dynamique de courant des composants actifs des systèmes électroniques, et ceci en occupant le volume le plus réduit . possible, sans nécessiter l'usage d'un blindage et étant le plus économique possible.

A cet effet, l'invention a pour objet un tore enroulé nanocristallisé sans entrefer localisé constitué d'un matériau nanocristallin de composition atomi¬ que :

[Fe _1-3 Ni ₃ ] l OO-x-y-z-α-β-γCUxSiyBzNb _α M' _β lvT'γ avec a < 0,3, 0,6 < x <1 ,5, 10 < y < 17, 5 < z < 14, 2 < α <6, β < 7, γ < 8, M' étant l'un au moins des éléments V, Cr, Al et Zn, M" étant l'un au moins des éléments C, Ge, P, Ga, Sb, In et Be, ayant une perméabilité μ comprise entre 200 et 4000, une saturation de plus de 1T, une plage d'induction où la perméabilité ne varie pas de plus de 5% supérieure à 0,9T, une induction rémanente inférieure à 0,02T et une fré¬ quence de coupure supérieure à 1 MHz, et tel que μ varie de moins de 1 % lorsque le tore est soumis à un vieillissement de 100h à plus de 100°C, μ varie de moins de 5% lorsque le tore est enrobé, μ varie de moins de 15% lorsque la température varie entre -25 ⁰ C et +60 ⁰ C, et de moins de 25% lorsque la température varie entre - 40 ⁰ C et +120 ⁰ C, et en ce que μ varie de façon monotone et à peu près li¬ néaire avec la température entre - 40 ⁰ C et +12O ⁰ C.

La perméabilité μ peut varier de façon monotone et à peu près linéaire avec la température entre - 100°C et + 120°C.

Dans un mode de réalisation préféré, la teneur en nickel est inférieure à 4,5%, ce qui a l'avantage de conduire à un coefficient de magnétostriction Λs très faible.

Dans un autre mode de réalisation préféré, le tore enroulé selon l'invention présente une composition telle que, en atomes % : _ __ Nh≤-4,-6%- —

0,8% < Cu < 1 ,2 % 2,5% < Nb < 3,5%

12 % < Si < 16,5%

6 % < B < 9% le reste étant du fer et des impuretés.

De préférence, le tore enroulé a une perméabilité μ supérieure à 1000.

Le tore selon l'invention a l'avantage d'être très économique puisqu'il ne contient pas de cobalt.

En outre, sa perméabilité efficace locale est très proche de sa per¬ méabilité linéaire. En effet, les inventeurs ont constaté que cette perméabilité efficace locale μι _oc est d'autant plus proche de la perméabilité μ _nn correspon¬ dant à la pente d'un cycle d'hystérésis majeur, que la rémanence du cycle d'hystérésis est faible. Ainsi, on préférera les tores présentant une très faible rémanence Br, typiquement inférieure à 0,02T.

Un second objet de l'invention est constitué par un dispositif de me¬ sure électrique du type compteur d'énergie ou du type sonde de courant comprenant au moins un tore magnétique, au moins un tore magnétique étant un tore nanocristallin sans entrefer selon l'invention.

Le dispositif de mesure électrique est, par exemple, un compteur d'énergie à simple étage conforme à la norme IEC 1036 pour les calibres inférieurs à 50 A comprenant un tore magnétique, selon l'invention, dont la perméabilité μ est comprise entre 1000 et 4000, et de préférence est infé¬ rieure à 3000.

Dans un mode de réalisation préféré, le compteur d'énergie à simple étage ne comporte pas de blindage.

Le dispositif de mesure électrique peut, également, être un compteur d'énergie à double étage comprenant un tore de transformateur de courant et un tore de mesure, conforme à la norme IEC 1036 pour les calibres supé¬ rieurs à 50 A, dans lequel le tore de transformateur de courant est un tore selon l'invention dont la perméabilité μ est comprise entre 200 et 1000, et de préférence inférieure à 800.

Le dispositif de mesure électrique peut, aussi, être un compteur d'énergie conforme à la norme IEC 1036 pour les calibres supérieurs à 50 A,

à simple étage et comprenant un tore selon l'invention dont la perméabilité μ est comprise entre 200 et 1000, et de préférence inférieure à 800.

De préférence, un compteur d'énergie selon l'invention est apte à me¬ surer un courant comportant une forte composante continue.

Le dispositif de mesure électrique peut, enfin, être une sonde de cou¬ rant à grande dynamique de mesure pour contrôler les courants dans des composants actifs de puissance dans des dispositifs de moyenne ou de forte puissance, du type comprenant un tore de transformateur de courant et un tore de mesure, le tore de transformateur de courant étant un tore selon l'invention, dont la perméabilité μ est comprise entre 200 et 1000, et de pré¬ férence inférieure à 800.

Le tore magnétique selon l'invention est particulièrement bien adapté à l'utilisation dans un transformateur de courant destiné à mesurer un cou¬ rant électrique alternatif sur lequel est superposé une composante continue importante et/ou des composantes harmoniques de tout ordre et d'amplitudes variées.

Ce tore nanocristallin est constitué d'une bande en matériau nanocris- tallin enroulée sur elle-même, sous la forme d'une bobine torique, obtenue à partir d'un ruban coulé dans un état amorphe, de composition atomique : [Fe _1-3 Ni ₂ ] 100-x-y-z-α-β-γCu _x SiyB _z Nb _α M' _β M"γ avec a < 0,3, 0,6 < x <1 ,5, 10 < y < 17, 5 < z < 14, 2 < α <6, β < 7, γ < 8, M' étant l'un au moins des éléments V, Cr, Al et Zn, M" étant l'un au moins des éléments (C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be). Pour obtenir la structure nanocristalline, on soumet le ruban amorphe à un recuit sous traction de cristallisation, à l'état déroulé, en défilement et sous tension dans une direction sensiblement longitudinale axiale du ruban, de manière que le ruban soit maintenu à une température de recuit comprise entre 500 et 700 ⁰ C, pendant une durée com¬ prise ^~ entre-5 ^~ e1r300 ^~ secoιτdes7^ous-une-contraintedeiτ^ enroule la bande nanocristalline, dans lequel la contrainte de traction axiale est comprise entre 2 MPa et 500 MPa afin d'obtenir une perméabilité magné-

tique comprise entre 200 et 4000, et de préférence entre 400 et 3000 pour les applications envisagées.

On pourra se référer à la demande FR 2 823 507 pour de plus amples détails sur le procédé de recuit sous traction.

De manière générale, les alliages utilisés pour la fabrication de ban¬ des amorphes fer-silicium ont la composition atomique suivante :

[Fe _1-a Ni _a ]100-x-y-z-α-β-γCu _x SiyB _z Nb _α M' _β M"γ avec a < 0,3, 0,6 < x <1 ,5, 10 < y < 17, 5 < z < 14, 2 < α <6, β < 7, γ ≤ 8,

M' étant l'un au moins des éléments V, Cr, A| et Zn,

M" étant l'un au moins des éléments C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be.

Ces alliages peuvent avoir en particulier la composition pondérale sui¬ vante :

Fe ₇₂ à 77 Cui Nb ₃ Si ₁₂ , ₅ à ₁₇ B ₆ à ₁₂ , le solde de l'alliage étant constitué essentiellement par des impuretés inévitables.

Le matériau est élaboré sous forme liquide puis coulé avec une forte vitesse de refroidissement, dans une installation de coulée de rubans amor¬ phes à cylindre refroidi de type classique, de telle sorte qu'on obtienne en sortie de l'installation de coulée, une bande amorphe enroulée sous la forme d'une bobine à spires jointives.

Pendant le traitement, à l'intérieur du four et plus particulièrement dans la zone à température homogène du four, la bande en cours de traite¬ ment et en défilement est soumise à une force de traction dans sa direction longitudinale axiale qui est parfaitement ajustée en fonction des caractéristi¬ ques de la bande amorphe et régulée dans un intervalle étroit, pendant le traitement de la bande en défilement dans le four.

De plus, la bande obtenue et enroulée à la sortie du recuit flash peut être déroulée puis réenroulée, ce qui permet de réaliser des tores magnéti¬ ques dont les spires sont isolées les unes des autres, comme il sera expliqué plusiolnr D ^~ ans1:ous ^" tes ^~ cas, Orrréalise-un-traitemenhde-recuit-au-défilé-ou- recuit flash sous tension à une valeur précise de la force de traction, à une température bien définie et à une vitesse de défilement réglée.

De manière plus générale, en fonction des caractéristiques de la bande et de la température du four entre 600 ⁰ C et 700 ⁰ C, et de préférence entre 620°C et 690°C, le temps de maintien de la bande à la température de recuit peut être compris entre 5 et 300 secondes, et de préférence entre 10 et 60 secondes.

Il est possible de déterminer une courbe d'étalonnage de la valeur de la traction pour obtenir un niveau de perméabilité défini sur le ruban entre 200 et 4000.

Toutefois, pour obtenir un tore dans lequel on limite la circulation des courants induits et les pertes magnétiques, il est nécessaire d'éviter la forma¬ tion de contacts électriques entre les spires, pendant l'enroulement du tore recuit. De manière à réduire les courants induits dans le tore et les pertes magnétiques, il peut être nécessaire, suivant les applications prévues pour le tore, de déposer ou de former une couche d'isolation électrique sur la bande pour isoler les spires successives les unes des autres. On peut par exemple déposer en continu, sur la bande après recuit, une substance minérale sur une épaisseur d'un dixième de micromètre à quelques micromètres. Pour cela, il est possible de dérouler la bande de la bobine obtenue à la sor¬ tie de l'installation de recuit et de la réenrouler sous faible tension mécani¬ que, en déposant éventuellement sur la bande déroulée, un matériau d'isola¬ tion électrique préalablement au réenroulage, de manière à isoler les unes des autres les spires successives du tore.

De manière générale, les conditions de cristallisation de la bande à l'intérieur du four en recuit dynamique sous tension sont telles que la bande comporte au moins 50 % en volume de nanocristaux dont la taille est com¬ prise entre 2 et 20 nm. Les différents cristaux sont séparés les uns des au¬ tres par la matrice constituée par la fraction de l'alliage restée amorphe.

Le tore magnétique suivant l'invention présente l'avantage d'avoir un faible coefficient de magnétostriction. De ce fait, ses propriétés magnétiques ne sont pas modifiées, lorsqu'on réalise des opérations d'enrobage, d'imprégnation, de bobinage, de collage... qui se traduisent par des contrain-

tes exercées sur le tore. Ainsi, par exemple, lorsqu'un tore de l'invention est enrobé, sa perméabilité linéaire varie de moins de 5%, en particulier lors¬ qu'elle est mesurée à 20 ⁰ C.

Le tore magnétique peut être rond, ovale ou carré sans entrefer.

La figure 1 est un schéma de principe d'un compteur d'énergie à sim¬ ple étage.

La figure 2 est un schéma de principe d'un compteur d'énergie à dou¬ ble étage.

La figure 3 et la figure 4 sont des diagrammes donnant respectivement les cycles d'hystérésis à saturation (H max = 20 Oe) et linéaire (H max = 1 Oe) d'un tore.

Les figures 5 et 6 sont des courbes représentant le rapport de la per¬ méabilité magnétique pour un courant (ou champ H) ayant une composante continue (ou champ Hcc correspondant dans le cas de la figure 6 ou 7) non nulle sur la perméabilité magnétique pour un courant (ou champ H) ayant une composante continue nulle, pour différents matériaux.

La figure 7 est une courbe donnant la perméabilité d'un tore selon l'in¬ vention en fonction de la température.

La figure 8 représente les courbes (perméabilité/amplitude de la com¬ posante continue superposée) pour trois tores réalisés à partir de la même bande amorphe.

La figure 9 représente la stabilité de μ en fonction de la température pour un tore de recuit flash selon l'invention et pour un amorphe base cobalt.

A titre d'exemple, on a réalisé la cristallisation en nanocristaux dans la matrice amorphe d'une bande amorphe de composition Fe ₇₃ . ₅ Cu ₁ Nb ₃ Si ₁₅ . ₅ B ₇ , par le procédé déjà connu, en appliquant une traction de 50 Mpa pendant le passage entre le dérouleur et l'enrouleur et avec un passage dans la partie du four à 655°C durant 35 secondes. La bande amorphe était pré-isolée par passage dans un bain de méthylate de magnésium. Après réenroulage en un

tore de diamètre intérieur 20 mm, une caractérisation par méthode fluxmètri- que en courant continu montre (figure 4) que le cycle d'hystérésis à satura¬ tion (champ maximal appliqué de 20 Oe) est très linéaire dans sa partie cor¬ respondant à un champ allant jusqu'à 6 ou 7 Oe : ainsi, si on restreint le champ maximum appliqué (alternatif et/ou continu) en dessous des 6 ou 7 Oe, comme par exemple 1 Oe, le matériau ne travaille qu'en cycle d'hystérésis extrêmement linéaire et mince (figure 4) ce qui correspond à l'idéal d'un capteur de courant.

La rémanence est si faible qu'il est difficile d'en donner une valeur dif¬ férente dé 0 à l'imprécision de mesure près. Il est en tout cas certain qu'elle est inférieure à 0,02T. Le champ coercitif de 21 mOe est également très fai¬ ble et permet de penser que les perméabilités locales μ _\oc (appelées aussi différentielles) mesurées à 10 kHz avec composante continue superposée Hcc seront très proche de μ _\m et très stables en fonction de Hcc. Ceci est vé¬ rifié par les courbes représentées aux figures 5 et 6 où on voit, par compa¬ raison avec des poudres de FeNi compactées (MPP) et des alliages nano- cristallins base cobalt (Hitperm), que la perméabilité des tores de l'invention (SAN) reste beaucoup plus stable lorsque des niveaux de perméabilité voi¬ sins sont comparés.

Ces courbes qui représentent le rapport entre la perméabilité locale /vioc (H _C c) pour un champ continu superposé H _CG , et la perméabilité locale μ _toc (0) pour un champ continu superposé nul, en fonction du champ continu su¬ perposé H _cc , pour différents matériaux caractérisés par leur perméabilité li¬ néaire Λ/ _ϋ n, montrent que :

- pour un noyau selon l'invention ayant une perméabilité relative li¬ néaire de 1700 (SAN μ1700), le rapport μ _\oc (H _cc ) / μ _\oc (0) reste quasiment égal à 1 pour un champ H _cc allant jusqu'à 2 Oe environ,

- pour les alliages nanocristaliins base cobalt Hitperm //700 et μ3500, le rapport μ\ _oc (H _CG ) / μioc (0) devient inférieur à 0,9 dès que le champ H _cc at¬ teint 0,1 Oe,

- pour les poudres FeNi compactées, le rapport μioc(H _C c)/μioc(0) reste stable uniquement pour les échantillons correspondant à des perméabilités faibles (MPP //300 et MPP //30), et pour une perméabilité relative de 550 (MPP //550), le rapport μ _\oc (H _cc ) I μ _\ ∞ (0) se dégrade très vite.

Ce comportement très favorable est à relier directement à la très bonne linéarité du cycle d'hystérésis B-H tant que le coude de saturation n'est pas atteint et tel qu'on le voit sur la figure 1 qui représente un cycle d'hystérésis. La rémanence B _r , est très faible, et on a μ _\oc = μπn et donc μ\ _oc indépendant de H _cc ce qui est l'idéal pour l'application.

On voit en figure 7 que la variation relative de perméabilité μχ _m entre 20° C et 100° C n'excède pas 10.

Pour évaluer la reproductibilité du procédé de fabrication, trois tores nanocristallins ont été réalisés selon l'invention avec la même bande amor¬ phe de départ et la même traction de 50 Mpa par enroulage. Comme le mon¬ tre la figure 8, les écarts de caractéristiques entre les trois tores restent infé¬ rieurs à 5 %.

La perméabilité magnétique du tore de l'invention, varie au total de moins de 15 % lorsque la température varie entre -25° C et +60° C, qui est le plage maximale de température de fonctionnement pour la plupart des appli¬ cations de comptage d'énergie. A titre de comparaison, un amorphe base cobalt classique varie de 16%.

Certaines- application-ont-besoin-de-fonctionfier- jusqu'à -1-20-G- : dans ce cas les performances deviennent plus favorables à l'amorphe base cobalt.

En revanche les tores de l'invention présentent le grand avantage sur les amorphes base cobalt que la perméabilité évolue de façon monotone et presque linéaire avec la température ce qui permet de procéder à une cor¬ rection électronique aisée de la mesure en fonction de la température, alors que cela paraît beaucoup plus difficile pour l'amorphe base cobalt. On peut en particulier le constater sur la figure 9.

En outre, les inventeurs ont constaté que la variation à peu près li¬ néaire de la perméabilité avec la température pouvait s'observer jusqu'à - 100 ⁰ C. En particulier, des mesures d'écart entre la perméabilité à la tempéra¬ ture T et à 0 ⁰ C ont donné les résultats suivants :

En outre, le tore selon l'invention vieillit très peu sous l'effet de la tem¬ pérature. On a ainsi pu mesurer moins de 1 % de baisse de perméabilité li¬ néaire mesurée à 20°C, après un étuvage de 100h à 120 ⁰ C. Par comparai¬ son un amorphe base cobalt dans les mêmes conditions voit sa perméabilité baisser de 5 à 6%.

On voit sur le tableau ci-dessous que des linéarités de mieux que 5 ou 2% peuvent être garanties sur les tores de l'invention sur des plages d'induction de l'ordre de 1T. On voit aussi qu'à linéarité identique, le tore de l'invention propose une plage d'induction de fonctionnement d'environ 10% plus élevée qu'un amorphe base cobalt.

On note enfin que la fréquence de coupure du matériau de l'invention (correspondant à la fréquence où le maximum d'amplitude de la perméabilité imaginaire μ" mesurée sur un impédancemètre est obtenu) est supérieure à 2 MHz, soit environ 2 fois la fréquence de coupure d'un alliage nanocristallin base cobalt (Hit perm) dont les perméabilités de 590 et 2860 encadrent celle du matériau de l'invention comme le montre le tableau ci-dessous. La stabili¬ té dynamique des tores de l'invention est donc très bonne et, de ce fait, se prête bien à l'utilisation dans des capteurs de courant à double étage type sonde de courant.

En outre, la fréquence de coupure intrinsèque peut atteindre 10MHz et plus pour les basses perméabilités.

L'induction à saturation Bs du tore peut être supérieure à 0,9 Tesla et même à 1 Tesla, voire 1 , 2 Teslas. Par comparaison un amorphe base cobalt n'atteindra pas 1T de saturation.

Par ailleurs, les inventeurs ont étudiés l'influence du nickel et du co¬ balt, qui est un élément dont les effets sont comparables à ceux du nickel, sur les propriétés des alliages concernés par la présente invention.

Le tableau ci-dessous donne, pour un alliage dont la composition en atomes % est (Feioo-x-yCo _x Ni _y ) ₇₄ CuiNb ₃ Sii ₅ B ₇ , la plage de perméabilité ac¬ cessible par le traitement thermique selon l'invention, le champ coercitif Hc, le coefficient de magnétostriction Λ _s , le rapport des perméabilité à 150 ⁰ C et à 25jO,_eJJes_pjîrtes _L _rjnagrτétiques à 50OkHz, pour une induction de _^ 50 mj _^ à^ 27°C.

Sur ce tableau, on peut constater, notamment que, plus la somme des teneurs en nickel et en cobalt est faible, plus le coefficient de magnétostric¬ tion est faible en valeur absolue.

Plus généralement, les inventeurs ont constaté que, lorsque la somme des teneurs en nickel et cobalt reste inférieure à 5%, et mieux à 4%, le coef¬ ficient de magnétostriction restait, en valeur absolue, inférieur à 2 ppm, et pouvait même être inférieur à 1 ppm.

Cette propriété est particulièrement intéressante puisque la sensibilité de l'alliage aux contraintes externes (collage, enrobage, imprégnation, dé¬ coupe, manutention, etc..) et d'autant plus faible que le coefficient de ma¬ gnétostriction est faible.

L'alliage utilisé pour la présente invention ne contient, en principe, pas de cobalt, essentiellement pour des raisons d'économie. Cependant, du fait des conditions d'élaboration, l'alliage peut contenir un peu de cobalt, à l'état de traces, c'est-à-dire, en des teneurs inférieures à 0,5%.

Dans ces conditions, afin d'obtenir des tores très peu sensibles aux contraintes engendrées lors de la fabrication, il est préférable que la teneur en nickel reste inférieure à 4,5%, mieux, inférieure à 4% et mieux encore, inférieure à 3%.

Dans le cas d'une sonde de courant, le tore de l'invention, grâce à sa

^" haute saturation ^" et sa perméabilité optimisée sans entrefer, grâce à sa fré¬ quence de coupure dépassant 1 MHz permet de réduire la taille de la sonde

de 80 à 98%, ce qui est un grand avantage dans les systèmes de contrôle des composants de puissance.

Exemple - Miniaturisation d'un transformateur à deux étages Un transformateur de courant à deux étages selon l'invention a été construit sur la base des spécifications suivantes :

- Fréquence de coupure basse : 100 Hz -3 dB

- Fréquence de coupure haute :10 MHz -3dB

- Plage de fréquence de mesure : harmoniques entre 100Hz et 10MHz

- Gamme de mesure: 50 DC + 50 AC : courant de charge alternatif 5OA + courant continu 5OA superposé

Un transformateur selon l'art antérieur a été construit sur la base des mêmes spécifications, en utilisant un premier étage conventionnel en ferrite avec entrefer localisé, tandis que le transformateur selon l'invention a été construit en utilisant un premier étage en nanocristallins à faible perméabilité.

Les caractéristiques magnétiques et dimensionnelles des transforma¬ teurs obtenus sont rassemblées dans le tableau suivant , dans lequel :

Ae : section du noyau,

Le : périmètre moyen,

Volume : somme des volumes des 2 tores magnétiques, AI=*Ae/Le.

On voit donc que l'utilisation de composés nanocristallins selon l'invention permet de réduire le volume du transformateur à deux étages d'un facteur 25, comparés aux transformateurs de l'art antérieur incorporant un noyau en ferrite à entrefer localisé. En outre, un tel transformateur ne né¬ cessite pas d'utiliser un blindage.

L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit.

C'est ainsi qu'on peut envisager de réaliser des tores nanocristallins en de nombreux alliages tels que définis plus haut contenant du fer, du sili¬ cium, un élément amorphisant et d'autres éléments d'addition, qu'on peut régler les conditions de température et de mise sous contrainte pendant ie recuit à des valeurs différentes de celles qui ont été indiquées, ces valeurs étant toutefois dans les intervalles revendiqués,.

Les tores réalisés peuvent être circulaires, carrés ou oblongs.

Les tores réalisés, après avoir été nanocristallisés afin d'obtenir une -magnétostriction-apparente à- saturation- proche- de-zéro,- peu vent-être-en ro¬ bes d'une résine protectrice directement sur le métal à la place du boîtier

protecteur, sans risque de perturbation des performances magnétiques né¬ cessaires à un capteur de courant tel que déjà décrit.

Les inventeurs ont constaté de façon nouvelle que de tels tores pou¬ vaient être utilisés de façon très avantageuse pour fabriquer des tores de transformateur pour des capteurs de courant alternatif et plus particulière¬ ment pour des capteurs ayant les configurations et applications spécifiques suivantes :

- tore de compteur d'énergie à simple étage respectant les spécifica¬ tions de la norme IEC 1036 pour les plus petits calibres de courant en comp¬ tage d'énergie basse fréquence (max 50A), pouvant notamment supporter de fortes composantes continues superposées et/ou de fortes composantes har¬ moniques superposées, n'ayant ni entrefer localisé, ni blindage, n'ayant pas de cobalt, aussi précis qu'un amorphe base cobalt, éventuellement un peu moins stable en température au dessus de 60 ⁰ C qu'un amorphe base cobalt mais beaucoup plus facile à corriger, vieillissant beaucoup moins au dessus de 100 ⁰ C qu'un amorphe base cobalt et se prêtant à des capteurs au moins aussi compacts.

- tore de transformateur de courant d'un compteur d'énergie à struc¬ ture à double étage (calibres de courant de charge supérieurs à 5OA aux¬ quels se superposent d'éventuelles composantes continues et/ou harmoni¬ ques) ayant besoin de gamme de perméabilité encore plus réduite que pré¬ cédemment à savoir μ<1200, impossible à obtenir actuellement sans entrefer localisé (hors de portée des amorphes base cobalt)et obtenu actuellement avec des tores coupés en Fer, FeSi ou ferrite ce qui introduit à la fois un fort hystérésis, une forte sensibilité aux perturbations électromagnétiques exté¬ rieures, ce qui peut obliger à un blindage encombrant et coûteux.

- tore de compteur d'énergie réalisé de façon innovante en structure à simple étage grâce à une faible perméabilité (typiquement <1200) et une très forte linéarité B-H avant saturation (Δμ/μ < 1 % sur ΔB=1T) du tore de l'invention, et remplaçant ainsi la structure à double étage des compteurs d'énergie pour calibres de courant de charge supérieurs à 5OA auxquels se

superposent d'éventuelles composantes continues et/ou harmoniques. A no¬ ter que cette innovation ne se limite pas à remplacer avantageusement le transformateur de courant : il remplace à la fois le transformateur d'isolement et le tore de mesure haute perméabilité (grâce à un tore à très faible per¬ méabilité : on passe ainsi d'une structure double à simple étage)

- les sondes de courant à grande dynamique de mesure, pour le contrôle de courant des composants actifs de puissance (IGBT, GTO, thyris- tor...) dans les dispositifs de moyenne et forte puissance. Pour de tels équi¬ pements on utilise des structures à double étage avec un transformateur de courant en tête à faible perméabilité équivalente et un capteur de courant en dérivation basé sur un noyau magnétique à haute perméabilité et grande stabilité fréquentielle tel qu'un tore nanocristallin conventionnel (μ>20 000).

Avec ces tores, on peut fabriquer les capteurs correspondants qui, par rapport aux capteurs connus, présentent les avantages qui résultent directe¬ ment des avantages des tores.