WO1994023305A1 - Dispositif de mesure de courant electrique comportant un capteur sensible au flux magnetique et destine en particulier aux vehicules a propulsion electrique - Google Patents

Dispositif de mesure de courant electrique comportant un capteur sensible au flux magnetique et destine en particulier aux vehicules a propulsion electrique Download PDF

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WO1994023305A1
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measuring device
current
core
measured
probe
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PCT/FR1994/000351
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Michel Berna
Luc Colombel
Rouelle Raholijaona
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Mecagis
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • G01R15/183—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using transformers with a magnetic core
    • G01R15/185—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using transformers with a magnetic core with compensation or feedback windings or interacting coils, e.g. 0-flux sensors
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    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices

Definitions

  • Electric current measuring device comprising a sensor sensitive to magnetic flux and intended in particular for vehicles with electric propulsion.
  • the present invention relates to a device for measuring electric current comprising a sensor sensitive to magnetic flux and intended to measure the intensity of an electric current flowing through at least one electric conductor.
  • zero-flux Hall effect current sensors are used for measuring the intensity of alternating or direct electric currents, in particular in motor vehicles to measure the intensity of the electric current for charging and discharging batteries.
  • Such sensors generally consist of a laminated magnetic core having at least one air gap and on which is disposed at least one zero flux winding, of a Hall effect probe housed in the entre ⁇ iron, supplied with direct current from from two symmetrical sources and delivering an output signal to the input, from an amplifier electronic unit, said amplifier being connected at output to one of the ends of the zero flux winding, and from a measurement resistance of a so-called zero-flow current which is connected, on the one hand, to the opposite end of said zero-flow winding and, on the other hand, to the electrical ground.
  • the electric current to be measured is that which flows through an electric conductor around which the magnetic core of the current sensor is placed.
  • these measuring devices are powered by batteries having a nominal voltage of 16V most often delivering voltages between 9 and 16V. Therefore the measurement devices in addition to the magnetic core, the Hall effect probe, the regulation loop and the measurement resistance, include a DC-DC converter circuit, intended to deliver voltages of + 12V and -12V. This converter whose excursion between the two voltages must be greater than 18V, because imposed by the size of the magnetic circuit, and consequently by the resistance of the compensation winding, or winding of zero flux, complicates the measuring device, increases its size and its cost price.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks.
  • the subject of the present invention is an electrical current measuring device comprising at least one probe sensitive to magnetic flux disposed in the air gap of an annular core intended to be crossed by at least one current conductor to be measured, a compensation winding wound on the core, a measurement resistor connected in series with the compensation winding, characterized in that the magnetic core is an element made of solid material, in that it also comprises a regulation circuit of the supply current of the compensation winding, whatever the direction of the current to be measured, controlled by the output signal of the sensor sensitive to magnetic flux and in that the number of turns of the compensation winding is returned compatible with the current to be measured, the maximum available supply voltage and the measuring range of the device's measuring resistance.
  • the magnetic core has the shape of a torus, the average diameter of this torus is between 10 and 200 mm and preferably between 30 and 50 mm for a rating of 200 to 1000 A .
  • the solid element is constituted by a wire.
  • the solid element is a flat.
  • this flat has a thickness between 0.5 and 2 mm and a width between 1 and 5 mm.
  • the solid element is constituted by a strip, the ends of which form a gap between them and are raised towards the outside of said solid element so as to face the effect probe.
  • this strip has a thickness of between 0.1 and 0.5 mm and a width of between 2 and 5 mm.
  • the magnetic material is an alloy of iron and nickel, for example having the following weight composition:
  • the magnetic material has the following composition:
  • the magnetic material has, after its shaping and any heat treatment, a coercive field less than or equal to 10 Oe.
  • FIG. 1 represents an electrical current measurement device comprising a flow-sensitive probe magnetic 1 such as a Hall effect sensor for example placed in the air gap 2 of an annular core 3 of generally toric shape for example.
  • a flow-sensitive probe magnetic 1 such as a Hall effect sensor for example placed in the air gap 2 of an annular core 3 of generally toric shape for example.
  • the probe can also consist of a magnetoresistor.
  • the core 3 is crossed by a conductor 4 traversed by a current to be measured and carries a compensation winding 5.
  • the probe 1 comprises two supply conductors S1, S3 by means of which it is connected to the terminals of a voltage supply source Vcc such as for example that available on board an electric motor vehicle and which, although designed to deliver a nominal voltage of 16V, generally only delivers a voltage between 9 and 16V.
  • Vcc voltage supply source
  • the probe 1 is connected to the power source respectively by means of polarization resistors R1, R2.
  • the probe 1 also comprises two output conductors which are connected to the terminals S2, S4 of a regulation circuit comprising an amplifier supplied by the voltage Vcc, the inverting terminal of which is connected to the terminal S2 by means of a resistor. R4 and whose non-inverting terminal is connected to the input S4 via a resistor R3.
  • the output of the amplifier VIA is connected via a resistor R6 to the bases of a pair of transistors Q1, Q2 of NPN and PNP types respectively whose emitter-collector paths are connected in series between the supply voltage Vcc and ground.
  • a series RC circuit comprising a resistor R5 and a capacitor Cl.
  • the junction point of the transmitters of the transistors Q1, Q2 is also connected to a first terminal of a measurement resistor 6, the other terminal of which is connected to a first terminal of the compensation winding 5.
  • the output of the amplifier UIA is further connected via a resistor R7 to the inverting input of a second amplifier U1B.
  • a resistor R8 connects this input of the amplifier U1B to its output.
  • the non-inverting input of this amplifier is connected to a voltage divider formed by resistors R9, R10 connected in series between the supply voltage Vcc and ground.
  • the amplifier U1B is also supplied by the voltage Vcc.
  • the output of the amplifier U1B is connected by a resistor R11 to the bases of a second pair of transistors Q3, Q4 of PNP and NPN types respectively whose collector-emitter paths are connected in series between the supply voltage Vcc and the ground and whose junction between the transmitters is connected to the second terminal of the compensation winding 5.
  • the resistance Rc of the compensating winding depends on its length and consequently on the diameter of the section of the core 3 on which is wound the compensating winding 5.
  • the use of a solid magnetic material allows considerably reducing the section of the core 3 so that with an equal number of turns relative to a winding wound on a conventional laminated core, a compensating winding of reduced resistance Rc is obtained.
  • This current II created in the core 3 which surrounds the conductor 4 has a field which is detected by the probe 1.
  • the output voltage of the probe 1 is applied to the terminals S2, S4 and transmitted to the inputs of the amplifier UIA.
  • the output signal of the amplifier UIA is applied to the bases of the transistors Q1, Q2 on the one hand and via the amplifier UIB which reverses it to the bases of the transistors Q3 and Q4 on the other hand.
  • the supply voltage Vcc is applied via the transistor Ql which is made conductive to the measurement resistor 6 and to the compensation winding 5, the resulting current flowing to ground via the emitter path.
  • collector of transistor Q4 also made conductive.
  • the output signal from the sensor 1 When the current to be measured flowing through the conductor 4 is in the opposite direction to that previously indicated, the output signal from the sensor 1 generates at the output of the amplifier UIA a signal in the opposite direction to the previous one which causes the conduction of the transistor Q2 and the transistor Ql blocked.
  • this same signal causes after inversion in the amplifier UIB the conduction of the transistor Q3 and the blocking of the transistor Q4. Consequently, the voltage Vcc is this time applied to the compensation winding 5 and to the measurement resistor in the opposite direction to the previous direction and the resulting current flows to ground via the transistor Q2. made conductive.
  • the magnetic core 3 is formed of a solid element of magnetic material which is in this embodiment a wire of circular section.
  • a diameter of between 1.5 and 10 mm is used, preferably between 2 and 4 mm and for example equal to 2.4 mm.
  • the minimum requirement for the dimensions of the wire, or generally of the solid element 3, in line with the air gap 2 is that the surface of each end 3a or 3b of the solid element is at least equal to that of the active part of the Hall effect probe 1.
  • the wire 3 can also have a rectangular section or another suitable shape.
  • the torus has an average diameter between 10 and 200 mm, preferably between 30 and 50 mm for a rating of 200 to 1000 A and for example equal to 32 mm.
  • the air gap 2 of the torus has a width between 1.7 and 2.1 mm and for example 1.9 mm.
  • the magnetic material is an alloy of iron and nickel of the following weightable composition:
  • the magnetic material has the following composition:
  • This magnetic material must have, after its shaping and any heat treatment, a coercive field less than or equal to 10 mOe in order to guarantee sufficient precision of the current sensor, this being between 0.1 and 1% in the whole measurement range.
  • the compensation winding 5 consists of a copper wire of diameter between 0.15 and 0.25 mm and for example equal to 0.2 mm wound around the torus 3 so as to form a number of turns for example equal to 2500.
  • the length of the wire is such that the total ohmic resistance is less than 20 ohms.
  • This winding 5 can be wound directly on the impregnated toroid 3 without the latter requiring a protective housing.
  • the number of operations for manufacturing the magnetic core 3 is considerably reduced compared to the techniques of the prior art since it boils down to two stages and therefore allows easy implementation.
  • the intensity of the current to be measured is between 200 and 400A and for example of the order of 300A, the supply voltage varying from 9 to 16V.
  • a zero-flow Hall effect current sensor like the one described above, comprises a toroid-shaped magnetic core consisting of a stack, for example of ten washers of a magnetic material identical to the previous thickness equal to 0.3 mm or 0.35 mm and width equal to 6 mm.
  • the torus has an average diameter equal to 32 mm
  • the zero flux winding has a number of turns equal to 2000 made in a wire of diameter equal to 0.15 mm.
  • the magnetic core 3 according to the invention and for example consisting of a wire, has a mechanical strength comparable to that obtained by stacking washers and makes it possible to minimize the volume of magnetic material used to make the core 3, thus leading to a reduction in the current sensor which is always an advantage in the field of transport.
  • the length of the mean winding of the compensation winding 5 has considerably decreased compared to the current sensor of the prior art, which makes it possible to reduce the resistance of this winding 5 by around 30% and to simplify the amplifier electronic block associated with the current sensor.
  • the invention makes it possible to reduce the parasitic capacitances due to the zero flux winding 7 and therefore to increase the working frequencies.
  • the invention also makes it possible to reduce the supply voltage of the current sensor or probe 1 for a current intensity to be measured, a sensor volume and a voltage U at full scale across the terminals of the given measurement resistance.
  • a power supply -12 and + 12V it is also possible to supply the current sensor with monotension, and for example with a battery supply voltage of 9V.
  • the magnetic core 3 can consist of a flat 11 as shown in FIG. 2.
  • This flat 11 has a thickness between 0.5 and 2 mm for example equal to 1 mm, and has a length com ⁇ taken between 1 and 5 mm and for example equal to 3 mm.
  • the solid element 3 made of magnetic material is a strip 12 closed on itself so as to form a torus and the ends 12a and
  • the strip 12 has a thickness between 0.1 and 0.5 mm and a width between 2 and 5 mm, for example, the strip 12 has a thickness of 0.5 mm and a width of 3 mm.
  • ends 12a, 12b are raised at approximately right angles to the rest of the strip 12 and turned towards the outside of the torus (FIG. 3), thus providing a larger strip surface facing the active part of the Hall effect probe 5 housed in the air gap 4.
  • the ends 12a and 12b raised have an equal height and are parallel to each other.
  • the width of these raised ends 12a and 12b is between 0.5 and 5 mm, for example equal to 3 mm.
  • the magnetic core 3 is composed of two parts 13a, 13b, each having a U shape whose branches face each other and provide between them two air gaps 14 intended for the housing two Hall effect probes 15.
  • Each identical part 13a, 13b is formed by a wire, for example of circular section with a diameter equal to 3 mm.
  • the current sensor according to the invention is particularly applicable to vehicles with electric propulsion and makes it possible to measure the intensity of continuous, alternating, direct and alternating pulsed currents up to frequencies of a few tens of kHz, or even a few hundred kHz.
  • the above embodiments are in no way limiting and it is easily understood that the magnetic core can take various forms other than the torus or the double U, the solid element constituting said magnetic core also being able to take various forms. even not described.
  • this technology can be perfectly applied to any other field while retaining the advantages linked to the low manufacturing cost, the low consumption of electric current and the excellent accuracy in measuring the intensity of the current or electric rants.

Abstract

Dispositif de mesure de courant électrique comprenant au moins une sonde (1) sensible au flux magnétique disposée dans l'entrefer (2) d'un noyau annulaire (3) destiné à être traversé par au moins un conducteur (4) de courant à mesurer, un enroulement de compensation (5) bobiné sur le noyau (3), une résistance de mesure (6) connectée en série avec l'enroulement de compensation, caractérisé en ce que le noyau magnétique est un élément en matériau massif, en ce qu'il comporte en outre un circuit (U1A, Q1, Q2, U1B, Q3, Q4) de régulation du courant d'alimentation de l'enroulement de compensation, quel que soit le sens du courant à mesurer, piloté par le signal de sortie du capteur sensible au flux magnétique et en ce que le nombre de spires de l'enroulement de compensation est rendu compatible avec le courant à mesurer, la tension maximale d'alimentation disponible et la plage de mesure de la résistance de mesure du dispositif.

Description

Dispositif de mesure de courant électrique comportant un capteur sensible au flux magnétique et destiné en particulier aux véhicules à propulsion électrique.
La présente invention est relative à un disposi¬ tif de mesure de courant électrique comportant un capteur sensible au flux magnétique et destiné à mesurer 1'inten¬ sité d'un courant électrique parcourant au moins un conducteur électrique.
On sait que les capteurs de courant à effet Hall à flux nul sont utilisés pour la mesure de 1'intensité de courants électriques alternatifs ou continus, notamment dans les véhicules automobiles pour mesurer 1'intensité du courant électrique de charge et de décharge des batteries.
De tels capteurs sont généralement constitués d'un noyau magnétique feuilleté présentant au moins un entrefer et sur lequel est disposé au moins un bobinage de flux nul, d'une sonde à effet Hall logée dans l'entre¬ fer, alimentée en courant continu issu de deux sources symétriques et délivrant un signal de sortie à l'entrée, d'un bloc électronique amplificateur, ledit amplificateur étant connecté en sortie à 1'une des extrémités du bobinage de flux nul, et d'une résistance de mesure d'un courant dit de flux nul qui est reliée, d'une part, à 1'extrémité opposée dudit bobinage de flux nul et d'autre part à la masse électrique.
Le courant électrique à mesurer est celui qui parcourt un conducteur électrique autour duquel est disposé le noyau magnétique du capteur de courant.
D'une façon générale, mais en particulier dans les véhicules automobiles électriques, ces dispositifs de mesure sont alimentés par des batteries ayant une tension nominale de 16V délivrant le plus souvent des tensions comprises entre 9 et 16V. De ce fait les dispositifs de mesure outre le noyau magnétique, la sonde à effet Hall, la boucle de régulation et la résistance de mesure, comportent un circuit convertisseur continu-continu, destiné à délivrer des tensions de +12V et -12V. Ce convertisseur dont 1'excursion entre les deux tensions doit être supérieure à 18V, car imposée par la taille du circuit magnétique, et par conséquent de la résistance de l'enroulement de compensation, ou bobinage de flux nul, complique le dispositif de mesure, augmente son encombre¬ ment et son prix de revient.
Le but de la présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
A cet effet la présente invention a pour objet un dispositif de mesure de courant électrique comprenant au moins une sonde sensible au flux magnétique disposée dans 1'entrefer d'un noyau annulaire destiné à être traversé par au moins un conducteur de courant à mesurer, un enroulement de compensation bobiné sur le noyau, une résistance de mesure connectée en série avec l'enroule¬ ment de compensation, caractérisé en ce que le noyau magnétique est un élément en matériau massif, en ce qu'il comporte en outre un circuit de régulation du courant d'alimentation de l'enroulement de compensation, quel que soit le sens du courant à mesurer, piloté par le signal de sortie du capteur sensible au flux magnétique et en ce que le nombre de spires de 1'enroulement de compensation est rendu compatible avec le courant à mesurer, la tension maximale d'alimentation disponible et la plage de mesure de la résistance de mesure du dispositif.
Selon une première forme de réalisation de l'invention, le noyau magnétique a une forme de tore, le diamètre moyen de ce tore est compris entre 10 et 200 mm et de préférence compris entre 30 et 50 mm pour un calibre de 200 à 1000 A.
Avantageusement, l'élément massif est constitué par un fil.
Selon un autre mode de réalisation de 1'inven¬ tion, l'élément massif est un méplat. Avantageusement, ce méplat a une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm et une largeur comprise entre 1 et 5 mm.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément massif est constitué par une bande dont les extrémités ménagent entre elles l'entrefer et sont relevées vers l'extérieur dudit élément massif de manière à faire face à la sonde à effet Hall. Avantageu¬ sement, cette bande a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm et une largeur comprise entre 2 et 5 mm. Avantageusement, le matériau magnétique est un alliage de fer et de nickel, par exemple possédant la composition pondérale suivante :
Fer : 15%, Nickel : 75% à 82%, Molybdène : 3% à 7%, Cuivre : 0% à 5%. De préférence, le matériau magnétique possède la composition suivante :
Fer : 15%, Nickel : 80%, Molybdène : 5%. En outre, le matériau magnétique possède, après sa mise en forme et un éventuel traitement thermique un champ coercitif inférieur ou égal à 10 Oe.
D'autres caractéristiques et avantages ressorti- ront de la description qui suit d'exemples de réalisation de l'invention, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente le schéma de principe d'un dispositif selon l'invention ;
- la figure 2 représente en section une autre forme de réalisation du noyau magnétique ;
- les figures 3 et 4 représentent en vue de face et de profil un autre mode de réalisation de l'invention; et
- la figure 5 illustre encore un autre mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 représente un dispositif de mesure de courant électrique comportant une sonde sensible au flux magnétique 1 telle qu'un capteur à effet Hall par exemple placée dans 1'entrefer 2 d'un noyau annulaire 3 de forme générale torique par exemple.
La sonde peut également être constituée d'une magnétorésistance.
Le noyau 3 est traversé par un conducteur 4 parcouru par un courant à mesurer et porte un enroulement de compensation 5.
La sonde 1 comporte deux conducteurs d'alimenta- tion SI, S3 au moyen desquels elle est connectée aux bornes d'une source d'alimentation en tension Vcc telle que par exemple celle disponible à bord d'un véhicule automobile électrique et qui bien que prévue pour déli¬ vrer une tension nominale de 16V, ne délivre généralement qu'une tension comprise entre 9 et 16V.
La sonde 1 est connectée à la source d'alimenta¬ tion respectivement par 1'intermédiaire de résistances de polarisation R1,R2.
La sonde 1 comporte en outre deux conducteurs de sortie qui sont connectés aux bornes S2,S4 d'un circuit de régulation comprenant un amplificateur alimenté par la tension Vcc dont la borne inverseuse est connectée à la borne S2 par 1'intermédiaire d'une résistance R4 et dont la borne non inverseuse est connectée à 1'entrée S4 par l'intermédiaire d'une résistance R3.
La sortie de 1'amplificateur VIA est connectée par l'intermédiaire d'une résistance R6 aux bases d'une paire de transistors Q1,Q2 de types NPN et PNP respecti¬ vement dont les trajets émetteur-collecteur sont connec- tés en série entre la tension d'alimentation Vcc et la masse.
Entre la jonction des émetteurs des transistors Q1,Q2 et l'entrée inverseuse de l'amplificateur UIA est connecté un circuit RC série comprenant une résistance R5 et un condensateur Cl. Le point de jonction des émetteurs des transis¬ tors Q1,Q2 est en outre connecté à une première borne d'une résistance de mesure 6 dont 1'autre borne est reliée à une première borne de 1'enroulement de compensa- tion 5.
La sortie de l'amplificateur UIA est en outre connectée par 1'intermédiaire d'une résistance R7 à l'entrée inverseuse d'un second amplificateur U1B. Une résistance R8 relie cette entrée de l'amplificateur U1B à sa sortie.
L'entrée non inverseuse de cet amplificateur est connectée à un diviseur de tension formé de résistances R9,R10 connectées en série entre la tension d'alimenta¬ tion Vcc et la masse. L'amplificateur U1B est également alimenté par la tension Vcc.
La sortie de l'amplificateur U1B est connectée par une résistance Rll aux bases d'une seconde paire de transistors Q3,Q4 de types PNP et NPN respectivement dont les trajets collecteur-émetteur sont connectés en série entre la tension d'alimentation Vcc et la masse et dont la jonction entre les émetteurs est connectée à la seconde borne de 1'enroulement de compensation 5.
Le circuit qui vient d'être décrit doit satis- faire à un certain nombre de conditions.
En supposant que le courant à mesurer parcourant le conducteur 4 a une intensité II et que le courant qui circule dans 1'enroulement de compensation 5 et par conséquent dans la résistance de mesure a une intensité 12 et que l'enroulement de compensation 5 comporte n spires, pour un fonctionnement à flux nul on doit avoir
II j.2 = . n La résistance de mesure 6 ayant une valeur Rm et celle de l'enroulement de compensation 5 ayant une valeur Rc, la relation qui doit être respectée est :
12 (Rm+Rc) < Vcc Par ailleurs la tension aux bornes de la résis¬ tance de mesure Vm ≈ l2Rm est imposée à 5V pour la pleine échelle du courant à mesurer. Il en résulte une relation indispensable à tenir sur toute la gamme d'alimentation disponible et sur toute la gamme de températures Vcc - Vm
Rc < .
Il x n
Or la résistance Rc de 1'enroulement de compensa¬ tion dépend de sa longueur et par conséquent du diamètre de la section du noyau 3 sur lequel est enroulé l'enrou¬ lement de compensation 5. L'utilisation d'un matériau magnétique massif permet de réduire considérablement la section du noyau 3 de sorte qu'à nombre de spires égal par rapport à un enroulement bobiné sur un noyau feuil- leté classique on obtient un enroulement de compensation de résistance Rc réduite.
Le fonctionnement du circuit qui vient d'être décrit est le suivant.
On suppose tout d'abord qu'un courant II à mesurer parcourt le conducteur 4 dans un premier sens.
Ce courant II créé dans le noyau 3 qui entoure le conducteur 4 a un champ qui est détecté par la sonde 1. La tension de sortie de la sonde 1 est appliquée aux bornes S2,S4 et transmise aux entrées de l'amplificateur UIA. Le signal de sortie de l'amplificateur UIA est appliqué aux bases des transistors Q1,Q2 d'une part et par l'intermédiaire de l'amplificateur UIB qui l'inverse aux bases des transistors Q3 et Q4 d'autre part.
On suppose par exemple que le signe de la tension de sortie de la sonde 1 provoque l'apparition à la sortie de l'amplification UIA d'un signal assurant le déblocage du transistor Ql et par conséquent maintenant bloqué le conducteur Q2.
Ce même signal de sortie de l'amplificateur UIA, après inversion dans 1'amplificateur UIB assure le déblocage du transistor Q4.
Par conséquent la tension d'alimentation Vcc est appliquée par 1'intermédiaire du transistor Ql rendu conducteur à la résistance de mesure 6 et à 1'enroulement de compensation 5, le courant qui en résulte s'écoulant vers la masse par le trajet émetteur-collecteur du transistor Q4 rendu également conducteur.
Lorsque le courant à mesurer parcourant le conducteur 4 est de sens contraire à celui précédemment indiqué, le signal de sortie du capteur 1 engendre à la sortie de 1'amplificateur UIA un signal de sens contraire au précédent qui provoque la conduction du transistor Q2 et le blocage du transistor Ql.
D'une façon analogue ce même signal provoque après inversion dans l'amplificateur UIB la conduction du transistor Q3 et le blocage du transistor Q4. Par consé¬ quent la tension Vcc est cette fois appliquée à l'enrou¬ lement de compensation 5 et à la résistance de mesure dans le sens contraire au sens précédent et le courant qui en résulte circule vers la masse par 1'intermédiaire du transistor Q2 rendu conducteur.
On voit donc qu'il est ainsi possible d'assurer la régulation du courant circulant dans 1'enroulement de compensation 5 et dans la résistance de mesure 6 quel que soit le sens du courant à mesurer circulant dans le conducteur 4 traversant le noyau 3 du dispositif.
Avantageusement, le noyau magnétique 3 est formé d'un élément massif en matériau magnétique qui est dans cet exemple de réalisation un fil de section circulaire. Pour un fil de section circulaire, on utilise un diamètre compris entre 1,5 et 10 mm, de préférence compris entre 2 et 4 mm et par exemple égal à 2,4 mm.
La condition minimale requise pour les dimensions du fil, ou de manière générale de l'élément massif 3, au droit de 1'entrefer 2 réside dans le fait que la surface de chaque extrémité 3a ou 3b de l'élément massif soit au moins égale à celle de la partie active de la sonde à effet Hall 1. Le fil 3 peut également posséder une section rectangulaire ou d'une autre forme appropriée.
Le tore a un diamètre moyen compris entre 10 et 200 mm, de préférence compris entre 30 et 50 mm pour un calibre de 200 à 1000 A et par exemple égal à 32 mm.
L'entrefer 2 du tore a une largeur comprise entre 1,7 et 2,1 mm et par exemple de 1,9 mm.
Le matériau magnétique est un alliage de fer et de nickel de composition pondérable suivante:
Fer : 15%, Nickel : 75% à 82%, Molybdène : 3% à 7%, Cuivre : 0% à 5%. De préférence, le matériau magnétique possède la composition suivante :
Fer : 15%, Nickel : 80%, Molybdène : 5%. Ce matériau magnétique doit posséder, après sa mise en forme et un éventuel traitement thermique, un champ coercitif inférieur ou égal à 10 mOe afin de garantir une précision suffisante du capteur de courant, celle-ci étant comprise entre 0,1 et 1% dans toute la gamme de mesure.
La fabrication d'un tel noyau magnétique 3 se résume à l'élaboration du fil, à sa découpe, sa mise en forme pour réaliser le tore, son traitement thermique et 1'opération d'enroulement de 1'enroulement de compensa¬ tion 5. Il convient de noter que le fil est préalablement recouvert d'un vernis pour éviter le contact direct de l'enroulement de compensation 5 et du conducteur électri¬ que primaire 4 avec le matériau magnétique.
L'enroulement de compensation 5 est constitué d'un fil de cuivre de diamètre compris entre 0,15 et 0,25 mm et par exemple égal à 0,2 mm enroulé autour du tore 3 de manière à former un nombre de spires par exemple égal à 2500.
La longueur du fil est telle que la résistance ohmique totale est inférieure à 20 ohms. Cet enroulement 5 peut être enroulé directement sur le tore imprégné 3 sans que celui-ci nécessite un boîtier de protection.
Ainsi, le nombre d'opérations pour la fabrication du noyau magnétique 3 est considérablement réduit par rapport aux techniques de l'art antérieur puisqu'il se résume à deux étapes et permet donc une mise en oeuvre aisée.
Par ailleurs, la fabrication d'un tel capteur de courant continu occasionne une réduction de 50 à 75% du coût suivant le calibre envisagé par rapport à un capteur de courant de 1'art antérieur.
Ce gain se répartit de façon sensiblement égale entre la matière première et les étapes de fabrication du capteur de courant. En outre, le traitement thermique du noyau magnétique 3 est effectué après la mise en forme du tore, ce qui procure à celui-ci les caractéristiques optimales, par exemple un champ coercitif minimal, qui ne seront pas altérées par une mise en forme ultérieure comme dans l'art antérieur.
Dans le mode de réalisation décrit, l'intensité du courant à mesurer est comprise entre 200 et 400A et par exemple de l'ordre de 300A, la tension d'alimentation variant de 9 à 16V. Selon l'art antérieur, un capteur de courant à effet Hall à flux nul comme celui précédemment décrit, comprend un noyau magnétique en forme de tore constitué d'un empilage par exemple de dix rondelles d'un matériau magnétique identique au précédent d'épaisseur égale à 0,3 mm ou 0,35 mm et de largeur égale à 6 mm.
Le tore a un diamètre moyen égal à 32 mm, le bobinage de flux nul possède un nombre de spires égal à 2000 réalisées dans un fil de diamètre égal à 0,15 mm. Ainsi, le noyau magnétique 3 selon l'invention, et par exemple constitué d'un fil, possède une tenue mécanique comparable à celle que procure l'empilage de rondelles et permet de minimiser le volume de matériau magnétique employé pour réaliser le noyau 3, conduisant ainsi à un allégement du capteur de courant ce qui est toujours un atout dans le domaine des transports.
Par ailleurs, la longueur de la spire moyenne de 1'enroulement de compensation 5 a considérablement diminué par rapport au capteur de courant de l'art antérieur ce qui permet de réduire la résistance de ce bobinage 5 d'environ 30% et de simplifier le bloc élec¬ tronique amplificateur associé au capteur de courant.
L'invention permet de diminuer les capacités parasites dues au bobinage de flux nul 7 et donc d'aug- menter les fréquences de travail.
L'invention permet également de réduire la tension d'alimentation du capteur ou sonde de courant 1 pour une intensité de courant à mesurer, un volume de capteur et une tension U à pleine échelle aux bornes de la résistance de mesure donnés. Ainsi, au lieu d'utiliser une alimentation -12 et +12V, il est également possible d'alimenter le capteur de courant en monotension, et par exemple avec une tension d'alimentation batterie de 9V. Selon un deuxième mode de réalisation, le noyau magnétique 3 peut être constitué par un méplat 11 tel que représenté sur la figure 2.
Ce méplat 11 a une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm par exemple égale à 1 mm, et a une longueur com¬ prise entre 1 et 5 mm et par exemple égale à 3 mm.
Selon un troisième mode de réalisation illustré par les figures 3 et 4, l'élément massif 3 en matériau magnétique est une bande 12 refermée sur elle même de manière à former un tore et dont les extrémités 12a et
12b se faisant face ménagent entre elles un entrefer 4.
La bande 12 a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm et une largeur comprise entre 2 et 5 mm, par exemple, la bande 12 a une épaisseur de 0,5 mm et une largeur de 3 mm.
Ces extrémités 12a,12b sont relevées à peu près à angle droit par rapport au reste de la bande 12 et tournées vers 1'extérieur du tore (figure 3), offrant ainsi une plus grande surface de bande en regard de la partie active de la sonde à effet Hall 5 logée dans 1'entrefer 4.
Les extrémités 12a et 12b relevées ont une hauteur égale et sont parallèles entre elles.
La largeur de ces extrémités 12a et 12b relevées est comprise entre 0,5 et 5 mm est par exemple égale à 3 mm.
La hauteur de ces extrémités 12a et 12b relevées est comprise entre 0,5 et 5 mm est par exemple égale à 3 mm. Tel que représenté à la figure 5 selon un qua¬ trième mode de réalisation, le noyau magnétique 3 est composé de deux parties 13a, 13b, chacune ayant une forme de U dont les branches se font face et ménagent entre elles deux entrefers 14 destinés au logement de deux sondes à effet Hall 15. Chaque partie 13a,13b identique est formée par un fil, par exemple de section circulaire de diamètre égal à 3 mm.
Le capteur de courant selon 1'invention s'ap- plique tout particulièrement aux véhicules à propulsion électrique et permet de mesurer 1'intensité de courants continus, alternatifs, continus et alternatifs superpo¬ sés, impulsionnels jusqu'à des fréquences de quelques dizaines de kHz, voire de quelques centaines de kHz. Les modes de réalisation précédents ne sont en aucune manière limitatifs et l'on conçoit aisément que le noyau magnétique peut prendre des formes diverses autres que le tore ou le double U, l'élément massif constituant ledit noyau magnétique pouvant lui aussi revêtir des formes variées même non décrites.
En outre, cette technologie peut parfaitement s'appliquer à tout autre domaine en conservant les avantages liés au faible coût de fabrication, à la faible consommation de courant électrique et à 1'excellente précision dans la mesure de 1'intensité du ou des cou¬ rants électriques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de courant électrique comprenant au moins une sonde (1) sensible au flux magnétique disposée dans l'entrefer (2) d'un noyau annulaire (3) destiné à être traversé par au moins un conducteur (4) de courant à mesurer, un enroulement de compensation (5) bobiné sur le noyau (3), une résistance de mesure (6) connectée en série avec 1'enroulement de compensation, caractérisé en ce que le noyau magnétique est un élément en matériau massif, en ce qu'il comporte en outre un circuit (U1A,Q1,Q2,U1B,Q3,Q4) de régulation du courant d'alimentation de l'enroulement de compensa¬ tion, quel que soit le sens du courant à mesurer, piloté par le signal de sortie du capteur sensible au flux magnétique et en ce que le nombre de spires de l'enroule¬ ment de compensation est rendu compatible avec le courant à mesurer, la tension maximale d'alimentation disponible et la plage de mesure de la résistance de mesure du dispositif.
2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de régulation comporte un premier amplificateur (UIA) aux bornes d'entrée duquel est connectée la sonde (1) et dont la sortie est connec¬ tée aux bases d'une première paire de transistors (Ql,Q2) de types PNP et NPN dont les trajets émetteur-collecteur sont connectés entre la tension d'alimentation Vcc et la masse, la jonction des collecteurs de ces transistors étant connectée en série avec la résistance de mesure (6) à une première borne de 1'enroulement de compensation (5) et un second amplificateur inverseur (UIB) connecté par sa borne inverseuse à la sortie du premier amplificateur (UIA) et dont la sortie est connectée aux bases d'une seconde paire de transistors (Q3,Q4) de types PNP et NPN, dont les trajets émetteur-collecteur sont connectés en série entre la tension d'alimentation Vcc et la masse, la jonction des collecteurs de ces transistors étant connec¬ tée à la seconde borne de 1'enroulement de compensation (5).
3. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau magnétique (3) a une forme de tore.
4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tore a un diamètre moyen compris entre 10 et 200 mm et de préférence compris entre 30 et 50 mm pour un calibre de 200 à 1000A.
5. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1'entrefer (2) du noyau magnétique (3) a une largeur comprise entre 1,7 et 2,1 mm.
6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément massif est constitué par un fil.
7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fil a une section circulaire.
8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fil a un diamètre compris entre
1,5 et 10 mm et de préférence compris entre 2 et 4 mm.
9. Dispositif de mesure selon 1'une des revendi¬ cations 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément massif est un méplat (11).
10. Dispositif de mesure selon la revendication
9, caractérisé en ce que le méplat (11) a une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 mm et une largeur comprise entre 1 et 5 mm.
11. Dispositif de mesure selon l'une des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément massif est constitué par une bande (12) dont les extrémités (12a, 12b) ménagent entre elles l'entrefer (4) et sont relevées vers l'extérieur dudit élément massif de manière à faire face à la sonde à effet Hall (5).
12. Dispositif de mesure selon la revendication 11, caractérisé en ce que la bande (12) a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm et une largeur comprise entre 2 et 5 mm.
13. Dispositif de mesure selon l'une des revendi¬ cations 11 et 12, caractérisé en ce que les extrémités relevées (12a,12b) de la bande (12) offrent une surface en regard de la sonde de mesure (1) dont la largeur est comprise entre 2 et 5 mm et dont la hauteur est comprise entre 0,5 et 5 mm.
14. Dispositif de mesure selon l'une des revendi¬ cations 1 à 13, caractérisé en ce que le matériau magné¬ tique est un alliage de fer et de nickel.
15. Dispositif de mesure selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'alliage possède la composi¬ tion pondérale suivante :
Fer : 15%, Nickel : 75% à 82%, Molybdène : 3% à 7%, Cuivre : 0% à 5%.
16. Dispositif de mesure suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le noyau magnétique (3) est composé de deux parties (13a,13b), chacune ayant une forme de U dont les branches se font face et ménagent entre elles deux entrefers (14) recevant chacun une sonde de mesure (15).
17. Dispositif de mesure selon l'une des revendi¬ cations précédentes, caractérisé en ce que le matériau magnétique possède, après sa mise en forme et un éventuel traitement thermique, un champ coercitif inférieur ou égal à 10 mOe.
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