EP0214897A1 - Method of making a small-sized toroidal coil with an optimum geometry - Google Patents

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EP0214897A1
EP0214897A1 EP86401786A EP86401786A EP0214897A1 EP 0214897 A1 EP0214897 A1 EP 0214897A1 EP 86401786 A EP86401786 A EP 86401786A EP 86401786 A EP86401786 A EP 86401786A EP 0214897 A1 EP0214897 A1 EP 0214897A1
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EP
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cylinder
cylinders
grooves
strands
winding
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Withdrawn
Application number
EP86401786A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Roland Blanpain
André Dumont
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F17/06—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with core substantially closed in itself, e.g. toroid
    • H01F17/062—Toroidal core with turns of coil around it
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/06—Coil winding
    • H01F41/08—Winding conductors onto closed formers or cores, e.g. threading conductors through toroidal cores
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/4902—Electromagnet, transformer or inductor
    • Y10T29/49073—Electromagnet, transformer or inductor by assembling coil and core

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing a toroidal winding of small dimensions and optimal geometry. It finds a privileged application in the production of so-called sampling windings which occur in magnetometers of the ferromagnetic thin layer type.
  • a magnetometer is described in the publication of French patent FR-A-2 198 146. It comprises an insulating cylinder, for example made of quartz, on which a thin ferromagnetic layer is deposited. This layer has a circumferential axis of easy magnetization.
  • Such a device has a sampling winding which is toroidal in shape and which is wound around the cross section of the cylinder supporting the thin layer.
  • FIG. 1 very schematically represents the shape of this winding.
  • a hollow cylinder 10 intended to support the magnetic layer (not shown) and a toric winding 12 whose turns are supposed to be in radial planes, that is to say in planes passing through the axis 13 of the cylinder.
  • the winding is wound by hand.
  • the orientation of the turns is not perfect. If certain turns, such as turn 12a, are well located in a radial plane, others, such as turn 12b, are inclined relative to such a plane. Other even more troublesome faults are visible on the turns 12c and 12d.
  • the object of the present invention is precisely to eliminate this drawback by proposing a method which makes it possible to obtain turns wholly located strictly in radial planes.
  • the dimensions of the torus on which the winding is to be carried out are very small: the inside diameter is of the order of a millimeter and the outside diameter of the order of a few millimeters. It is precisely because of these small dimensions that the winding carried out by hand necessarily has imperfections.
  • the two cylinders 22 and 23 are arranged one above the other along the same axis, and are oriented so that the N grooves of one of the cylinders are aligned with the N grooves of the other and with the common axis of the cylinders to form N angularly equidistant radial planes of z: (as illustrated in Figure 3).
  • N pins are made of conductive wire 30, each pin being formed of two parallel strands 31 and 32 and an elbow 33 connecting them.
  • the conductive wire used has a sufficiently small diameter that it can be introduced into the grooves 25 and 26 formed in the cylinders 22 and 23. These N pins are then introduced into the N grooves, a strand of a pin being placed in one groove of the cylinder 22 and the other strand of the same pin in the groove of the cylinder 23 located in the same radial plane.
  • Figure 5 shows the assembly in top view where we see the elbows 33 of the pins all located in radial planes.
  • FIG. 6 shows the assembly in a view from below where we see how we pass from one turn to the next through a connection point 35.
  • FIG. 7 illustrates the final arrangement obtained at the end of the process. We see in particular the saturation wire 40 placed in the center of the inner cylinder 22.
  • the support for the ferromagnetic thin layer is a quartz cylinder with an outside diameter of 2 mm and an inside diameter of 1 mm.
  • the thin layer is deposited on the periphery of this cylinder by a vacuum deposition operation.
  • These two auxiliary tubes, interior and exterior, are made of quartz or ceramic.
  • the inner tube is a hollow cylinder with an outside diameter of 1 mm, pierced with a channel of 0.3 mm in diameter, this channel being crossed by a copper wire which constitutes a saturation wire. This allows, on the one hand. to polarize the magnetization of the layer by saturating it and, on the other hand, to reinforce the anisotropy of the thin layer.
  • the grooves have a rectangular section of width 0.08 mm, a value which is very close to that of the diameter of the wire forming the winding (enamel diameter included 0.075). This dimension limits the number of turns of the winding to 20, the pitch being 18 °, this in order to preserve a sufficient quantity of material between each groove of the inner cylinder (see FIG. 7).
  • Machining a hundredth of a millimeter minimizes the angular error between the normal to the turns of the circuit and the tangent to the easy axis of the thin layer (circumferential axis) at a value of about 3,10- 4 radian either 0 , 02 °.
  • the process which has just been described, in addition to the advantages which have just been outlined, has the advantage of allowing optimization of the number of turns and their diameter as will be explained now.
  • the excitation frequency of the magnetometer is of the order of 1.5 MHz. The choice of this value results from a study to minimize the noise of the magnetometer. At this frequency, the skin thickness of the copper is 54 ⁇ m.
  • N being the number of turns of the circuit
  • K a constant
  • d the diameter of the wire and the thickness of skin.
  • Figure 8 shows the variations of the function h (a) as a function of a. This function decreases very quickly when a increases from 0 (decrease in a- near 0).
  • grooves have been presented as formed by rectangular grooves. In fact, any shape is suitable (cylindrical bottom, roof, etc.).

Abstract

Procédé de réalisation d'un enroulement torique de faibles dimensions. Pour réaliser un enroulement dont les spires sont parfaitement radiales par rapport à un cylindre (10), on utilise un cylindre intérieur (22) et un cylindre extérieur (23) percé de rainures (25, 26) disposées le long des génératrices de ces cylindres. Des boucles conductrices (30) en forme d'épingles sont introduites dans ces rainures et soudées l'une à l'autre. Application à la réalisation de magnétomètres à couche mince ferromagnétique de grande stabilité.Method for producing a small toroidal winding. To produce a winding whose turns are perfectly radial with respect to a cylinder (10), an inner cylinder (22) and an outer cylinder (23) pierced with grooves (25, 26) arranged along the generatrices of these cylinders are used. . Conductive loops (30) in the form of pins are introduced into these grooves and welded to each other. Application to the production of ferromagnetic thin layer magnetometers of high stability.

Description

La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un enroulement torique de faibles dimensions et de géométrie optimale. Elle trouve une application privilégiée dans la réalisation d'enroulements dits de prélèvement qui interviennent dans les magnétomètres du type à couche mince ferromagnétique. Un tel magnétomètre est décrit dans la publication de brevet français FR-A-2 198 146. Il comprend un cylindre isolant, par exemple en quartz, sur lequel est déposée une couche mince ferromagnétique. Cette couche présente un axe circonférentiel de facile aimantation. Un tel dispositif possède un enroulement de prélèvement qui est de forme torique et qui est bobiné autour de la section droite du cylindre supportant la couche mince. La figure 1 représente très schématiquement l'allure de ce bobinage. On y voit un cylindre creux 10 destiné à supporter la couche magnétique (non représentée) et un enroulement torique 12 dont les spires sont censées être dans des plans radiaux, c'est-à-dire dans des plans passant par l'axe 13 du cylindre. Dans l'art antérieur, compte tenu de ses faibles dimensions, l'enroulement est bobiné à la main. De ce fait, l'orientation des spires n'est pas parfaite. Si certaines spires, comme la spire 12a, sont bien situées dans un plan radial, d'autres, comme la spire 12b, sont inclinées par rapport à un tel plan. D'autres défauts encore plus gênants sont visibles sur les spires 12c et 12d. Il s'ensuit, dans ces différentes spires, d'une part, un couplage direct entre la bobine d'excitation et l'enroulement de prélèvement et, d'autre part, un désalignement entre la normale à ces spires et l'axe facile circonférentiel. Ces deux anomalies sont à l'origine de dérives, d'erreurs et de non reproductibilité d'un magnétomètre à l'autre.The present invention relates to a process for producing a toroidal winding of small dimensions and optimal geometry. It finds a privileged application in the production of so-called sampling windings which occur in magnetometers of the ferromagnetic thin layer type. Such a magnetometer is described in the publication of French patent FR-A-2 198 146. It comprises an insulating cylinder, for example made of quartz, on which a thin ferromagnetic layer is deposited. This layer has a circumferential axis of easy magnetization. Such a device has a sampling winding which is toroidal in shape and which is wound around the cross section of the cylinder supporting the thin layer. FIG. 1 very schematically represents the shape of this winding. We can see a hollow cylinder 10 intended to support the magnetic layer (not shown) and a toric winding 12 whose turns are supposed to be in radial planes, that is to say in planes passing through the axis 13 of the cylinder. In the prior art, given its small dimensions, the winding is wound by hand. As a result, the orientation of the turns is not perfect. If certain turns, such as turn 12a, are well located in a radial plane, others, such as turn 12b, are inclined relative to such a plane. Other even more troublesome faults are visible on the turns 12c and 12d. It follows, in these different turns, on the one hand, a direct coupling between the excitation coil and the sampling winding and, on the other hand, a misalignment between the normal to these turns and the easy axis circumferential. These two anomalies are the cause of drifts, errors and non-reproducibility from one magnetometer to another.

La presente invention a justement pour but d'éliminer cet inconvénient en proposant un procédé qui permet d'obtenir des spires situées toutes rigoureusement dans des plans radiaux.The object of the present invention is precisely to eliminate this drawback by proposing a method which makes it possible to obtain turns wholly located strictly in radial planes.

Pour que soit mieux appréciée la difficulté résolue par l'invention, il faut souligner que les dimensions du tore sur lequel l'enroulement doit être réalisé sont très petites : le diamètre intérieur est de l'ordre du millimètre et le diamètre extérieur de l'ordre de quelques millimètres. C'est précisément en raison de ces faibles dimensions que le bobinage effectué à la main présente nécessairement des imperfections.In order for the difficulty solved by the invention to be better appreciated, it should be emphasized that the dimensions of the torus on which the winding is to be carried out are very small: the inside diameter is of the order of a millimeter and the outside diameter of the order of a few millimeters. It is precisely because of these small dimensions that the winding carried out by hand necessarily has imperfections.

Le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à :

  • - réaliser un deuxième cylindre isolant ayant un diamètre extérieur égal au diamètre intérieur du premier cylindre creux sur lequel on veut réaliser l'enroulement,
  • - réaliser un troisième cylindre isolant ayant un diamètre intérieur égal au diamètre extérieur du premier cylindre creux,
  • - usiner à la surface extérieure du deuxième et du troisième cylindres N rainures parallèles aux génératrices de ces cylindres et régulièrement espacées,
  • - réaliser N épingles en fil conducteur, chaque épingle étant formee de deux brins parallèles et d'un coude les reliant. ce fil conducteur ayant un diamètre suffisamment fable pour qu'il puisse être introduit dans les rainures pratiquées dans les cylindres avec un diamètre extérieur très voisin de la largeur d'une rainure pour éviter les défauts du type 12c et 12d,
  • - disposer le premier et le second cylindres isolants l'un au-dessus de l'autre et selon un même axe, et les orienter de telle sorte que les N rainures d'un des cylindres soient alignées avec les N encoches de l'autre et avec l'axe commun des cylindres pour former N plans radiaux angulairement équidistants,
  • - introduire les N épingles dans les N rainures ainsi disposées, un brin d'une épingle étant disposé dans une rainure du deuxième cylindre et l'autre brin de la même épingle dans la rainure du troisième cylindre situé dans le même plan radial,
  • - introduire le deuxième cylindre isolant avec ses brins à l'intérieur du premier cylindre creux et passer le troisième cylindre avec ses brins autour du premier cylindre creux,
  • - connecter électriquement les extrémités des brins sortant de chaque rainure du deuxième cylindre sauf un, avec l'extrémité du brin sortant de la rainure du troisième cylindre située dans le plan radial adjacent, les deux brins qui restent non connectés formant deux connexions pour l'enroulement.
The method of the invention is characterized in that it consists in:
  • - make a second insulating cylinder having an outside diameter equal to the inside diameter of the first hollow cylinder on which we want to make the winding,
  • - produce a third insulating cylinder having an inside diameter equal to the outside diameter of the first hollow cylinder,
  • - machining on the outer surface of the second and third cylinders N grooves parallel to the generatrices of these cylinders and regularly spaced,
  • - make N pins as a conducting wire, each pin being formed by two parallel strands and an elbow connecting them. this conducting wire having a sufficiently reliable diameter so that it can be introduced into the grooves made in the cylinders with an outside diameter very close to the width of a groove to avoid defects of the type 12c and 12d,
  • - arrange the first and second insulating cylinders one above the other and along the same axis, and orient them so that the N grooves of one of the cylinders are aligned with the N notches of the other and with the common axis of the cylinders to form N angularly equidistant radial planes,
  • - introduce the N pins into the N grooves thus arranged, one strand of a pin being disposed in a groove of the second cylinder and the other strand of the same pin in the groove of the third cylinder located in the same radial plane,
  • - introduce the second insulating cylinder with its strands inside the first hollow cylinder and pass the third cylinder with its strands around the first hollow cylinder,
  • - electrically connect the ends of the strands leaving each groove of the second cylinder except one, with the end of the strand leaving the groove of the third cylinder situated in the adjacent radial plane, the two strands which remain unconnected forming two connections for the winding.

De toutes façons, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels :

  • - la figure 1, déjà décrite, représente un enroulement torique selon l'art antérieur,
  • - la figure 2 représente une coupe axiale de deux cylindres intérieur et extérieur utilisés pour mettre en place des épingles conductrices,
  • - la figure 3 est une vue en bout des deux cylindres,
  • - la figure 4 montre, en coupe axiale, l'ensemble connecté,
  • - la figure 5 montre cet ensemble en vue de dessus,
  • - la figure 6 montre cet ensemble en vue de dessous,
  • - la figure 7 est une coupe transversale de l'ensemble,
  • - la figure 8 est une courbe permettant de déterminer les caractéristiques optimales de l'enroulement.
In any case, the characteristics of the invention will appear better after the description which follows, of an exemplary embodiment given by way of explanation and in no way limiting. This description refers to attached drawings in which:
  • FIG. 1, already described, represents a toroidal winding according to the prior art,
  • FIG. 2 represents an axial section of two inner and outer cylinders used to set up conductive pins,
  • FIG. 3 is an end view of the two cylinders,
  • FIG. 4 shows, in axial section, the connected assembly,
  • FIG. 5 shows this assembly in top view,
  • FIG. 6 shows this assembly in bottom view,
  • FIG. 7 is a cross section of the assembly,
  • - Figure 8 is a curve for determining the optimal characteristics of the winding.

Sur les figures 2 et 3, on voit un cylindre isolant 22 ayant un diamètre extérieur D2 égal au diamètre intérieur du cylindre creux sur lequel on veut réaliser l'enroulement et un cylindre isolant 23 ayant un diamètre intérieur D3 égal au diamètre extérieur du cylindre creux. Pour des raisons qui tiennent à la structure du magnétomètre, le cylindre 22 est creux lui aussi. ce qui permettra, à la fin du procédé, d'y introduire un fil dit de saturation. A la surface extérieure de ces cylindres sont usinées N rainures 25 et 26 parallèles aux génératrices et espacées l'une de l'autre de 2n N (comme on le voit mieux sur la figure 3).In Figures 2 and 3, we see an insulating cylinder 22 having an outer diameter D2 equal to the inner diameter of the hollow cylinder on which we want to make the winding and an insulating cylinder 23 having an inner diameter D3 equal to the outer diameter of the hollow cylinder . For reasons related to the structure of the magnetometer, the cylinder 22 is also hollow. which will allow, at the end of the process, to introduce a so-called saturation wire. On the outer surface of these cylinders are machined N grooves 25 and 26 parallel to the generatrices and spaced from each other by 2n N (as best seen in Figure 3).

Les deux cylindres 22 et 23 sont disposés l'un au-dessus de l'autre selon un même axe, et sont orientés de telle sorte que les N rainures d'un des cylindres soient alignées avec les N rainures de l'autre et avec l'axe commun des cylindres pour former N plans radiaux angulairement équidistants de z: (comme illustré sur la figure 3).The two cylinders 22 and 23 are arranged one above the other along the same axis, and are oriented so that the N grooves of one of the cylinders are aligned with the N grooves of the other and with the common axis of the cylinders to form N angularly equidistant radial planes of z: (as illustrated in Figure 3).

Par ailleurs, on réalise N épingles en fil conducteur 30, chaque épingle étant formée de deux brins parallèles 31 et 32 et d'un coude 33 les reliant. Le fil conducteur utilisé a un diamètre suffisamment faible pour qu'il puisse être introduit dans les rainures 25 et 26 pratiquées dans les cylindres 22 et 23. On introduit ensuite ces N épingles dans les N rainures, un brin d'une épingle étant disposé dans une rainure du cylindre 22 et l'autre brin de la même épingle dans la rainure du cylindre 23 situé dans le même plan radial.Furthermore, N pins are made of conductive wire 30, each pin being formed of two parallel strands 31 and 32 and an elbow 33 connecting them. The conductive wire used has a sufficiently small diameter that it can be introduced into the grooves 25 and 26 formed in the cylinders 22 and 23. These N pins are then introduced into the N grooves, a strand of a pin being placed in one groove of the cylinder 22 and the other strand of the same pin in the groove of the cylinder 23 located in the same radial plane.

On introduit ensuite le cylindre 22 avec ses brins à l'intérieur du cylindre 10 support de la couche magnétique et l'on passe le cylindre 23 avec ses brins autour du cylindre creux 10. On obtient alors un ensemble tel que celui qui est illustré sur la figure 4 avec un cylindre 10, un cylindre intérieur 22 et un cylindre extérieur 23. Il reste à connecter électriquement les extrémités des différents brins. Pour cela, on relie l'extrémité des brins sortant de chaque rainure du cylindre intérieur 22 avec l'extrémité du brin sortant de la rainure du cylindre extérieur 23 située dans le plan radial adjacent.Then the cylinder 22 with its strands is introduced inside the cylinder 10 supporting the magnetic layer and the cylinder 23 with its strands is passed around the hollow cylinder 10. This gives an assembly such as that which is illustrated on Figure 4 with a cylinder 10, an inner cylinder 22 and an outer cylinder 23. It remains to electrically connect the ends of the different strands. For this, the end of the strands exiting from each groove of the inner cylinder 22 is connected with the end of the strand exiting from the groove of the outer cylinder 23 situated in the adjacent radial plane.

La figure 5 montre l'ensemble en vue de dessus où l'on voit les coudes 33 des épingles tous situés dans des plans radiaux. La figure 6 montre l'ensemble en vue de dessous où l'on voit comment l'on passe d'une spire à la suivante par un point de connexion 35.Figure 5 shows the assembly in top view where we see the elbows 33 of the pins all located in radial planes. FIG. 6 shows the assembly in a view from below where we see how we pass from one turn to the next through a connection point 35.

On obtient ainsi un enroulement continu dont les extrémités sont accessibles par les deux brins 36 et 38 qui n'ont pas été interconnectés.A continuous winding is thus obtained, the ends of which are accessible by the two strands 36 and 38 which have not been interconnected.

Compte tenu de la forme des rainures qui guident le fil conducteur rigoureusement selon les génératrices des cylindres intérieur et extérieur, il est clair que les spires d'un tel enroulement sont situées exactement dans des plans radiaux.Given the shape of the grooves which guide the conductor rigorously along the generatrices of the inner and outer cylinders, it is clear that the turns of such a winding are located exactly in radial planes.

La figure 7 illustre la disposition finale obtenue en fin de procédé. On y voit notamment le fil de saturation 40 disposé au centre du cylindre intérieur 22.FIG. 7 illustrates the final arrangement obtained at the end of the process. We see in particular the saturation wire 40 placed in the center of the inner cylinder 22.

A titre purement explicatif, il peut être indiqué que le Demandeur a réalisé un dispositif de ce genre dans les conditions suivantes. Le support de la couche mince ferromagnétique est un cylindre de quartz de diamètre extérieur 2 mm et de diamètre intérieur 1 mm. La couche mince est déposée sur la périphérie de ce cylindre par une opération de dépôt sous vide. Ces deux tubes auxiliaires, intérieur et extérieur, sont en quartz ou en céramique. Le tube intérieur est un cylindre creux de diamètre extérieur 1 mm, percé d'un canal de 0.3 mm de diamètre, ce canal étant traversé par un fil de cuivre qui constitue un fil de saturation. Celuil-ci permet, d'une part. de polariser l'aimantation de la couche en la saturant et, d'autre part, de renforcer l'anisotropie de la couche mince.For purely explanatory purposes, it may be indicated that the Applicant has produced a device of this type under the following conditions. The support for the ferromagnetic thin layer is a quartz cylinder with an outside diameter of 2 mm and an inside diameter of 1 mm. The thin layer is deposited on the periphery of this cylinder by a vacuum deposition operation. These two auxiliary tubes, interior and exterior, are made of quartz or ceramic. The inner tube is a hollow cylinder with an outside diameter of 1 mm, pierced with a channel of 0.3 mm in diameter, this channel being crossed by a copper wire which constitutes a saturation wire. This allows, on the one hand. to polarize the magnetization of the layer by saturating it and, on the other hand, to reinforce the anisotropy of the thin layer.

Les rainures ont une section rectangulaire de largeur 0,08 mm, valeur qui est très proche de celle du diamètre du fil formant l'enroulement (diamètre émail compris 0,075). Cette dimension limite à 20 le nombre de spires de l'enroulement, le pas étant de 18°, ceci afin de conserver une quantité suffisante de matière entre chaque rainure du cylindre intérieur (voir figure 7).The grooves have a rectangular section of width 0.08 mm, a value which is very close to that of the diameter of the wire forming the winding (enamel diameter included 0.075). This dimension limits the number of turns of the winding to 20, the pitch being 18 °, this in order to preserve a sufficient quantity of material between each groove of the inner cylinder (see FIG. 7).

Un usinage au centième de millimètre minimise l'erreur angulaire entre la normale aux spires du circuit et la tangente à l'axe facile de la couche mince (axe circonférentiel) à une valeur de l'ordre de 3,10-4 radian soit 0,02° .Machining a hundredth of a millimeter minimizes the angular error between the normal to the turns of the circuit and the tangent to the easy axis of the thin layer (circumferential axis) at a value of about 3,10- 4 radian either 0 , 02 °.

Le procédé qui vient d'être décrit, en plus des avantages qui viennent d'être soulignés, présente celui de permettre une optimisation du nombre de spires et de leur diamètre comme on va l'expliquer maintenant. La fréquence d'excitation du magnétomètre est de l'ordre de 1,5 MHz. Le choix de cette valeur résulte d'une étude de minimisation du bruit du magnétomètre. A cette fréquence, l'épaisseur de peau du cuivre est de 54 pm.The process which has just been described, in addition to the advantages which have just been outlined, has the advantage of allowing optimization of the number of turns and their diameter as will be explained now. The excitation frequency of the magnetometer is of the order of 1.5 MHz. The choice of this value results from a study to minimize the noise of the magnetometer. At this frequency, the skin thickness of the copper is 54 µm.

L'application de la loi d'Ohm à un fil cylindrique de diamètre dpermet de calculer la résistance R de ce fil à un fréquence f en fonction de la valeur Ro de la résistance en continu. La relation est :

Figure imgb0001
Applying Ohm's law to a cylindrical wire of diameter allows the resistance R of this wire to be calculated at a frequency f as a function of the value Ro of the resistance continuously. The relation is:
Figure imgb0001

N étant le nombre de spires du circuit, K une constante, d le diamètre du fil et l'épaisseur de peau. On peut écrire :

Figure imgb0002
où g(a) est une donction de a.N being the number of turns of the circuit, K a constant, d the diameter of the wire and the thickness of skin. We can write :
Figure imgb0002
 where g (a) is a donation of a.

L'optimisation du circuit consiste à maximiser le rapport signal à bruit thermique. Le signal S est de la forme S = βN2 (puissance de signal dans une bnade de 1 Hz) où est un ccoefficient ; le bruit B est de la forme B = 4kTR (puissance de bruit dans une bande de 1 Hz) où k est la constant de Boltzman, T la température exprimée en Kelvins. On a donc un rapport signal à bruit de la forme :

Figure imgb0003
où a est un coefficient indépendant de N et de R. Rendre
Figure imgb0004
maximum revient donc à rendre
Figure imgb0005
 minimum. Or, on ne peut augmenter N indéfiniment car il existe une limite fixée par le fait que le produit Nd est au maximum égal à la circonférence C du cylindre intérieur. pour Nd = C, les spires seront jointives et pour Nd =
Figure imgb0006
, on aura la situation de la figure 7 avec une épaisseur de matière égale à la largeur d'une rainure. Pour un tube donné. Nd est donc limité à une valeur C' (par exemple égale à
Figure imgb0007
). On a donc :
Figure imgb0008
Il faut donc minimiser la quantité Rd2. Or. R a été calculé plus haut :
Figure imgb0009
ON a donc Rd2 = KN g(a)

  • soit KC'
    Figure imgb0010
  • soit encore K' h (a)
  • où h(a) est la fonction a(a - 1 + e-a) - et K' une constante.
Optimizing the circuit consists in maximizing the signal to thermal noise ratio. The signal S is of the form S = βN 2 (signal power in a band of 1 Hz) where is a ccoefficient; the noise B is of the form B = 4kTR (noise power in a band of 1 Hz) where k is the Boltzman constant, T the temperature expressed in Kelvins. We therefore have a signal-to-noise ratio of the form:
Figure imgb0003
 where a is a coefficient independent of N and R. Make
Figure imgb0004
 maximum therefore amounts to rendering
Figure imgb0005
 minimum. However, one cannot increase N indefinitely because there is a limit fixed by the fact that the product Nd is at most equal to the circumference C of the inner cylinder. for Nd = C, the turns will be contiguous and for Nd =
Figure imgb0006
 , we will have the situation of Figure 7 with a thickness of material equal to the width of a groove. For a given tube. Nd is therefore limited to a value C '(for example equal to
Figure imgb0007
 ). So we have :
Figure imgb0008
 It is therefore necessary to minimize the quantity Rd 2 . Or. R was calculated above:
Figure imgb0009
 We therefore have Rd 2 = KN g (a)
  • either KC '
    Figure imgb0010
  • let K 'h (a) still be
  • where h (a) is the function a (a - 1 + e -a ) - and K 'a constant.

La figure 8 montre les variations de la fonction h(a) en fonction de a. Cette fonction décroît très vite quand a augmente à partir de 0 (décroissance en a- au voisinage de 0).Figure 8 shows the variations of the function h (a) as a function of a. This function decreases very quickly when a increases from 0 (decrease in a- near 0).

Quand a est supérieur à 1 et croît. h(a) tend vers 1 et décroît très lentement. Or. compte tenu du diamètre du cylindre intérieur. a ne peut raisonnablement dépasser la valeur 1,5, soit dOPT=0.165. Le nombre de spires du circuit de prélèvement est alors égal à 10.When a is greater than 1 and increases. h (a) tends to 1 and decreases very slowly. Or. Taking into account the diameter of the interior cylinder. a cannot reasonably exceed the value 1.5, i.e. d OPT = 0.165. The number of turns of the sampling circuit is then equal to 10.

Cette contrainte est raisonnable pour la réalisation des rainures. Afin de garder une marge de sécurité en ce qui concerne la tenue mécanique des tubes rainurés, on peut adopter une valeur de d égale dopT/2, soit environ 0.08 mm et n = 20. Il faut noter que le calcul des valeurs de h(a) correspondantes montre que le rapport signal à bruit thermique de source ne diminue que dans un rapport

Figure imgb0011
environ (en puissance). Ce choix est également justifié par la présence d'un bruit thermique supplémentaire engendré par l'agitation thermique dans la couche mince ferromagnétique. Il est de 1,5 à 2 fois plus important que le bruit thermique de source pour d=0.1 mm et N=20.This constraint is reasonable for making the grooves. In order to keep a safety margin with regard to the mechanical strength of the grooved tubes, it is possible to adopt a value of d equal to dop T / 2, that is to say approximately 0.08 mm and n = 20. It should be noted that the calculation of the values of h (a) corresponding shows that the signal to source thermal noise ratio only decreases in one ratio
Figure imgb0011
 approximately (potential). This choice is also justified by the presence of an additional thermal noise generated by thermal agitation in the ferromagnetic thin layer. It is 1.5 to 2 times greater than the thermal source noise for d = 0.1 mm and N = 2 0 .

Naturellement, ce n'est qu'à titre explicatif que les rainures ont été présentées comme formées de gorges rectangulaires. En fait, toute forme convient (fond cylindrique, en toit, etc...).Naturally, it is only for explanatory purposes that the grooves have been presented as formed by rectangular grooves. In fact, any shape is suitable (cylindrical bottom, roof, etc.).

Claims (2)

1. Procédé de réalisation d'un enroulement torique autour d'un cylindre creux (10) de faibles dimensions, cet enroulement devant être constitué de spires situées rigoureusement dans des plans radiaux passant par l'axe (13) du cylindre, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à : - réaliser un deuxième cylindre isolant (22) ayant un diamètre extérieur (D2) égal au diamètre intérieur du premier cylindre creux, - réaliser un troisième cylindre isolant (23) ayant un diamètre intérieur (D3), égal au diamètre extérieur du premier cylindre creux, - usiner à la surface extérieure du deuxième et du troisième cylindres N rainures (25, 26) parallèles aux génératrices de ces cylindres et régulièrement espacées de
Figure imgb0012
, - réaliser N épingles en fil conducteur (30), chaque épingle étant formée de deux brins parallèles (31, 32), et d'un coude (33) les reliant. ce fil conducteur ayant un diamètre suffisamment faible pour qu'il puisse être introduit dans les rainures (25. 26) pratiquées dans les cylindres, - disposer le premier et le second cylindres isolants (22, 23) l'un au-dessus de l'autre et selon un même axe, et les orienter de telle sorte que les N rainures d'un des cylindres soient alignées avec les N rainures de l'autre et avec l'axe commun des cylindres pour former N plans radiaux angulairement équidistants, - introduire les N épingles (30) dans les N rainures ainsi disposées, un brin d'une épingle étant disposé dans une rainure du deuxième cylindre et l'autre brin de la même épingle dans la rainure du troi sième cylindre situé dans le même plan radial. - introduire le deuxième cylindre isolant (22) avec ses brins à l'intérieur du premier cylindre creux (10) et passer le troisième cylindre (23) avec ses brins autour du premier cylindre creux (10). - connecter électriquement les extrémités (35) des brins sortant de chaque rainure du deuxième cylindre sauf un avec l'extrémité du brin sortant de la rainure du troisième cylindre située dans le plan radial adjacent, les deux brins qui restent non connectés formant deux connexions pour l'enroulement. 1. Method for producing a toroidal winding around a hollow cylinder (10) of small dimensions, this winding having to consist of turns strictly located in radial planes passing through the axis (13) of the cylinder, this process being characterized in that it consists of: - producing a second insulating cylinder (22) having an outside diameter (D2) equal to the inside diameter of the first hollow cylinder, - make a third insulating cylinder (23) having an inside diameter (D3), equal to the outside diameter of the first hollow cylinder, - machine on the outer surface of the second and third cylinders N grooves (25, 26) parallel to the generatrices of these cylinders and regularly spaced from
Figure imgb0012
 , - Make N pins in conductive wire (30), each pin being formed of two parallel strands (31, 32), and an elbow (33) connecting them. this conducting wire having a sufficiently small diameter so that it can be introduced into the grooves (25. 26) made in the cylinders, - arrange the first and second insulating cylinders (22, 23) one above the other and along the same axis, and orient them so that the N grooves of one of the cylinders are aligned with the N grooves on the other and with the common axis of the cylinders to form N angularly equidistant radial planes, - Introduce the N pins (30) into the N grooves thus arranged, one strand of a pin being disposed in a groove of the second cylinder and the other strand of the same pin in the groove of the third cylinder located in the same plane radial. - Introduce the second insulating cylinder (22) with its strands inside the first hollow cylinder (10) and pass the third cylinder (23) with its strands around the first hollow cylinder (10). - electrically connect the ends (35) of the strands leaving each groove of the second cylinder except one with the end of the strand leaving the groove of the third cylinder located in the adjacent radial plane, the two strands which remain unconnected forming two connections for winding. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le deuxième cylindre est creux et qu'on y introduit un fil conducteur.2. Method according to claim 1, characterized in that the second cylinder is hollow and that a conductive wire is introduced therein.
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