CN106415749A - 点火线圈 - Google Patents

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Abstract

用于将生成火花的电流传递至火花塞(14)的点火线圈(10)包括导磁芯(16)；设置为从芯(16)朝外的主绕组(28)；以及径向地围绕主绕组(28)并且感应地耦合至主绕组(28)的次级绕组(34)，次级绕组(34)具有低电压端(46)和高电压端(48)。次级绕组(34)包括邻近低电压端(46)并且具有第一厚度(T54)的次级绕组第一部分(54)。次级绕组(34)还包括邻近高电压端(48)并且具有小于次级绕组第一部分(54)的第一厚度(T54)的第二厚度(T56)的次级绕组第二部分(56)。

Description

点火线圈
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求2014年6月16日提交的美国临时专利申请S/N.62/012,557和2015年6月15日提交的美国专利申请S/N.14/739,094的权益，其公开通过引用全部结合于此。
发明技术领域
本发明涉及用于形成生成火花的电流的点火线圈，生成火花的电流被施加至火花塞，并且更具体地涉及这种具有当经受电流脉冲时保持可接受的线到线电压的次级绕组的点火线圈。
发明背景技术
已知点火线圈与诸如汽车发动机的内燃机有关的使用。点火线圈通常包括周围缠绕了主绕组的芯。次级绕组缠绕在次级绕组线轴周围以围绕主绕组，使得当施加至主绕组的电流停止时在次级绕组上引起高电压。次级绕组的一端是连接至接地端子的低电压端而次级绕组的另一端是连接至高电压端子的高电压端，高电压端子与火花塞电气通信，从而将生成火花的电流传递至火花塞。将生成火花的电流传递至火花塞导致次级绕组的高电压端的第一数百匝经受高电流脉冲。除非适当地处理高电流脉冲，否则次级绕组可能不期望地被高电流脉冲影响。
高电流脉冲最容易通过使用高阻抗火花塞被限制。高阻抗火花塞在更早以前的内燃机中是常见的，并且因此高电流脉冲不具有需要被作为次级绕组设计的因素考虑的足够的大小。然而，更现代的内燃机通常利用低阻抗火花塞以增加来自线圈的能量，从而导致更高的电压并且使得高电流脉冲具有可能与次级绕组不兼容的大小。
用于处理高电流脉冲的另一种方法是将次级绕组按分段缠绕策略缠绕，其中在次级绕组线轴上的多个轴向地间隔的脊在其之间形成多个通道。因此，次级绕组被分成多个分段，其中给定分段的最外绕组和给定分段的最内绕组之间的电势差被最小化。因此，在经受高电流脉冲的次级绕组的高电压端的最外绕组和最内绕组之间的电势差被保持为可接受的水平。次级绕组使用这种分段缠绕策略的示例在Skinner等人的美国专利申请公开No.US 2013/0291844中示出，其公开内容通过引用整体结合与此。
尽管Skinner等人的美国专利申请公开No.US 2013/0291844的分段缠绕策略对于处理高电流脉冲可能是有效的，可期望使用渐进缠绕策略，其中次级绕组不中断地在次级绕组线轴周围缠绕。使用渐进缠绕策略可能是比分段缠绕策略更期望的，因为用于实现分段缠绕策略的轴向间隔的脊向次级缠绕线轴增加压力，并且从而要求次级缠绕线轴在某些情形下由特殊材料制成。渐进缠绕策略可能被更便宜地制成，至少部分地由于要求更便宜的材料，此外，渐进缠绕策略可允许点火线圈被制成为更紧凑的，当点火线圈是上插的线圈时这是尤其重要的。然而，由于渐进缠绕策略不中断地在次级绕组线轴周围缠绕，最外绕组和最内绕组之间的电势差大于分段缠绕策略中的电势差。为了最小化渐进缠绕中的最外绕组和最内绕组之间的电势差，可以增大次级绕组的轴向长度，从而通过在更大的长度上散布大量绕组来减小次级绕组的厚度，然而，当保持期望的点火线圈的封装尺寸时，这是不太可能完成的。次级绕组使用这种渐进缠绕策略的示例在Skinner等人的美国专利No.US 6,556,118中示出，其公开内容通过引用整体结合与此。
需要的是最小化或消除如上所述的一个或多个缺点的点火线圈。
发明概述
简要地描述，提供点火线圈用于将生成火花的电流传递至火花塞。点火线圈包括导磁芯；主绕组设置为从芯朝外；以及径向地围绕主绕组并且感应地耦合至主绕组的次级绕组，次级绕组具有低电压端和高电压端。次级绕组包括邻近低电压端并且具有第一厚度的次级绕组第一部分。次级绕组还包括邻近高电压端并且具有小于次级绕组第一部分的第一厚度的第二厚度的次级绕组第二部分。通过具有小于第一厚度的第二厚度，在高电压端的最外绕组和最内绕组之间的电势差(即线到线电压)可以被保持在可接受的水平，同时使次级绕组的轴向长度最小化并且还使点火线圈的封装尺寸最小化。
在阅读本发明的优选实施例的下列详细描述后，本发明进一步的特征和优势将更清楚地表现，这些优选实施例仅作为非限制性示例且参考附图给出。
附图说明
将参照附图进一步描述本发明，附图中：
图1是根据本发明的点火线圈的简化的截面图；以及
图2是图1的放大部分。
具体实施方式
首先参考图1，其示出点火线圈10的简化的截面图。点火线圈10可由控制单元12等控制。点火线圈10配置为连接至火花塞14，火花塞14与内燃机(未示出)中的火花塞开口(也未示出)螺纹啮合。点火线圈10配置为将高电压生成火花的电流传递至火花塞14，如所示。通常，总体点火正时(闭合角控制)等由控制单元12提供。可为每个火花塞14提供一个点火线圈10。
点火线圈10可包括导磁芯16、配置为提供具有基座部分20和一对底脚22和24的高磁导磁性返回路径的导磁结构18(下文中称为高磁导结构18)、主绕组线轴26、主绕组28、一些密封剂30(例如环氧树脂灌封材料)、次级绕组线轴32、次级绕组34、外壳36、具有主端子40a和40b(在图1中示为隐藏的线)的低电压连接器主体38、高电压塔42以及高电压端子44。
芯16沿芯纵轴A延伸。芯16可以由层叠的钢板、压缩模制绝缘铁颗粒或其他合适的材料制成。芯16可以是本领域技术人员已知的任何截面形状，仅作为示例，如椭圆的或圆形的。
主绕组线轴26配置为接收和保留主绕组28。主绕组线轴26设置为毗邻芯16并且径向地从芯16朝外并且优选地与芯16处于同轴的关系。主绕组线轴26可包括本领域技术人员已知的大量常规线轴配置中的任一个。在示出的实施例中，主绕组线轴26配置为接收一个连续的主绕组。主绕组线轴26基本可由具有适于在相对高温环境中使用的属性的电气绝缘材料形成。例如，主绕组线轴26可包括诸如PPE/PS(例如来自SABIC的可用的)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)热塑性聚酯的塑料材料。应当理解，有可用于主绕组线轴26的各种替代材料。
如上所述的主绕组28缠绕在主绕组线轴26上。主绕组28包括连接至低电压连接器主体38中的主端子40a和40b的第一和第二端。主绕组28配置为携载用于当控制单元12控制时对点火线圈10充电的主电流IP。主绕组28可包括铜、绝缘漆包线，具有通常在约20-23AWG的尺寸。主绕组28进一步的特征将在之后更详细地描述。
次级绕组线轴32配置为接收和保留次级绕组34。次级绕组线轴32设置为毗邻中央部件并且径向地从中央部件朝外，中央部件包括芯16、主绕组线轴26和主绕组28，并且优选地与中央部件处于同轴的关系。次级绕组线轴32配置为按连续缠绕策略(例如，渐进缠绕)接收次级绕组34，其中次级绕组34不中断地在次级绕组线轴32周围缠绕。次级绕组线轴32基本可由具有适于在相对高温环境中使用的属性的电气绝缘材料形成。例如，次级绕组线轴32可包括诸如PPE/PS(例如来自SABIC的可用的)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)热塑性聚酯的塑料材料。应当理解，有可用于次级绕组线轴32的各种替代材料。将在之后更详细地描述次级绕组线轴32进一步的特征。
次级绕组34包括低电压端46和高电压端48。低电压端46可电气地连接至外壳36内的低电压端子(未示出)，外壳36借助穿过低电压连接器主体38的接地连接连接至地。高电压端48穿过高电压端电极50电气地连接至高电压端子44，高电压端电极50设置在与高电压端子44电气接触的电气地传导的环氧树脂52内。替代地，高电压端电极50可使用焊接连接或其他已知的连接方法连接至高电压端子44。次级绕组34可以通过使用本领域技术人员已知的常规材料(例如铜、绝缘漆包线)来实现。次级绕组34进一步的特征将在之后更详细地描述。
高磁导结构18配置为提供高磁导磁性返回路径给在点火线圈10的操作期间芯16中产生的磁通量。高磁导结构18可以由例如硅钢的叠片的叠层或其他足够有磁性的材料形成。如前所述，高磁导结构18包括基座部分20和一对底脚22和24。芯16位于底脚22和24之间，使得芯纵轴A穿过底脚22和24。芯16的一端与底脚22匹配，而芯16的另一端与底脚24形成间隙，其中间隙可能在，仅作为示例，约0.5mm至2mm的范围中。高磁导结构18进一步的特征在Skinner等人的美国专利申请公开No.2013/0291844A1中被描述，其公开通过引用全部结合于此。
密封剂30可适于提供点火线圈10内的电气绝缘。在优选实施例中，密封剂30可包括环氧树脂灌封材料。在示出的实施例中，足够的密封剂30被引入点火线圈10中以充分地填充外壳36的内部。密封剂30还提供保护免于受在点火线圈10的服务寿命期间可能遇到的环境因素的影响。本领域中已知大量的密封材料。
继续参考图1，并且现在附加参考图2，图2示出了主绕组28、次级绕组线轴32和次级绕组34的放大部分。次级绕组34包括邻近低电压端46的次级绕组低电压部分54，下文中称为次级绕组第一部分54。次级绕组第一部分54在径向方向上具有基本均一的厚度T54，在轴A的方向上具有长度L54。次级绕组34还包括邻近高电压端48的次级绕组高电压部分56，下文中称为次级绕组第二部分56。次级绕组第二部分56在径向方向上具有基本均一的厚度T56，在轴A的方向上具有长度L56，使得厚度T56小于厚度T54。因此，次级绕组第二部分56在径向方向上具有比次级绕组第一部分54在径向方向上具有的更少的绕组层。次级绕组第三部分58可将次级绕组第一部分54连接至次级绕组第二部分56，使得次级绕组第三部分58在径向方向上的厚度按基本均一的方式从厚度T54锥形化至厚度T56。长度L56和厚度T56被选择以在当点火线圈10向火花塞14提供生成火花的电流时、当经受高电流脉冲时实现次级绕组34的最外绕组和次级绕组34的最内绕组之间的可接受的电势差(即线到线电压)。长度L56和厚度T56每个优选地是次级绕组34的总长度的至少5％。
次级绕组线轴32可配置为实现厚度T54和厚度T56之间的差异。更具体地，次级绕组线轴32可包括次级绕组线轴第一部分60，次级绕组线轴第一部分60具有周围缠绕次级绕组第一部分54的外直径OD60和径向地从外直径OD60朝内的内径ID60。次级绕组线轴32还可包括次级绕组线轴第二部分62，次级绕组线轴第二部分62具有周围缠绕次级绕组第二部分56的外直径OD62和径向地从外直径OD62朝内的内径ID62。次级绕组线轴32还可包括次级绕组线轴第三部分64，次级绕组线轴第三部分64从外直径OD60锥形化至周围缠绕次级绕组第三部分58的外直径OD62。外直径OD62大于外直径OD60，并且因此当次级绕组34缠绕在次级绕组线轴32上时，次级绕组34可具有对于次级绕组34的整个长度基本均一的外径以允许厚度T56小于厚度T54。
次级绕组线轴第二部分62的内径ID62可以大于次级绕组线轴第一部分60的内径ID60，因此，主绕组28可包括径向地被次级绕组线轴第一部分60的次级绕组线轴内径ID60围绕的主绕组第一部分66和径向地被次级绕组线轴第二部分62的内径ID62围绕的主绕组第二部分68。因此，主绕组第一部分66在径向方向上具有基本均一的厚度T66，而主绕组第二部分68在径向方向上具有基本均一的大于厚度T66的厚度T68。主绕组第三部分70将主绕组第一部分66连接至主绕组第二部分68，并且因此主绕组第三部分70从厚度T66锥形化至厚度T68。由于次级绕组线轴第二部分62的内径ID62大于次级绕组线轴第一部分60的内径ID60，主绕组28可包括比如果内径ID62与内径ID60相同更多的绕组，从而提高点火线圈10的效率。
通过使次级绕组第二部分56的厚度T56小于次级绕组第一部分54的厚度T54，次级绕组34的高电压端48的最外绕组和最内绕组之间的电势差可保持在可接受的水平，同时使次级绕组34的轴向长度最小化并且还使点火线圈10的封装尺寸最小化。
尽管次级绕组线轴32已经被示出为具有外直径OD60和大于外直径OD60的外直径OD62，现在应当理解，次级绕组线轴32可具有基本均一的外直径(未示出)，即外直径OD60与外直径OD62是相等的，外直径OD60周围缠绕次级绕组第一部分54，外直径OD62周围缠绕次级绕组第二部分56。当次级绕组第一部分54和次级绕组第二部分56缠绕在次级绕组线轴32的直径均一的部分的周围时，通过简单地为次级绕组第一部分54缠绕比次级绕组第二部分56更多的绕组，实现次级绕组第二部分56的厚度T56小于次级绕组第一部分54的厚度T54。
尽管次级绕组34已经被示出具有不同厚度的两个部分，即次级绕组第一部分54和次级绕组第二部分56，现在应当理解，可以提供具有不同厚度的一个或多个附加部分。
尽管已经描述了点火线圈10的具体配置，应当理解，本发明适于在各种点火线圈配置中的使用。
尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在受如此限制，而是仅受所附权利要求书中给出的范围限制。

Claims (14)

1.一种点火线圈(10)，用于将生成火花的电流传递至火花塞(14)；所述点火线圈(10)包括：
导磁芯(16)；
主绕组(28)，设置为从所述芯(16)朝外；以及
次级绕组(34)，径向地围绕所述主绕组(28)并且感应地耦合至所述主绕组(28)，所述次级绕组(34)具有低电压端(46)和高电压端(48)；
其中所述次级绕组(34)包括邻近所述低电压端(46)并且具有次级绕组第一厚度(T54)的次级绕组第一部分(54)，并且其中所述次级绕组(34)还具有邻近所述高电压端(48)并且具有小于所述次级绕组第一厚度(T54)的次级绕组第二厚度(T56)的次级绕组第二部分(56)。
2.如权利要求1所述的点火线圈(10)，其特征在于，所述次级绕组第一厚度(T54)基本均一，并且所述次级绕组(34)第二厚度(T56)基本均一。
3.如权利要求1所述的点火线圈(10)，其特征在于，所述次级绕组(34)包括在所述次级绕组第一部分(54)和所述次级绕组第二部分(56)之间的次级绕组第三部分(58)，所述次级绕组第三部分(58)在厚度上从所述次级绕组第一厚度(T54)锥形化至所述次级绕组第二厚度(T56)。
4.如权利要求3所述的点火线圈(10)，其特征在于，所述次级绕组(34)在所述次级绕组第一部分(54)、所述次级绕组第二部分(56)和所述次级绕组第三部分(58)上具有基本均一的外径。
5.如权利要求1所述的点火线圈(10)，其特征在于，所述次级绕组(34)在所述次级绕组第一部分(54)和所述次级绕组第二部分(56)上具有基本均一的外径。
6.如权利要求1所述的点火线圈(10)，进一步包括次级绕组线轴(32)，其中：
所述次级绕组线轴(32)具有次级绕组线轴第一部分(60)，所述次级绕组线轴第一部分(60)周围缠绕所述次级绕组第一部分(54)，所述次级绕组线轴第一部分(60)具有第一外直径(OD60)；
所述次级绕组线轴(32)具有次级绕组线轴第二部分(62)，所述次级绕组线轴第二部分(62)周围缠绕所述次级绕组第二部分(56)，所述次级绕组线轴第二部分(62)具有大于所述第一外直径(OD60)的第二外直径(OD62)。
7.如权利要求6所述的点火线圈(10)，其特征在于：
所述次级绕组线轴第一部分(60)具有第一内径(ID60)；以及
所述次级绕组线轴第二部分(62)具有大于所述第一内径(ID60)的第二内径(ID62)。
8.如权利要求7所述的点火线圈(10)，其特征在于：
所述主绕组(28)具有主绕组第一部分(66)，所述主绕组第一部分(66)被所述第一内径(ID60)径向地围绕并且在厚度上基本均一；
所述主绕组(28)具有主绕组第二部分(68)，所述主绕组第二部分(68)被所述第二内径(ID62)径向地围绕并且在厚度上基本均一。
9.如权利要求8所述的点火线圈(10)，其特征在于，所述主绕组第二部分(68)比所述主绕组第一部分(66)厚。
10.如权利要求9所述的点火线圈(10)，其特征在于，所述主绕组(28)具有主绕组第三部分(70)，所述主绕组第三部分(70)在所述主绕组第一部分(66)和所述主绕组第三部分(70)之间并且在厚度上从所述主绕组第一部分(66)锥形化至所述主绕组第二部分(68)。
11.如权利要求1所述的点火线圈(10)，其特征在于：
所述主绕组(28)包括具有主绕组第一厚度(T66)的主绕组第一部分(66)；以及
所述主绕组(28)具有主绕组第二部分(68)，所述主绕组第二部分(68)具有大于所述主绕组第一厚度(T66)的主绕组第二厚度(T68)。
12.如权利要求11所述的点火线圈(10)，其特征在于：
所述次级绕组第一部分(54)径向地围绕所述主绕组第一部分(66)；以及
所述次级绕组第二部分(56)径向地围绕所述主绕组第二部分(68)。
13.如权利要求11所述的点火线圈(10)，其特征在于：
所述次级绕组第一厚度(T54)基本均一；
所述次级绕组第二厚度(T56)基本均一；
所述主绕组第一厚度(T66)基本均一；以及
所述主绕组第二厚度(T68)基本均一。
14.如权利要求13所述的点火线圈(10)，其特征在于：
所述次级绕组第一部分(54)径向地围绕所述主绕组第一部分(66)；以及
所述次级绕组第二部分(56)径向地围绕所述主绕组第二部分(68)。
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