DE10108652A1

DE10108652A1 - Zündspule mit mikroeingekapselten Magneten

Info

Publication number: DE10108652A1
Application number: DE10108652A
Authority: DE
Inventors: Albert A Skinner; David A Score
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: DE10108652C2; US6188304B1

Abstract

Eine Zündspule (10) für einen Ottomotor umfaßt einen zylindrischen Magnetkern (20) mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden (30, 32). Vorzugsweise weist der Magnetkern (20) einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Permanentmagnete (28), die ähnlich wie der Kern (20) geformt sind, sind an den Enden (30, 32) des Magnetkerns (20) angeordnet. Die Magnetkerne (28) bestehen aus einem mikroeingekapselten Magnetmaterial, was einen erhöhten spezifischen Widerstand und verringerte Wirbelstromverluste zur Folge hat. Durch Verwendung der mikroeingekapselten Magnete ist der Spannungsausgang der Zündspule (10) erhöht, während keine zusätzliche Eingangsenergie erforderlich ist. Eine Primärwicklung (22) ist um den Magnetkern (20) zwischen den ersten und zweiten Enden (30, 32) gewickelt. Eine Sekundärwicklungsanordnung ist um die Primärwicklung (22) und den Kern (20) angeordnet. Die Sekundärwicklungsanordnung umfaßt einen Spulenkörper (24) und eine darauf gewickelte Sekundärwicklung (26). Die Sekundärwicklung (26) ist induktiv mit der Primärwicklung (22) gekoppelt. Ein Außengehäuse (12) ist um den Magnetkern (20), die Magnete (28) und die Primär- und Sekundärwicklungen (22, 26) angeordnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft eine Zündspule für einen Ottomotor und insbe sondere eine Zündspule mit mikroeingekapselten Magneten, um Wirbel stromverluste zu verringern.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist in der Technik von Zündsystemen für Kraftfahrzeuge gut bekannt, eine Zündspule zu haben, die beim Entladen eine magnetische Energie erzeugt, um einen Hochspannungsfunken zur Einleitung einer Verbren nung in einem Motorzylinder zu erzeugen. Permanentmagnete werden da zu verwendet, den Kern in der Zündspule vorzumagnetisieren, um einen Anstieg der gespeicherten magnetischen Energie in einem magnetischen Kreis der Zündspule zu ermöglichen.

Typischerweise umfaßt eine Zündspule Primär- und Sekundärwicklungen, von denen jede um einen Spulenkörper gewickelt und um einen zylindri schen Magnetkern angeordnet ist, wobei die Primärwicklung die Sekun därwicklung umgibt. Zylinderförmige Permanentmagnete sind an den En den des Magnetkernes angeordnet. Um diesen Typ von Zündspule kom pakt zu gestalten, ist der Magnetkern kleiner ausgebildet, als bei anderen Typen von Zündspulen. Jedoch besteht ein Nachteil dieses Zündspulen typs darin, daß infolge der Vormagnetisierungsniveaus, die mit kleinen Kernen erforderlich sind, die Magnete eine sehr hohe Energieausbeute aufweisen müssen. Diese Anforderung begrenzt das verwendbare Material für die Magnete auf Materialien, wie beispielsweise gesintertes Neodym- Eisen-Bor (NdFeB) und Samarium-Cobalt (SmCo). Die gesinterten Magnete besitzen einen sehr niedrigen spezifischen Widerstand von 2 × 10^-4 Ohm cm, der in den Magneten hohe Wirbelstromverluste erzielt. Gewöhnlich ist der Durchmesser der Magnete gleich dem Durchmesser des Magnetker nes, und sie sind typischerweise 4 bis 5 mm lang. Dies erzeugt einen gro ßen Wirbelstromweg um den Durchmesser der Magnete, was in einem Wirbelstromverlust resultiert, der proportional zu dem Quadrat des Durchmessers ist. Bei einigen Spulenkonstruktionen sind 15-20% des Energieverlustes auf die Wirbelstromverluste in den Magneten zurückzu führen. Es besteht daher ein Bedarf, die magnetischen Wirbelstromverlu ste zu verringern und den Wirkungsgrad der Zündspule zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine Zündspule für einen Ottomotor mit mikroeingekapselten Permanentmagneten, um Wirbelstromverluste zu verringern. Die Spule umfaßt einen Magnetkern mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden. Der Magnetkern ist ein zylindrisches Element mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt. Zumindest ein Magnet ist an einem der Enden des Magnetkernes angeordnet. Magnete sind vorzugs weise an beiden Enden des Kernes angeordnet. Eine Primärwicklung ist um den Magnetkern zwischen den ersten und zweiten Enden gewickelt. Eine Sekundärwicklungsanordnung ist um die Primärwicklung und den Kern angeordnet. Die Anordnung umfaßt einen Spulenkörper und eine darauf gewickelte Sekundärwicklung. Die Sekundärwicklung ist induktiv mit der Primärwicklung gekoppelt. Um den Magnetkern, die Magnete und die Primär- und Sekundärwicklungen ist ein Außengehäuse angeordnet.

Die vorliegende Erfindung sieht eine effiziente Zündspule durch Verringe rung der Wirbelstromverluste der Permanentmagnete vor. Die Wirbel stromverluste werden durch Ausbildung der Permanentmagnete aus mi kroeingekapseltem Magnetmaterial verringert. Die Magnete bestehen aus einem Pulver aus Seltenerdmaterialien mit hoher Energieausbeute, wie beispielsweise Neodym und Samarium, das in einem Bindemittel, wie bei spielsweise einem Kunststoff oder Epoxidharz, verteilt ist. Bei einer Aus führungsform besteht das Pulver aus NdFeB und ist zur Erzielung einer hohen Dichte verdichtet. Die mikroeingekapselten Magnete sehen eine Vormagnetisierung des Magnetkernes vor, die kleiner als die Vormagneti sierung ist, die mit einem gesinterten NdFeB- oder SmCo-Magneten er halten wird. Jedoch wird diese Energieverringerung durch die Tatsache ausgeglichen, daß die Wirbelstromverluste infolge des erhöhten spezifi schen Widerstandes des Materials vernachlässigbar sind. Der spezifische Widerstand des Materials beträgt zwischen 2 × 10^-3 und 1 × 10^-1 Ohm-cm, was in einer Kilovolt-Leistung resultiert, die annähernd identisch zu der des anderen Typen einer Zündspule ist. Die niedrigere Kernvormagnetisie rung kann auch durch die Verwendung eines größeren Magnetkernes ausgeglichen werden.

Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Zündspule mit einer erhöhten Spannung bei einer gegebenen Ladezeit und gegebenem Primärstrom über eine Zündspule mit gesinterten NdFeB- und SmCo-Magneten vor. Bei Verwendung von mikroeingekapselten Magneten muß für dieselbe Span nung weniger Energie gespeichert werden, was ermöglicht, daß die Lade zeit und der Primärstrom beschränkt werden kann, was eine Zündspule zur Folge hat, die eine überlegene Leistung aufweist.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Zündspule mit mikroeingekap selten Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines in der Zündspule der vorliegenden Erfindung verwendeten mikroeingekapselten Magneten.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Fig. 1 zeigt Bezugszeichen 10 allgemein eine Zündspule für ein Kraft fahrzeug. Die Zündspule 10 wird in einem Zündsystem eines Verbren nungsmotors verwendet, um Hochspannungsladungen für Zündkerzen zu erzeugen, die ausreichend sind, um einen gewünschten elektrischen Lichtbogen zur Einleitung einer Verbrennung in einem Motorzylinder zu erzeugen. Zündsysteme können eine einzelne Zündspule mit mechani scher oder elektronischer Verteilung der Hochspannung nacheinander auf mehrere Zündkerzen in einem Motor mit mehreren Zylindern verwenden. Alternativ dazu kann das Zündsystem eine sogenannte Stiftspule (pencil coil) verwenden, die jedem Zylinder eines Verbrennungsmotors mit mehre ren Zylindern zugeordnet ist. Die Zündspule 10 ist eine Stiftspule für ein System mit einer Spule für jede Zündkerze.

Die Zündspule 10 umfaßt ein starres isolierendes Außengehäuse 12, das eine Wandleranordnung 14 umfaßt, die mit einem Ende mit einer Zünd kerzenanordnung 16 zur Lieferung einer Spannung an eine Zündkerze (nicht gezeigt) verbunden ist. Das andere Ende der Wandleranordnung 14 ist mit einer Verbinderanordnung 18 für eine externe elektrische Schnitt stelle mit einer Schaltung verbunden, die den Strom zu der Spule 10 steu ert.

Die Wandleranordnung 14 umfaßt koaxial von innen nach außen ange ordnet einen Magnetkern 20, eine Primärwicklung 22, einen Sekundär spulenkörper 24 und eine Sekundärwicklung 26. Zylindrische Perma nentmagnete 28 sind auf gegenüberliegenden Enden 30, 32 des Magnet kernes 20 angeordnet. Der Magnetkern 20 ist ein Zylinderelement mit ei nem kreisförmigen Querschnitt. Der Kern 20 kann aus Verbundeisenpul verpartikeln und elektrisch isolierendem Material bestehen, die in das zy lindrische Element verdichtet oder geformt sind. Die Partikel des Eisen pulvers sind mit dem isolierenden Material beschichtet. Das isolierende Material bildet Spalte ähnlich Luftspalten zwischen den Partikeln und dient auch dazu, die Partikel miteinander zu verbinden. Das fertig ge formte Teil kann etwa 99 Gew.-% Eisenpartikel und 1 Gew.-% Kunststoff material umfassen. Das Teil kann etwa 96 Vol.-% Eisenpartikel und etwa 4 Vol.-% Kunststoffmaterial umfassen. Nachdem der Kern 20 geformt ist, wird er nachbearbeitet, wie beispielsweise durch Schleifen, um eine glatte Oberfläche zur direkten Wicklung der Primärwicklung 22 darauf zu bil den. Auf die Außenfläche des Magnetkernes kann eine Beschichtung aus Isolationsmaterial aufgetragen werden, um diesen von der Primärwicklung zu isolieren.

Alternativ dazu kann der Magnetkern 20 aus sich in Längsrichtung er streckenden laminierten Silizium-Stahl-Streifen bestehen. Die Streifen können eine festgelegte Länge und eine Vielzahl von Breiten aufweisen, um ein zylindrisches Element zu bilden.

Die Primärwicklung 22 wird direkt auf die isolierte Fläche des Magnetker nes 20 gewickelt. Die Primärwicklung 22 kann aus zwei Wicklungslagen bestehen, wobei jede aus 106 Windungen mit AWG-Draht Nr. 23 besteht. Die Anwendung der Primärwicklung 22 direkt auf den Kern 20 schafft ei nen effizienten Wärmeübergang der Primärwiderstandsverluste und eine verbesserte magnetische Kopplung, von der bekannt ist, daß sie sich im wesentlichen invers proportional mit dem Volumen zwischen der Primär wicklung 22 und dem Kern 20 ändert. Dieser Konstruktionstyp ermöglicht auch eine kompaktere Spulenanordnung.

Die Sekundärwicklung 26 ist um den Sekundärspulenkörper 24 gewickelt. Die Sekundärwicklung 26 kann aus insgesamt 9010 Windungen mit AWG-Draht Nr. 43 bestehen. Der Sekundärspulenkörper 24 weist einen Boden 34 auf, an dem eine Anschlußplatte 36 befestigt ist. Die Anschluß platte 36 ist mit der Sekundärwicklung 26 durch einen Zuleitungsdraht (nicht gezeigt) verbunden, und die Anschlußplatte 36 ist mit einer Feder klemme 38 der Zündkerzenanordnung 16 verbunden. Die Zündkerzenan ordnung 16 umfaßt eine Haube 40, die die Zündkerze und die Feder klemme 38 einschließt und die Zündkerze mit der Sekundärwicklung 26 verbindet.

Die Verbinderanordnung 18 umfaßt einen Verbinderkörper 42, der so ge formt ist, um Primäranschlüsse (nicht gezeigt) einzuschließen. Die Pri märanschlüsse sind mit der Primärwicklung 22 verbunden, um die Pri märwicklung 22 mit einer externen Schaltung zur Steuerung des Strom flusses zu der Primärwicklung 22 zu verbinden.

Die Permanentmagnete 28 sind an den gegenüberliegenden Enden 30, 32 des Magnetkernes 20 so angeordnet, daß ihre magnetischen Flüsse entge gengesetzt dem magnetischen Fluß orientiert sind, der durch die Primär wicklung 22 erzeugt wird. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Permanentma gnete 28 im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und besitzen denselben Durchmesser wie der Magnetkern 20. Der Magnet 28 an dem Ende 30 ist in einer Kappe 44 angeordnet, die an dem Magnetkern 20 befestigt ist. Der andere Magnet 28 am Ende 32 ist in einer Tasse 46 angeordnet.

Die Permanentmagnete 28 ermöglichen die Speicherung von zusätzlicher magnetischer Energie für die Spule 10. Vor der Anregung der Primär wicklung 22 wird der Magnetkern 20 durch die Magnetkräfte der Perma nentmagnete 28 magnetisiert, um einen Zustand einer maximalen Ar beitsmagnetflußdichte in der negativen Richtung zu erreichen, die der Ma gnetisierungsrichtung entgegengesetzt ist, die durch die Anregung der Primärwicklung 22 bewirkt wird. Anschließend wird, wenn ein Primär strom an die Primärwicklung 22 zugeführt wird, eine Magnetkraft entge gengesetzt der Magnetkraft der Permanentmagnete 28 erzeugt. Dies hat zur Folge, daß der Kern 20 magnetisiert wird, um einen Zustand einer maximalen Arbeitsmagnetflußdichte in der positiven Richtung zu errei chen. In diesem Zustand kann, wenn der Primärstrom zu einem Zündzeit punkt unterbrochen wird, die Sekundärwicklung 26 einen wirksamen Kopplungsmagnetfluß verwenden, der doppelt so groß wie der wirksame Kopplungsmagnetfluß sein kann, der mit einer herkömmlichen Zündspule erhalten wird, die keinen Permanentmagneten sondern nur die Anregung der Primärwicklung verwendet, um so den Magnetkern zur Erzielung eines Zustandes einer maximalen Arbeitsmagnetflußdichte in der positiven Richtung zu magnetisieren.

Typischerweise weist eine Zündspule einen Magnetkern und eine um die sen angeordnete Sekundärwicklung, die auf einen Spulenkörper gewickelt ist, und eine Primärwicklung auf, die auf einen Spulenkörper gewickelt ist, der um die Sekundärwicklung angeordnet ist. Um die Zündspule kompakt auszugestalten, ist der Magnetkern kleiner als bei anderen Konstruktio nen ausgebildet. Um den Verlust an magnetischer Energie infolge des kleineren Magnetkernes kompensieren zu können, werden gesinterte Per manentmagnete, wie beispielsweise NdFeB und SmCo verwendet.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Primärwicklung 22 um den Ma gnetkern 20 gewickelt und innerhalb der Sekundärwicklung 24 angeord net, was erlaubt, daß ein größerer Kern verwendet werden kann, während der Aufbau der Zündspule kompakt gehalten wird. Mit einem größeren Magnetkern kann ein Permanentmagnet mit einer schwächeren Energie ausbeute verwendet werden, wie beispielsweise ein mikroeingekapselter Magnet. Die Magnete bestehen aus einem NdFeB-Pulver, das in einem Bindemittel, wie beispielsweise Kunststoff oder Epoxidharz, verteilt und verdichtet ist, um eine hohe Dichte zu erzielen. Die Magnete können durch bekannte Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise dynami sche magnetische Verdichtung (DMC), isostatische Preßvorgänge und me chanische Standardverdichtungspreßvorgänge.

Die mikroeingekapselten Magnete weisen eine kleinere Dichte auf, als die gesinterten Magnete, und somit erzeugen sie weniger magnetische Energie als die gesinterten Magnete. Die Abnahme der Energie kann durch die Tatsache ausgeglichen werden, daß die mikroeingekapselten Magnete ei nen größeren spezifischen Widerstand aufweisen, als gesinterte Magnete. Der spezifische Widerstand von mikroeingekapselten Permanentmagneten kann im Bereich von 2 × 10^-3 bis 1 × 10^-1 Ohm-cm liegen, und der spezifi sche Widerstand von gesinterten Magneten liegt bei 2 × 10^-4 Ohm-cm. Durch den höheren spezifischen Widerstand sind die Wirbelstromverluste der mikroeingekapselten Magnete kleiner als die Wirbelstromverluste der gesinterten Magnete. Somit kann die Zündspule mit den mikroeingekap selten Magneten eine Kilovolt-Leistung schaffen, die annähernd gleich der der Spule mit gesinterten Magneten ist, aber es ist weniger Energie ge speichert, was erlaubt, daß die Ladezeit und der Primärstrom für ver schiedene Anwendungen festgelegt werden kann. Ferner sieht die Zünd spule der vorliegenden Erfindung eine gleichermaßen effiziente Spule bei niedrigeren Kosten als die Zündspule mit gesinterten Magneten vor.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei zu verstehen, daß zahlrei che Änderungen innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfin dung durchgeführt werden können. Demgemäß ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt, sondern besitzt den voll ständig durch die Ansprüche definierten Schutzumfang.

Bezugszeichenliste

10

Zündspule

12

Außengehäuse

14

Wandleranordnung

16

Zündkerzenanordnung

18

Verbinderanordnung

20

Magnetkern

22

Primärwicklung

24

Sekundärspulenkörper

26

Sekundärwicklung

28

Magnete

30

Kernende

32

Kernende

34

Unterer Teil des Spulenkörpers

36

Anschlußplatte

38

Federklemme

40

Haube

42

Verbinderkörper

44

Kappe

46

Tasse

Claims

1. Zündspule (10) für einen Ottomotor mit:
einem zylindrischen Magnetkern (20) mit gegenüberliegenden er sten und zweiten Enden (30, 32);
zumindest einem Permanentmagneten (28), der an einem der En- den (30, 32) des Magnetkernes (20) angeordnet ist, wobei der Perma nentmagnet (28) aus einem mikroeingekapselten Magnetmaterial be steht;
einer Primärwicklung (22), die um den Magnetkern (20) zwischen den ersten und zweiten Enden (30, 32) gewickelt ist;
einer Sekundärwicklungsanordnung mit einem Spulenkörper (24) und einer Sekundärwicklung (26), die auf diesen gewickelt ist, wobei die Sekundärwicklung (26) induktiv mit der Primärwicklung (22) ge koppelt ist; und
einem Außengehäuse (12), das um den Magnetkern (20), den Ma gneten (28) und die Primär- und Sekundärwicklungen (22, 26) ange ordnet ist.

2. Zündspule nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern isoliert ist und die Primärwicklung direkt auf den Magnetkern gewickelt ist.

3. Zündspule nach Anspruch 1, wobei an jedem der Enden des Magnet kernes ein Magnet angeordnet ist.

4. Zündspule nach Anspruch 1, wobei das mikroeingekapselte Magnet material ein NdFeB-Pulver ist, das in einem Epoxidharz verteilt ist.

5. Zündspule nach Anspruch 1, wobei die Magnete einen spezifischen Widerstand im Bereich von 2 × 10^-3 bis 1 × 10^-1 Ohm-cm aufweisen.