DE19624832B4

DE19624832B4 - Zündspule und Verfahren zur Herstellung derselben

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Publication number: DE19624832B4
Application number: DE19624832A
Authority: DE
Inventors: Charles R. Oshkosh Schneider
Original assignee: Brunswick Corp
Current assignee: Brunswick Corp
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2016-06-22
Also published as: FR2735816B1; ITRM960437A1; DE19624832A1; AU711969B2; KR100413311B1; GB2302616A; GB2302616B; SE9602444L; AU5603096A; CA2178372A1; GB9613097D0; CA2178372C; SE9602444D0; FR2735816A1; IT1284174B1; KR970001941A; ITRM960437A0; JPH09120925A; SE514445C2; US5861791A

Abstract

Zündspule (22) für einen Verbrennungsmotor, die folgendes aufweist:
einen magnetisch permeablen Kern (24) mit einer sich axial erstreckenden Kernstange (26);
eine Primärwicklung (30), die um die Kernstange (26) gewickelt ist und die einen Eingangsanschluß zur Eingabe elektrischer Energie von einer Spannungsquelle aufweist;
eine Sekundärwicklung (32) mit einer Vielzahl von Drahtlagen (132), die kontinuierlich um die Kernstange (26) gewickelt ist, und mit einem Ausgangsanschluß zum Abgeben hoher Spannung elektrischer Energie zum Entzünden einer verbrennbaren Brennstoffmischung in einem Verbrennungsmotor, wobei die Sekundärwicklung (32) eine Vielzahl von Trennstreifen (128) für die Sekundärwicklung (32) besitzt, die zwischen benachbarten Lagen (132) der Sekundärwicklung (32) eingebettet sind, wobei jeder der Trennstreifen (128) für die Sekundärwicklung (32) aus einem flexiblen nicht filternden, nicht entmischenden Material, d. h. einem Material, dass keine Komponenten des Einkapselungsverbundmaterials absorbiert oder adsorbiert besteht, und wobei jede Lage (132) der Sekundärwicklung (32) von benachbarten Lagen (132) der Sekundärwicklung (32) durch...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Zündspulen für Verbrennungsmotoren und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Ausgangspunkt und die Erfindung
Die Erfindung ergab sich bei Entwicklungsbemühungen zu Zündsystemen für Bootsmotoren, bei denen Zündenergie über eine Zündkerze hinweg entladen wird, um ausreichende Zündenergie vorzusehen, um eine verbrennbare Mischung in einem Zylinder zu zünden. Die Erfindung ergab sich insbesondere in Verbindung mit Bemühungen, die Produktionsqualität und Betriebslebenszeit von papiergewickelten Zündspulen zu verbessern, die in einem elektrisch isolierten Gehäuse aus einem thermisch aushärtenden Polymerverbundmaterial eingekapselt sind.
Die papiergewickelten Zündspulen weisen typischerweise eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung auf, die in einem elektrisch isolierten (dielektrischen Gehäuse) imprägniert sind, das aus einem Einkapselungsverbundmaterial hergestellt ist, das normalerweise feste Additive wie z. B. Sandfüllmaterial aufweist. In der Vergangenheit wurden Papierstreifen mit elektrischer Qualität wie z. B. Packpapier verwendet, um die Lagen von Drahtwicklungen in den Primär- und Sekundärwicklungen zu trennen. Untersuchungen haben ergeben, daß die Papiertrenner in den Sekundärwicklungen dazu neigen, die Sandfüllmaterialien oder andere feste Additive während des Herstellungsvorgangs zu filtern, wodurch Füllmaterialdämme in dem Gehäuse erzeugt wurden, sowie Variationen der einkapselnden Polymerkomposition bzw. Zusammensetzung. Die Variationen der Polymerkomposition hat Diskontinuitäten der dielektrischen Konstante über das Gehäuse hinweg zur Folge. Vielleicht noch wichtiger haben diese Variationen der Zusammensetzung eine ungleichförmige Schrumpfungsrate beim Aushärten des Gehäusematerials während des Herstellungsvorgangs zur Folge sowie ungleichförmige Wärmeausdehnungscharakteristika des hergestellten Gehäuses. Diese Unterschiede bei der Schrumpfungsrate und beim Wärmeausdehnungskoeffizienten bewirken, daß das Gehäuse bricht bzw. Risse bildet oder auf andere Weise zerstört wird. Dies kann sowohl während der Herstellung als auch danach auftreten, wodurch potentiell die Spannungsausgangsgröße der Spule reduziert wird oder im schlimmsten Fall die Spule ausfällt. Testbeobachtungen zeigen auch, daß die Absorptions-/oder Adsorptionscharakteristika des aus Papier bestehenden Drahttrenners die chemischen Eigenschaften des Einkapselungsverbundmaterials innerhalb der Wicklungen verändert, was zusätzliche dielektrische Unterbrechungen bzw. Schwankungen zur Folge hat.
Die Erfindung sieht eine Zündspule und ein Verfahren zur Herstellung derselben vor, die nicht filternde/nicht entmischende Sekundärwicklungedrahttrenner anstelle von Papiertrennern verwendet. Die bevorzugten Sekundärwicklungstrenner sind Streifen eines Nylongitters (aus massiven Fasern oder Fäden) mit einer Gittergröße von ungefähr 0,050 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm). Andere Arten von nicht filternden/nicht entmischenden Trennern wie z. B. ein nicht entmischender Polyesterstoff bzw. -gewebe oder Streifen mit geschlossenen Zellen wird auch als innerhalb des Umfangs der Anmeldung liegend angesehen. Die Verwendung eines nicht filternden Sekundärwicklungstrenners beseitigt das Problem der Füllmaterialeindämmung bzw. Dammbildung und führt dazu, daß die Zusammensetzung über das Gehäuse hinweg im wesentlichen homogen ist. Da die Zusammensetzung des Gehäuses im wesentlichen homogen ist, sind die dieelektrischen, Schrumpfungsraten und Wärmeausdehnungscharakte ristika im allgemeinen über das Gehäuse hinweg dieselben und viele der oben beschriebenen Probleme werden beseitigt.
Ein weiterer Vorteil von Nylon oder anderen Materialien aus massiven Fasern oder Fäden ist, daß der Nylontrenner nicht die chemischen Eigenschaften des Einkapselungsverbundmaterials durch Absorption und/oder Adsorption verändert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigen die 1–6b den Stand der Technik und 7–8 Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Einzelnen zeigt:
1 ein Schaltungsdiagramm, das ein typisches Kondensatorentladungszündsystem für einen Verbrennungsmotor zeigt;
2 eine Seitenansicht einer papiergewickelten Zündspule, die typischerweise in Verbrennungsmotorzündsystemen verwendet wird;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in 2;
4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 in 3;
5a eine schematische Zeichnung, die einen Herstellungsvorgang für papiergewickelte Zündspulen darstellt;
5b eine schematische Ansicht von Sekundärwicklungen in einer papiergewickelten Zündspule, die die Lagen von Sekundärwicklungen zeigt, die durch Papierstreifen getrennt sind;
6a eine schematische Zeichnung eines Querschnitts einer papiergewickelten Zündspule, die typische Arten von Brüchen oder Rissen in dem Spulengehäuse zeigt;
6b eine detaillierte Zeichnung des durch die Linien 6b-6b in 6a gezeigten Bereichs;
7a eine schematische Zeichnung eines Spulenquerschnitts einer Zündspule mit Sekundärwicklungstrennern aus Nylongitter oder Gewebe mit massiven Fasern oder Fäden gemäß der Erfindung;
7b eine detaillierte Ansicht des durch die Linie 7b-7b in 7a gezeigten Bereichs;
8 eine schematische Ansicht eines Herstellungschritts des Wickelns einer Sekundärwicklung mit Nylongitter.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Stand der Technik
1 zeigt ein Kondensatorentladungszündsystem 10 für einen Verbrennungsmotor einer Wechselstromgeneratorstatorspule 12, die durch die Drehung des Motors erregt wird zum Aufbauen einer Spannung, einem Kondensator 14, der durch eine Diode 16 durch Spannung von der Statorspule 12 aufgeladen wird, und einem Halbleiterschalter 18 zum Entladen des Kondensators 14 ansprechend auf ein Auslösesignal bei 20, wie es in der Technik Standard ist. Für Einzelheiten wird auf die US-Patente Nr. 3 273 099 ; 3302 130 ; 3 448 423 ; 3 542 007 ; 3 549 944 ; 3 556 069 ; 3 566 188 ; 3 612 948 ; 3 675 077 , 5 146 905 verwiesen. Die Diode 16 verhindert eine Entladung des Kondensators 14 zurück durch die Wechselstromgeneratorstatorspule 12, wenn die Spule 12 keine positive Spannung aufbaut.
Die Zündspule 22 besitzt einen magnetisch permeablen Ferritkern 24 (1, 2, 3 und 4). Der Kern 24 besitzt eine sich axial erstreckende Kernstange 26, die sich entlang der Achse 28 erstreckt, eine Primärwicklung 30, die um die Kernstange 26 gewickelt ist und durch die Entladung des Kondensators 14 durch den Halbleiterschalter 18 erregt wird, und eine Sekundärwicklung 32. Der Kern 24 umfaßt eine äußere Jochstruktur zur Bildung eines Rückkehrpfades für magnetischen Kraftfluß, die durch ein Paar von Armen 36 und 38 (4) vorgesehen wird, und zwar an den axialen Enden der Kernstange 26 und die sich radial davon erstrecken und durch eine Jochstange 40 verbunden sind. Die Zündkerze 42 (1) wird durch die Sekundärwicklung 32 erregt.
Die Primärwicklung 30 und die Sekundärwicklung 32 sind koaxial zueinander und sind in einem formgegossenen Gehäuse 44 eingebettet, das durch Gießen eines elektrisch isolierenden Polymereinkapselungsverbundmaterials wie z. B. einem Epoxidharz hergestellt ist. Eine elektrisch leitende Anschlußbuchse oder ein Hochspannungsanschluß 46 ist mit der Sekundärwicklung 32 ausgerichtet und mit einem eingebetteten Draht 48 verbunden. Ein Schrumpfrohr 49 wird verwendet, um eine Stiftentfernung nach dem Formgießen zu erlauben. Ein Anschlußstecker 50 ist über einen eingebetteten Draht 52 mit der Primärwicklung 30 verbunden. Das negative oder geerdete Ende der Primärwicklung 30 ist mit dem negativen oder geerdeten Ende der Sekundärwicklung 32 verbunden, wie schematisch in 1 dargestellt ist, und zwar an dem Knotenpunkt 54. Ein eingebetteter Erdungsdraht 56 verbindet den Knotenpunkt 54 mit einem negativen Anschluß 58 (2). Eine Erdungslasche 60 verbindet elektrisch den negativen Anschluß 58 mit den Kern 24.
Der Kern 24 ist ein zweiteiliges Glied 24a und 24b. Das Kernstück 24a weist eine Kernstange 26a, einen Endarm 38 und ein Verbindungsjoch 40a auf. Das Kernstück 24b weist eine Kernstange 26b, einen Endarm 36 und ein Verbindungsjoch 40b auf. Nach dem Formen werden die Kernstücke 24a und 24b in die Spule 26 gesteckt und zwar einzeln von jedem gegenüberliegenden axialen Ende her und an ihren Platz in dem Epoxidharzgehäuse 44 eingebettet. Der magnetische Kraftflußpfad geht von der Kernstange 26a zur Kernstange 26b zum Arm 36, zum Verbindungsjoch 40b, zum Verbindungsjoch 40a zum Arm 38 und zurück zur Kernstange 26a. Der zusammengesetzte Kern wird mit einem elektrisch isolierenden Mantel 62, der vorzugsweise aus Gummi hergestellt ist, abgedeckt (2).
5a ist ein Flußdiagramm, das einen typischen Herstellungsvorgang 64 für Zündspulen wie z. B. die in den 1–4 gezeigte Zündspule 22 beschreibt. Der erste Schritt des Vorgangs, der durch den Block 66 dargestellt ist, umfaßt das Wickeln der Primärwicklung 30 und das Wickeln der Sekundärwicklung 32. Die Primärwicklung besteht aus einem isolierten 0,03589 Zoll Kupferdraht (19 Gauge), der um eine Kartonspindel bzw. einen Spulenkern 31 (6a) mit einem 0,625 Zoll Außendurchmesser gewikkelt ist. Die Primärwicklung sollte aus ungefähr 13 Windungen bestehen. Die Primärwicklung 30 ist typischerweise mit einem Klebeband 31 am Spulenkern 26 befestigt. 5b ist eine schematische Zeichnung, die eine typische Anordnung 68 beim Wickeln einer trapezförmigen Sekundärwicklung 32 darstellt. Die Sekundärwicklung 32 wird typischerweise hergestellt durch Wickeln eines isolierten 0,0025 Zoll Kupferdrahtes (42 Gauge) um eine Spindel bzw. einen Spulenkern 69 aus Karton mit einem 0,781 Zoll Außendurchmesser. Die Dicke des Drahtes (42 Gauge), der normalerweise für die Sekundärwicklung 32 verwendet wird, beträgt 0,0025 Zoll für den Leiter und 0,0035 Zoll einschließlich der Isolierung. Um die Sekundärwicklung 32 zu wickeln werden drei Windungen 70 des Drahtes (42 Gauge) um den Spulenkern 69 gewickelt. Ein Streifen elektrisch isolierendes Packpapier 72 mit elektrischer Qualität mit einer Breite von 4 Zoll wird um den Spulenkern 69 und die ersten drei Windungen 70 gewickelt. Das Packpapier 72 ist typischerweise 0,005 Zoll dick. Ein weiterer Streifen Papier 74 eines elektrisch isolierenden Papiers mit einer Dicke von 0,005 Zoll und einer Breite von 3,25 Zoll wird dann um den Spulenkern 69 und das Packpapierflächenelement 72 gewickelt. Dann werden 100 Windungen des Drahts 76 (42 Gauge) um den Streifen aus isolierendem Papier 74 gewickelt und zwar in dem Bereich von 0,44 Zoll um eine erste Lage 76 der Sekundärwicklung 32 zu erzeugen. Eine zweite Lage von isolierendem Papier 78 wird um die erste Lage aus Draht 76 gebracht. Eine zweite Lage von Draht 80 mit 98 Windungen wird um den isolierenden Papiertrenner 78 gewickelt. Der Sekundärwicklungsvorgang fährt in dieser Art und Weise fort, wobei jede Lage von Wicklungen durch einen isolierenden Papiertrenner getrennt wird. Die 25te Lage der Sekundärwicklung 82 weist 52 Windungen auf. Zwei Lagen von isolierendem Papier 84 trennen die 25te Drahtlage 82 von der 26ten Drahtlage 86. Die 26te Drahtlage weist 50 Windungen auf. In gleicher Weise ist die 27te Drahtlage 88 von der 26ten Lage 86 durch zwei Lagen aus isolierendem Papier 90 getrennt. Zwei weitere Lagen Papier 92 sind um die 27te Lage 88 gewickelt und eine Lage von Schutz- oder Stoßwicklungen 94 mit vier Windungen wird um die Papierflächenelemente 92 gewickelt. Die Stoßwindungen 94 erhöhen den magnetischen Kraftfluß der trapezförmigen Sekundärspule. Die trapezförmige Sekundärwicklung wird dann mit einer Schutzschicht aus Packpapier 96 eingewickelt. Elektrisch isolierendes Klebeband sichert die äußere Papierschicht 96 um die Sekundärspule 32 herum.
Gemäß 5a werden die Primärwicklung und die Sekundärwicklung zusammen mit anderen internen Teilen der Zündspule zusammengebaut und zusammengelötet, und zwar im Block 98. Insbesondere sind die Primärspule 30 und die Sekundärspule 32 in einer axialen Konfiguration (3 und 4) angeordnet und die Anschlüsse bzw. Anschlußstecker 50, 58 und die Anschlußbuchse 46 werden angelötet oder auf andere Weise an den Enden der Wicklungen befestigt, wie in 3 und 4 gezeigt ist. Die zusammengesetzten internen Teile der Zündspule 22 werden dann in einer Metallgußform plaziert. Die Metallgußform und die internen Teile werden dann im Block 100 in einem Ofen vorgeheizt. Das Vorheizen 100 wird normalerweise bei 104,4–107,2°C (220–225°F) für eine Dauer von ungefähr zwei Stunden durchgeführt. Die Hauptzwecke des Vorheizens liegen im Entfernen übermäßiger Feuchtigkeit und weiterer Verunreinigungen aus der Form und den internen Teilen und im Anheben der Temperatur der Form und der internen Teile für eine Vakuumeinkapselung im Block 102.
Der Schritt der Vakuumeinkapselung 102 umfaßt das Mischen von Teil A und Teil B eines thermischaushärtenden Verbundmaterials und das Gießen des gemischten Verbundmaterials in die Gußform und zwar unter Vakuumbedingungen. Das bevorzugte Guß- oder Einkapselungsverbundmaterial (d. h. das gemischte, thermisch aushärtende Verbundmaterial) ist ein Epoxidharz wie z. B. ein Anhydrid. Anhydride weisen eine ausreichende dielektrische Größe auf, um die Anforderungen der Sekundärwicklung 32 zu erfüllen. Das Einkapselungsverbundmaterial umfaßt normalerweise Sandfüllmaterialien wie z. B. Aluminiumoxid bzw. Tonerde, Talk, oder Silika oder manchmal Tonfüller. Das gemischte Einkapselungsverbundmaterial wird mit einer Temperatur von 82,2°C bis 87,7°C (180° Fahrenheit bis 190°) Fahrenheit und einem Druck von 0,5 Torr (d. h. ziemlich nahe am vollständigen Vakuum) in die Gußform gegossen. Um zu erlauben, daß flüchtige Bestandteile entweichen, werden die Gußform und die internen Bauteile der Vakuumumgebung von 0,5 Torr für 1 Minute ausgesetzt bevor das gemischte Einkapselungsverbundmaterial eingegossen wird.
In der Technik wurden andere Arten von thermisch aushärtenden Einkapselungsverbundmaterialien neben Epoxidharzen verwendet, wie z. B. Urethane oder Polybutadiene.
Die mit dem flüssigem Einkapselungsverbundmaterial gefüllte Gußform wird wärmebehandelt, um die Vernetzungsdichte zu erhöhen und das Einkapselungsverbundmaterial zu verfestigen.
Es wird normalerweise bevorzugt, daß bei der Wärmebehandlung zwischen 104,4°C und 107,7°C (220°F und 250°F) Ofentemperatur erreicht wird, was nicht die exotherme Energie des Aushärtungsvorgangs umfaßt. Der Aushärtungsvorgang benötigt normalerweise ungefähr zwei Stunden. Während des Wärmeaushärtungsschritts im Block 104 schrumpft das Einkapselungsverbundmaterial. Daher ist es normalerweise wichtig abhängig von dem Einkapselungsverbundmaterial die Gußform so aufzubauen, daß das Gehäuse 44 beim Aushärten nicht bricht. Nach dem Warmeaushärten 104 wird die Gußform gekühlt und dann das geformten Gehäuse 44 herausgenommen und zwar im Block 106. Der schlußendliche Zusammenbau wie z. B. das Enfernen überschüssiger Teile des Gehäuses 44, die für den Formvorgang benötigt wurden und das Zusammenbauen des Kerns 24 des Erdungsansatzes 60 und des Isoliermantels 62 an die Spule wird dann ausgeführt.
6a zeigt unterschiedliche Arten von potentiellen Ausfällen, die mit papiergewickelten Zündspulen 22 assoziiert sind, die durch den oben beschriebenen Vorgang hergestellt sind. Ein Typ eines solchen Fehlers ist ein horizontaler Bruch bzw. Riß 108 entlang der oberen Kante des Papiers 96. Der Grund für diesen Typ Fehler 108 ist, daß die obere Papierlage 96, die typischerweise ein Schutzpapier (z. B. Öl- oder Zwiebelhautpapier) nicht das Einkapselungsverbundmaterial absorbiert und keine effektive Bindung des Einkapselungsverbundmaterials mit der oberen Papierschicht 96 ermöglicht.
Die verdunkelten Bereiche 112 stellen Füllmaterialdämme (d. h. Volumen mit höherem Füllmaterialgehalt) dar. Die Füllmaterialdämme 112 treten auf, da Papier zellförmig ist und der Füllmaterialsand nicht durch die enggelegten Papierlagen in der Sekundärwicklung 32 hindurchtreten kann. Füllmaterialdämme treten nicht entlang der oberen Papierlage 96 auf, da das Einkapselungsverbundmaterial nicht in erheblichem Maß durch die Lage 96 durchdringt. Die Füllmaterialdämme in den Bereichen 112 können erheblich sein. Zum Beispiel wären bei einem Einkapselungsverbundmaterial mit 50 Gewichtsprozent Füllmaterial wahrscheinlich 75% des Füllmaterials in den Füllmaterialdammbereichen 112 und wenig oder überhaupt kein Füllmaterial wäre innerhalb der Papierlagen 114 der Sekundärwicklung 32.
Die Füllmaterialdämme können Probleme darstellen infolge der Variation der Zusammensetzung. Die Füllmaterialdämme 112 schrumpfen weniger als der Rest des Gehäuses 44 während des Abkühlens nach dem Wärmeaushärten. Zum Beispiel würde eine typische Schrumpfrate für Einkapselungsverbundmaterial mit 50% Füllmaterial von der exothermen Spitzenaushärtungstemperatur zu einer Umgebungstemperatur von 22,2°C (72°F) typischerweise bei 0,0153 Zoll pro Zoll Material betragen. In dem Bereich des Füllmaterialdamms 112 mit 75% Füllmaterial würde die Schrumpfungsrate typischerweise bei 0,010 Zoll pro Zoll unter denselben Bedingungen betragen. Für reines oder nahezu reines Polymer 114, das innerhalb der Papierlagen in der Sekundärwicklung 32 angeordnet ist, wäre eine typische Schrumpfrate 0,023 Zoll pro Zoll.
Das Bezugszeichen 110 zeigt vertikale Rückströmungsrisse oder Brüche entlang der Kante der Sekundärwicklung 32, die sich während des Wärmeaushärtens bilden und die wieder aufgefüllt werden bevor das Aushärten beendet ist.
Während des Aushärtungsvorgangs bewirken die Unterschiede der Schrumpfraten die vertikalen Rückströmungsbrüche oder Risse 110 (die typischerweise mit reinem Polymer wieder gefüllt werden) und auch andere Brüche oder Risse wie z. B. den Bruch oder Riss 116, der von der Ecke des Füllmaterialdamms 112 zu der Kante des Gehäuses 44 nach oben abgewinkelt ist. Manchmal breitet sich ein Riss oder Bruch wie z. B. der Riss 160 vollständig zu der Kante des Gehäuses 44 aus, und zwar während des Abkühlens wie z. B. durch den Bruch oder Riss 118 dargestellt ist.
Ferner treten typischerweise während des Wärmeaushärtungsvorgangs Brüche oder Risse 120 durch die Sekundärwicklung 32 hindurch auf, und zwar normalerweise zwischen Lagen der Sekundärwicklung. Die Brüche oder Risse 120 bilden dielektrische Diskontinuitäten, die die Linien der Magnetfelddichte unterbrechen und die eine verringerte Ausgangsspannung zur Folge haben, was wiederum die Motorleistung verringern kann. Über die Zeit hinweg kann beim Betrieb das Einkapselungsverbundmaterial in dem Bereich der dielektrischen Diskontinuitäten 120 typischerweise weiter zersetzt werden, und zwar infolge von Korona-Entladung. Schlußendlich wird sich die Zersetzung um die dielektrischen Diskontinuitäten herum auf so ein Maß erhöhen, daß eine Funkenbildung zwischen den Wicklungen auftritt. Wenn sich diese Art der Verschlechterung 120 erhöht, verringert sich die Ausgangsspannung von der Sekundärwicklung 32 zu der Zündkerze 42 kontinuierlich. An einem Punkt kann sich die Spannungsausgangsgröße von der Spule 22 auf ein solches Maß verringern, daß die Spule 22 nicht länger eine Zündkerze 42 zünden kann (bei z. B. ungefähr 13 Kilovolt).
Obwohl Brüche oder Risse wie z. B. 108, 110, 116, 118 und 120 während des Wärmeaushärtungsprozesses auftreten, können Brüche oder Risse anfangen oder weiter wachsen, nachdem die Spule ausgehärtet ist und zwar infolge von thermi schen Zyklen und Variationen von Wärmeausdehnungscharakteristika über das Gehäuse 44 hinweg. Ein Typ eines Fehlers, der infolge thermischer Zyklen auftreten kann, ist ein Brandloch 122. Ein Brandloch 122 tritt auf, wo sich ein Pfad zwischen den Sekundärwicklungen 32 und den Ferritarmen 36 oder 38 oder den Jochen 40 öffnet. Wenn ein offener Pfad zu dem geerdeten Ferrit besteht, kann die hohe Spannung in der Sekundärwicklung 32 den offenen Pfad als Pfad des geringsten Widerstandes anstelle des Pfades über die Zündkerze 42 wählen. Ein Beispiel eines solchen offenen Pfades ist entlang des Bruchs oder Risses 108 zum Bruch oder Riss 118 und vollständig zur Kante bzw. dem Rand des Gehäuses 44 zum Brandloch 122 gezeigt.
Gemäß 6b sind die Lagen der Sekundärwicklungen 32a und 32b durch Papier 124 getrennt, das normalerweise mit dem Einkapselungspolymer gesättigt ist, was aber nicht immer der Fall ist. Das Einkapselungspolymer befindet sich auch in den Räumen 126 zwischen den Wicklungen 32a und 32b und dem Papier 124. Wenn das Einkapselungsverbundmaterial das Papier 124 nicht ausreichend sättigt, könnte die dielektrische Konstante des Papiers 124 zwischen den Lagen der Wicklungen 32a und 32b nicht ausreichend sein, wodurch ein Korona-Zusammenbruch und Funkenbildung gefördert werden könnte. Wenn zusätzlich das Einkapselungspolymer Papier absorbiert und/oder in das Papier 124 adsorbiert, wird die Chemie des Einkapselungspolymers in der Nähe des Papiers 124 verändert. Die Veränderung der Chemie fördert die Bildung von Brüchen oder Rissen in der Sekundärwicklung 32 wie z. B. Brüche oder Risse 120. Das heißt, Brüche oder Risse 120 würden auch dann auftreten, wenn keine festen Additive in dem Einkapselungsverbundmaterial vorhanden wären.
Die vorliegende Erfindung
Die Erfindung eliminiert die Brüche oder Risse und die Verschlechterung bzw. Zersetzung, die in 6a dargestellt ist und die sich aus Füllmaterialdämmen 112 und damit verbundenen Variation der Zusammensetzung über das Gehäuse 44 hinweg ergeben. Gemäß den 7a, 7b und 8 tut die Erfindung dies durch Ersetzen der Papierlagen 124, die die Drahtlagen in der Sekundärwicklung 32 trennen mit einem Nylongitter 128 aus massiven Fäden oder Fasern oder einem anderen nicht filternden/nicht entmischenden Sekundärwicklungstrenner. Das bevorzugte Nylongitter bzw. Gewebe 128 besitzt im allgemeinen quadratische Gitter oder Gewebeöffnungen mit einer 0,08 Zoll Dicke und einer Gitter- oder Gewebeöffnungsgröße von ungefähr 0,05 Zoll. Eine solche Gittergröße ist groß genug, um zu erlauben, daß Füllmaterialpartikel während des Vakuumeinkapselungsschritts im Block 102 gemäß 5a des Herstellungsvorgangs im wesentlichen uneingeschränkt durch das Gehäuse 144 fließen. Um sicherzustellen, daß eine Dammbildung des Füllmaterials nicht auftritt, sollte die Größe der Öffnungen in dem Gitter größer sein als die größte Größe des Füllmaterials, das für den bestimmten Formvorgang verwendet wird. Da das Gitter 128 kein Füllmaterial in dem Einkapselungsverbundmaterial filtert, gibt es wenige oder überhaupt keine Füllmaterialdämme und die Zusammensetzung des Gehäuses 144 ist über das Gehäuse 144 hinweg homogen. Da die Zusammensetzung des Gehäuses 144 durchgängig homogen ist, ist die Wahrscheinlichkeit von Brüchen oder Rissen infolge von Variationen der Schrumpfrate während des Wärmeaushärtungsvorgangs und infolge von Variationen in Wärmeausdehnungscharakteristika während thermischer Zyklen stark reduziert.
Die Erfindung kann bei einer Zündspule 22 eingesetzt werden, die unter Verwendung derselben oder ähnlicher Techniken wie in 5a und 5b beschrieben ist, hergestellt wird, mit der Ausnahme, daß die Papiertrennlagen 126 und/oder die Papierschutzlagen 72, 74 und 96 mit einem Nylongitter oder Gewebe 128 mit festen oder massiven Fasern oder Fäden ersetzt werden. 8 zeigt das bevorzugte Verfahren des Anlegens des Nylongitters 128 mit einem quadratischen Gittermuster, bei dem sich längs erstreckende Fäden 130 des Gitters 128 im allgemeinen parallel mit den Sekundärwicklungen ausgerichtet sind. Die in 8 gezeigte Konfiguration wird bevorzugt, dasie dabei hilft, die Sekundärwicklungen ausgerichtet zu halten.
Das Nylongitter 128 besteht ferner aus einem festen Faden, der keine Komponenten des Einkapselungsverbundmaterials absorbiert oder adsorbiert und somit nicht die Chemie des Einkapselungsverbundmaterials in der Nähe des Nylongitters 128 verändert. Zusätzlich neigt das Polymereinkapselungsverbundmaterial dazu, sich leicht mit dem Nylongitter 128 zu verbinden.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Nylongitters ist in 7b gezeigt, wo zu sehen ist, daß das Einkapselungsverbundmaterial nicht nur die Räume 134 zwischen den Sekundärwicklungen 132 und dem Nylongitter 128 füllt, sondern auch durch das Gitter zwischen den Lagen 132 des Sekundärwicklung füllt. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit von dielektrischen Diskontinuitäten zwischen den Lagen 132 der Sekundärwicklung.
Die Verwendung des Nylongitters 128 reduziert auch Brüche oder Risse wie z. B. den Bruch oder Riss 108 in 6a an der oberen Papierschicht 96, da dem Einkapselungsverbundmaterial vor dem Aushärten erlaubt wird, vollständig durch die obere Lage zu fließen und somit besteht nicht die Notwendigkeit, daß sich das Einkapselungsverbundmaterial mit der äußeren Schutzlage verbindet.
Während bevorzugt wird, die Erfindung mit Nylongitter durchzuführen, kann die Erfindung auch mit anderen Arten von nicht filternden/nicht entmischenden Trennern durchgeführt werden. Eine andere Typ eines nicht filternden Trenners, der wünschenswert sein könnte, ist nicht entmischendes Polyestergewebe. Polyestergewebe ist nicht hydroskopisch, so daß Polyestergewebe kein Wasser während der Vakuumeinkapselung im Block 102 in 5a abgibt, was die Integrität des Gehäuses 144 beeinträchtigen könnte.
Typischerweise wurde Elektroklebeband beim Stand der Technik verwendet, um sowohl die Primärwicklung 30 als auch die Sekundärwicklung 32 während der Herstellung zu befestigen, bevor das Zündspulengehäuse 44 vollständig ausgehärtet war. Bei der Durchführung dieser Erfindung ist es wünschenswert, die Menge an Klebeband zu verringern und die Menge an Klebern oder Haftmitteln in dem hergestellten Gehäuse 144 zu verringern. Es ist auch wünschenswert, daß das Klebeband entweder nicht filternd ist, oder daß sich das Einkapselungsverbundmaterial leicht mit dem Klebeband verbindet. Es ist auch wünschenswert, daß das Klebeband nicht die Chemie des benachbarten Einkapselungsverbundmaterials verändert.
Es sei bemerkt, daß unterschiedliche äquivalente Alternativen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche möglich sind. Obwohl die Erfindung unter Vewendung eines Gießformherstellungsvorgangs beschrieben wurde, könnte die Erfindung z. B. auch bei verkitteten Zündspulen eingesetzt werden (d. h. Zündspulen, bei denen das Einkapselungsverbundmaterial in eine Hülle gegossen wird, die nach der Herstellung nicht entfernt wird) oder bei anderen Imprägniertechniken. Bei verkitteten Zündspulen können weichere Einkapselungsverbundmaterialien wie z. B. Silikon den Wachstums von Brüchen oder Rissen infolge thermischer Zyklen verhindern und dieses könnte daher zweckmäßig sein.
Es ist keine Notwendigkeit der Erfindung, das das Einkapselungsverbundmaterial eine thermisch aushärtende Mischung ist, die ein Wärmeaushärten benötigt. Z. B. ist die Erfindung auch anwendbar bei Einkapselungsverbundmaterialien, die bei Raumtemperatur aushärten. Bei einigen Anwendungen können andere Additive als Füllmaterialien in dem Einkapselungsverbundmaterial verwendet werden. Diese anderen Arten von Additiven können Verbinder bzw. Bindemittel wie z. B. geschnittene Glasfasern sein und die Erfindung kann auch bei diesen Arten von Additiven eingesetzt werden.
Während die Erfindung in Verbindung mit einer Zündspule für einen Verbrennungsmotor beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf Verbrennungsmotoren beschränkt, z. B. kann die Erfindung bei Zündspulen verwendet werden, die entzündbare Brennstoffmischungen in anderen Umgebungen als Verbrennungsmotoren zünden, wie z. B. Herden, Öfen oder Verbrennungsanlagen.

Claims

Zündspule (22) für einen Verbrennungsmotor, die folgendes aufweist: einen magnetisch permeablen Kern (24) mit einer sich axial erstreckenden Kernstange (26); eine Primärwicklung (30), die um die Kernstange (26) gewickelt ist und die einen Eingangsanschluß zur Eingabe elektrischer Energie von einer Spannungsquelle aufweist; eine Sekundärwicklung (32) mit einer Vielzahl von Drahtlagen (132), die kontinuierlich um die Kernstange (26) gewickelt ist, und mit einem Ausgangsanschluß zum Abgeben hoher Spannung elektrischer Energie zum Entzünden einer verbrennbaren Brennstoffmischung in einem Verbrennungsmotor, wobei die Sekundärwicklung (32) eine Vielzahl von Trennstreifen (128) für die Sekundärwicklung (32) besitzt, die zwischen benachbarten Lagen (132) der Sekundärwicklung (32) eingebettet sind, wobei jeder der Trennstreifen (128) für die Sekundärwicklung (32) aus einem flexiblen nicht filternden, nicht entmischenden Material, d. h. einem Material, dass keine Komponenten des Einkapselungsverbundmaterials absorbiert oder adsorbiert besteht, und wobei jede Lage (132) der Sekundärwicklung (32) von benachbarten Lagen (132) der Sekundärwicklung (32) durch wenigstens eine Lage des nicht filternden, nicht entmischenden Trennstreifenmaterial für die Sekundärwicklung (32) getrennt ist; ein elektrisch isolierendes Gehäuse (144), das aus einem Einkapselungsverbundmaterial mit festen Additiven hergestellt ist; wobei die Primärwicklung (30) und die Sekundärwicklung (32) koaxial zueinander sind und wobei sowohl die Primärwicklung (30) als auch die Sekundärwicklung (32) in dem elektrisch isolierendem Gehäuse (144) imprägniert sind, und wobei das Trennstreifenmaterial für die Sekundärwicklung (32) eine Vielzahl von Öffnungen dort hindurch aufweist, die groß genug sind, um eine Störung der Strömung der festen Additive in dem Einkapselungsverbundmaterial durch die Sekundärwicklung (32) hindurch während der Herstellung zu vermeiden.
Zündspule (22) nach Anspruch 1, wobei die Trennstreifen für die Sekundärwicklung (32) Streifen eines Nylongitters bzw. -gewebes mit massiven Fasern oder Fäden sind.
Zündspule (22) nach Anspruch 2, wobei das eingebettete Nylongitter eine Gittergröße von ungefähr 0,13 cm (050 Zoll) aufweist.
Zündspule (22) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Nylongitter Längsfäden (130) und Querfäden aufweist, wobei die Längsfäden (130) im allgemeinen parallel zu den Drähten in der Sekundärwicklung (32) sind.
Zündspule (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine äußerste Schicht der Sekundärwicklung (32) durch eine äußerste Schicht eines nicht filternden, nicht entmischenden Materials und Öffnungen dort hindurch aufweist, die groß genug sind, um eine Störung der Strömung der festen Additive in dem Einkapselungsverbundmaterial zu vermeiden, das in das Gehäuse (144) eingebettet ist, abgedeckt ist.
Zündspule (22) nach Anspruch 5, wobei die äußere Lage des nicht filternden, nicht entmischenden Materials, das die äußere Lage der Sekundärwicklung (32) abdeckt, ein Streifen eines Nylongitters bzw. -gewebes ist, der in dem Gehäuse (144) eingebettet ist.
Zündspule (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die festen Additive Sandfüllmaterialien sind.
Zündspule (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einkapselungsverbundmaterial ein thermisch aushärtendes Epoxidharz ist.
Zündspule (22) nach Anspruch 9, wobei der Sekundärwicklungstrenner (128) aus einem Material mit massiven Fasern oder Fäden hergestellt ist.
Zündspule (22) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Sekundärwicklungstrenner (128) aus Nylon hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Zündspule, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Wickeln einer Primärwicklung; Wickeln einer Sekundärwicklung zum Vorsehen einer Vielzahl von Lagen aus isoliertem Draht, wobei jede Lage der Sekundärwicklung von benachbarten Lagen in der Sekundärwicklung mit einem Trennstreifen für die Sekundärwicklung getrennt ist, der beim Wickeln zwischen benachbarten Lagen der Sekundärwicklung eingebettet wird, wobei jeder der Trennstreifen für die Sekundärwicklung aus einem flexiblen nicht entmischenden Material, d. h. einem Material, dass keine Komponenten des Einkapselungsverbundmaterials absorbiert oder adsorbiert und Öffnungen dort hindurch aufweist, die groß genug sind, um eine Störung der Strömung der festen Additive in dem Einkapselungsverbundmaterial zu vermeiden hergestellt ist; Zusammensetzen interner Teile der Zündspule einschließlich der Primärwicklung und der Sekundärwicklung; Plazieren der zusammengesetzten interner Teile in einer Gußform Vakuumeinkapseln der zusammengesetzten internen Teile durch Imprägnieren der Teile mit einem Einkapselungsverbundmaterial mit festen Additiven derart, dass Verbundmaterial ungefiltert durch Trennstreifenmaterial hindurchtritt; und Aushärten des Einkapselungsverbundmaterials zum verfestigen eines Gehäuses für die Zündspule.
Verfahren zur Herstellung einer Zündspule nach Anspruch 11, wobei das Einkapselungsverbundmaterial ein sich thermisch aushärtendes Verbundmaterial ist und wobei das sich thermisch aushärtende Verbundmaterial thermisch wird.
Verfahren zur Herstellung einer Zündspule nach Anspruch 12, wobei das sich thermisch aushärtende Verbundmaterial ein Epoxidharz ist und die festen Additive Sandfüllmaterialien sind.
Verfahren zur Herstellung einer Zündspule nach einem der Ansprüche 11–13, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: Plazieren der zusammengesetzten internen Teile der Zündspule in einer Gußform; und Vorwärmen der Gußform und der internen Teile vor der Vakuumeinkapselung.
Verfahren zur Herstellung einer Zündspule nach einem der Ansprüche 11–14, wobei ein äußerer Streifen aus einem nicht entmischenden Material, d. h. einem Material, dass keine Komponenten des Einkapselungsverbundmaterials absorbiert oder adsorbiert und Öffnungen dort hindurch aufweist, die groß genug sind, um eine Störung der Strömung der festen Additive in dem Einkapselungsverbundmaterial zu vermeiden um die äußerste Lage der Sekundärwicklung plaziert wird, und zwar vor dem Zusammenbauen der internen Teile der Zündspule.