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"Vorrichtung zum Induzieren einer elektrisch-e-n-Spannung" Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Induzieren einer elektrischen Spannung nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere auf eine Spule für ein Zündsystem
an einer für ein Kraftfahrzeug, für ein Schiff oder ein Flugzeug bestimmten Brennkraftmaschine.
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Die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine hängt unmittelbar von
der Art des zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugten Funkens ab. Im allgemeinen
ist die Verbrennung um so vollständiger, je höher die an der Funkenstrecke erzeugte
Spannung ist. Wenn sich die Leistung der die sekundäre Hochspannung erzeugenden
Spule verschlechtert, dann verschlechtert sich auch das Verbrennungsverfahren beträchtlich,
beeinflußt die Leistung der Maschine und erhöht die Menge der nach außen abgeführten
Verunreinigung. Eine wirksame Spule, die eine hohe Sekundärspannung erzeugt, ist
daher besonders wichtig.
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Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil
des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Die Merkmale des Anspruches 2 betreffen eine bevorzugte Bauform.
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Zusätzliche vorteilhafte Bauformen sind durch die Merkmale der Ansprüche
3 und 4 gekennzeichnet.
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In vorteilhafter Weise sind die Induktionswicklungen auf einen rohrförmigen
Spulenkörper aufgewickelt, der aus synthetischem Kunststoff besteht. Dieser Spulenkörper
ist vorzugsweise auf seinem Umfang kerbverzahnt, um längs sich erstreckende Kanäle
vorzusehen.
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Von Vorteil sind auch die Merkmale des Anspruches 11. Die Rippen bilden
achsparallel sich erstreckende Kanäle.
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Während des Betriebes fließt aufgrund der Kapillarwirkung Isolieröl
durch die axial sich erstreckenden Kanäle.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend eine Bauform
davon als Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Es zeigen Fig. la, ib und 1c Querschnitte durch drei unterschiedliche Formen von
Kernen für Spulen von Brennkraftmaschinenzündsystemen; Fig. 2 einen Längsschnitt
durch eine Spule mit einem Kern nach Fig. 1a; Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt
von Kern und Wicklungen der Spule nach Fig. 2; Fig. 4 eine perspektivische Ansicht
eines anderen Spulenkörpers für eine Wicklung, die Bestandteil der Spule und der
Wicklungen nach Fig. 1 ist; Fig. 5 eine Endseite zur Benutzung mit dem Spulenkörper
nach Fig. 4 und Fig. 6 zwei einen magnetischen Kreis bildende Gehäuseschalen
zur
Benutzung mit den Endseiten und dem Spulenkörper nach Fig. 5 bzw. 4.
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Die Spule hat ein durch Druckgießen aus Kunststoff hergestelltes kapselförmiges
Gehäuse 1, in dem sich eine Kern- und Wicklungsanordnung befindet, die im allgemeinen
mit 2 bezeichnet wird.
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Diese Anordnung 2 hat einen mittigen Kern, der einen massiven, zylindrischen
und mittig angeordneten Ferritteil 3 aufweist, welcher von einer Anzahl von Weicheisenstäben
4 umgeben ist, die eine Dicke von etwa imm haben. Die Eisenstäbe 4 sind durch einen
lufttrocknenden Epoxidharz, z. B. der Marke "Araldit", miteinander verbunden. Die
axiale Länge der Stäbe und des Ferritteiles beträgt jeweils 109 mm. Der Durchmesser
des Ferritteiles beträgt 10 mm, der Durchmesser jedes Weicheisenstabes beträgt etwa
1 mm. Der Außendurchmesser des von den Eisenstäben gebildeten Kernes beträgt 16
mm.
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Ein Spulenkörper 5 aus Kunststoff paßt über den Kern 2 und bildet
eine Stütze für die Wicklungen. Es ist von Bedeutung, daß die axiale Länge der Wicklungen
etwas kleiner ist als die des Kernes.
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Es sind eine Primärwicklung 6 und eine Sekundärwicklung 7 vorhanden.
Die Primärwicklung 6 ist über die Sekundärwicklung 7 gewickelt, wobei dazwischen
eine geeignete Isolation vorgesehen ist. Die Wicklung 6 ist aus Kupferleitern mit
flachem Querschnitt oder paarweiser Anordnung gebildet. Zwischen einander benachbarten
Lagen der Wicklung befinden sich Lagen von geripptem Polytetrafluoräthylen. Die
Rippen 8 verlaufen achsparallel zum Kern und bilden Kanäle, durch welche Kühlmittel
und Isolieröl aufgrund der Kapillarwirkung fließen können. Die Startlage der Primärwicklung
6 bildet eine Schlaufe und ist mit der letztewWindung der Sekundärwicklung 7 verbunden,
deren Ende mit einer Hülse versehen ist und an einem Ende der Wicklungen durch die
endseitige positive Verbindung nach außen geführt ist. Die erste Windung der Sekundärspule
führt unmittelbar zur Hochspannungsverbindung.
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Die Sekundärinduktionswicklung 7 besteht aus einem emaillierten oder
kunststoffbeschichteten Draht der Marke "LEWMEX", wobei
zwischen
jeder Lage der aufgewundenen Leiter zwei Schichten eines mit Lack imprägnierten
und Glasfasern aufweisenden Kraftpapiers vorgesehen sind. Der rohrförmige Spulenkörper
5, auf den dieser Teil aufgewickelt ist, weist eine Verzahnung für den Kreislauf
von öl zum Isolieren und Kühlen auf. Er ist spritzgegossen und/ oder extrudiert
und besteht aus einem hoch dielektrischen und mechanisch starken Kunststoff, z.
B. einem Polycarbonat oder einem Acetalharz mit dem Warenzeichen "Makrolon" bzw.
"Kematal".
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Der Anfang der Wicklung 7 ist in ein gefaltetes Ende eines flachen
Längs stückes aus einem verzinnten Kupferband gelötet. Das Band wird dann durch
einen schmalen Schlitz eingebracht, der am Boden einer der Nuten in dem Spulenkörper
5 vorgesehen ist.
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Der gelötete Teil wird innerhalb der Nutenwand flachgelegt und dann
mit Polyäthylenoxyd mit dem Warenzeichen "Araldit" befestigt und versiegelt. Das
rückwärtige Ende des Bandes wird dann längs der Innenwand des Spulenkörpers 5 flach
gelegt und an dem gegenüberliegenden Ende zu den Niederspannungsverbindungen herausgeführt.
Wenn die Sekundär- und Primärwicklungen vollständig sind, so wird die letzte Windung
der Primärwicklung mit einer Hülse versehen, zu einer Schleife geformt und befestigt.
Das Ende wird dann durch die endseitige negative Verbindung nach außen gebracht.
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Der zusammengebaute Kern wird in den hohlen Spulenkörper an dem Ende
eingesetzt, das dem Ende gegenüberliegt, aus dem das Band des elektrischen Hochspannungsleiters
vorsteht. Der Kern wird sorgfältig in seine Lage gebracht. Ein wenig pulsierendes
elektrisches Potential wird dann an die Primärwicklung 6 angelegt und unter Verwendung
eines geeigneten elektrischen Instrumentes wird der Kern innerhalb der Wicklungen
für maximale Leistung und geringen Magnetisierungsstrom eingestellt. Nach Beendigung
dieses Arbeitsvorganges wird das Ende des Bandleiters an die elektrische Hochspannung
angelötet, die zur Grundverbindung negativ ist. Diese Hochspannungsverbindung weist
eine Feder 9 aus Phosphorbronze auf, welche mit einem einstückigen, plattenförmigen,
aus Messing gegossenem Einsatz 10 in Berührung steht.
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Die Feder 9 ist innerhalb des Spulenkörpers an dem Kern zentriert
und
daran befestigt, wobei Polyäthylenoxyd mit der Bezeichnung "Araldit" für das Befestigen
und das Siegeln benutzt wird. Der Einsatz 10 hat einen kegelförmigen Zapfen 11 zum
Sichern der Lage der Feder 9 und ist in einer Ausnehmung im Gehäuse 1 angeordnet.
Ein ein 1/2"- Gewinde aufweisendes Verbindungsstück 12 zum Verbinden eines Hochspannungskabels
ist zu diesem Zweck in die Ausnehmung eingeschraubt.
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Bei einer vorteilhaften anderen Bauform ist die Feder 9 aus Phosphorbronze
durch eine Beryllium-Kupfer-Feder ersetzt und der Einsatz 10 durch eine mit Messing
überzogene öl- und vakuumdichte Schraube, die mit einer das Warenzeichen "Niltite"
aufweisende Nylon-Dichtung abgedichtet ist.
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Eine mit Polytetrafluoräthylen beschichtete Phosphorbronzefeder 13
ist zwischen dem Spulenkörper 5 und einer in der Innenwand des Gehäuses geeignet
ausgebildeten Ausnehmung angeordnet. Die Feder 13 kann auch durch wellenförmige
Unterlagsscheiben aus Berylliumkupfer ersetzt werden, die jeweils an den einander
gegenüberliegenden Enden des Spulenkörpers angeordnet sind.
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An dem anderen Ende des Gehäuses befinden sich die Leiter 14 und 15,
die zur Primärwicklung positiv oder negativ sind und die in entsprechende Ausnehmungen
in am Ende des Gehäuses 1 angeordnete Verbindungsstücke 16 eingeführt sind. Die
Innenseiten dieser Enden des Spulenkörpers, welche an den Wicklungen anliegen, sind
vorzugsweise mit Nuten versehen, damit Kühlöl zum Kern hindurchfließen kann. Dieses
Ende des Gehäuses weist eine Platte 17 auf, welche in das offene Ende des Gehäuses
eingeschraubt ist. Eine O-Ringdichtung 18 aus Chloropren-Polymerisat mit dem Warenzeichen
"Neopren" ist zwischen der Platte 17 und dem übrigen Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse
wird mit Transformatorenöl zum Zwecke der Isolation und der Kühlung gefüllt. Vor
dem Füllen wird das Ganze angewärmt. Nach dem Füllen wird die Spule dann einem niederzyklischen
Arbeitsvorgang unterworfen, dann vollständig evakuiert und über den Einsatz 10 in
einem Hochspannungsturmventil wieder gefüllt Der Einsatz 10 wird daraufhin versiegelt.
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Bei einer anderen Bauform wird der Spulenkörper 5 durch den in Fig.
4 dargestellten Spulenkörper ersetzt. Dieser Spulenkörper ist einfach ein Stück
eines gewellten rohrförmigen Kunststoffes.
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Die Täler der Wellen bilden Kanäle für den Durchtritt von Isolier-
und Kühlöl unter Kapillarwirkung. Endseiten (Fig. 5) sind jeweils an einander gegenüberliegenden
Seiten des Spulenkörpers 5 angeordnet. Jede Endseite weist zwei aus einem Sonderstahl
für Transformatoren mit der Bezeichnung "Stalloy" td/ oder aus Weicheisen bestehende,
0,5 mm dicke Teile 22 und 23 auf, die eine mit geringem Abstand geschlitzte magnetische
Scheibe bilden, welche in einen Kunststoff, z. B. Polykarbonat mit dem Warenzeichen
"Makrolon" (Bayer) eingebettet ist. Jeder Teil 22, 23 ist im wesentlichen halbkreisförmig
mit einem äußeren Durchmesser von 48 mm, einer Dicke von 1/8" und einer im wesentlichen
halbkreisförmigen Ausnehmung ausgebildet, die einen Durchmesser von 18 mm hat. Drei
Vorsprünge 24 von etwa 3 mm x 2 mm erstrecken sich von jedem Teil und aus dem aus
Kunststoff bestehenden Einbettungsstoff heraus. Diese zwei Sätze von drei Vorsprungen
berühren jeweils ein Ende jede ton zwei Halbschalen 25, 26, die aus Sonderstahl
für Transformatoren oder Eisen bestehen, 93 mm lang und 0,5 mm dick sind und sich
zwischen den beiden Endseiten erstrecken. Jede Halbschale 25, 26 hat einen Schlitz
27, der 2,5 mm breit bei 1 mm Dicke ist, um sich den Vorsprüngen 24 an den beiden
Endseiten an den einander gegenüberliegenden Enden anzupassen. Die mit den Halbschalen
verbundenen Endseiten konzentrieren einen Teil des magnetischen Flusses innerhalb
der Induktionsspulenanordnung, wodurch der wirksame Luftspalt um etwa das Zweifache
der Dicke der kombinierten Primär- und Sekundärwicklung verringert wird.
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Der vorstehend beschriebene Kern ist das Zentrum eines der drei in
Fig. 1 dargestellten Kerne mit einem Ferritzentrum (gestrichelt dargestellt) und
mit Weicheisenstäben (nicht gestrichelt), die die Ferritmitte umgeben. Zwei andere
Bauformen des Kernes sind ebenfalls dargestellt. Die auf der linken Seite hat ein
dickwandiges
Ferritrohr, das mit Weicheisenstangen gefüllt ist, und die andere auf der rechten
Seite ist eine massive Ferritstange. Bei einer nicht dargestellten anderen Bauform
erstreckt sich'eine massive Ferritstange durch ein Ferritrohr anderer Eigenschaften
und Struktur. Bei allen Bauformen des Kernes ist jedoch ein Niederfrequenzteil und
ein Hochfrequenzteil vorhanden.
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Es gibt keine Begrenzungen für die für die inneren und äußeren Teile
des Kernes gewählten Werkstoffe, solange einer der Teile einen hohen Wirkungsgrad
bei einer sehr niederen Frequenz und der andere Teil bei einer hohen Frequenz hat
bzw. solange bei einem der Teile die bei hohen Frequenzen und beim anderen Teil
die bei niederen Frequenzen stark in Erscheinung tretenden Verluste verhältnismäßig
klein sind.
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Die vorstehend beschriebene Kernanordnung ermöglicht eine höhere Ausgangsspannung
und eine größere Geschwindigkeit des zu entwickelnden und über einen weiten Frequenzbereich
aufrecht zu erhaltenden Plasmas als mit vergleichbaren üblichen Zündspulen. Dies
ist von besonderer Bedeutung bei der Anwendung an Brennkraftmaschinen, da eine unwirksame
Zündung, die aus einer geringen Ausgangsspannung der Spule resultiert, zu einem
mangelhaften Starten, zur unvollständigen Verbrennung, zu einer geringentllgemeinleistung
und zu beträchtlicher Umweltverschmutzung führt. Die Anordnung der Niederspannungsverbinder
an dem dem Hochspannungsverbinder gegenüberliegenden Ende der Spule vermindert beträchtlich
die Möglichkeit des Auftretens von Kurzschlüssen oder Kriechströmen.
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Bei der Anwendung bei Brennkraftmaschinen ist die Spule in dem Maschinengehäuse
mittels eines Halters aus gegossenem Kunststoff befestigt. Dieser hat einen omegaförmigen
Querschnitt, dessen runder Teil um die Spule paßt und dessen beiden Füße längliche
Ausnehmungen haben, durch welche Befestigungsschrauben gesteckt werden können. Ein
Vorsprung und eine dazu passende Ausnehmung sind auf einander entgegengesetzten
Innenflächen des Halters an dessen Halsteil vorgesehen, die ineinander passen und
sich gegenseitig festlegen, wenn sie zusammengedrückt werden.
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Der Halter besteht vorzugsweise aus Polymethylenoxyd, das unter dem
Warenzeichen "DELRIN" im Handel erhältlich ist.
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Es ist klar, daß die vorstehenden Bauformen nur als Ausführungsbeispiele
beschrieben sind und daß verschiedene Änderungen möglich sind, ohne sich aus dem
Rahmen der Erfindung zu entfernen.
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Z. B. kann ein gedruckter Schaltkreis für die Sekundärwicklung verwendet
werden. Die Kernanordnung aus Ferrit- und Eisen-Stab kann von den Gezeigten unterschieden
sein. Zwei unter Hochfrequenz einen hohen Wirkungsgrad aufweisende Ferritstangen
mit 3/4 runder Gestalt können mit ihren flachen Seiten aneinander anliegen und die
unter Niederfrequenz einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Eisenstangen, die seitlich
der Ferritstangen angeordnet sind, bilden einen Kern von kreisförmigem Querschnitt.
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Ein komplexerer Kern kann vier Teile aufweisen. Ein mittiger Ferritstab
für sehr niedere Frequenzen ist durch eine Anzahl von bei Niederfrequenz einen hohen
Wirkungsgrad aufweisenden Eisenstäben umgeben. Diese Stäbe sind ihrerseits von einem
bei Hochfrequenz einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Ferritstab umgeben. Eii usätzlicher
Ferritstab, der bei einer sehr hohen Frequenz einen hohen Wirkungsgrad aufweist,
vervollständigt den Kern.
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Es ist beabsichtigt, zusammen mit der vorstehend beschriebenen Zündspule
ein transistorisiertes Schaltsystem zu verwenden. Dieses Schaltsystem wird mittels
eines transistorisierten Moduls vervollständigt, der mit der Spule über den Leiter
16 verbunden werden kann. Um hierbei eine Polaritätsverwechslung der beiden Verbindungsstücke
zu verhindern, werden diese ungleich ausgebildet. Für Kühl zwecke ist die Außenseite
des Moduls vorzugsweise gerippt und der elektrische Teil davon befindet sich unter
einer Deckplatte auf einem Kupferrahmen, der in aufgeschraubtem Zustand einen sicheren
mechanischen Kontakt mit der bearbeiteten Innenseite des wärmeableitenden Behälters
herstellt. Dieser Modul kann auch mit Isolier- und Kühlöl gefüllt werden. Der Modul
selber hat die Gestalt eines 3/4 Kreises und umfaßt die obere Hälfte der Spulenmodulanordnung.
Der flache Teil ist zur Anpassung an
mittige Stützansätze des Haltearms
der Spule teilweise geschlitzt.
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Bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen hat die Isolation aus
Kunststoff eine hohe dielektrische und eine hohe mechanische Stärke.
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Es ist klar, daß die vorstehend beschriebenen Bauformen nur als Ausführungsbeispiele
gelten und daß viele Änderungen möglich sind, ohne sich aus dem Rahmen der beigefügten
Ansprüche zu entfernen. Z. B. kann der zweiteilige Kern einen massiven zylindrischen
mittleren inneren Kernteil aus einem Hochfrequenzferritgefüge und /oder einem eutektischen
Ferritteil und einen hohlen rohrförmigen äußeren Kernteil aufweisen, welcher über
den inneren Kernteil mit Schiebesitz paßt, daran befestigt ist und aus für sehr
niedere Frequenzen vorteilhaftem Weicheisen (Ferritmatrix) und/oder aus mit Bindemittel
versehenem Sindereisen für Spulen und Drosselspulen besteht Andererseits können
die beiden Kernteile einen massiven zylindrischen Innenteil aufweisen, der Teil
eines weichen für sehr niedere Frequenzen vorteilhaften Eisens (Eisengeschlossene
Matrix) und /oder aus mit Bindemittel versehenem Sindereisen für Spulen und Drosselspulen
und einem hohlen rohrförmigen äußeren, wie vorstehend beschriebenen, befestigten
Kernteil, aus einer Ferrithochfrequenzmatrix und/oder einem eutektoiden Ferrit besteht.