Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündspulenmodul mit einem Spulensystem,
das eine Primär- und eine Sekundärwicklung sowie eine flussführende,
weichmagnetische Einrichtung zur Erhöhung und/oder Führung
eines von einer der Wicklungen erzeugten magnetischen Flusses
umfasst, und einem Elektronikbaustein zur Ansteuerung des Spulensystems,
der eine elektrische Schaltung und einen Kühlkörper zur Kühlung
des Elektronikbausteins aufweist.
Zündspulenmodule der genannten Art sind grundsätzlich bekannt und
dienen dazu, auf entsprechende Ansteuerung hin Zündspannungen zur
Erzeugung eines Zündfunkens einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors
zu erzeugen. Der Elektronikbaustein ist dabei häufig in ein Kunststoffmaterial
eingebettet, das auch wenigstens Teile des Spulensystems
umgibt.
Der Elektronikbaustein erzeugt bei seinem Betrieb Verlustleistung, die zur
Vermeidung einer Überhitzung abgeführt werden muss. Ist der Elektronikbaustein
nicht eingebettet, muss die Wärme über die umgebende Luft
innerhalb eines Gehäuses des Zündspulenmoduls abtransportiert werden.
Ein solcher Wärmetransport ist jedoch wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit
von Luft nicht sehr effektiv.
Ähnlich Verhältnisse treten auch bei Einbettung in Kunststoff auf. Typische,
zum Einbetten verwendete Kunststoffe weisen ebenfalls eine geringe
Wärmeleitfähigkeit auf. So hat beispielsweise ein Epoxydharz typischerweise
eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,5 W/m K.
Es kann daher, insbesondere bei hohen Motordrehzahlen und/oder hohen
Umgebungstemperaturen, leicht zu einer übermäßigen Erhitzung des
Elektronikbausteins kommen, die zu einer Beeinträchtigung der Funktion
des Elektronikbausteins und/oder einer reduzierten Lebensdauer des
Elektronikbausteins und damit des Zündspulenmoduls führen kann.
Zur Vermeidung einer solchen Funktionsbeeinträchtigung kann ein separates
Kühlelement aus Metall verwendet werden, mittels dessen die Wärme
über eine größere Fläche aus dem Zündspulenmodul abgeführt werden
kann. Ein solches Kühlelement verursacht jedoch zusätzliche Kosten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zündspulenmodul
der oben genannten Art zu schaffen, bei dem von dem Elektronikbaustein
erzeugte Wärme gut abgeführt wird und das gleichzeitig kostengünstig
herstellbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Zündspulenmodul mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Zündspulenmodul umfasst ein Zündspulensystem,
das eine Primär- und eine Sekundärwicklung sowie eine flussführende,
weichmagnetische Einrichtung zur Erhöhung und/oder Führung eines
von einer der Wicklungen erzeugten magnetischen Flusses umfasst, und
einen Elektronikbaustein zur Ansteuerung des Spulensystems, der eine
elektrische Schaltung und einen Kühlkörper zur Kühlung des Elektronikbausteins
aufweist. Wenigstens ein Abschnitt des Kühlkörpers ist wärmeleitend
mit einem Abschnitt der flussführenden Einrichtung verbunden,
so dass Abwärme des Elektronikbausteins über den Abschnitt der flussführenden
Einrichtung abführbar ist.
Die Primärwicklung, die direkt oder indirekt von dem Elektronikbaustein
angesteuert sein kann, dient zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen
Änderung in der Sekundärwicklung Zündströme induziert. Die Sekundärwicklung
weist dazu in der Regel eine höhere Anzahl von Windungen auf
als die Primärspule.
Die flussführende Einrichtung, die eine oder mehrere Komponenten und
insbesondere einen Spulenkern umfassen kann, ist aus einem weichmagnetischen
Material bzw. einem ferromagnetischen Material mit geringer
Hysterese gebildet. Sie dient dazu, den von der Primärwicklung erzeugten
magnetischen Fluss zu erhöhen, was insbesondere bei einem Spulenkern
der Fall ist, bzw. den magnetischen Fluss beispielsweise zur Vermeidung
von Streuverlusten zu führen bzw. leiten.
Bei den weichmagnetischen Materialien kann es sich insbesondere um
entsprechende Metalle, zum Beispiel Eisen, Metalllegierungen oder Verbundwerkstoffe
mit hohen Anteilen entsprechender Metalle oder Metalllegierungen
handeln, die daher eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit
aufweisen als ein den Elektronikbaustein und/oder eine der Wicklungen
gegebenenfalls umgebender Kunststoff.
Der Elektronikbaustein, der zur Ansteuerung des Spulensystems dient
und dazu mit einer Motorsteuerung oder Unterbrecherkontakten verbunden
sein kann, weist einen Kühlkörper auf, der zur Abführung von Wärme
aus dem Elektronikbaustein dient und dazu aus einem Material gebildet
ist, das eine im Vergleich zu Kunststoffmaterialien hohe, d.h. wenigstens
doppelt so große Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zweckmäßigerweise ist der
Kühlkörper aus Metall gebildet.
Zur besseren Abführung der Abwärme des Elektronikbausteins ist wenigstens
ein Abschnitt des Kühlkörpers wärmeleitend mit einem Abschnitt der
flussführenden Einrichtung verbunden. Unter einer wärmeleitenden
Verbindung wird im Rahmen dieser Erfindung eine Anordnung des Abschnitts
des Kühlkörpers und des Abschnitts der flussführenden Einrichtung
verstanden, bei der diese entweder in direktem Kontakt stehen oder
nur durch eine Schicht mit geringem Wärmewiderstand voneinander
getrennt sind. Zweckmäßigerweise soll der Wärmewiderstand der Schicht
größer sein als der einer Schicht von etwa einem 1 mm Dicke eines Materials
mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,5 W/m K.
Durch die thermische Ankopplung des Abschnitts des Kühlkörpers an den
Abschnitt der flussführenden Einrichtung kann letztere als Wärmesenke
verwendet werden, so dass in dem Elektronikbaustein gebildete Wärme
sehr gut über die wärmeleitende Verbindung an die flussführende Einrichtung
abgeführt werden kann. Hierdurch kann eine Überhitzung des Elektronikbausteins
und eine damit einhergehende Verringerung der Lebensdauer
oder eine Beeinträchtigung der Funktion des Zündspulenmoduls
vermieden werden. Insbesondere bei Hochleistungszündspulen für Motoren
mit Direkteinspritzung ist dies von erheblicher Bedeutung.
Da weiterhin nur bereits zu Zwecken der Flussführung vorhandene Einrichtungen
verwendet werden, sind in dem erfindungsgemäßen Zündspulenmodul
keine zusätzlichen Teile erforderlich, wodurch die Kosten zur
Herstellung des erfindungsgemäßen Zündspulenmoduls gering gehalten
werden. Insbesondere sind keine zusätzlichen Bauteile notwendig.
Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind
in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen beschrieben.
Um eine möglichst gute thermische Kopplung zwischen dem Abschnitt des
Kühlkörpers und dem Abschnitt der flussführenden Einrichtung zu erzielen,
ist es bevorzugt, dass der Abschnitt des Kühlkörpers und der der
flussführenden Einrichtung flächig ausgebildet und im Wesentlichen
parallel zueinander angeordnet sind. Durch die flächige Ausbildung der
wärmeleitenden Verbindung ist ein besonders großer Wärmestrom zwischen
dem Kühlkörper und der flussführenden Einrichtung und damit
zwischen dem Elektronikbaustein und der flussführenden Einrichtung
möglich, so dass Abwärme des Elektronikbausteins besonders effektiv
abführbar ist. Besonders bevorzugt ist der Abstand der Abschnitte möglichst
gering, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu gewährleisten.
Insbesondere können die Abschnitte sich berühren.
Die flussführende Einrichtung kann grundsätzlich aus unterschiedlichen
weichmagnetischen Materialien gebildet sein. Insbesondere können Verbundwerkstoffe
mit darin verteilten weichmagnetischen Teilchen verwendet
werden. Bei dem Matrixmaterial handelt es sich dabei meist um einen
elektrischen Isolator, insbesondere einen Kunststoff, um durch die sich
ändernden Magnetfelder der Spule auftretende Wirbelströme zu unterdrücken.
Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials ist jedoch nicht
sehr hoch, da die weichmagnetischen Teilchen durch vergleichsweise
schlecht wärmeleitende Matrixbereiche verbunden sind. Es ist daher
bevorzugt, dass der mit dem Kühlkörper verbundene Abschnitt der flussführenden
Einrichtung aus einem weichmagnetischen Metall gebildet ist.
Der Abschnitt der flussführenden Einrichtung weist dann eine sehr hohe
Wärmeleitfähigkeit auf, so dass eine besonders gute Wärmeabführung
erzielt wird.
Grundsätzlich kann der Abschnitt des Kühlkörpers mit beliebigen Komponenten
der flussführenden Einrichtung verbunden sein. Bei einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Zündspulenmoduls ist es bevorzugt,
dass die flussführende Einrichtung einen weichmagnetischen, von
der Primär- und/oder Sekundärwicklung wenigstens teilweise umgebenen
Kern umfasst, mit dem der Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist.
Die Wärmeabführung von dem Kern zur Umgebungsluft des Zündspulenmoduls
ist jedoch häufig nicht sehr groß, da der Kern von den Wicklungen
und in der Regel einem Gehäuse umgeben ist. Es ist daher bevorzugt,
dass die flussführende Einrichtung einen wenigstens teilweise von der
Primär- und/oder Sekundärwicklung umgebenden Kern und einen die
Primär- und Sekundärwicklung wenigstens teilweise umgebenden weichmagnetischen
Mantel umfasst, der mit dem Kern einen magnetischen
Kreis bildet und wärmeleitend mit dem Kühlkörper verbunden ist. Der
weichmagnetische Mantel braucht zur Ausbildung des magnetischen
Kreises den Kern nicht unbedingt zu berühren. Darüber hinaus braucht
nur ein Teil des von einer der Wicklungen bzw. der Primärwicklung erzeugten
magnetischen Flusses in dem Mantel geführt zu sein, so dass
dieser die Wicklungen nicht vollständig zu umgeben braucht. Insbesondere
können andere Anteile des magnetischen Flusses von gegebenenfalls
vorhandenen weiteren Komponenten der flussführenden Einrichtung
geführt sein. Weiterhin können auch Streuverluste durch Flussanteile
außerhalb der flussführenden Einrichtung auftreten.
Die Verwendung eines solchen Mantels zur Wärmeabführung ist besonders
effektiv, da der Mantel zum einen die Wicklungen umgibt und damit
nahe der durch die Umgebungsluft gekühlten Oberfläche des Zündspulenmoduls
angeordnet ist und der Mantel zum anderen eine große Fläche
aufweist, über die ein Wärmetransport möglich ist. Damit wird nicht nur
eine sehr gute Abführung der Wärme von dem Elektronikbaustein zu dem
Mantel, sondern auch eine sehr gute Abführung der Wärme von dem
Mantel, gegebenenfalls über eine Gehäusewand des erfindungsgemäßen
Zündspulenmoduls, an die Umgebungsluft gewährleistet. Besonders
bevorzugt ist der Mantel dabei aus einem weichmagnetischen Metall gebildet.
Bevorzugt kann ein Bereich des Mantels durch eine nicht tangential zu
der Primär- und/oder Sekundärwicklung verlaufende, von dieser abstehende
Fahne gebildet sein. In dieser Fahne sind nicht nur durch die
Ausrichtung bedingt Wirbelstromverluste sehr gering. Ihre Fläche, die
zweckmäßig eben ausgebildet sein kann, bietet darüber hinaus einen
großen Bereich für einen Wärmeübergang von dem Kühlkörper zu dem
Mantel. Insbesondere kann eine Fläche des Kühlkörpers direkt an der
Fahne anliegen, so dass ein großflächiger thermischer Kontakt mit geringem
Wärmewiderstand erzielt wird. Damit ergibt sich eine besonders
effektive Wärmeabfuhr von dem Elektronikbaustein.
Um eine kleine Baugröße zu erzielen, ist es bevorzugt, dass eine der Wicklungen
wenigstens teilweise von der anderen Wicklung umgeben ist. Je
nach Ausbildung des Zündspulenmoduls kann dabei die Primärwicklung
innerhalb oder außerhalb der Sekundärwicklung angeordnet sein.
Um Wirbelstromverluste in der flussführenden Einrichtung und eine
damit verbundene Wärmebelastung möglichst zu reduzieren, ist es bevorzugt,
dass die flussführende Einrichtung wenigstens teilweise aus einem
Verbundmetall mit einer Kunststoffmatrix und darin eingebetteten weichmagnetischen
Teilchen gebildet ist. Da die größten Änderungen des magnetischen
Flusses im Spulenkern auftreten, ist besonders bevorzugt der
Spulenkern aus einem solchen Verbundmetall gebildet.
Alternativ ist es zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten bevorzugt,
dass der Kern ein laminierter Eisenkern ist, dessen Laminierung die
Ausbildung von Wirbelströmen beeinträchtigt.
Die flussführende Einrichtung des erfindungsgemäßen Zündspulenmoduls
kann mit einer Sekundärwicklung bzw. -spule des Zündspulenmoduls
eine Kapazität bilden, die mit bis zu mehreren hundert Volt aufgeladen
sein kann. Um damit verbundene Störungen zu vermeiden, kann
insbesondere der Abschnitt der flussführenden Einrichtung, der mit dem
Kühlkörper verbunden ist, geerdet sein.
Zusätzlich oder alternativ ist es bevorzugt, dass der Kühlkörper gegenüber
der elektrischen Schaltung elektrisch isoliert ist. Wird nämlich der Kühlkörper
des Elektronikbausteins durch Drain oder Kollektor eines Treibertransistors
des Elektronikbausteins gebildet, kann der Kühlkörper mehrere
hundert Volt führen und sollte daher elektrisch isoliert sein.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der mit dem Abschnitt der flussführenden
Einrichtung wärmeleitend verbundene Abschnitt des Kühlkörpers gegenüber
der flussführenden Einrichtung elektrisch isoliert ist. Besonders
bevorzugt ist diese Isolationsschicht aus einem Material hoher
Wärmeleitfähigkeit und/oder mit einer geringen Schichtdicke ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform kann eine Erdung des Abschnitts der
flussführenden Einrichtung vermieden werden, wobei jedoch gleichzeitig
ein Schutz der elektrischen Schaltung gegen durch Induktion verursachte
Ströme in der flussführenden Einrichtung einerseits und eine gute Abfuhr
von Wärme aus dem Elektronikbaustein andererseits erreicht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
weiter erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- Fig. 1 eine schematische, teilweise Schnittansicht durch ein
Zündspulenmodul,
- Fig. 2
- eine perspektivische Teilansicht des Zündspulenmoduls in
Fig. 1 und
- Fig. 3
- eine schematische Explosionsdarstellung des Spulensystems
und des Mantels des Zündspulenmoduls in Fig. 1.
Ein in Fig. 1 nur teilweise gezeigtes Zündspulenmodul nach einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung weist einen Gehäusetopf 10, ein
Spulensystem 12, einen das Spulensystem 12 teilweise umgebenden
Mantel 14, eine mit dem Spulensystem 12 verbundene Platine 16, eine
von dem Gehäusekopf 10 gehaltene Steckverbinderaufnahme 18 sowie
einen Gehäusedeckel 20 auf.
Der Gehäusetopf 10, der aus einem schlagfähigen, hochtemperaturbeständigen
Kunststoff gefertigt ist, dient zur Aufnahme des Mantels 14, des
Spulensystems 12 und der Platine 16. Darüber hinaus trägt er die Steckverbinderaufnahme
18, die einen Teil der äußeren Wand des Zündspulenmoduls
bildet.
Zum Schutz vor Umwelteinflüssen ist das Innere des Gehäusetopfs 10
durch den Gehäusedeckel 20 abgedeckt.
Das Spulensystem 12, der Mantel 14, die Platine 16 und die Steckverbinderaufnahme
18 sind genauer in Fig. 2 gezeigt.
Die Steckverbinderaufnahme 18 dient zur Aufnahme eines Steckverbinders
mit Zuführungsleitungen für eine Spannungsversorgung und Steuersignale.
Sie weist dazu Kontaktelemente 22 auf, die mit der Platine 16
verbunden sind.
Die Platine 16 trägt einen Elektronikbaustein 24 zur Ansteuerung des
Spulensystems 12, der über in den Figuren nicht gezeigte Leiterbahnen
mit den Kontaktelementen 22, dem Spulensystem 12 und gegebenenfalls
weiteren in den Figuren nicht gezeigten Bauelementen verbunden ist.
Der Elektronikbaustein 24 weist eine in den Figuren nicht gezeigte elektrische
Schaltung sowie einen durch eine Metallplatte gebildeten Kühlkörper
26 auf, der unter Verwendung eines Epoxidharzes in den Elektronikbaustein
24 nahe der elektrischen Schaltung eingebettet ist, so dass ein guter
Wärmeübergang von der elektrischen Schaltung auf den Kühlkörper 26
gegeben ist, dieser aber gegen die elektrische Schaltung elektrisch isoliert
ist.
Das Spulensystem 12, das in Fig. 3 nochmals in einer Explosionsdarstellung
gezeigt ist, umfasst einen Kern 28 mit einer angeformten ersten
Polplatte 30, einen ersten Spulenträger 32 mit einer Primärwicklung 34,
einen zweiten Spulenträger 36 mit einer Sekundärwicklung 38 und eine
zweite Polplatte 40.
Der im Wesentlichen hohlzylindrische erste Spulenträger 32 mit der Primärwicklung
34 ist auf den zylindrischen Kern 28 aufgeschoben.
Die Primärwicklung 34 ist, in den Figuren nicht ausdrücklich gezeigt,
über die Platine 16 mit dem Elektronikbaustein 24 verbunden.
Der zweite Spulenträger 36, der die Sekundärwicklung 38 trägt, nimmt
den Kern 28 mit dem darauf aufgeschobenen ersten Spulenträger 32 und
der Primärwicklung 34 auf. Anschlüsse der Sekundärwicklung 38 sind mit
in den Figuren nicht gezeigten Elektroden zur Verbindung mit den elektrischen
Kontakten von Zündkerzen verbunden.
Die zweite Polplatte 40 weist in ihrer Mitte eine Ausnehmung 42 auf, die
einen über den ersten Spulenträger 32 hinausstehenden Abschnitt des
Kerns 28 aufnimmt (vgl. auch Fig. 1).
Der Kern 28 mit angeformter erster Polplatte 30 und die zweite Polplatte
40 sind als Formteile aus einem weichmagnetischen Verbundmaterial mit
einer Kunststoffmatrix und darin eingebetteten weichmagnetischen Teilchen
aus einer entsprechenden Eisenlegierung gebildet.
Der Mantel 14 besteht aus einer weichmagnetischen Eisen- bzw. Stahllegierung,
beispielsweise der weichmagnetische Stahllegierung mit der
Bezeichnung AISI 1008, die eine Wärmeleitfähigkeit von 58 W/m K aufweist.
Er ist im Wesentlichen als Hohlzylindersegment mit zwei Befestigungszungen
44 und 44' an einer Längsseite und einer angeformten Fahne
46 an der anderen Längsseite des Mantels ausgebildet.
Der Mantel 14 umgibt das Spulensystem 12 einschließlich der ersten und
zweiten Polplatten 30 bzw. 40.
Die erste Polplatte 30 trägt die Platine 16, wobei der Mantel 14 und insbesondere
dessen Fahne 46 so ausgebildet und relativ zu dem Elektronikbaustein
24 bzw. dessen Kühlkörper 26 angeordnet ist, dass der Kühlkörper
26 flächig an der Fahne 46 anliegt.
Der Kern 28 mit der angeformten ersten Polplatte 30, der Mantel 14 und
die zweite Polplatte 40 bilden einen magnetischen Kreis. Wird die Primärwicklung
34 von einem Strom durchflossen, wird ein magnetischer Fluss
in dem magnetischen Kreis induziert bzw. darin geführt. Insbesondere
dient der Mantel 14 der Rückführung wenigstens eines Teils des magnetischen
Flusses von einer der Polplatten 30 bzw. 40 zu der anderen Polplatte.
Änderungen in dem magnetischen Fluss induzieren dann in der Sekundärwicklung
38 eine gegenüber der an der Primärwicklung 34 anliegenden
Spannung erhöhte Zündspannung, die entsprechenden Kontakten
einer Zündkerze zuführbar ist.
Erfindungsgemäß dient der Mantel 14 und insbesondere dessen Fahne 46
zur Abfuhr von Wärme, die durch die elektrische Schaltung in dem Elektronikbaustein
24 beim Betrieb des Zündspulenmoduls erzeugt wird. Die
von der elektrischen Schaltung erzeugte Wärme geht zunächst auf den
Kühlkörper 26 über und wird dann aufgrund dessen hoher Wärmeleitfähigkeit
in den Bereich der Fahne 46 übertragen.
Die Wärme fließt dann von dem mit der Fahne 46 thermisch verbundenen
Abschnitt des Kühlkörpers 26 in die Fahne 46 und von dort in den Mantel
14. Der Wärmewiderstand zwischen dem Kühlkörper 26 und der Fahne 26
ist dabei sehr gering, da der Kühlkörper flächig direkt an der Fahne 46
anliegt.
Die Wärme in dem Mantel 14 kann dann über die sehr große Außenfläche
des Mantels 14 über den Gehäusetopf 10 an die Umgebungsluft abgeführt
werden.
Um die Ausbildung einer Kapazität zwischen dem Mantel 14 und der
Sekundärwicklung 38, die sich mit mehreren hundert Volt aufladen könnte,
zu vermeiden, kann der Mantel 14 bevorzugt geerdet sein.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird
auf den Mantel 14 verzichtet und der Kern 28 ist als laminierter Eisenkern
ausgebildet. In diesem Fall ist der Elektronikbaustein so angeordnet, dass
der aus dem Elektronikbaustein 24 austretende Abschnitt des Kühlkörpers
26 flächig an dem laminierten Spulenkern anliegt, der damit als
Wärmesenke dienen kann.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von den magnetischen flussführenden
Einrichtungen des Zündspulenmoduls zur Wärmeabfuhr der
Abwärme des Elektronikbausteins wird eine sehr kostengünstige und
gleichzeitig effektive Abführung der Abwärme erreicht, so dass sich eine
erhöhte Lebensdauer des Zündspulenmoduls bei gleichzeitig hoher Leistung
ergibt.
Bezugszeichenliste
- 10
- Gehäusetopf
- 12
- Spulensystem
- 14
- Mantel
- 16
- Platine
- 18
- Steckverbinderaufnahme
- 20
- Gehäusedeckel
- 22
- Kontaktelemente
- 24
- Elektronikbaustein
- 26
- Kühlkörper
- 28
- Kern
- 30
- erste Polplatte
- 32
- erster Spulenträger
- 34
- Primärwicklung
- 36
- zweiter Spulenträger
- 38
- Sekundärwicklung
- 40
- zweite Polplatte
- 42
- Ausnehmung
- 44, 44'
- Befestigungszungen
- 46
- Fahne