FR2969807A1

FR2969807A1 - Ignition coil for internal combustion engine of motor vehicle, has magnetic circuit including C-shaped part provided with three straight sections, where magnet is arranged in flared part of second straight section

Info

Publication number: FR2969807A1
Application number: FR1061129A
Authority: FR
Inventors: Samir Guerbaoui; Laurent Vivet; Laurent Decool
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-29
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: FR2969807B1

Abstract

The coil (1) has a magnetic circuit (10) including a core forming I-shaped part (11) and a C-shaped part (12) that are formed from a lamination of ferromagnetic sheets. The C-shaped part comprises a first straight section (121) connecting one end of the I-shaped part to a second straight section (122). A third straight section (123) connects the second section to another end of the I-shaped part. An air gap (124) separates the second section from the first section or from the third section. A magnet (125) is arranged in a flared part of the second section.

Description

BOBINE D'ALLUMAGE OPTIMISEE OPTIMIZED IGNITION COIL

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte aux bobines d'allumage pour moteur à combustion interne et en particulier à la topologie de ces bobines. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les bobines d'allumage pour moteur à combustion interne comprennent un noyau en matériau ferromagnétique, équipé d'un enroulement primaire et d'un enroulement secondaire, et un circuit magnétique de retour de flux. Le document FR-A-2 818 001 divulgue une bobine d'allumage pour moteur à combustion interne comportant un noyau en matériau ferromagnétique portant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, une pièce en matériau ferromagnétique servant au retour du flux magnétique, cette pièce présentant deux faces situées en regard des faces extrêmes du noyau, et un entrefer fonctionnel servant au stockage de l'énergie. Le noyau est de section sensiblement constante sur toute sa longueur, et l'entrefer est réparti de manière sensiblement égale, d'une part entre une première face extrême du noyau et une première des faces de la pièce de retour de flux, et d'autre part une deuxième face extrême du noyau et une deuxième des faces de la pièce de retour de flux, les deux entrefers ainsi formés ayant sensiblement la même épaisseur. Ce document 2 propose une bobine d'allumage dont l'entrefer fonctionnel est optimisé afin d'obtenir, à configuration de circuit magnétique donnée, une augmentation de l'énergie délivrée par la bobine d'allumage. Dans les bobines connues, notamment dans le domaine des véhicules automobiles, le noyau magnétique est généralement réalisé en tôles de fer découpées et empilées, de manière à limiter les pertes électriques par courants de Foucault. On a déjà proposé de disposer un aimant permanent plat à une extrémité d'un tel noyau magnétique, afin d'améliorer les performances de la bobine. De même, il a été proposé d'évaser l'extrémité de la bobine en vis-à-vis de l'aimant afin d'en optimiser le fonctionnement. Le document FR-A-2 819 623 décrit une bobine d'allumage pour moteur à combustion interne comprenant un noyau magnétique possédant une première partie d'extrémité agencée pour la réception d'un aimant permanent, un aimant permanent en contact avec ladite première partie d'extrémité, et un circuit magnétique de retour de flux, l'aimant permanent ayant son axe d'aimantation sensiblement perpendiculaire à l'axe du noyau magnétique. Le document FR-A- 2 839 580 a pour objet de fournir une bobine d'allumage dont le circuit magnétique utilise un aimant peu onéreux, relativement peu fragile et épais, ayant une bonne désaimantation, et apte à supporter l'induction inverse à sa polarité lorsque l'induction est maximale. Pour cela, le 3 dimensionnement de l'aimant par rapport à celui de l'entrefer est choisi de manière à former un espace d'air inoccupé par l'aimant dans ledit entrefer, le trajet magnétique dans l'espace d'air permettant de limiter la désaimantation dans l'aimant permanent. L'industrie automobile met en oeuvre une politique de réduction (en anglais « downsizing ») consistant en une diminution de la masse, des dimensions et de la cylindrée d'un moteur, visant à réduire sa consommation et son encombrement, tout en conservant ses performances de couple et de puissance. D'autre part, l'injection directe stratifiée nécessite des énergies d'arc de plus en plus élevées pour les bobines d'allumages, ceci afin d'éviter les phénomènes de soufflage d'arc et de synchronisation temporelle entre l'étincelle de la bougie et le mélange air- carburant. Les bobines haute énergie compactes deviennent alors des dispositifs de plus en plus demandés chez les constructeurs automobiles. TECHNICAL FIELD The invention relates to ignition coils for an internal combustion engine and in particular to the topology of these coils. STATE OF THE PRIOR ART The ignition coils for an internal combustion engine comprise a core made of ferromagnetic material, equipped with a primary winding and a secondary winding, and a magnetic flux return circuit. The document FR-A-2 818 001 discloses an ignition coil for an internal combustion engine comprising a core made of ferromagnetic material carrying a primary winding and a secondary winding, a piece of ferromagnetic material used for the return of the magnetic flux, this piece exhibiting two faces facing the extreme faces of the core, and a functional gap for storing energy. The core is of substantially constant section over its entire length, and the gap is distributed substantially equal, firstly between a first end face of the core and a first face of the flow return piece, and secondly a second end face of the core and a second of the faces of the flux return piece, the two air gaps thus formed having substantially the same thickness. This document 2 proposes an ignition coil whose functional air gap is optimized in order to obtain, with a given magnetic circuit configuration, an increase in the energy delivered by the ignition coil. In known coils, particularly in the field of motor vehicles, the magnetic core is generally made of cut and stacked iron sheets, so as to limit electric losses by eddy currents. It has already been proposed to have a flat permanent magnet at one end of such a magnetic core, in order to improve the performance of the coil. Similarly, it has been proposed to flare the end of the coil vis-à-vis the magnet to optimize the operation. The document FR-A-2 819 623 describes an ignition coil for an internal combustion engine comprising a magnetic core having a first end portion arranged for receiving a permanent magnet, a permanent magnet in contact with said first part. end, and a flux return magnetic circuit, the permanent magnet having its axis of magnetization substantially perpendicular to the axis of the magnetic core. The object of the document FR-A-2,839,580 is to provide an ignition coil whose magnetic circuit uses an inexpensive magnet, relatively weak and thick, having a good demagnetization, and able to withstand the reverse induction on its own. polarity when the induction is maximum. For this, the dimensioning of the magnet with respect to that of the air gap is chosen so as to form an air space unoccupied by the magnet in said air gap, the magnetic path in the air space making it possible to limit demagnetization in the permanent magnet. The automotive industry implements a reduction policy (in English "downsizing") consisting of a reduction in the mass, dimensions and the displacement of an engine, aiming to reduce its consumption and its bulk, while retaining its torque and power performance. On the other hand, the stratified direct injection requires higher and higher arc energies for the ignition coils, in order to avoid the phenomena of arc blowing and of time synchronization between the spark of the candle and air-fuel mixture. High-energy compact coils are becoming increasingly popular devices for car manufacturers.

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a donc pour objet l'optimisation des bobines d'allumage afin de disposer de circuits magnétiques de plus en plus compacts et pouvant fournir une énergie d'arc de plus en plus élevée. L'invention a donc pour objet une bobine d'allumage pour moteur à combustion interne comprenant un circuit magnétique, présentant une partie en forme de I et une partie en forme de C, lesdites parties étant réalisées à partir d'un feuilleté de tôles en matériau ferromagnétique, la partie en forme de I 4 formant noyau pour un enroulement primaire et un enroulement secondaire, la partie en forme de C étant adjacente à la partie en forme de I de manière à servir de retour de flux magnétique, le circuit magnétique incluant un entrefer et un aimant. Cette bobine d'allumage est caractérisée en ce que : - les tôles en matériau ferromagnétique sont en FeSi, - la partie en forme de C comprend trois tronçons droits consécutifs, un premier tronçon reliant une première extrémité de la partie en forme de I formant noyau au deuxième tronçon, le deuxième tronçon incluant l'aimant et reliant le premier tronçon au troisième tronçon, le troisième tronçon reliant le deuxième tronçon à la deuxième extrémité de la partie en forme de I formant noyau, l'entrefer, sépare le deuxième tronçon du premier ou du troisième tronçon, l'aimant est disposé dans une partie évasée du deuxième tronçon et est en NdFeB. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée du dessin annexé qui est une vue en perspective d'une bobine d'allumage pour moteur à combustion interne, selon la présente invention.30 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION On va maintenant décrire une bobine d'allumage dont le circuit magnétique présente une 5 configuration optimale permettant un rendement élevé. Ce circuit magnétique présente une topologie dont les valeurs paramétriques sont stables, c'est-à-dire que toute variation des valeurs de référence autour des valeurs optimales entraînera juste une dégradation des performances mais assurera cependant des performances notables. Les dimensions du circuit magnétique sont issues d'une modélisation numérique et statistique complexe mettant à jour les interactions fondamentales équilibrant la thermo-élasticité des domaines magnétiques en fonction d'une pré-polarisation et d'une linéarisation par entrefer. La figure annexée représente une bobine d'allumage 1 pour moteur à combustion interne. La bobine d'allumage comprend un circuit magnétique 10 et une bobine 20. Le circuit magnétique 10 est réalisé par la juxtaposition d'une partie 11 en forme de I et d'une partie 12 en forme de C. Les parties 11 et 12 sont réalisées à partir d'un feuilleté de tôles en matériau ferromagnétique, les tôles étant disposées parallèlement à la direction du champ magnétique désiré. La partie 11 en forme de I forme un noyau de bobinage pour la bobine 20 constituée de deux enroulements : un enroulement primaire 21 et un 6 enroulement secondaire 22 enroulé sur l'enroulement primaire 21. L'enroulement primaire 21 comporte 150 tours de fil et est destiné à être parcouru par un courant continu d'excitation compris entre 6A et 10A. L'enroulement secondaire 22 comporte entre 5 000 et 10 000 tours de fil. Les tôles du circuit magnétique sont en acier électrique FeSi M400-50A. Le circuit magnétique a une longueur moyenne Lf de 200 mm à plus ou moins 1% et une section de 100 mm2 à plus ou moins 1%, avantageusement une section carrée dans sa partie de section constante. La partie 12 en forme de C du circuit magnétique comporte trois tronçons droits : un premier tronçon 121, un deuxième tronçon 122 et un troisième tronçon 123. Les différentes parties du circuit magnétique sont fixées entre elles par un surmoulage plastique assurant un maintien mécanique et une protection aux agressions de l'environnement du moteur. Le circuit magnétique est ouvert sur un entrefer 124 de 1 mm à plus ou moins 1% existant entre les tronçons 121 et 122. Au centre du tronçon 122 est disposé un aimant 125 en NdFeB de 289 mm2 à plus ou moins 1% de section (de préférence une section carrée de 17 mm de côté) et de 1,8 mm à plus ou moins 1% d'épaisseur. Un tel aimant fourni une induction rémanente de 1 tesla. Afin d'intégrer l'aimant 125 au circuit magnétique 10, le tronçon 122 s'évase régulièrement pour adapter la 7 section commune au circuit magnétique et à la section de l'aimant 125. La bobine d'allumage selon la présente invention présente un certain nombre d'avantages. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention therefore relates to the optimization of ignition coils to have magnetic circuits increasingly compact and can provide an increasingly high arc energy. The subject of the invention is therefore an ignition coil for an internal combustion engine comprising a magnetic circuit, having an I-shaped part and a C-shaped part, said parts being made from a laminated sheet of metal. ferromagnetic material, the core-shaped I-shaped portion 4 for a primary winding and a secondary winding, the C-shaped portion being adjacent the I-shaped portion so as to serve as a magnetic flux return, the magnetic circuit including an air gap and a magnet. This ignition coil is characterized in that: - the sheets of ferromagnetic material are FeSi, - the C-shaped portion comprises three consecutive straight sections, a first section connecting a first end of the I-shaped portion forming a core in the second section, the second section including the magnet and connecting the first section to the third section, the third section connecting the second section to the second end of the I-shaped portion forming the core, the gap separates the second section of the first or third section, the magnet is disposed in a flared portion of the second section and is NdFeB. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be better understood and other advantages and particularities will appear on reading the following description, given by way of non-limiting example, accompanied by the appended drawing which is a perspective view of a ignition coil for an internal combustion engine, according to the present invention DETAILED DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT OF THE INVENTION An ignition coil is now described whose magnetic circuit presents an optimum configuration allowing a high efficiency . This magnetic circuit presents a topology whose parametric values are stable, that is to say that any variation of the reference values around the optimal values will only result in a degradation of the performances but will however ensure notable performances. The dimensions of the magnetic circuit come from a complex numerical and statistical modeling that updates the fundamental interactions balancing the thermoelasticity of the magnetic domains as a function of a pre-polarization and a gap linearization. The attached figure shows an ignition coil 1 for an internal combustion engine. The ignition coil comprises a magnetic circuit 10 and a coil 20. The magnetic circuit 10 is formed by the juxtaposition of an I-shaped portion 11 and a C-shaped portion 12. The portions 11 and 12 are made from a laminated sheet of ferromagnetic material, the sheets being arranged parallel to the direction of the desired magnetic field. The I-shaped portion 11 forms a winding core for the coil 20 consisting of two windings: a primary winding 21 and a secondary winding 22 wound on the primary winding 21. The primary winding 21 comprises 150 turns of wire and is intended to be traversed by a DC excitation current between 6A and 10A. The secondary winding 22 has between 5,000 and 10,000 turns of wire. The plates of the magnetic circuit are made of FeSi M400-50A electric steel. The magnetic circuit has an average length Lf of 200 mm to plus or minus 1% and a section of 100 mm 2 to plus or minus 1%, preferably a square section in its portion of constant section. The C-shaped portion 12 of the magnetic circuit comprises three straight sections: a first section 121, a second section 122 and a third section 123. The different parts of the magnetic circuit are fixed together by a plastic overmoulding ensuring a mechanical support and a protection against the aggressions of the engine environment. The magnetic circuit is open on a gap 124 of 1 mm to plus or minus 1% existing between the sections 121 and 122. In the center of the section 122 is disposed a magnet NdFeB of 289 mm2 to plus or minus 1% section ( preferably a square section of 17 mm side) and 1.8 mm to plus or minus 1% thickness. Such a magnet provides a remanent induction of 1 tesla. In order to integrate the magnet 125 with the magnetic circuit 10, the section 122 flares off regularly to adapt the common section to the magnetic circuit and to the section of the magnet 125. The ignition coil according to the present invention has a number of advantages.

Le couplage du circuit magnétique avec l'entrefer, les enroulements et l'aimant présente des variations de flux au second ordre par effet de forme et de localisation spatiale. Ces variations doivent être réparties de façon particulière afin de favoriser les lignes de fuite qui assurent une linéarisation du flux magnétique (désaturation locale par fuite et champ démagnétisant). Les interactions de premier ordre entre la section du matériau magnétique doux utilisé et le nombre de spires de l'enroulement primaire de transfert assurent une performance de « fond ». L'effet « losange » d'adaptation de section entre la section de l'aimant et la section du circuit magnétique utile permet un renforcement de la pré- polarisation et par conséquent améliore la linéarité du flux. La pente d'adaptation se fait de préférence sur une distance, selon la longueur du deuxième tronçon, égale à au moins deux fois l'épaisseur de l'aimant. A titre d'exemple, la longueur moyenne du circuit magnétique peut être de 200 mm et sa largeur moyenne 10 mm. Cette topologie de circuit magnétique permet une augmentation de l'énergie d'arc de plus de 30% par rapport à des bobines d'allumage de l'art connu, pour un même volume de FeSi M400-50A. The coupling of the magnetic circuit with the air gap, the windings and the magnet has second-order flux variations by shape effect and spatial location. These variations must be distributed in a particular way in order to favor the creepage distances that ensure a linearization of the magnetic flux (local desaturation by leakage and demagnetizing field). The first-order interactions between the section of the soft magnetic material used and the number of turns of the primary transfer coil provide "bottom" performance. The "diamond" adaptation of section between the section of the magnet and the section of the useful magnetic circuit allows a reinforcement of the pre-bias and therefore improves the linearity of the flux. The adaptation slope is preferably a distance, according to the length of the second section, equal to at least twice the thickness of the magnet. By way of example, the average length of the magnetic circuit can be 200 mm and its average width 10 mm. This magnetic circuit topology allows an increase in arc energy of more than 30% compared to ignition coils of the known art, for the same volume of FeSi M400-50A.

Claims

REVENDICATIONS1. An ignition coil (1) for an internal combustion engine comprising a magnetic circuit (10) having an I-shaped portion (11) and a C-shaped portion (12), said portions being made from a laminated sheet of ferromagnetic material, the core-shaped portion (11) for a primary winding (21) and a secondary winding (22), the C-shaped portion being adjacent to the I-shaped portion so as to to serve as a magnetic flux return, the magnetic circuit including an air gap (124) and a magnet (125), characterized in that: - the sheets of ferromagnetic material are FeSi, - the portion (12) C-shaped comprises three consecutive straight sections, a first section (121) connecting a first end of the I-shaped portion forming a core (11) to the second section (122), the second section including the magnet (125) and connecting the first section ( 121) in the third section (123), the third section connecting the second section to the second end of the I-shaped portion forming a core (11), - the air gap (124), separating the second section from the first or third section, - the magnet (125) is arranged in a flared portion of the second section and is in NdFeB. 9

2. Ignition coil (1) according to claim 1, wherein the sheets of ferromagnetic material are FeSi M400-50A.

3. ignition coil (1) according to one of claims 1 and 2, wherein the magnetic circuit (10) has an average length of 200 mm to plus or minus 1% and a section of 100 mm2 plus or minus 1%.

The ignition coil (1) according to any one of claims 1 to 3, wherein the section of the magnetic circuit (10) is square. 15

5. Ignition coil (1) according to any one of claims 1 to 4, wherein the opening of the air gap (124) is 1 mm to plus or minus 1%. 20

6. Ignition coil (1) according to any one of claims 1 to 5, wherein the magnet (125) has a section of 289 mm2 to plus or minus 1% for a thickness of 1.8 mm to more or less 1%. 25

The ignition coil (1) according to any one of claims 1 to 6, wherein the magnet (125) has a square section.

The ignition coil (1) according to any one of claims 1 to 7, wherein the flared portion of the second section (122) fits the section of the second section to the section of the magnet (125). according to an adaptation slope extending over a distance, according to the length of the second section, at least equal to twice the thickness of the magnet (125).