JP4589014B2 - エネルギー蓄積およびエネルギー変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に詳しく記載されたエネルギー蓄積およびエネルギー変換装置に関し、殊に自動車の点火装置の点火コイルに関する。

上記のようなエネルギー蓄積およびエネルギー変換装置は、実践において殊に点火コイルとして知られている。この点火コイルは、エネルギーを伝送する高圧源であり、またオットー原理で動作する内燃機関では点火プラグの駆動制御に使用され、この点火プラグにより、内燃機関の燃焼室において燃料混合気が点火される。点火コイルとして構成されるこのようなエネルギー蓄積器および変換器では、通例、比較的給電電圧の低い電気エネルギーが直流電源から磁場のエネルギーに変換され、点火パルスを点火プラグに出力すべき所望の時点にこの磁場のエネルギーが高電圧の電気エネルギーに変換されるのである。

電気エネルギーを磁場のエネルギーに変換するため、自動車の電源電流は、通例銅線からなる巻線である第１のコイルを通って流れ、これにより、所定の方向を有しかつ閉じた磁場がこのコイルの周りに発生する。蓄積された電気エネルギーを高電圧パルスの形態で出力するため、先に形成した磁場は、電流を遮断することによって強制的に方向が変えられ、これにより、第１のコイルに空間的に近くにありかつ極めて巻数の多い第２のコイルに高電圧が発生する。点火プラグにおける電気エネルギーの変換によって、先に形成した磁場は消滅して点火コイルからエネルギーがなくなる。２次巻線を設計することにより、内燃機関の点火における高電圧、スパーク電流およびスパーク持続時間を要求に応じて決定することが可能である。

従来技術からそれぞれの使用に適合化された点火コイルの極めて様々な実施形態が公知である。例えば、点火コイルは、ロッド形点火コイルとして構成することができ、これは例えばＤＥ１９７０２４３８Ｃ２から公知である。ここではコイル長はその直径に比べて比較的長い。しかしながら点火コイルは同様にいわゆるコンパクト形点火コイルとすることも可能であり、その長さは実質的にその幅に等しい。

すべての点火コイルにおいて例えば鉄などの強磁性体材料からなるいわゆるＩコアが設けられている。ここでこのＩコアは、ロッド状ないしは平行６面体の鉄心であり、その断面は、軟鉄−金属板の薄片から構成することができ、これは例えばＤＥ３２４３４３２Ｃ２に記載されている。

コイルおよびＩコアの装置は、公知の従来技術において様々に実施されているが、コイルはほとんどの場合に互いに半径方向に重なって、またＩコアに対して同心に配置されている。

さらに実践において通例であるのは、上記のようなＩコアの他に、コイルの長手方向の周囲を取り囲む強磁性体の外鉄形コア（Umfangskern）を設けることである。これは「Ｏコア」または「鉄の輪」（Eisenkreis）とも称される。磁場を形成および取り除く際の損失を低減するため、通例、この外鉄形コアも同様に互いに積層された鉄の薄板からなる結合体である。

巻線ないしはコイルを組み込めるようにするため、Ｉコアおよび鉄の輪の外鉄形コアは、一体成形で作製することはできず、様々な個別部材から組み立てなければならない。典型的な構成の仕方は、Ｉコアと、閉じたＯを形成するＯコアとから組み立てることであり、コイルの取り付けの際にＩコアと、これを包囲する巻線とがＯコアの内部に入れられて、組み込み状態でこれらのコアの薄板の束（Lamellenpakete）が１平面内にあるようにする。

磁場に所期のように作用を及ぼすため、上記の鉄の輪は、通例、間隙または空隙によって途切れており、磁気のシヤリング（"magnetische Scherung"）と称される。このような間隙には永久磁石を配置することもでき、この永久磁石により、所定の状況下では、磁場のエネルギーをさらに増大させることができる。このような空隙および永久磁石の配置構成は、有利にはＩコアとＯコアとの間の境界領域において行われる。

点火コイルとして構成される公知のエネルギー蓄積およびエネルギー変換装置において問題であるのは、磁気的に効果のあるコアエレメントを構成する際、取り付け間隙（Montagespalte）を見越しておかなければならないことである。これらの取り付け間隙は、製造公差および所要の嵌め込み遊びにより、ＩコアをＯコアに嵌め込む際に生じるものである。これらの取り付け間隔はエネルギー的に所望される間隙サイズに矛盾することがある。

例えば、Ｉコアの１端部領域においてこのＩコアとＯコアとの間に永久磁石を配置する際には、この永久磁石とＯコアとの間に空隙がないことが望ましい。製造技術的に設けるべき空隙は、相応する手段またはガイダンス（Vorhalt）によって調整しなければならない。これらの相応する手段またはガイダンスにより、構造が大きくなってしまい、また最終的に付加的なコストになってしまうのである。
ＤＥ１９７０２４３８Ｃ２ ＤＥ３２４３４３２Ｃ２

本発明の課題は、エネルギー蓄積およびエネルギー変換装置、例えば、自動車の点火装置の点火コイルを提供することであり、ここでこの装置は、磁気的に作用するＩコアと、これと磁気回路を形成してコイル装置を包囲する外鉄形コアとを有し、上記のＩコアと、外鉄形コアとの間の接続部には空隙がないか、またはこの接続部をエネルギー的な観点にしたがって選択された間隙サイズで実現することができる。

上記課題は、本発明の請求項１により、エネルギー蓄積およびエネルギー変換装置は、給電電圧に接続された巻線を有する第１コイル体と、高電圧端子に接続された巻線を有する第２コイル体と、上記の第１コイル体および第２コイル体に包囲された磁気的に作用するＩコアと、このＩコアと磁気回路を形成し第１および第２コイル体からなる装置を包囲する外鉄形コアと、上記のＩコアと外鉄形コアとの間の境界領域に配置された永久磁石と、上記の外鉄形コアとＩコアとの間で締め付け接続が行われ、上記の外鉄形コアには、その周囲延在部（Umfangserstreckung）にて、前記Ｉコアの１端部領域を収容する貫通式の切欠き部を有し、上記のＩコアの外鉄形コアへの挿入は、軸方向の取り付け間隙を設けることなしに行われており、ここでこの軸方向の取り付け間隔は、上記のＩコアを外鉄形コアに挿入するための嵌め込み遊びおよび製造公差に起因するものであり、上記の永久磁石は、Ｉコアの１端部領域に配置されており、ここでこの端部領域は、外鉄形コアの貫通式の切欠き部に挿入される上記端部領域とは反対側の端部領域であり、上記永久磁石は、外鉄形コアに直接接しており、この外鉄形コアは一体形であり、上記の貫通式の切欠き部は、取り付けられていない状態で、収容すべきＩコアの端部領域よりも小さなサイズを有し、Ｉコアの当該端部領域の収容するために広がることを特徴とする、エネルギー蓄積およびエネルギー変換装置を構成することによって解決される。

外鉄形コアがその周囲延在部にＩコアの１端部領域を収容する切欠き部を有する、請求項１の上位概念に記載されたエネルギー蓄積およびエネルギー変換装置は、つぎのような利点を有する。すなわち、先にコイル体と取り付けられたＩコアが、軸方向の取り付け間隙なしに外鉄形コアに挿入できるため、不所望の空隙がほとんどなくまた場合によって設けられる永久磁石を効果的に利用可能な磁気的に作用する回路を実現することができるという利点を有するのである。

これにより、同じ大きさでより良好な電気的特性値を達成することができるか、または同程度の電気的特性値で装置をより小さく実現することができる。

外鉄形コアとの境界領域の領域においてＩコアに永久磁石を設けない場合には、本発明の構成により、最小の空隙を実現することができ、ここでこの最小の空隙は、純粋にエネルギー的な観点にしたがい、製造許容差および取り付け設定値による制限なしに設計することが可能である。

本発明の有利な１実施形態では、外鉄形コアを一体形で実施することでき、ここでＩコアと外鉄形コアとの間の接続部は、Ｉコアを収容するために設けられた周囲のその切欠き部の領域において、有利には締め付け接続部（Klemmverbindung）として構成される。

しかしながらこれと異なる１実施形態では、外鉄形コアを２部分構成で実施することもでき、これらの外鉄形コア部分間の分離個所は有利には永久磁石の領域に延在している。この永久磁石の領域はＩコアと外鉄形コアとの間でＩコアの１端部領域に配置されており、ここでこの端部領域は、外鉄形コアの切欠き部に挿入されるＩコアの端部領域とは反対側の端部領域である。締め付け接続ないしはプレス嵌め（Presspassung）では、Ｉコアを挿入する際の外鉄形コアの広がりが必要であるのに対して、外鉄形コアを２部分構成で実施する際には機能を完全に維持したままでこの広がりなしで済ませることができる。さらに外鉄形コアを２つの半コアで実施することにより、スタンピング用の型においてより良好に複合化させることがき、これにより、作製時の材料コストを少なくすることができる。

本発明によるエネルギー蓄積およびエネルギー変換装置は任意に使用することができるが、この装置は殊に自動車の点火装置の点火コイルとして有利である。ここでこの装置は、その幾何学形状が都度の要求に適合され、例えばロッド形点火コイルまたはコンパクト点火コイルとすることが可能である。

本発明が対象とするとするものの別の利点および有利な実施形態は、以下の説明、図面および請求項に記載されている。

点火コイルとして実施した本発明のエネルギー蓄積およびエネルギー変換装置の２つの実施例が、従来技術から公知の点火コイルと比較されて、概略的かつ簡略化されて図示されている。これらを以下の説明において詳述する。

本発明を説明するため、図１ａおよび１ｂにおいてまず公知のコンパクト点火コイルの構造を概略的に示す。このコンパクト点火コイルは中央に配置された軟磁性のＩコア１を有し、このＩコアは、積層された薄板状の金属板から組み立てられている。磁気的に作用するＩコアの周りには同心で第１コイル体２が配置されており、このコイル体には、車両の電源からの得られる給電電圧に接続されている巻線が取り付けられており、この巻線は１次巻線として使用される。

外側のコイル体である第１コイル体２の半径方向に見た内部には、内側の第２コイル体３が配置されており、これも同様にＩコア１を包囲しており、また２次巻線として使用される巻線を有する。この巻線は高圧端子に接続されており、図示されていないがこの高圧端子は点火コイルに電気接続されている。

コイル体２および３の内部に配置された軟磁性のＩコア１は一方の端部領域に永久磁石４を有し、これは公知のように薄板状に組み立てられたＩコア１に接続されている。

図示の実施例とは異なり、Ｉコアの両端に永久磁石を設けることも公知である。

Ｉコア１は、コイル体２および３と共に、先に取り付けられるコンポーネントとして、装置全体を長手方向に取り囲む外鉄形コア５に挿入される。ここでこの外鉄形コアは、Ｉコア１と同様に、積層された薄板状の金属板から組み立てられる。永久磁石４と、隣接する外鉄形コア５との間には製造公差を調整する取り付け間隙６が配置されているが、これはエネルギー的には不利である。

図２および３には図１ａおよび１ｂとは異なり、Ｉコア１の配置構成、外鉄形コア５およびコイル体２および３の配置構成の実施形態が示されており、ここでこれらは、同じ参照符号が付された図１ａおよび１ｂの構成部材に相応する機能を有するが、外鉄形コア５は、本発明にしたがい、その周囲延在部に１つずつ切欠き部７を有する。これは組み込み状態ではＩコア１の１端部領域を収容する。

図２および図３に示した２つの変形実施形態では、Ｉコア１の１端部領域に永久磁石４が配置されている。ここでこの端部領域は、外鉄形コア５の切欠き部７に挿入される端部領域とは反対側の端部領域である。永久磁石４は、組み込み状態では外鉄形コア５に直接接している。Ｉコアは永久磁石４と共にそれぞれつぎのように外鉄形コア５に挿入されている。すなわち永久磁石４と外鉄形コア５との間の空隙が回避されるように挿入されるのである。

図２には１変形実施形態が示されており、ここでは外鉄形コア５は、一体形に実施されており、またＩコアと共に切欠き部７の領域において締め付け接続ないしはプレス嵌めを成している。ここで外鉄形コア５はつぎのように設計される。すなわち、切欠き部７は、取り付けられていない状態において、収容すべきＩコア１の端部領域よりも小さなサイズを有しかつ広がるように設計され、ここで外鉄形コア５ないしは切欠き部７の広がり特性を選択して、Ｉコア１と、永久磁石４と、コイル体２および３とからなる先に取り付けられるコンポーネントが、問題なく外鉄形コア５に入れることができ、また外鉄形コア５ないしは切欠き部７の広がりが戻った後、Ｉコア１の関連する端部領域によって締め付けられるようにする。

これにより、Ｉコア１と外鉄形コア５との間の接触および直接の磁気的な接続が保証される。永久磁石４の吸引力によってＩコア１と外鉄形コア５との間の対向する境界領域において直接的な接続が保証される。

図３の実施形態では外鉄形コア５は、第１の半コア５Ａと第２の半コア５Ｂとにより、２部分構成で実施されている。ここでＩコア１と外鉄形コア５との間の分離個所８は、永久磁石４が外鉄形コア５に当接する領域に延在する。Ｉコア１の反対側の端部領域においてこのＩコアはここでも外鉄形コア５の切欠き部７に収容されており、Ｉコア１の長さはここでも任意に選択することが可能であり、つぎのことだけを保証すればよい。すなわち、組み込み状態でＩコア１と外鉄形コア５との間に十分な接続が行われることだけを保証すればよいのである。

場合によって生じる、Ｉコア１と外鉄形コア５との間の切欠き部７の領域における空隙は、図３の実施形態において永久磁石４の力によって塞ぐことができる。

公知のコンパクト点火コイルのコイルおよびコアエレメントの装置の極めて簡略化された長手方向の断面図である 図１ａにおける線Ａ−Ａに沿った、図１ａの装置の極めて簡略化された断面図である コンパクト点火コイルにおける本発明のコイル体の配置構成、外鉄形コアおよびＩコアの第１実施例の極めて簡略された断面図である コンパクト点火コイルにおける本発明のコイル体の配置構成、外鉄形コアおよびＩコアの第２実施例の極めて簡略された断面図である。

１ Ｉコア
２ 第１コイル体
３ 第２コイル体
４ 永久磁石
５ 外鉄形コア
５Ａ 第１半コア
５Ｂ 第２半コア
６ 取り付け間隙
７ 切欠き部
８ 分離個所

Claims (6)

1. エネルギー蓄積およびエネルギー変換装置は、
   給電電圧に接続された巻線を有する第１コイル体（２）と、
   高電圧端子に接続された巻線を有する第２コイル体（３）と、
   前記の第１コイル体および第２コイル体に包囲された磁気的に作用するＩコアと、
   当該のＩコア（１）と磁気回路を形成し第１および第２コイル体（２，３）からなる装置を包囲する外鉄形コア（５）と、
   前記のＩコアと外鉄形コアとの間の境界領域に配置された永久磁石（４）と、
   前記の外鉄形コア（５）とＩコア（１）との間で締め付け接続が行われ、
   前記の外鉄形コア（５）には、その周囲延在部にて、前記Ｉコア（１）の１端部領域を収容する貫通式の切欠き部（７）を有し、
   前記のＩコアの外鉄形コア（５）への挿入は、軸方向の取り付け間隙（６）を設けることなしに行われており、当該軸方向の取り付け間隔（６）は、前記のＩコアを外鉄形コアに挿入するための嵌め込み遊びおよび製造公差に起因するものであり、
   前記の永久磁石（４）は、Ｉコア（１）の１端部領域に配置されており、ここで該端部領域は、外鉄形コア（５）の貫通式の切欠き部（７）に挿入される前記端部領域とは反対側の端部領域であり、
   前記の永久磁石（４）は、外鉄形コア（５）に直接接しており、
   前記の外鉄形コア（５）は一体形であり、
   前記の貫通式の切欠き部（７）は、取り付けられていない状態で、収容すべきＩコア（１）の端部領域よりも小さなサイズを有し、Ｉコア（１）の当該端部領域の収容するために広がることを特徴とする、
   エネルギー蓄積およびエネルギー変換装置。
2. 前記第１コイル体は、前記Ｉコア（１）を同心で包囲する外側のコイル体（２）であり、
   前記第２コイル体は、該外側のコイル体（２）によって同心で包囲される内側のコイル体（３）である、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記のＩコア（１）と、コイル体（２，３）と、場合によって設けられる永久磁石（４）とは、Ｉコア（１）を外鉄形コア（５）の切欠き部（７）に挿入する際に先に取り付けられるコンポーネントである、
   請求項１または２に記載の装置。
4. 前記の永久磁石（４）と、Ｉコア（１）と、外鉄形コア（５）とを設計して、Ｉコア（１）を収容するために設けられる切欠き部（７）の領域にて、Ｉコア（１）と外鉄形コア（５）との間に場合によっては生じる空隙が磁石の吸引力によって塞がれるようにした、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の装置。
5. 前記のＩコア（１）および／または外鉄形コア（５）は、磁気的に作用する材料としての鉄から構成されている、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置。
6. 前記のＩコア（１）および／または外鉄形コア（５）は、磁気的に作用する材料としての、積層された薄板から構成されている、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。

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