EP2067149B1 - Vorrichtung zur energiespeicherung und energietransformierung - Google Patents

Vorrichtung zur energiespeicherung und energietransformierung Download PDF

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EP2067149B1
EP2067149B1 EP07803387A EP07803387A EP2067149B1 EP 2067149 B1 EP2067149 B1 EP 2067149B1 EP 07803387 A EP07803387 A EP 07803387A EP 07803387 A EP07803387 A EP 07803387A EP 2067149 B1 EP2067149 B1 EP 2067149B1
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core
insulation means
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insulation
peripheral core
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Robert Bosch GmbH
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures

Definitions

  • the present invention relates to a device for energy storage and energy transformation, in particular an ignition coil of an ignition system of a motor vehicle according to the preamble of patent claim 1.
  • ignition coils represent an energy-transmitting high voltage source and are used in operating according to the Otto principle internal combustion engines for controlling a spark plug.
  • electrical energy is converted with a comparatively low supply voltage usually from a DC electrical system in magnetic energy, which is converted to electrical energy with high voltage at a desired time at which an ignition pulse is to be delivered to the spark plug.
  • a first coil which usually represents a winding of copper wire. This creates around this coil around a magnetic field which has a certain direction and is closed in itself.
  • the previously constructed magnetic field is forced to turn by switching off the electric current, whereby in a second coil, which is spatially close to the first coil, and which has a much higher number of turns, an electrical high voltage is created.
  • the now electrical energy at the spark plug the previously established magnetic field collapses and the ignition coil discharges.
  • the second winding, high voltage, spark current and spark duration can be set as required when the internal combustion engine ignites.
  • an ignition coil which has a magnetically active I-core, which is surrounded by a first bobbin with a winding connected to the supply voltage and a second bobbin having a winding connected to a high voltage terminal. Furthermore, the device comprises a peripheral core, which encloses the two bobbin and forms a magnetic circuit with the I-core. In addition, a permanent magnet is arranged at the end of the I-shaped core.
  • undesirable mounting gaps occur in particular in this known ignition coil. For this the beats DE 103 08 077 A1 to arrange the I-core and the peripheral core gap-free. As a result, however, the resulting by the capacitive coupling between the secondary winding and Umformkern potential of the peripheral core is reduced due to the capacitive coupling with the first bobbin.
  • the inventive device for energy storage and energy transformation with the features of claim 1 has the advantage over that a peripheral core can assume a higher potential. Furthermore, the device according to the invention has no undesirable mounting gaps or, due to tolerances of the individual components, gaps of different sizes.
  • the device according to the invention thus has a peripheral core with a high potential. This is inventively achieved in that an insulation is arranged between the I-core and the peripheral core. The insulation is provided at the ends lying in the longitudinal direction of the I-core. The insulation thus assumes the function of an air gap and separates the I-core from the peripheral core. Since the insulation has a defined, constant thickness, there are no problems with gap sizes of different size between the I-core and the peripheral core.
  • the device according to the invention can thus provide increased voltage requirements, for example in future spark plugs used in modern engine designs, e.g. Turbocharger, direct injection, lean concepts, candle wear, etc., find use meet.
  • the insulation further allows the I-core to experience a higher electrical capacitive charge, resulting in a reduced overall load on the device in accordance with the increased charge.
  • the first and second insulators between the I-core and the U-core are each a thin film.
  • this also has the advantage that a thickness of the film is constant, so that a defined and constant distance between 1 core and peripheral core is defined.
  • the film preferably has a thickness between about 30 ⁇ m to about 100 ⁇ m, in particular about 50 ⁇ m.
  • the material of the film is preferably a plastic film, in particular a polyimide film used.
  • a plastic plate may also be used.
  • the insulation can be produced for example by spraying plastic onto the ends of the I-core. By spraying very thin insulators can be produced on the I-core.
  • the peripheral core is designed in several parts.
  • the peripheral core is composed of essentially L-shaped parts, in particular sheet metal.
  • FIG. 1 an ignition coil 1 according to an embodiment of the invention described.
  • ignition coil 1 is a compact ignition coil, comprising a peripheral core 2 and an I-core 3.
  • the peripheral core 2 encloses the I-core 3 and is made of a first part 2a and a second part 2b.
  • the two first and second parts 2a, 2b are substantially L-shaped.
  • the peripheral core and the I-core are made of coated sheets, for example.
  • the peripheral core 2 is further surrounded by a housing 4.
  • a first bobbin 5 is arranged with a first winding 6, which is supplied with a vehicle electrical system current of a vehicle.
  • a second bobbin 7 is arranged adjacent to the first bobbin 5 and comprises a second winding 8. The number of turns of the second winding 8 is much higher than that of the first winding 6.
  • the second bobbin 7 surrounds the first bobbin. 5
  • the I-core 3 has a first end 3a and a second end 3b.
  • the second end 3b has, as in FIG. 1 shown, a greater width than the first end 3a.
  • a permanent magnet 9 is arranged at the second end 3b.
  • the permanent magnet 9 serves to further increase the magnetic energy.
  • a first insulation 10 is arranged on the permanent magnet 9:
  • a second insulation 11 is arranged at the first end 3a of the I-core 3.
  • the first insulation 10 and the second insulation 11 are made of a thin film having a thickness of about 50 microns.
  • the film is a polyimide film and insulates the I-core 3 from the peripheral core 2.
  • the thickness of the film is constant over the entire insulation surface.
  • the first insulation 10 and the second insulation 11 can be fixed in any manner, for example by gluing, on the permanent magnet 9 and on the first end 3a of the I-core.
  • the permanent magnet 9 is also fixed, for example, by gluing on the I-core 3.
  • the peripheral core 3 is further arranged completely isolated in the housing 4. This allows an electrical charge of the peripheral core done, which is also called "floating". Thus, the peripheral core 3 is no longer connected to the vehicle ground and charges to a potential of a few kV, for example about 2 kV to 4 kV.
  • the advantage of a "floating" circumferential core 3 is that it relieves an insulation system between high-voltage-carrying components, such as the secondary winding and contact plates, etc. provided by the second bobbin 7 and the second winding 8, and the peripheral core 2. Further, since insulation is provided between the circumferential core 2 and the I-core 3, there is thus no conductive connection between the peripheral core 2 and the I-core 3.
  • the peripheral core 2 can assume a higher potential between about 6 kV to 8 kV, so that an insulation system is further relieved by this potential difference in comparison with the prior art.
  • an optimized magnetic circuit of the ignition coil 1 can be achieved. Also occur according to the invention no problems with unwanted fluctuations of gap sizes of air gaps.

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Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiespeicherung und Energietransformierung, insbesondere eine Zündspule einer Zündanlage eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Vorrichtungen zur Energiespeicherung und Energietransformierung sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden insbesondere als Zündspulen eingesetzt, welche eine energieübertragende Hochspannungsquelle darstellen und in nach dem Otto-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschinen zur Ansteuerung einer Zündkerze dienen. Bei einer derartigen Zündspule wird elektrische Energie mit einer vergleichsweise niedrigen Versorgungsspannung in der Regel aus einem Gleichspannungsbordnetz in magnetische Energie umgewandelt, welche zu einem gewünschten Zeitpunkt, zu dem ein Zündimpuls an die Zündkerze abgegeben werden soll, in elektrische Energie mit Hochspannung umgewandelt wird.
  • Zur Umwandlung von elektrischer Energie in magnetische Energie fließt der Bordnetzstrom des Kraftfahrzeugs durch eine erste Spule, welche üblicherweise eine Wicklung aus Kupferdraht darstellt. Dadurch entsteht um diese Spule herum ein Magnetfeld, welches eine bestimmte Richtung aufweist und in sich geschlossen ist. Zur Abgabe der gespeicherten elektrischen Energie in Form von Hochspannungsimpulsen wird das zuvor aufgebaute Magnetfeld durch Abschalten des elektrischen Stroms zu einer Richtungsänderung gezwungen, wodurch in einer zweiten Spule, welche sich räumlich nahe an der ersten Spule befindet, und welche eine sehr viel höhere Windungszahl aufweist, eine elektrische Hochspannung entsteht. Durch die Umsetzung der nun elektrischen Energie an der Zündkerze bricht das zuvor aufgebaute Magnetfeld zusammen und die Zündspule entlädt sich. Durch die Auslegung der zweiten Wicklung lassen sich Hochspannung, Funkenstrom und Funkendauer bei der Zündung der Brennkraftmaschine nach Bedarf festlegen.
  • Aus der DE 103 08 077 A1 ist ferner eine Zündspule bekannt, welche einen magnetisch wirksamen I-Kern aufweist, der von einem ersten Spulenkörper mit einer mit der Versorgungsspannung verbundenen Wicklung und einem zweiten Spulenkörper, der eine mit einem Hochspannungsanschluss verbundene Wicklung aufweist, umgeben ist. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Umfangskern, welcher die beiden Spulenkörper umschließt und mit dem I-Kern einen magnetischen Kreis bildet. Darüber hinaus ist am Ende des I-förmigen Kerns ein Permanentmagnet angeordnet. Allerdings treten bei dieser bekannten Zündspule insbesondere unerwünschte Montagespalte auf. Hierzu schlägt die DE 103 08 077 A1 vor, den I-Kern und den Umfangskern spaltfrei anzuordnen. Hierdurch wird jedoch das durch die kapazitive Kopplung zwischen Sekundärwicklung und Umformkern entstehende Potential des Umfangskerns aufgrund der kapazitiven Kopplung mit dem ersten Spulenkörper reduziert.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energiespeicherung und Energietransformierung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Umfangskern ein höheres Potential annehmen kann. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung keine unerwünschten Montagespalte bzw. aufgrund von Toleranzen der einzelnen Bauteile unterschiedlich große Spalte auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit einen Umfangskern mit einem hohen Potential auf. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zwischen dem I-Kern und dem Umfangskern eine Isolation angeordnet ist. Die Isolation ist an den in Längsrichtung des I-Kerns liegenden Enden vorgesehen. Die Isolation übernimmt somit die Funktion eines Luftspalts und trennt den I-Kern von dem Umfangskern. Da die Isolation eine definierte, konstante Dicke aufweist, treten auch keine Probleme mit unterschiedlich großen Spaltabständen zwischen I-Kern und Umfangskern auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit erhöhte Spannungsanforderungen, beispielsweise bei zukünftigen Zündkerzen, welche in modernen Motorenkonzepten, z.B. Turbolader, Direkteinspritzer, Magerkonzepte, Kerzenverschleiß, usw., Verwendung finden, erfüllen. Durch die Isolation kann ferner der I-Kern eine höhere elektrische kapazitive Aufladung erfahren, was zu einer entsprechend der erhöhten Aufladung reduzierten Belastung einer Gesamtisolation der Vorrichtung führt.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Vorzugsweise sind der erste und der zweite Isolator zwischen dem I-Kern und dem U-Kern jeweils eine dünne Folie. Neben einer einfachen Herstellbarkeit hat dies ferner den Vorteil, dass eine Dicke der Folie konstant ist, so dass ein definierter und konstanter Abstand zwischen 1-Kern und Umfangskern definiert ist.
  • Die Folie weist vorzugsweise eine Dicke zwischen ca. 30 µm bis ca. 100 µm, insbesondere ca. 50 µm auf. Als Material der Folie wird vorzugsweise eine Kunststofffolie, insbesondere eine Polyimidfolie, verwendet. Alternativ kann anstelle der Folie auch ein Kunststoffplättchen verwendet werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Alternative kann die Isolation beispielsweise durch Aufspritzen von Kunststoff auf die Enden des I-Kerns hergestellt werden. Durch das Aufspritzen lassen sich sehr dünne Isolatoren am I-Kern herstellen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Umfangskern mehrteilig ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Umfangskern dabei aus im Wesentlichen L-förmigen Teilen, insbesondere Blechen, aufgebaut.
    • Zeichnung
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
    • Figur 1
    eine schematisierte Schnittansicht durch eine Zündspule gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 eine Zündspule 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die in Figur 1 gezeigte Zündspule 1 ist eine Kompakt-Zündspule, umfassend einen Umfangskern 2 sowie einen I-Kern 3. Der Umfangskern 2 umschließt den I-Kern 3 und ist aus einem ersten Teil 2a und einem zweiten Teil 2b hergestellt. Die beiden ersten und zweiten Teile 2a, 2b sind im Wesentlichen L-förmig. Der Umfangskern sowie der I-Kern sind beispielsweise aus beschichteten Blechen hergestellt. Der Umfangskern 2 ist ferner von einem Gehäuse 4 umgeben.
  • Um den I-Kern 3 ist ein erster Spulenkörper 5 mit einer ersten Wicklung 6 angeordnet, welche mit einem Bordnetzstrom eines Fahrzeugs versorgt wird. Ein zweiter Spulenkörper 7 ist benachbart zum ersten Spulenkörper 5 angeordnet und umfasst eine zweite Wicklung 8. Die Windungszahl der zweiten Wicklung 8 ist dabei sehr viel höher als die der ersten Wicklung 6. Der zweite Spulenkörper 7 umgibt dabei den ersten Spulenkörper 5.
  • Der I-Kern 3 weist ein erstes Ende 3a und ein zweites Ende 3b auf. Das zweite Ende 3b weist, wie in Figur 1 gezeigt, eine größere Breite als das erste Ende 3a auf. Ferner ist am zweiten Ende 3b ein Permanentmagnet 9 angeordnet. Der Permanentmagnet 9 dient zur weiteren Erhöhung der magnetischen Energie. Ferner ist am Permanentmagnet 9 eine erste Isolation 10 angeordnet: Am ersten Ende 3a des I-Kerns 3 ist eine zweite Isolation 11 angeordnet. Die erste Isolation 10 und die zweite Isolation 11 sind aus einer dünnen Folie mit einer Dicke von ca. 50 µm hergestellt. Die Folie ist eine Polyimidfolie und isoliert den I-Kern 3 vom Umfangskern 2. Die Dicke der Folie ist dabei über die gesamte Isolationsfläche konstant. Die erste Isolation 10 und die zweite Isolation 11 können auf beliebige Art, z.B. mittels Aufkleben, am Permanentmagnet 9 und am ersten Ende 3a des I-Kerns fixiert werden. Der Permanentmagnet 9 ist ebenfalls beispielsweise mittels Kleben am I-Kern 3 fixiert.
  • Der Umfangskern 3 ist ferner vollständig isoliert im Gehäuse 4 angeordnet. Dadurch kann eine elektrische Aufladung des Umfangskerns erfolgen, was auch "Floaten" genannt wird. Somit ist der Umfangskern 3 nicht mehr mit der Fahrzeugmasse verbunden und lädt sich auf ein Potential von einigen kV auf, beispielsweise ca. 2 kV bis 4 kV. Der Vorteil eines "floatenden" Umfangskerns 3 liegt darin, dass ein Isolationssystem zwischen hochspannungsführenden Bauteilen wie der durch den zweiten Spulenkörper 7 und die zweite Wicklung 8 bereitgestellten Sekundärwicklung und Kontaktblechen, usw., und dem Umfangskern 2 entlastet wird. Da ferner eine Isolation zwischen dem Umfangskern 2 und dem I-Kern 3 vorgesehen ist, besteht somit keine leitende Verbindung zwischen dem Umfangskern 2 und dem I-Kern 3. Dadurch wird verhindert, dass das Potential des Umfangskerns 2 durch eine kapazitive Kopplung über den I-Kern mit der Primärwicklung reduziert wird. Somit kann der Umfangskern 2 ein höheres Potential zwischen ca. 6 kV bis 8 kV annehmen, so dass im Vergleich mit dem Stand der Technik ein Isolationssystem um diesen Potentialunterschied weiter entlastet wird. Somit kann erfindungsgemäß ein optimierter Magnetkreis der Zündspule 1 erreicht werden. Auch treten erfindungsgemäß keine Probleme mit unerwünschten Schwankungen von Spaltgrößen von Luftspalten auf.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Energiespeicherung und Energietransformierung, insbesondere eine Zündspule einer Zündanlage eines Fahrzeugs, umfassend einen magnetisch wirksamen I-Kern (3), einen ersten Spulenkörper (5), welcher eine mit einer Versorgungsspannung verbundene erste Wicklung (6) aufnimmt, einen zweiten Spulenkörper (7), welcher eine mit einer Hochspannungsanschluss verbundene zweite Wicklung (8) aufweist und den ersten Spulenkörper (5) umgibt, einen Umfangskern (2), welcher den I-Kern (3), die erste Wicklung (6) und die zweite Wicklung (8) umschließt, und einen Permanentmagneten (9), welcher an einem Ende (3b) des I-Kerns (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Permanentmagneten (9) und dem Umfangskern (3) eine erste Isolation (10) und zwischen dem anderen Ende (3a) des I-Kerns und dem Umfangskern (2) eine zweite Isolation (11) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung, umfassend den I-Kern (3), den Permanentmagneten (9), die erste Isolation (10), die zweite Isolation (11) und den Umfangskern (2), in Längsrichtung des I-Kerns luftspaltfrei ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolation (10) und/oder die zweite Isolation (11) eine dünne Folie ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolation (10) und/oder die zweite Isolation (11) eine Dicke von ca. 30 µm bis ca. 100 µm, insbesondere ca. 50 µm aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der ersten Isolation (10) gleich einer Dicke der zweiten Isolation (11) ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfangskern (2) mehrteilig aus einem ersten Teil (2a) und einem zweiten Teil (2b) gebildet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Teil (2a), (2b) des Umfangskerns (2) jeweils im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolation (10) und die zweite Isolation (11) eine Kunststofffolie, insbesondere eine Polyimidfolie, ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolation (10) und die zweite Isolation (11) aus aufgespritztem Kunststoff hergestellt sind.
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