DE102006044435A1

DE102006044435A1 - Vorrichtung zur Energiespeicherung und Energietransformierung

Info

Publication number: DE102006044435A1
Application number: DE102006044435A
Authority: DE
Inventors: Werner Steinberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-03-27
Also published as: US20110239999A1; EP2067149A1; WO2008034734A1; EP2067149B1; CN101517668A; CN101517668B; ATE467897T1; DE502007003789D1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine 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, 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.

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 08 007 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. Insbesondere ist die Isolation an den 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 I-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:
1 eine schematisierte Schnittansicht durch eine Zündspule gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Zündspule 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die in 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 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

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, 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.
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.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolation (10) und/oder die zweite Isolation (11) eine dünne Folie ist.
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.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der ersten Isolation (10) gleich einer Dicke der zweiten Isolation (11) ist.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Teil (2a), (2b) des Umfangskerns (2) jeweils im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolation (10) und die zweite Isolation (11) eine Kunststofffolie, insbesondere eine Polyimidfolie, ist.
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.