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Diese Erfindung betrifft
Hochspannungstransformatoren und insbesondere jene, die in Zündanlagen von
Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Speziell betrifft die
Erfindung einen röhrenförmigen Wickelkörper oder eine Spule
für die Sekundärwicklungen eines Zündtransformators, wobei
die Primärwicklungen und der ferromagnetische Kern
innerhalb des Wickelkörpers angeordnet sind.
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Hochspannungstransformatoren für Zündanlagen bei
modernen Verbrennungsmotoren umfassen allgemein einen
röhrenförmigen Wickelkörper, der einen ferromagnetischen
Kern (im allgemeinen geblecht) und den Kern umgebende
Primärwicklungen aufnimmt und um den Wickelkörper gewickelte
Sekundärwicklungen hat. Normalerweise kann der
Transformator eine Sekundärspannung von rund 30 kV oder mehr
erzeugen.
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Der Körper hat gewöhnlich eine Vielzahl von axial
beabstandeten ringförmigen Trennwänden, die ringförmige
Kammern von einander abgrenzen. Die Windungen der
Sekundärwicklungen werden in der ersten Kammer am einen Ende
aufgewickelt, bis die Kammer bis zu einer gewünschten Höhe
aufgefüllt ist. Danach werden die Wicklungen in der
nächsten Kammer fortgesetzt, indem der Draht durch einen
wendelförmigen Übergangsspalt in der betreffenden Trennwand
gelangt, und im Anschluß wird die nächste benachbarte
Kammer bis zur gleichen Höhe aufgefüllt. Dieser Vorgang
wird so lange weitergeführt, bis alle Kammern fortlaufend
von einem Ende zum anderen gefüllt sind. Das eigentliche
Wickeln der Sekundärspule wird gewöhnlich mit einer
automatischen Wickelanlage ausgeführt.
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In modernen Zündanlagen werden größere
Funkenstrecken verwendet (z. B. 0,05 Zoll (1,27 mm) und darüber)),
um dadurch eine bessere Brennstoffökonomie zu erreichen.
Dadurch werden höhere Zündspannungen, beispielsweise von
über 30 kV, erforderlich. Die Zündspulen sind also einer
viel größeren Spannungsbelastung als in der Vergangenheit
ausgesetzt.
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Um dies auszugleichen, werden in der Anlage oft
mehrere Spulen eingesetzt, z. B. eine Spule für je zwei
Zündkerzen. In dieser Anordnung ist das eine Ende der
Sekundärspule mit einer Kerze verbunden und das
gegenüberliegende Ende mit der anderen Kerze, die auf der
gegenüberliegenden Seite des Motors gezündet wird.
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Ein Problem, das während des Betriebes einer
modernen Kraftfahrzeug-Zündanlage dieser Art auftreten
kann, ist die Lichtbogenbildung über benachbarte
Spulenwindungen hinweg während des Zusammenbruchs des
Transformatorfeldes am Zündpunkt. Die Zündung bzw. Lichtbogenbildung
über die Funkenstrecke der Zündkerze erzeugt eine
Hochfrequenzspannung, die durch das Zündkabel zur Sekundärspule
zurück reflektiert werden kann. Diese hohe momentane
Überspannung oder Spannungsspitze kann eine Frequenz von etwa
10 Mhz aufweisen. Die entstehende Kochfrequenzenergie wird
schnell in die ersten drei oder vier Windungen der
Sekundärspule abgeleitet, allerdings birgt die
Hochfrequenzspannung die Gefahr der Lichtbogenbildung in den ersten
Windungen in sich. Tatsächlich kommt es häufig zur
Lichtbogenbildung von einer Seitenwindung zur nächsten, was zu einer
Beschädigung der Leiterisolierung und des dieelektrischen
Werkstoffs, mit dem der Leiter umgeben ist, führt.
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Mit diesen Spulenzündanlagen sind in Druckgefäßen
mit Stickstoffatmosphäre Versuche unter Bedingungen, die
die tatsächliche Arbeitsweise eines Motors simulieren, und
bei einer zur optimalen Zündung geeigneten Spannung
durchgeführt worden. Die Versuche bestätigen, daß die erzeugten
Hochfrequenz-Spannungsspitzen eine Beschädigung der
Isolierung der ersten Spulenwindungen und somit vorzeitiges
Unbrauchbarwerden der Spule verursachen.
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Die Frequenz und die Größe des reflektierten
Hochfrequenz-Signals ist eine Funktion aus Zündspannung und
Größe der Funkenstrecke.
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Eine Lösung des Problems wurde vorgeschlagen, bei
der der Sekundärwickelkörper bzw. die -spule zu vergrößern
sei, um dadurch einen breiteren Abstand zwischen den
Seitenwindungen zu schaffen. Der Abstand wäre ausreichend zur
Eliminierung von Lichtbögen. Zwar kann dies eine wirksame
Lösung sein, jedoch ist die Vergrößerung des Wickelkörpers
oft wegen der kritischen Bedeutung des Platzes für die
verschiedenen Baugruppen im Motorraum des Fahrzeugs und
insbesondere für die Teile der Zündanlage nicht möglich.
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Der Spulenkörper bzw. die Spule der vorliegenden
Erfindung verringert die oben aufgezeigten Schwierigkeiten
und ermöglicht andere, bislang nicht erreichte
Eigenschaften und Vorteile.
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Ein anderes vorgeschlagenes Herangehen an das
Problem ist in EP-A-0142175 offenbart. Bei der darin
offenbarten Vorrichtung werden in der Sekundärspule keine
Trennwände verwendet. Alle diese Spulen sind spiralförmig, so
daß eine bestimmte Anzahl von Windungen eine Wickelschicht
mit einer schrägen Oberfläche bilden und eine Vielzahl von
Wickelschichten übereinander entstehen. Diese Anordnung
soll eine ausreichende Isolationsfestigkeit zwischen den
Wicklungen zur Verhinderung von Lichtbögen garantieren.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen
röhrenförmigen Isolations-Wickelkörper für einen
Hochspannungstransformator mit einem ferromagnetischen Kern und einer
Primärspule, die einen Teil des Kerns umgibt und
wendelartig entlang einer Längsachse aufgewickelt ist, wobei der
Wickelkörper die Primärspule umgibt und Trennwände
aufweist, die eine Vielzahl von ringförmigen, für das Wickeln
einer Sekundärspule auf dem Körper geeigneten Spulenkammern
abgrenzen, wobei die Sekundärspule in jeder Spulenkammer
Spulenabschnitte aufweist;
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dadurch gekennzeichnet, daß eine Seitenkammer aus
der Vielzahl der Kammern darin einen Spiralbereich gebildet
hat;
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wobei die Spulenwindungen der Seitenkammer in dem
Spiralbereich spiralförmig angeordnet sind und eine
Innenkante mit annähernd dem gleichen Radius wie eine andere aus
der Vielzahl der Kammern haben und deren Radius zur
Außenkante fortlaufend zunimmt;
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wobei aufeinanderfolgende Windungen des
Seitenbereichs der Sekundärspule in der Seitenkammer axial und
radial ausreichend zueinander beabstandet sind, daß eine
Lichtbogenbildung verhindert wird.
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Zu den Vorteilen der Erfindung gehört die
Verringerung und/oder Eliminierung der Lichtbogenbildung an
den Seitenwindungen der Sekundärwicklungen eines Kraft
fahrzeug-Zündtransformators.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die
Möglichkeit der Lichtbogenbildung auf ein Minimum
herabgesetzt wird, ohne dabei die Abmessungsparameter der
Sekundärwicklungen des Transformators oder des Wickelkörpers
oder der Wickelhülse zu verändern.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild einer typischen
Zündanlage für einen modernen Verbrennungsmotor mit einem
V-6-Motor und drei Zündtransformatoren, einen für je zwei
Zylinder;
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Fig. 2 ist eine auseinandergezogene
Perspektivansicht eines der in Fig. 1 dargestellten drei
Zündtransformatoren in einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform;
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Fig. 3 ist eine Seitenansicht des
Zündtransformators aus Fig. 2 in montiertem Zustand und mit
herausgebrochenen und zur Veranschaulichung im Schnitt dargestellten
Teilen und
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Fig. 4 ist eine Ansicht des Querschnittes entlang
der Linie 4 - 4 aus Fig. 3.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In den Zeichnungen und eingangs in Fig. 1 wird
eine elektronische Zündanlage gezeigt, wie sie
üblicherweise in modernen Kraftfahrzeugmotoren verwendet wird. Die
dargestellte Anlage ist für einen typischen Sechs-Zylinder-
Motor ausgelegt, in dem die Kurbelwellenkurbeln in einer
Ebene angeordnet sind. Die Anlage verwendet drei separate
Zündtransformatoren 11, 12 und 13, einen für je zwei
Zylinder, die die gegenüberliegenden Seiten des Motors zünden.
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Die Anlage umfaßt einen Nocken-Meßfühler 16 und
einen Kurbel-Meßfühler 17, die ein Steuermodul 15 speisen,
das die Verbindung zu den Primärwicklungen der
Transformatoren 11, 12 und 13 schafft. Die Primärwicklungen werden
unter Strom gesetzt, um den Zündzeitpunkt der durch die
betreffenden Sekundärwicklungen gezündeten Kerzen
einzustellen. Die Wicklungen werden wechselseitig in
Abhängigkeit von der jeweilig zu zündenden Zündkerze unter Strom
gesetzt.
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Die Kerzen für die Zylinderpaare werden
nacheinander durch die Sekundärspule des Transformators 11
gezündet.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf den
Zündtransformator 11 veranschaulicht, der mit den
Transformatoren 12 und 13 identisch ist. Zwar wird nachfolgend ein
Schwimmtransformator dargestellt und beschrieben, die
Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf
Einseiten-Transformatoren anwendbar. Der Transformator 11 umfaßt einen
geblechten U-förmigen ferromagnetischen Kern 40 in
Standardbauweise, eine Primärspule 41, die auf einer einen Teil
des Kerns 40 umgebenden Wickelhülse 42 aufgewickelt ist,
eine Sekundärspule 43, die auf einem die Primärspule 41 und
die Primärwickelhülse 42 umgebenden und zu ihnen
konzentrisch angeordneten Wickelkörper bzw. einer -spule 44
aufgewickelt ist.
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Die wichtigste Ausführungsform der Erfindung ist
die dieelektrische Wickelhülse oder -spule 44 in
zylindrischer Röhrenform mit einer Zylinderaußenfläche 45,
ringförmigen radialen Seitenwänden 47 und 48 an den
gegenüberliegenden Seiten und einer Vielzahl von
Innentrennwänden 49. Die Seitenwand 47 grenzt mit der nächsten
angrenzenden Innentrennwand 49 eine Seitenkammer 51 ab, und
die Seitenwand 42 begrenzt mit der nächsten angrenzenden
Innentrennwand 49 die gegenüberliegende Seitenkammer 52.
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Die Innentrennwände 49 grenzen eine Reihe von
Innenwickelkammern 53 ab, von denen jede eine Vielzahl von
Spulenwindungen aufnimmt. Der Draht wird von einer zur
anderen Seite im allgemeinen mit im Fachgebiet bekannten
Spulenwickelmaschinen aufgewickelt. Die Spulenwindungen
gelangen durch diagonale Übergangsschlitze (nicht
dagestellt) in der jeweiligen Trennwand 49 von einer Trennwand
zur nächsten.
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Erfindungsgemäß können die Seitenkammern 51 und
52 drei oder mehr Drahtwindungen aufnehmen, die an den
gegenüberliegenden Seiten der Wickelhülse 44 die
Sekundärspule bilden.
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Wie zuvor angedeutet besteht der wichtigste Zweck
der Erfindung darin, die Lichtbogenbildung zwischen den
Seitenwicklungen im Ergebnis der reflektierten
Hochfrequenz-Spannungsspitze während des Zündens zu verhindern,
die durch die jeweiligen Zündleitungen zu den
Sekundärwicklungen des jeweiligen Transformators zurück reflektiert
wird.
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Erreicht wird dies, indem in jeder Seitenkammer
51, 52 ein Spiralbereich 55 gebildet wird, dessen
Ausgangsdurchmesser, der annähernd dem Außendurchmesser der
Wickelhülse 44 entspricht, sich axial und radial nach außen
bis auf einen Durchmesser vergrößert, der nur wenig kleiner
als der Durchmesser der radialen Seitentrennwände 47 und 48
ist.
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Die Anordnung der Spiralbereiche 55 wird
vorzugsweise so gewählt, daß der Abstand zwischen den ersten und
den zweiten Windungen am größten ist und danach von diesem
Punkt ab bis zur kleinsten Seitenwicklung leicht abnimmt.
Die Seitenwindungen umfassen jeweils erste,
zweite, dritte und vierte Windungen, 61, 62, 63 bzw. 64. Nach
Bedarf können allerdings mehr oder weniger verwendet
werden.
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Um den optimalen Vorteil des erhöhten
Windungsabstandes durch die Spiralbereichanordnung zu erzielen, nimmt
der Radius aufeinanderfolgender Windungen von der kleinsten
bis zur größten Windung unterschiedlich stark zu. Dort, wo
der Spiralbereich zum Beispiel vier Windungen aufweist,
kann der Abstand zwischen der größten und der nächst
größten Windung doppelt so groß wie der Abstand zwischen der
kleinsten Windung und ihrer angrenzenden Windung sein. Das
liegt daran, daß der Spannungsabfall von einer Spule zur
nächsten (und damit das Potential für die
Lichtbogenbildung) bei der ersten Seitenwindung der Spule am größten ist
und danach bei den ersten drei oder vier Windungen immer
weiter abnimmt.
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Das gewünschte Verhältnis zwischen den Radien der
angrenzenden Windungen des Spiralbereichs 55 hängt von
vielen Faktoren ab, z. B. dem verfügbaren Platz, der Größe
des Wickelkörpers, den Ausführungsparametern der jeweiligen
Zündanlage usw., die alle den Fachleuten bekennt sind.