专利名称：用于能量储存和转换的点火线圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于能量储存和能量转换的装置和方法。
背景技术：
在实践中，用于能量储存和能量转换的装置尤其以点火线圈为人所知，这表示根据火花点火的原理，在发动机运行中可以使用能量传输高压源启动火花塞，进而点燃内燃机的燃烧室中的燃料混合物。在这种体现为点火线圈的储能装置和变压器中，通常由车辆的直流电路系统提供的相对较低的电压电能在所需的时间点可以被转换成高压电能，在该时间点，一点火脉冲将被发送至火花塞。为了将电能转换成磁能，汽车的系统电流流过第一线圈，从而围绕该线圈形成磁场，该第一线圈通常为铜线绕组，该磁场具有特定的方向，并且是闭合线磁场。为了以高压脉冲的形式传送储存的电能，先前建立的磁场必须通过切断电流改变其方向，从而在第二线圈内形成高电压，该第二线圈在结构上靠近第一线圈并具有更多的匝数。此时火花塞内电能的转换将会使先前建立的磁场消除，并使点火线圈放电。第二绕组的设计可以根据需要设置内燃机点火过程中的高压、火花电流和火花持续时间。所有点火线圈均具有由铁磁材料(例如铁)制成的I型铁芯。因此该I型铁芯为杆状铁芯或矩形铁芯，其截面可以由软铁皮层组成。在公知的相关技术中，线圈和I型铁芯的布置有很多种变化，然而，这些线圈通常被径向叠置并与I型铁芯同心设置。除了这种I型铁芯以外，在实践中通常也采用由铁磁材料制成的外围铁芯，该外围铁芯环绕线圈的纵向范围，并被描述为“O型铁芯”或“铁磁回路”。为了减少建立和破坏磁场时的损耗，这种外围铁芯通常也是分层铁片的组合。为了能够安装绕组或线圈，I型铁芯以及铁磁回路的外围芯体不可能是整体式的，而必须由不同的零部件组装而成。典型的配置为I型铁芯和O型铁芯形成闭合的O型结构，在组装点火线圈时，I型铁芯与围绕其的绕组一起被插入O型铁芯的内部，从而在安装时使这两个铁芯的片层堆位于同一平面。为了以特定方式影响磁场，铁磁回路通常被空间或气隙阻断，这也被称为“磁剪切”。而且，还可以在这种空间内设置永磁体，从而可以在特定条件下进一步增加磁能。这种气隙和永磁体的系统优选地位于I型铁芯和O型铁芯的连接处。公知的为点火线圈设计的用于能量储存和能量转换的装置存在的问题在于，在磁致激活的铁芯元件的设计中，必须保持基于制造公差以及将I型铁芯插入O型铁芯的插入空间的装配间隙。这种间隙与基于能量考虑所期望的间隙的大小是相矛盾的。因此，例如，当一个永磁体位于I型铁芯和O型铁芯之间的I型铁芯的一端部区域内时，该永磁体和O型铁芯之间不期望有气隙。出于制造原因必定形成的气隙必须通过适当措施或改型作用来补偿，这些措施或作用体现在外形尺寸上，并最终还体现在附加的成本上。博世公司的专利号为7，212，092的美国专利公开了一种用于能量储存和转换的装置，其克服了上述的一些问题。参见图1，一种紧凑型点火线圈具有位于中心的软磁的I型铁芯。第一线圈架2围绕磁致激活的I型铁芯同心地设置，该线圈架2上设置有一绕组，该绕组连接至由车辆电路系统提供的电源电压并被作为初级绕组。第二内部线圈架3径向地位于第一线圈架2内，该第二内部线圈架3围绕I型铁芯，并具有一绕组，该绕组作为次级绕组连接至高压端子，该高压端子连接至火花塞。在一端部区域内，该I型铁芯I位于线圈架2和3内，并具有一永磁体4。该I型铁芯以及线圈架2和3被插入外围铁芯5内的通槽中。补偿制造公差的装配间隙6位于永磁体4和外围铁芯5之间。在各种实施例中，该间隙6可以通过永磁体4来封闭。在该装置中，永磁体安置在磁芯的两个独立部分之间。在这种结构中，由于初级电流相对于时间呈非线性关系，因此只有当I型铁芯上具有磁性区域并且在初级和次级线圈之间的所有接口处均无间隙时，才有可能从线圈获得更高的能量。
发明内容
本发明涉及一种用于能量储存和转换的装置，该装置使点火线圈中的可储存能量 的水平提高，该装置采用了一线圈，该线圈具有位于一初级磁芯中的永磁体，并带有闭合该初级磁芯的磁路的次级磁芯。在本发明的一个实施例中提供了一种用于能量储存和能量转换的装置，该装置包括带有用于储存能量的扩大区域的初级磁芯；与该初级磁芯形成磁路的次级磁芯，其中，该次级磁芯的每端与该初级磁芯的各端之间分别形成一间隙；以及容置在该初级磁芯中的永磁体。在本发明的另一个实施例中提供了一种在点火线圈中的用于能量储存和转换的装置，该装置包括一线圈，该线圈具有容置在一初级磁芯中的永磁体，以及闭合该初级磁芯的磁路的次级磁芯。在本发明的又一个实施例中提供了一种用于储存和转换能量的方法，该方法包括将一永磁体容置在一初级磁芯中；米用一次级磁芯与该初级磁芯形成一磁路，其中，该次级磁芯的每端与该初级磁芯的各端之间分别形成一间隙；以及在该初级磁芯的扩大区域内储存能量。在本发明的一个方面中，该扩大区域包括两个在线圈充电时储存能量的磁饱和部分。在本发明的另一个方面中，该磁饱和部分被定义为从永磁体到初级磁芯的内缘的
一段距离。在本发明的又一个方面中，该初级磁芯的形状大致为E型。在本发明的再一个方面中，该次级磁芯的形状大致为I型。在本发明的一个方面中，该装置为汽车点火系统的点火线圈。根据优选实施例的详细说明，本发明的上述及其它特征和优点对本领域技术人员来说将会更加显而易见。以下对伴随详细说明的附图进行描述。
图I示出了根据公知紧凑型点火线圈的线圈和铁芯元件的系统的纵向剖视示意图；图2示出了依照本发明的一个实施例的线圈和铁芯元件的系统在装配前的纵向首丨J视图;图3示出了依照图2的线圈和铁芯元件的系统在装配完成后的纵向剖视图；图4示出了在使用根据图I的标准线圈的情况下的初级电流以及在使用根据图2的本发明的情况下的初级电流的曲线图。
具体实施例方式本发明涉及一种用于能量储存和转换的装置，该装置使点火线圈中的可储存能量的水平提高，该装置采用了一线圈，该线圈具有位于一初级磁芯中的永磁体，并带有闭合该初级磁芯的磁路的次级磁芯。·
优势在于，通过本发明的布置，可以使具有特定几何尺寸的磁芯的点火线圈中的可储存能量的水平提高，该尺寸通常通过在发动机上确定的空间和尺寸所决定，以配置各点火线圈。因此，发动机的尺寸可以以较小尺寸设计，从而降低能量损耗，并减少排放量。本发明使得用于内燃机的点火线圈在给定空间内具有较高的储能容量。人们意识至|J，较高的储存容量将引起区域6和7内的局部磁短路。围绕该磁体的多余的铁将由磁体产生的部分磁通量导入到E型铁芯的外部区域，因此该E型铁芯未磁饱和。储能容量方面的性能深受区域6和7内的铁芯磁饱和度以及E型铁芯的外部区域内的铁芯磁饱和度的平衡状态影响。铁芯区域6和7的磁饱和度将增大初级电流的初始斜率。该初始斜率可以通过区域6和7的尺寸、槽15的尺寸以及永磁体的能级来修正。当初级线圈被激励时，其产生与永磁体方向相反的磁通量。当流入初级回路的初级电流达到某一值时,将从磁饱和的局部区域6和7中流出磁通量，初级电流继续呈线性特性地流入直至达到所需的最终电流值。相比于初级电流始终具有线性特性的线圈来说，本发明的点火线圈的储能提高了。图2示出了根据本发明的一个实施例的线圈和铁芯元件的系统在装配前的纵向剖视图。该点火线圈2包括初级磁芯10 (E型铁芯)和次级磁芯25 (I型铁芯)。该初级磁芯10具有E型形状，并带有能够容置永磁体20的槽15。该次级磁芯25呈I型，并且在装配完成状态(图3)时完成或闭合初级磁芯10中的回路。图3示出了根据图2的线圈和铁芯元件的系统在装配完成后的纵向剖视图。该初级磁芯10和次级磁芯25在装配完成状态下共同形成了一周向磁芯，其中，在初级和次级磁芯的接口处形成了气隙4和5。在线圈充电时，磁饱和区域6和7用于储存能量，距离8为永磁体20与初级磁芯10的叠片边缘之间的距离。在本发明的一个实施例中，一种点火线圈要求一永磁体位于一磁芯内，以提高能量性能(能级)，并且在发动机的正常运转状态下避免磁芯材料的磁饱和。另一方面，在一个标准线圈中，一永磁体设置在磁芯的两个分开的部分之间，如图4所示，在初级绕组中流动的电流相对于时间的变化近似为线性。而在本发明中，在初级绕组中流动的电流的变化在曲线的第一部分中近似为非线性。由此，在其他所有参数不变的情况下，线圈内储存的能量与初级绕组中流动的电流相对于时间的曲线所围成的面积成正比，因此，本发明的线圈中储存的能量大于标准实施例的线圈中储存的能量。通过初级绕组电感在初级绕组的充电期间的变化，实现了电流曲线相对于时间的非线性特性，电感值在充电之初较小，但是到需要的充电时间时将增大到一个定值。参见图2和3，描述了本发明的根据一个实施例的更详细的说明。例如，本发明包括具有E型形状的磁芯组件10，在一个优选实施例中，该磁芯组件10还具有扩大区域，该扩大区域带有槽15，以容置并固定永磁体20 ;永磁体20 ；以及具有I型形状的磁芯25，在一个优选实施例中，该磁芯25闭合磁芯组件10的磁路。容易理解的是，磁芯组件可以成形为各种形状和尺寸。其他可能的磁芯包括这样的组件，即，具有两个E型形状并带有槽15的组件，且扩大区域位于一个或两个E型形状的磁芯内。 磁芯组件25在磁芯组件10的两端侧面提供气隙4和5，这些气隙根据所允许的切割加工精度而减到最小，但在优选的实施例中，并不减小为零。距离8和磁芯组件10的扩大区域(6和7之间的磁芯区域)的几何形状使线圈能够以最佳效率运行。鉴于这些特点，槽15的尺寸、距离8以及6和7之间的扩大区域的尺寸在这方面是很重要的。在运行过程中，位于永磁体20下方的磁芯组件10的较小区域6和7在永磁体产生的磁场作用下达到磁饱和，于是在线圈开始初始充电时起到气隙的作用。在线圈充电的过程中，由初级绕组产生的磁场(与永磁体产生的磁场相反)从磁饱和区域6和7向外发出，从而可用于能量的储 存(可逆过程)。初级电流曲线相对于时间的较高非线性度通过永磁体和叠片边缘之间的较小距离(距离8)获得。一种形成较小区域(在永磁体20下方且未被磁化)的可选解决方案是给材料局部加压直到该材料失去铁磁性(不可逆过程)。可以通过技术人员熟悉的热处理或机械方法在材料上施加局部应力。因此，本发明的通过使初级电流相对于时间呈非线性曲线的方案提高了线圈中的能量储存，而不强制要求在初级和次级线圈的接口处无间隙。前述发明是根据相关法律规定作出的描述，因此，该说明书实质上只作为典型示例而非限制。对本领域技术人员来说，公开的实施例的多种变形和修改是显而易见的，并且在本发明的范围内。因此，本发明提供的法律保护范围仅能通过考虑所附权利要求而确定。
权利要求
1.一种用于能量储存和能量转换的装置，其特征在于，该装置包括 带有用于储存能量的扩大区域的初级磁芯； 与该初级磁芯形成磁路的次级磁芯，其中，在该次级磁芯的每端与该初级磁芯的各端之间分别形成一间隙；以及 容置在该初级磁芯中的永磁体。
2.根据权利要求I所述的用于能量储存和能量转换的装置，其特征在于，该扩大区域包括两个在线圈充电时储存能量的磁饱和部分。
3.根据权利要求2所述的用于能量储存和能量转换的装置，其特征在于，该磁饱和部分被定义为从该永磁体到该初级磁芯的内缘的一段距离。
4.根据权利要求3所述的用于能量储存和能量转换的装置，其特征在于，该初级磁芯的形状为E型。
5.根据权利要求3所述的用于能量储存和能量转换的装置，其特征在于，该次级磁芯的形状为I型。
6.根据权利要求2所述的用于能量储存和能量转换的装置，其特征在于，该装置为一汽车点火系统的点火线圈。
7.一种在点火线圈中的用于能量储存和转换的装置，其特征在于，该装置包括一线圈，该线圈具有容置在一初级磁芯中的永磁体，以及闭合该初级磁芯的磁路的次级磁芯。
8.根据权利要求7所述的在点火线圈中的用于能量储存和转换的装置，其特征在于，该次级磁芯与该初级磁芯形成一磁路，并且在该次级磁芯的每端与该初级磁芯的各端之间分别形成一间隙。
9.根据权利要求8所述的在点火线圈中的用于能量储存和转换的装置，其特征在于，该初级磁芯具有扩大区域，该扩大区域包括两个在线圈充电时储存能量的磁饱和部分。
10.根据权利要求9所述的在点火线圈中的用于能量储存和转换的装置，其特征在于，该磁饱和部分被定义为从该永磁体到该初级磁芯的内缘的一段距离。
11.根据权利要求10所述的在点火线圈中的用于能量储存和转换的装置，其特征在于，该初级磁芯的形状为E型。
12.根据权利要求10所述的在点火线圈中的用于能量储存和转换的装置，其特征在于，该次级磁芯的形状为I型。
13.根据权利要求10所述的在点火线圈中的用于能量储存和转换的装置，其特征在于，该装置为一汽车点火系统的点火线圈。
14.一种用于储存和转换能量的方法，其特征在于，该方法包括 将一永磁体容置在一初级磁芯中； 采用一次级磁芯与该初级磁芯形成一磁路，其中，该次级磁芯的每端与该初级磁芯的各端之间分别形成一间隙；以及 在该初级磁芯的扩大区域内储存能量。
15.根据权利要求14所述的用于储存和转换能量的方法，其特征在于，该扩大区域包括两个在线圈充电时储存能量的磁饱和部分。
16.根据权利要求15所述的用于储存和转换能量的方法，其特征在于，该磁饱和部分被定义为从该永磁体到该初级磁芯的内缘的一段距离。
17.根据权利要求16所述的用于储存和转换能量的方法，其特征在于，该初级磁芯的形状为E型。
18.根据权利要求16所述的用于储存和转换能量的方法，其特征在于，该次级磁芯的形状为I型。
19.根据权利要求15所述的用于储存和转换能量的方法，其特征在于，该装置为一汽车点火系统的点火线圈。
全文摘要
本发明涉及一种用于能量储存和转换的装置，该装置使点火线圈中的可储存能量的水平提高，该装置采用了一线圈，该线圈具有位于一初级磁芯中的永磁体，并带有闭合该初级磁芯的磁路的次级磁芯。
文档编号H01F38/12GK102939635SQ201180029198
公开日2013年2月20日 申请日期2011年5月9日 优先权日2010年6月15日
发明者马西莫·奥古斯托·戴尔雷, 吉塞普·富契尼, 保罗·皮格纳缇 申请人:费德罗-莫格尔点火公司