(57)【要約】  この発明はエネルギの貯蔵と変換のための装置に向けられており、それは点火コイル内で貯蔵し得るエネルギのレベルの増大を可能にし、１次磁気コア内の永久磁石を有するコイルを使用しかつその１次磁気コアの磁路を閉じる第２の磁気コアを伴う。
2013534720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギ貯蔵とエネルギ変換のための装置であって、
エネルギを貯蔵するための拡大領域を備えた１次磁気コアと；
１次磁気コアとともに磁路を形成する２次磁気コアとを含み、２次磁気コアの各端部と１次磁気コアの対応する端部との間にギャップが形成されており；
１次磁気コア内に受入れられている永久磁石をさらに含む、装置。
【請求項２】
前記拡大領域はコイルの充電中にエネルギを貯蔵する２つの飽和領域を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記飽和領域は前記永久磁石から１次磁気コアの内側端までの距離によって規定される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
１次磁気コアは実質的にＥ字型に形成されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
２次磁気コアは実質的にＩ字型に形成されている、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記装置は自動車の点火システムの点火コイルである、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
点火コイル内のエネルギの貯蔵と変換のための装置であって、１次磁気コア内に受入れられた永久磁石と１次磁気コアの磁路を閉じる２次磁気コアとを有するコイルと含む、装置。
【請求項８】
２次磁気コアは１次磁気コアとともに磁路を形成し、２次磁気コアの各端部と１次磁気コアの対応する端部との間にギャップが形成されている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
１次磁気コアはコイルの充電中にエネルギを貯蔵する２つの飽和領域を含む拡大領域を有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記飽和領域は前記永久磁石から１次磁気コアの内側端までの距離によって規定される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
１次磁気コアは実質的にＥ字型に形成されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
２次磁気コアは実質的にＩ字型に形成されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記装置は自動車の点火システムの点火コイルである、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
エネルギを貯蔵しかつ変換するための方法であって、
１次磁気コア内に永久磁石を受入れることと；
１次磁気コアとともに２次磁気コアを用いて磁路を形成することとを含み、２次磁気コアの各端部と１次磁気コアの対応する端部との間にギャップが形成され；
１次磁気コアの拡大部内でエネルギを貯蔵することをさらに含む、方法。
【請求項１５】
前記拡大領域はコイルの充電中にエネルギを貯蔵する２つの飽和領域を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記飽和領域は前記永久磁石から１次磁気コアの内側端までの距離によって規定される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
１次磁気コアは実質的にＥ字型に形成されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
２次磁気コアは実質的にＩ字型に形成されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記装置は自動車の点火システムの点火コイルである、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エネルギ貯蔵とエネルギ変換のための装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギ貯蔵とエネルギ変換のための装置は実務において特に点火コイルとして知られており、これはエネルギを伝達する高電圧源を表し、スパーク点火原理によって作動するエンジン内においてスパークプラグを活性化するために用いられ、そして内燃エンジンの燃焼室内の燃料混合物を点火する。点火コイルとして実現されるそのようなエネルギの貯蔵装置と変換器において、通常は車の直流電気システムからの比較的低い電圧の供給電気エネルギは、点火パルスがスパークプラグへ配送されるべき所望の時点において高電圧の電気エネルギに変換される。
【０００３】
電気エネルギを磁気エネルギに変換するために、自動車のシステム電流が第１のコイルを通って流れ、これは通例では銅巻線であり、その結果としてこのコイルの周囲に磁界が生じ、この磁界は特定の方向を有しかつ閉じたラインの磁界である。高電圧パルスの形態の貯蔵された電気エネルギを配送するために、予め形成された磁界は電流の遮断によってその向きを変えさせられて高電圧を第２のコイル内に生じさせ、これは第１のコイルに対して物理的に接近して配置されかつ遥かに多い巻数を有している。スパークプラグにおける電気エネルギの変換は、予め形成された磁界を崩壊させて点火コイルを放電させる。第２の巻線の設計は、必要に応じて、内燃エンジン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設定することを可能にする。
【０００４】
全ての点火コイルは、例えば鉄のような強磁性材料からなるＩ字型コアを有している。すなわち、Ｉ字型コアは棒形状または矩形状の鉄コアであり、その断面は軟鉄シートの積層で形成され得る。公知の関連技術においてコイルとＩ字型コアの配置は種々の変動の影響を受けるが、通常ではコイルはＩ字型コアに対して半径方向に重ねられて同心円状に配置される。このタイプのＩ字型コアに加えて、強磁性材料からなる周辺コアを設けることも通例であり、これはコイルの長さ範囲を囲っており、“Ｏコア”または“強磁性回路”とも称される。磁界を形成しかつ崩壊させるときのロスを低減するために、この周辺コアも通常は層状鉄の積層の組合せである。
【０００５】
巻線またはコイルの組込みを可能にするために、Ｉ字型コアと強磁性回路の周辺コアとは一体物でなくて異なる要素部品から組立てられなければならない。典型的な形態はＩ字型コアと閉鎖Ｏを形成するＯコアとの構築であり、点火コイルが組立てられるときにＩ字型コアとそれを取巻く巻線がＯコアの内側へ挿入され、それらのコアの積層が組込まれるときに一つの平面内に存在する。
【０００６】
特定の方法で磁界に影響を及ぼすために、通常は強磁界回路が隙間または空気ギャプで中断され、これは“磁気シア”として言及される。そのような隙間内へ永久磁石が配置されてもよく、これは特定の条件下において磁気エネルギにおける更なる増大を可能にする。そのような空気ギャプと永久磁石とのシステムは、好ましくはＩ字型コアとＯコアとの結合部に配置される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
エネルギ貯蔵とエネルギ変換のための点火コイルとして設計された公知の装置に伴う問題は、製造の許容誤差に基づく組立てギャプとＩ字型コアをＯコア内へ挿入するための挿入緩みとが磁気的に活性なコア要素の設計内に維持されなければならないことである。これらのギャプは、エネルギ検討に基づいて望まれるギャップ寸法に適合しないかもしれない。したがって、例えば、Ｉ字型コアとＯコアとの間においてＩ字型コアの一端領域に永久磁石が配置されれば、その永久磁石とＯコアとの間で空気ギャップが必要とされない。製造の理由で設けられなければならない空気ギャプは適当な手段または派生的作用によって補償されなければならず、それらは全体的寸法および究極的には付加的なコストにも反映される。
【０００８】
Ｂｏｓｃｈに与えられた米国特許第７，２１２，０９２号は、上述の問題の幾つかを克服するエネルギの貯蔵と変換のための装置を開示している。図１を参照して、コンパクトな点火コイルは、中央に配置された磁気的に軟質のＩ字型コアを有している。第１のコイル形成体２は磁気的に活性なＩ字型コアを同心円状に囲って配置されており、巻線が車の電気システムからの供給電圧に接続されていてコイル形成体２に適用される１次巻線として使用される。第１のコイル形成体２内で半径方向に配置されているのは第２の内部コイル形成体３であり、これはＩ字型コアを囲っていて、スパークプラグに接続された高電圧端子に接続された２次巻線として使用される巻線を有している。Ｉ字型コア１はコイル形成体２と３内に配置されており、一端領域において永久磁石４を有している。Ｉ字型コアは、コイル形成体２および３とともに、周辺コア５内の貫通凹部内へ挿入される。製造の許容誤差を補償する組立てギャプ６は、永久磁石４と周辺コア５との間に位置している。種々の事例において、ギャプ６は永久磁石４の力で閉じられ得る。この装置において、永久磁石は磁気コアの２つの別々の部分の間に適用される。この形態では、１次と２次のコイルの間の全ての界面でゼロギャップを伴うＩ字型コアに磁気領域が実現される場合のみに、時間に対する１次電流の非線形性によってコイルからのより高いエネルギの達成が可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明はエネルギの貯蔵と変換のための装置に向けられており、これは点火コイルにに貯蔵可能なエネルギのレベルの増大を可能にし、１次磁気コア内の永久磁石を有するコイルを使用しかつその１次磁気コアの磁路を閉じる第２の磁気コアを伴う。
【００１０】
発明の一態様において、エネルギ貯蔵とエネルギ変換のための装置は、エネルギを貯蔵するための拡大領域を備えた１次磁気コアと；その１次磁気コアとともに磁路を形成する２次磁気コアとを含み、２次磁気コアの各端部と１次磁気コアの対応する端部との間にギャップが形成され；１次磁気コア内に受入れられた永久磁石をさらに含む。
【００１１】
本発明のもう一つの態様では、点火コイル内のエネルギの貯蔵と変換のための装置は、１次磁気コア内に受入れられる永久磁石を有するコイルと、その１次磁気コアの磁路を閉じる第２の磁気コアを含んでいる。
【００１２】
本発明のさらにもう一つの態様では、エネルギを貯蔵して変換する方法は、１次磁気コア内へ永久磁石を受入れることと；１次磁気コアとともに２次磁気コアを使用して磁路を形成することとを含み、２次磁気コアの各端部と１次磁気コアの対応する端部との間にギャップが形成され；１次磁気コアの拡大領域にエネルギを貯蔵することを含む。
【００１３】
発明の一形態では、その拡大された領域はコイル充電中にエネルギを貯蔵する２つの飽和領域を含む。
【００１４】
発明のもう一つの形態では、その飽和領域は永久磁石から１次磁気コアの内側端部までの距離によって規定される。
【００１５】
発明のさらにもう一つの形態では、１次磁気コアは実質的にＥ字形状である。
発明のさらにもう一つの形態では、２次磁気コアは実質的にＩ字形状である。
【００１６】
発明の一形態では、装置は自動車の点火システムの点火コイルである。
この発明のこれらおよび他の特徴および利点は、好ましい実施例の詳細な説明から当業者にとってより明らかになるであろう。詳細な説明に伴う図面は、以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】公知のコンパクトな点火コイルのコイルとコアの要素のシステムとしての模式的な長さ方向断面図を示す。
【図２】発明の一実施例によるコイルとコアの要素のシステムの組立て前の長さ方向断面図を示す。
【図３】図２によるコイルとコアの要素のシステムの組立てられた長さ方向断面を示す。
【図４】図１による標準的コイルの場合と図２による発明の場合とにおける１次電流のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
この発明はエネルギの貯蔵と変換のための装置に向けられており、点火コイル内に貯蔵し得るエネルギのレベルの増大を可能にし、１次磁気コア内に永久磁石を有するコイル使用しかつその１次磁気コアの磁路を閉じる第２の磁気コアを伴う。
【００１９】
発明の構成によって、有利にも、磁気コアの特定の幾何学的寸法を有する点火コイル内で貯蔵可能なエネルギの増大したレベルが実現され得て、その寸法は通常は対応する点火コイルを配置するエンジン上で特定される空間またはサイズに依存する。その結果、エンジンサイズが小型化され得て、低減されたエネルギ消費とより低い排出物をも伴う。
【００２０】
この発明は、内燃エンジンのための点火コイルのための所定の空間内でより高いエネルギ貯蔵能力を提供する。この高い貯蔵能力は、領域６と７内に局所的な磁気的短絡を誘導することによって実現される。磁石の周りの残りの鉄は、磁石で生じた磁束の一部をＥ字コア型の外部領域へ導き、したがってそれらの外部領域は飽和されていない。エネルギ貯蔵能力のパフォーマンスは、領域６と７内およびＥ字型コアの外部領域内における鉄コアの飽和レベルの均衡によって強く影響される。鉄コア領域６と７の飽和は、１次電流の初期傾斜を増大させる。この初期傾斜は、領域６と７の寸法、スロット１５の寸法および永久磁石のエネルギ度で調節され得る。１次コイルが励起されるとき、それは磁石に対向する方向で磁束を生じる。１次回路を流れる１次電流がある値に達すれば磁束は局所的領域６と７を飽和からはずし、その後１次電流は必要な最終的電流値まで線形的挙動になる。このとき、貯蔵エネルギは、１次電流が常に線形的挙動を有するコイルに比べて増大する。
【００２１】
図２は、発明の一実施例にしたがって、組立て前のコイルとコア要素を通る長さ方向断面を示している。点火コイル２は１次磁気コア１０（Ｅ字型コア）と２次磁気コア２５（Ｉ字型コア）を含んでいる。１次コア１０はＥ字形状を有しており、これは永久磁石２０を受入れ得るスロット１５を備えている。２次磁気コア２５はＩ字形状であって、組立てられた状態（図３）において１次磁気コア１０においてループを完成させて閉じる。
【００２２】
図３は、図２によるコイルとコア要素の組立てられたシステムを通る長さ方向の断面を示している。１次磁気コア１０と２次磁気コア２５は組立てられた状態において一緒に周辺磁気コアを形成し、１次コアと２次コアの界面に空気ギャップ４と５が形成される。飽和領域６と７はコイルの充電中にエネルギを貯蔵するように作用し、距離８は永久磁石２０と１次磁気コア１０の積層端との間の距離である。
【００２３】
発明の一実施例においては、エネルギパーフォーマンす（エネルギレベル）を増大させかつエンジンの通常動作条件中にコア材料の磁気的飽和を回避するために、点火コイルは磁気コア内部に配置された永久磁石を必要とする。他方、標準的コイルでは、磁気コアの２つの分離された部分の間に永久磁石が配置され、図４に示されているように１次巻線中で流れる電流の時間変化はほぼ直線状である。発明では、１次巻線中で流れる電流の変化は、曲線の最初の部分においてほぼ非線形である。この事実によって、他の全てのパラメータの変更なしで、コイルに貯蔵されるエネルギは１次コイル内で流れる電流の時間変化で囲まれる領域に比例し、その結果として発明のコイル内に貯蔵されるエネルギは標準的事例より高くなる。時間に対する電流曲線の非線形的挙動は、１次巻線の充電期間中に変動する１次インダクタンスによって認識される。インダクタンスは充電期間の初期において低く、必要な充電期間後の一定値まで増大する。
【００２４】
図２と３を参照して、一実施例に従って発明のより詳細な説明が述べられる。発明は、好ましい実施例において例えばＥ字型を有しかつ永久磁石２０を受入れて保持するスロット１５を有する磁気コア成分１０と；永久磁石２０と；好ましい実施例においてＩ字型を有していて磁気コア成分１０の磁路を閉じる磁気コア２５とを含んでいる。それらの磁気コアの形状は種々の形とサイズで形成され得ることが容易に理解される。他の可能な磁気コアは２つのＥ字型成分を有する成分を含み、スロット１５と拡大領域が一方または両方のＥ字型コア内に配置される。
【００２５】
磁気コア成分２５は磁気コア成分１０の２つの側端部へ空気ギャプ４と５を伴って適合し、これらのギャップは切断工程の許容誤差で許される最小値まで低減されるが、好ましい実施例ではゼロではない。磁気コア成分１０の拡大領域（６と７の間の磁気コア領域）の形状と距離８は、コイルが最適効率で作動することを可能にする。これらの特徴に関して、スロット１５の寸法、距離８、および６と７の間の拡大領域のサイズはこの観点から重要である。動作において、磁気コア成分１０の小さな領域６と７は永久磁石下でその永久磁石によって生ぜられた磁界によって磁気的に飽和させられ、そしてコイルの１次充電の初期の間に空気ギャプとして作用する。コイル充電の間、１次巻線によって生ぜられた磁界（永久磁石によって生ぜられたものに対向）は、磁気的飽和から領域６と７を除外し、それらはエネルギ貯蔵（可逆的プロセス）に使用可能になる。時間に対する１次電流のより高い非線形性は、永久磁石と積層体端との間のより小さな距離（距離８）によって得られる。永久磁石２０下で磁化されない小さな領域を形成することに対する代替的解決策は、強磁性特性が失われる（不可逆的プロセス）まで材料に局所的応力を掛けることである。材料に対する局所的応力は、当業者によって理解されるように、熱的または機械的プロセスによって実現され得る。
【００２６】
したがって、発明は、１次と２次のコイルの界面におけるゼロギャップを要求する制約なしに、時間に対する１次電流の曲線の非線形性によって、コイル内に貯蔵されるより高いエネルギを可能にする。
【００２７】
上述の発明は適切な法的基準に従って説明されており、したがってその説明は限定的な性質のものではなくて例示的である。説明された実施例に対する変更や改変は当業者にとって明らかであり、発明の範囲内に入るものである。したがって、この発明に与えられる法的保護の範囲は、添付の特許請求の範囲の検討のみによって決定され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013534720.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2013534720.tif 000007
2013534720.tif 000008