專利名稱：高脈沖重復(fù)頻率點火源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及以柴油、天然氣或代用燃料工作的燃氣透平及要求最初點火源的柴油機的火花點火系統(tǒng)。
2．現(xiàn)有技術(shù)說明諸如用于混合的電動車輛和發(fā)電的電力生產(chǎn)的目前的燃氣透平由于采用了難以點燃的低揮發(fā)性燃料而要求極高能量的火花點火系統(tǒng)。一般高能量點火系統(tǒng)為用于航空電子工業(yè)中的那些點火系統(tǒng)，作為輔助動力設(shè)備(APUS)。這些系統(tǒng)中的一些具有苛刻如排放控制要求，這些要求通過提供極高能量點火源以便在太多的未燃燃料經(jīng)排氣系統(tǒng)釋放之前起動發(fā)動機才能被滿足。柴油機要求一些熱塞(glo-plugs)來開始燃燒。在此情況下，該熱塞頂端被加熱到高于2000°F的溫度，它通常需用大電流量(約每塞8安)和漫長的加熱時間。
發(fā)動不點火增加了危險的廢氣排放。無數(shù)的沒有充分加熱燃燒室內(nèi)火花塞絕緣子的冷起動使絕緣子積炭，這能導(dǎo)致不點火。該導(dǎo)電的積炭降低了點火過程可用的電壓。使電壓極快上升的火花點火感器可將因積炭結(jié)污的不點火減至最少。
為達到為點火所需的火花點火性能，同時減少因火花塞積炭結(jié)污的發(fā)動機不點火的事故，火花點火互感器鐵芯材料必須具有某種特性。這種鐵芯材料必須具有高的導(dǎo)磁率，在運轉(zhuǎn)期間必須不是磁飽和，且須有低的磁損。這些所要求的性質(zhì)的綜合嚴重地剝奪了一些適用鐵芯材料的可用性。鐵芯材料可能的選擇包括硅鋼，鐵淦氧磁體和鐵基非晶體金屬。通常用于通用互感器鐵芯的普通硅鋼是便宜的，但其磁損失太大。具有低磁損失的較薄的標準規(guī)格硅鋼太貴。鐵淦氧磁體不貴，但其飽和感應(yīng)通常小于0．5T，且鐵芯磁感應(yīng)近乎零的居里點接近200℃。該溫度太低，因為火花點火互感器的上工作溫度一般為180℃左右。鐵基非晶體金屬有低的磁損失和大于1．5T的高飽和感應(yīng)，然而，它顯示了較高的導(dǎo)磁率。能達到適于火花點火互感器的導(dǎo)磁率值的鐵基非晶體金屬是需要的。采用這種材料，便能構(gòu)成一種滿足所需輸出特性的實際尺寸規(guī)范的環(huán)形鐵芯結(jié)構(gòu)線圈。目前的汽車點火系統(tǒng)并不對火花塞產(chǎn)生足夠的能量傳輸。這些系統(tǒng)的電壓升高時間太慢，且輸出阻抗太高使結(jié)污的火花塞下載到點火系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的脈沖重復(fù)頻率受限于該線圈的充電和放電周期。相對于最高脈沖重復(fù)頻率約為110Hz而言，一般的充電時間為5．5微秒，放電時間為4．5微秒。一般的汽車點火系的峰值火花電流約為100毫安，對于大多數(shù)的汽車應(yīng)用場合可以是足夠的，但對于起動應(yīng)用場合卻導(dǎo)致火花強度較弱。由于汽車點火線圈的高輸出阻抗和實際的導(dǎo)線電阻，來自電瓶的許多能量存儲到線圈和火花塞內(nèi)，而不發(fā)生實際的火花。一般電磁線圈極高的二次感應(yīng)，與高的實際導(dǎo)線電阻耦合的E或C型鐵芯繞組降低了峰值功率傳輸。另一種諸如電容放電系統(tǒng)(CD)的技術(shù)依靠直流-直流(DC-DC)電壓變換器來將一電容器充電到400-600伏。該電容器經(jīng)一脈沖互感器型線圈放電，將能量傳輸?shù)交鸹ㄈ目刂品烹娧b置。提供充足功率來操作一高脈沖重復(fù)頻率點火系統(tǒng)的DC-DC變換器的價格是相當高的。諸如航空電子學(xué)點火系統(tǒng)的混合型系統(tǒng)能存儲極高能量(500毫焦耳)到火花塞的控制放電裝置，但由于功率消耗問題一般在10Hz或不足10Hz下工作，并還包括DC-DC變換器。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種引起電壓迅速上升(200-500納秒)的電磁鐵芯線圈組裝件(和電子部件)，具有低輸出阻抗(30-100歐姆)，產(chǎn)生高的(大于25千伏)開路電壓，經(jīng)火花塞控制放電裝置傳輸高的峰值電流(0．4-1．5安)，快的充電時間(采用12伏電源約100微秒)，快的放電時間(約150微秒)，在火花塞控制放電裝置內(nèi)一般的能量為每脈沖6-12毫焦耳。采用簡單的電子部件以單次至4千赫范圍的速率很容易實現(xiàn)用12伏電瓶源操作。鐵芯線圈組裝件實際上可采用高于5伏的任何電壓來操作。在這些可供選擇的電壓下，鐵芯線圈的工作使充量時間隨現(xiàn)有電壓源而增長或縮短。這種經(jīng)一表面間隙塞(代表航空電子學(xué)火花點火系統(tǒng))或一普通J型間隙火花塞或改型傳輸?shù)碾娮酉到y(tǒng)輸出利用局部加熱性能產(chǎn)生高功率點火源。該高脈沖重復(fù)頻率電弧用作一基本上是瞬時的局部加熱源，在一些應(yīng)用中，這意味著對熱塞實際取代的代價。
總的說來，磁鐵芯線圈包括一磁鐵芯，由鐵磁非晶體金屬合金組成。該鐵芯線圈組裝件具有低壓激磁的單個初級線圈和高壓輸出的次級線圈。該組裝件還有一包括若干鐵芯次裝件的次級線圈，這些次裝件在電流流入初級線圈時經(jīng)一公用的初級線圈同時被激磁，儲存能量在鐵芯材料內(nèi)的磁場中。當激磁時，該線圈的次裝件適于產(chǎn)生次級電壓。這就是說，在次裝件激磁期間，初級電流迅速被中斷，使鐵芯內(nèi)的磁場消失。因此在次級繞組的兩端感應(yīng)出二次電壓。該二次電壓是疊加的，被輸送到火花塞。該磁鐵芯線圈組件包括一個由鐵磁非晶體金屬合金組成的磁鐵芯，由于鐵芯材料的導(dǎo)磁率，與少數(shù)初級和次級繞組耦合，它具有低磁損失。當這樣構(gòu)成時，鐵芯線圈組裝件具有在激磁后的短暫時間周期內(nèi)在次級線圈內(nèi)產(chǎn)生高壓的能力。
更具體地說，該鐵芯由一非晶體鐵磁材料組成，它顯示出低的鐵芯損失和范圍自約100至500的導(dǎo)磁率。這些磁性質(zhì)特別適于火花塞的迅速發(fā)火。將由于是煙結(jié)污的不發(fā)火減至最少。此外，自線圈到火花塞的能量傳輸以高效方式完成，其結(jié)果在放電后使極小的能量保持在鐵芯內(nèi)。該環(huán)形鐵芯結(jié)構(gòu)低的二次電阻(＜100歐姆)允許大部分能量消失在火花塞控制放電裝置內(nèi)而非在二次導(dǎo)線內(nèi)。創(chuàng)制-多環(huán)形鐵芯組裝件，這允許經(jīng)一由次裝件的感應(yīng)及其磁化性質(zhì)控制的公用初級線圈將能量儲存在該次裝件內(nèi)。當初級電流迅速減小時，感應(yīng)一迅速上升的次級電壓。根據(jù)該系統(tǒng)的總磁通量變化，這些次級裝件環(huán)形鐵芯兩端的各次級電壓迅速增高，并且次裝件和次裝件疊加。這提供了一種通用的結(jié)構(gòu)，其中幾個次裝件組合在一起。該次裝件采用現(xiàn)存的環(huán)形鐵芯線圈纏繞技術(shù)纏繞以形成單個組裝件，在實際尺寸是關(guān)鍵性的情況下，具有優(yōu)良的性能。該優(yōu)先實施例采用單個用大環(huán)形鐵芯纏繞的鐵芯線圈，其產(chǎn)生的輸出特性類同于上述小鐵芯線圈組裝件多個疊式結(jié)構(gòu)的輸出特性。該裝置以上述方式工作。
該驅(qū)動電子設(shè)備由功率源(一般為電瓶)，一個作為峰值電流供應(yīng)源的等效系列電阻(ESR)電容器，一個諸如整體整流柵兩極晶體管(IGBT)的開關(guān)，它能被接通(短路狀態(tài))以允許電流流經(jīng)初級線圈，隨后斷開(開路狀態(tài))，這迅速減小經(jīng)初級線圈的電流，使鐵芯內(nèi)的磁場消失，在次級繞組上感生電壓，產(chǎn)生輸出。要求駕駛員在適當時間接通和斷開開關(guān)，要求一振子設(shè)定脈沖重復(fù)率。要求定時電路規(guī)定在磁場建立后何時斷開該開關(guān)。
附圖簡介當參照本發(fā)明優(yōu)先實施例的下列詳細說明和附圖時，會更充分地理解本發(fā)明，而本發(fā)明的其它優(yōu)點會變得明顯，其中

圖1為發(fā)動機燃燒的簡圖，描繪處在火花塞頂上的線圈組裝件和控制器電子部件；圖2為電子驅(qū)動裝置的線圈圖，適于與本發(fā)明的鐵芯線圈組裝件一起使用。
圖3是一個組裝程序指導(dǎo)圖，表示該組裝方法及用于形成鐵芯線圈組裝件的連接；圖4是一個組裝程序指導(dǎo)圖，表示另一實施例的組裝方法及用于形成本發(fā)明的疊式結(jié)構(gòu)線圈組裝件的連接；圖5為一曲線圖，表示相對于圖4中所示組裝件初級線圈上的安匝數(shù)的次級兩端的輸出電壓；圖6是圖4的鐵芯線圈組裝件的典型的電壓和電流波動圖形；圖7是一組曲線，表示通過安置與測頭平行的電阻而測得的開路電壓的壓降，以模擬結(jié)污火花塞的狀況。
優(yōu)先實施例說明參照附圖1，功率源電瓶52對點火電子設(shè)備51提供能量。導(dǎo)線53向鐵芯線圈組裝件54輸送低壓信號。導(dǎo)線對53也可以是一種同軸導(dǎo)線組。該鐵芯線圈組裝件54為圖4中所描繪的實施例，但也可以是圖3中所描繪的實施例。或者，鐵芯線圈組裝件54可配置在一中間點上，如同點火電子設(shè)備51那樣，在此情況下，導(dǎo)線53向火花塞55傳輸高壓信號。鐵芯線圈組裝件的另一可選擇的位置是在點火電子設(shè)備51和火花塞55之間，在此位置上，導(dǎo)線53可以在點火電子設(shè)備51側(cè)承載低壓，而在火花塞55側(cè)承載高壓。在圖1中火花塞55被表為一J形間隙，但它也可以是一種表面間隙塞或一J形間隙變型。電容器56包封的點火區(qū)代表柴油氣缸或燃氣透平的典型的燃燒室外殼。圖1意欲圖示可采用本發(fā)明的方式。
參照圖3，鐵芯線圈組裝件60包括一磁鐵10，由包含在一絕緣罩55內(nèi)的鐵磁非晶體金屬合金組成。自3至10初級繞組36與100至400匝次級導(dǎo)線50一起沿環(huán)形鐵芯周圍纏繞。出于高壓輸出考慮在初級與次級繞組之間允許有足夠的空間。通常，次級繞組是這樣安排的，使傳輸?shù)交鸹ㄈ行碾姌O的電壓是負的。初級繞組36有一低壓激磁，它由開關(guān)閉合時流過初級繞組36的電流產(chǎn)生。這在鐵磁非晶體金屬合金10內(nèi)建立一磁場，以儲存能量。當開關(guān)開路時，鐵磁非晶體金屬合金10內(nèi)的磁場消失，從而在次級繞組50兩端感生一高壓。參照圖2，能量儲存電容器通常由一12伏電瓶充電到電壓Vcc。一振子和定時電路控制1)IGBT開關(guān)閉合的時間長度；ii)IGBT開關(guān)開路的時間長度；iii)該系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率。該定時向IGBT驅(qū)動器發(fā)出閉合信號，使IGBT開關(guān)閉合，以允許電流自電容器流經(jīng)鐵芯線圈組裝件和IGBT。流經(jīng)鐵芯線圈組裝件的電流在鐵磁非晶體金屬環(huán)形鐵芯內(nèi)感生一磁場，以儲存能量。一般流經(jīng)初級繞組的電流值在50-150微秒時間內(nèi)為20-50安培。該定時電路此時通過IGBT驅(qū)動器斷開IGBT開關(guān)，使電流迅速減小(一般小于1微秒)。電流的迅速減小使鐵芯線圈內(nèi)的磁場消失，對鐵芯線圈的次級繞組感生高壓。電壓升高率在次級繞組兩端一般為幾百納秒。磁鐵芯10以具有包括鐵基合金的高磁感應(yīng)的非晶體金屬為基礎(chǔ)。鐵芯線圈10的兩種基本結(jié)構(gòu)形式適于應(yīng)用。它們?yōu)閹庀兜暮筒粠庀兜?，都稱為鐵芯10。圖4a中所示的帶氣隙的鐵芯在一連續(xù)的磁道內(nèi)具有不連續(xù)的磁區(qū)。帶氣隙鐵芯10的一個例子是具有小狹隙的常稱作氣隙的環(huán)形磁鐵芯。當所需導(dǎo)磁率明顯低于鐵芯本身的導(dǎo)磁率時，如繞制那樣，帶氣隙的構(gòu)形是優(yōu)先的。磁道的氣隙部分降低了總的導(dǎo)磁率。如圖4b中所示的不帶氣隙的鐵芯具有類同于帶氣隙鐵芯的導(dǎo)磁率，但實際上是連續(xù)的具有類同于在環(huán)形磁鐵芯中通常碰到的結(jié)構(gòu)。均勻分布在無氣隙鐵芯10內(nèi)的氣隙的明顯存在產(chǎn)生了術(shù)語“分布氣隙鐵芯”。帶氣隙和不帶氣隙結(jié)構(gòu)兩者在圖4的鐵芯線圈組裝件34和圖4的鐵芯線圈組裝件60中起作用，并只要有效的導(dǎo)磁率處于所要求范圍內(nèi)，它們是可互換的。不帶氣隙鐵芯10原為說明目的而選擇的，然而，如在本文所述的積木化設(shè)計中所體現(xiàn)的，本發(fā)明并不限于不帶氣隙鐵芯材料的應(yīng)用。
基本上由和圖2中所示的相同的驅(qū)動器電子設(shè)備驅(qū)動的鐵芯線圈組裝件的另一實施例為共同未決的美國申請08／639，498所公開，在本文中引用這些公開內(nèi)容供參考。
參照圖4，磁鐵芯線圈組裝件34包括一磁鐵芯10，由鐵磁非晶體金屬合金所組成。該鐵芯線圈組裝件34具有供低壓激磁的單個初級線圈和一個次級線圈20，后者由和高壓輸出串聯(lián)的鐵芯次裝件22，18和16的次級線圈所組成。在構(gòu)成鐵芯線圈組裝件34中所采用的鐵芯線圈次裝件22，18和16經(jīng)公共的初級線圈36同時被激磁。當被激磁后，該鐵芯線圈次裝件32適于產(chǎn)生次級電壓，它們是疊加的，并被供給火花塞。當這樣構(gòu)成后，該鐵芯線圈組裝件34在激磁之后的短暫時間周期內(nèi)能在次級線圈20(它由若干串聯(lián)連接的鐵芯線圈組裝件32的組合次級繞組14所組成)內(nèi)產(chǎn)生高壓。通常，該次級繞組被安排成使供給火花塞中心電極的電壓為負的。
磁鐵芯10以具有包括鐵基合金的高磁感應(yīng)的非晶體金屬為基礎(chǔ)。鐵芯線圈10的兩種基本結(jié)構(gòu)形式適于應(yīng)用。它們?yōu)閹庀兜暮筒粠庀兜?，都稱為鐵芯10。圖4a中所示的帶氣隙的鐵芯在一連續(xù)的磁道內(nèi)具有不連續(xù)的磁區(qū)。帶氣隙鐵芯10的一個例子是具有小狹隙的常稱作氣隙的環(huán)形磁鐵芯。當所需導(dǎo)磁率明顯低于鐵芯本身的導(dǎo)磁率時，如繞制那樣，帶氣隙的構(gòu)形是優(yōu)先的。磁道的氣隙部分降低了總的導(dǎo)磁率。如圖4b中所示的不帶氣隙的鐵芯具有類同于帶氣隙鐵芯的導(dǎo)磁率，但實際上是連續(xù)的具有類同于在環(huán)形磁鐵芯中通常碰到的結(jié)構(gòu)。均勻分布在無氣隙鐵芯10內(nèi)的氣隙的明顯存在產(chǎn)生了術(shù)語“分布氣隙鐵芯”。帶氣隙和不帶氣隙結(jié)構(gòu)兩者在圖4的鐵芯線圈組裝件34和圖4的鐵芯線圈組裝件60中起作用，并只要有效的導(dǎo)磁率處于所要求范圍內(nèi)，它們是可互換的。不帶氣隙鐵芯10原為說明目的而選擇的，然而，如在本文所述的積木化設(shè)計中所體現(xiàn)的，本發(fā)明并不限于不帶氣隙鐵芯材料的應(yīng)用。
不帶氣隙的鐵芯10由非晶體金屬制成，它以鐵合金為基礎(chǔ)，并經(jīng)這樣處理，使鐵芯的導(dǎo)磁率以大約1KHz的頻率測量時，處在100和800之間。為通過減少電渦流損失來改善不帶氣隙的鐵芯的效率，被繞制成較短的圓柱體，并經(jīng)處理，且端對端的堆疊，以獲得所希望的被稱作分段鐵芯的磁鐵芯的數(shù)量。自分布氣隙鐵芯的漏磁通遠少于自帶氣隙的鐵芯的漏磁通，使不希望的無線電頻率干擾很少散發(fā)到周圍環(huán)境中。此外，由于閉合的磁路與一不帶氣間的鐵芯相聯(lián)，信噪比大于帶氣隙的鐵芯，使不帶氣隙的鐵芯特別好地適于低電磁干擾(EMI)發(fā)射具有重大意義的場合。通過初級繞組36小于60安匝和次級繞組20約110至160匝的不帶氣隙鐵芯10，在次級繞組20上能獲得大于10千伏的輸出電壓，供火花點火。本文中所用的術(shù)語“安匝”系指電流安培值乘以組成初級繞組的匝數(shù)。上文中所用的諸如60安匝的數(shù)值系指就4匝的初級繞組而言，在初級繞組中電流中斷時，有15安電流在初級繞組中流過。中斷初級繞組的一般斷路時間是于1微秒量級。
圖3中描繪的結(jié)構(gòu)型式，其開路輸出大于25千伏，是用小于120安匝獲得的。先前說明的線圈包括非晶體金屬帶，它被繞制成內(nèi)徑為0．54"、外徑1．06"、高為1．0"重約55克的直角圓柱體。由于本發(fā)明的成功實踐，不需要完全遵守本例中所采用的特定尺寸。按照輸入和輸出的需要，其結(jié)構(gòu)空間可有大的變化。
按照最后的構(gòu)造，直角圓柱體構(gòu)成環(huán)形鐵芯。通過采用耐高溫可塑塑料，在鐵芯和導(dǎo)線之間可獲得絕緣，它還兼作繞組結(jié)構(gòu)，便于環(huán)形線圈的繞制。采用細直徑導(dǎo)線(約36號)來繞制所需要的100-400次級繞組匝數(shù)。因為線圈的輸出電壓可超過25千伏，它表示相對于300匝次級繞組，繞組與繞組之間的電伏處于80伏范圍內(nèi)，這些導(dǎo)線不能被有效地重疊。最佳運行的線圈，其導(dǎo)線均勻分隔在環(huán)形線圈的約300°內(nèi)。對于初級繞組，保持60°。
圖4中所示的另一構(gòu)造，把圖3中所示原有的構(gòu)造分成較大部件的構(gòu)件，其中，這些部件可利用現(xiàn)有的繞線機按常規(guī)方式繞制。一般說來，圖4的構(gòu)造采用同樣的易控制尺寸的非晶體金屬鐵芯材料的鐵芯部分，并利用它們。這是通過形成一絕緣罩12來實現(xiàn)的，后者允許鐵芯10被插入其內(nèi)，并把次裝件30作為鐵芯來處理，被繞制成環(huán)形鐵芯32的形式。所需要的次級匝數(shù)和原始結(jié)構(gòu)相同。最終的組裝件34包括一個具有足夠數(shù)量(1或多于1)的這些構(gòu)件的組，以獲得所希望的輸出特性。每隔一個環(huán)形鐵芯組件32必須被相反地繞制，以利于次裝件之間的電連接。這允許輸出電壓增加。
圖4實施例的典型構(gòu)件34包括逆時針(CCW)繞制的第一環(huán)形鐵芯組件16，一輸出導(dǎo)線24用作末端線圈組裝件34的輸出。第二環(huán)形鐵芯組件18按順時針(CW)繞制，并堆疊在第一環(huán)形鐵芯16的頂部，其間有一墊圈28，以提供足夠的絕緣。次級環(huán)形鐵芯組件18的底部導(dǎo)線42連于第一環(huán)形鐵芯16的上部導(dǎo)線40(保持導(dǎo)線)。下一個環(huán)形鐵芯組件22按逆時針繞制，并堆疊在前兩個環(huán)形鐵芯16、18的頂部，為了絕緣，帶有墊圈28。第三環(huán)形鐵芯組件的下部導(dǎo)線46連于第二環(huán)形鐵芯組件的上部導(dǎo)線44。環(huán)形鐵芯組件32的總數(shù)由設(shè)計規(guī)范和實際尺寸要求所決定。末端上部導(dǎo)線26構(gòu)成鐵芯線圈組裝件34的另一輸出。通常，導(dǎo)線24連于火花塞的中心電極，且處于負電位，而導(dǎo)線26形成構(gòu)件34的回流電路。構(gòu)件34的導(dǎo)線24端在本文中被稱作底部，因為它通常擱置在火花塞的頂部，將它連接到火花塞中心電極。構(gòu)件34的導(dǎo)線26端在本文中被稱作構(gòu)件頂端，因為這是初級36可接近的位置。這些環(huán)形鐵芯組件32的次級繞組14是各別繞制的，因此，環(huán)形鐵芯的總共360°中的約300°被覆蓋。這些環(huán)形鐵芯組件32是這樣堆疊的，使各環(huán)形鐵芯組件32的敞開的60°豎直對準。公用的初級導(dǎo)線36經(jīng)該鐵芯線圈組裝件34纏繞。該結(jié)構(gòu)在本文中被稱作堆積器結(jié)構(gòu)。
沿原始線圈結(jié)構(gòu)的電壓分配類似于一自耦互感器，其第一匝處于零電壓，而最后一匝處于全電壓。該電壓實際上是沿線圈構(gòu)件的整個長度分配的。初級繞組與次級繞組保持絕緣，并處在所繞制的環(huán)形鐵芯的60°空閑區(qū)的中心內(nèi)。這些導(dǎo)線由于初級導(dǎo)線上使用的低壓驅(qū)動狀態(tài)基本上處在低電位。在高壓輸出端至初級導(dǎo)線，次級導(dǎo)線至次級繞組以及次級導(dǎo)線至鐵芯的最接近點上，出現(xiàn)最高電壓應(yīng)力。最高電場應(yīng)力點在環(huán)形鐵芯內(nèi)沿其長度存在，并在線圈的頂、底內(nèi)，其磁場增強。堆積器結(jié)構(gòu)電壓分配稍有不同。各單獨的鐵芯線圈環(huán)形鐵芯組件32有相同的自耦互感器的分配型式，但鐵芯線圈組裝件34的堆疊式分配被個別環(huán)形鐵芯組件32的數(shù)量所分割。若在鐵芯線圈組裝件組中有3個環(huán)形鐵芯組件32，則底部環(huán)形鐵芯組件16會自導(dǎo)線24的電壓變化到導(dǎo)線40的2／3電壓，沿次級繞組電壓變化近乎于線性，自導(dǎo)線24的電壓到導(dǎo)線40的2／3電壓，次級環(huán)形鐵芯組件18自導(dǎo)線性的2／3電壓變化到導(dǎo)線44的1／3電壓，沿次級繞組電壓變化近乎于線性，自導(dǎo)線42的2／3電壓到導(dǎo)線44的1／3電壓，頂部環(huán)形鐵芯組件22自導(dǎo)線46的1／3電壓變化到導(dǎo)線26的零電壓，沿次級繞組的電壓變化近乎于線性，自導(dǎo)線46的1／3電壓到導(dǎo)線26的零電壓，其中導(dǎo)線26被定位為零電壓。該構(gòu)形縮小了高壓應(yīng)力區(qū)，而電位一般是負的。自一次裝件到下一次裝件被稱作為分段電壓分配。
輸出電壓波形具有短的脈沖分量一般為1-3秒持續(xù)時間上升時間為100-500納秒及長得多的低輸出分量(一般為100-150微秒持續(xù)時間)。該堆疊式布置的電壓分配是不同的，從而允許最高電壓區(qū)處在鐵芯線圈組裝件34的頂部或底部，取決于接地狀態(tài)。堆疊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于高壓區(qū)能正好處在火花塞壁內(nèi)的火花塞深刻。鐵芯線圈組裝件34頂部的電壓僅在一個3組組件的1／3處電壓最大。
準備一些由在鑄態(tài)超過1．5T的飽和感應(yīng)的鐵基非晶體金屬組成的磁鐵芯。該鐵芯有一個柱高約15．6毫米、外徑約17毫米、內(nèi)徑約12毫米的圓柱體結(jié)構(gòu)形式。這些鑄芯在沒有外部施加磁場的情況下被加熱。圖4表示一個3組鐵芯線圈組裝件34的組件結(jié)構(gòu)的程序指導(dǎo)圖。這些鐵芯10被插入耐高溫塑料絕緣罩12內(nèi)。這些組件30中的幾個借助機器用110至160匝銅線順時針纏繞在一環(huán)形鐵芯繞組機構(gòu)上，形成次級繞組14，而另外幾個被逆時針纏繞。第一環(huán)形鐵芯組件16(底部)被逆時針纏繞，其底部導(dǎo)線24用作該系統(tǒng)的輸出導(dǎo)線。第二環(huán)形鐵芯組件18被順時針纏繞，其底部導(dǎo)線42連于下環(huán)形鐵芯16的上部導(dǎo)線40。第三環(huán)形鐵芯組件22被逆時針纏繞，其底部導(dǎo)線46連于第二環(huán)形鐵芯組件18的上部導(dǎo)線。第三環(huán)形鐵芯組件22的上部導(dǎo)線26用作接地導(dǎo)線。在環(huán)形鐵芯組件16、18、22之間的塑料墊圈28用作電壓平衡器(itend off)。環(huán)形鐵芯32的非纏繞區(qū)豎直對準。公用初級線圈36經(jīng)鐵芯線圈組裝件34的組纏繞在空隙區(qū)內(nèi)。該鐵芯線圈被包封在耐高溫塑料殼內(nèi)，其上有一些孔供導(dǎo)線穿出用。然后將該組裝件真空澆灌成可接受的封裝化合物，作為高壓絕緣整體。
有許多其它類型的封裝材料。封裝化合物的基本要求是它具有充足的絕緣強度，它能很好地粘附于該構(gòu)件內(nèi)所有的其它材料，且能經(jīng)受得住苛刻的循環(huán)、溫度、沖擊和振動的環(huán)境要求。這希望封裝化合物有一低的介電常數(shù)和低的損耗角正切值。該殼體材料應(yīng)能模注，不貴，具有低的介電常數(shù)和損耗角正切值，且經(jīng)受和封裝化合物同樣的環(huán)境狀況。
對初級線圈供應(yīng)電流，約在25至100微秒內(nèi)迅速達到60安，但不限于該數(shù)值。圖5表示在初級電流在給定的峰值安匝下迅速切斷電初級電流時所達到的輸出。在初級開關(guān)裝置上的電壓為12伏時，充電時間一般＜120微秒，在該點上，流過初級繞組36的電流中斷，使次裝件次級線圈32組合體兩端的電壓迅速上升。這些次裝件成串聯(lián)連接，構(gòu)成有效的次級20，其兩端產(chǎn)生總電壓。該輸出電壓具有約1．5微秒的典型的短輸出脈沖持續(xù)時間FWHM和持續(xù)約100微秒的長的低壓尾部。這樣，在磁鐵芯組裝件34內(nèi)，在少于150微秒的時間間隔內(nèi)，重復(fù)產(chǎn)生超過10千伏的高壓。為獲得上述的迅速多發(fā)火花區(qū)，這個特性是需要的。然而，在次級繞組內(nèi)產(chǎn)生的壓力迅速升高減少了因積炭結(jié)污的發(fā)動機不發(fā)火。
為對本發(fā)明提供更完全的理解，提出下列實例。為說明本發(fā)明的原理和實踐所規(guī)定的特定技術(shù)條件、材料、性質(zhì)和報告資料是示例性的，不應(yīng)看作是對本發(fā)明范圍的限制。
實例具有寬約1．0"、厚約20微米的非晶體、鐵基帶繞在機加工的不銹鋼芯棒上點焊在內(nèi)、外徑上，以保持間隙。內(nèi)徑為0．54"，而外徑選為1．06"。制成的圓柱體鐵芯室約55克。鐵芯在430℃-450℃范圍內(nèi)在氮氣中進行退火，保溫時間為2至16小時。將經(jīng)退火的鐵芯置于一絕緣子罩內(nèi)，并借助一環(huán)形鐵芯繞線裝置用300匝細直徑絕緣銅線，將其繞制成次級線圈，用6匝粗線繞成初級線圈。圖3中所描繪的結(jié)構(gòu)型式在＜120安匝時產(chǎn)生＞25千伏的開路電壓。無需完全符合本實例中所采用的尺寸。按照輸入和輸出的要求可有大的結(jié)構(gòu)空間變化。這最終制成的直徑角圓柱體構(gòu)成細長環(huán)形鐵芯。鐵芯和導(dǎo)線之間的絕緣是通過采用耐高溫可模注塑料來獲得的，該塑料還兼作繞組結(jié)構(gòu)用，以便于環(huán)形鐵芯的繞制。
一個寬約15．6毫米厚約20微米的非晶體鐵基帶繞在機加工的不銹鋼芯棒上，點焊在內(nèi)徑和外徑上，以保持間隙。內(nèi)徑12毫米由芯棒設(shè)定，外徑選為17毫米。完成的圓柱形鐵芯重約10克。鐵芯在430至450℃范圍內(nèi)在氮氣中退火，保溫2至16小時。將經(jīng)退火的鐵芯置于絕緣子罩內(nèi)，借助于一環(huán)形鐵芯繞制裝置，用140匝細直徑絕緣銅線，將其繞制成次級線圈。繞成逆時針和順時針組件。逆時針組件用作底部和頂部組件，而順時針為中間組件。在這些組件之間添加絕緣子墊圈。將4匝構(gòu)成次級線圈的小直徑導(dǎo)線繞在環(huán)形鐵芯次裝件上，在沒有次級繞組的區(qū)域。中間和下部組件的導(dǎo)線相連接，中間和上部組件的導(dǎo)線也連接。將該組裝件置于高溫塑料殼體內(nèi)，進行封裝。通過這種結(jié)構(gòu)，次級電伏被測定為初級電流和初級線圈匝數(shù)的函數(shù)，示于圖5。
驅(qū)動器電子設(shè)備相同于圖2中所描繪的，其中電壓源為12伏電瓶，IGBT開關(guān)閉合約100微秒，然后迅速斷開。圖4中所示的結(jié)構(gòu)形式在這些條件下相對于＜175安匝產(chǎn)生＞25千伏的開路電壓。圖6表示2示波器照片，第一張照片表示初級鐵芯線圈電流的典型充電波形(下部軌跡)，在垂直標尺上每分度為20安，在水平標尺上，每分度為20微秒。當電流迅速減小時，組裝件的輸出電壓迅速增加。利用一測頭來測量該信號，它被顯示為第一張照片的上部軌跡，在垂直標尺上，每分度為5千伏。第二張照片為次級線圈兩端最初電壓上升的時間過程，表示電壓迅速上升，在水平時間標尺寸，每分度為1微秒，在垂直標尺上，每分度為5千伏。在此情況下，輸出電壓為負值，因而被這樣顯示。圖7表示輸出電壓作為線圈安匝的函數(shù)的曲線，標訂電阻跨接在鐵芯線圈的次級。該方法以相當大的結(jié)污程度模擬結(jié)污火花塞，有效地加載次級繞組。該輸出是相對于開路(未加載)狀態(tài)和1兆歐、100千歐和20千歐分路電阻繪制的。這些分路電阻以100千伏負載模擬結(jié)污火花塞，代表極端結(jié)污的火花塞。這些曲線表示在次級兩端仍能達到相當大百分比的無負載電壓。
雖然以相當詳盡的細節(jié)已這樣說明了本發(fā)明，然而應(yīng)當理解，無需嚴格遵照這種細節(jié)，精通本技術(shù)的人們他們自身能提出多種變更和修改，而所有的變更與修改均落在由主權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種用以按預(yù)定的脈沖重復(fù)頻率產(chǎn)生并提供高壓激磁脈沖給表面間隙或J形間隙火花塞或J形變型，以產(chǎn)生為燃包透平和柴油機提供點火的火花的磁性鐵芯線圈組裝件和驅(qū)動電子設(shè)備，包括a．一個具有由鐵磁非晶體金屬合金組成的磁鐵芯的鐵芯線圈，所述鐵芯線圈組件的鐵芯具有一個供低壓激磁的初級線圈和一個供高壓輸出的次級線圈；b．一個具有由鐵磁非晶體金屬合金組成的磁鐵芯的鐵芯線圈組裝件，所述鐵芯線圈組裝件的鐵芯具有一個供低壓激磁的初級線圈和一個供高壓輸出的二次線圈；c．所述鐵芯線圈組件包括若干鐵芯線圈次裝件，后者經(jīng)所述鐵芯線圈組裝件的初級線圈被同時激磁，以便在它們的鐵芯內(nèi)產(chǎn)生一個儲存能量的磁場；d．所述鐵芯線圈組件經(jīng)其初級線圈被激磁，以便在其鐵芯內(nèi)產(chǎn)生一個儲存能量的磁場；e．所述線圈次裝件與用以中斷流經(jīng)所述鐵芯線圈組裝件的初級線圈的電流的裝置相聯(lián)，使它們鐵芯內(nèi)的磁場消失，從而在包括它們的次級線圈的次線兩端感生電壓，所述一些次級鐵芯線圈次裝件交替地按逆時針和順時針方向纏繞，并彼此串聯(lián)連接，因此，當所述磁場消失時，所述那些鐵芯線圈次裝件產(chǎn)生一些疊加的供給一火花塞那些的次級電壓；f．所述鐵芯線圈組件與用以中斷流經(jīng)其初級線圈的電流的裝置相聯(lián)，使其鐵芯內(nèi)的磁場消失，因而在其次級線圈的兩端感生一個供給一火花塞的電壓；g．各所述鐵芯線圈組裝件和所述鐵芯線圈組件具有在它們激磁之后的暫短時間周期內(nèi)在其次級內(nèi)產(chǎn)生一高壓的能力；h．所述鐵芯線圈組裝件和鐵芯線圈組件各自產(chǎn)生一個迅速充電和放電周期，該周期允許它以大于500赫的脈沖重復(fù)頻率工作。
2．按權(quán)利要求1所述的磁鐵芯線圈組裝件，其特征在于各所述鐵芯線圈組裝件和鐵芯線圈組件在約200至500納秒范圍產(chǎn)生一電壓升高，具有約30至100歐范圍的輸出阻抗，產(chǎn)生約大于25千伏的開路電壓，經(jīng)火花輸送大于0．5安的峰值電流，提供約少于150微秒的充電時間，提供少于200微秒的放電時間，提供大于每脈沖5毫焦耳的火花能量。
3．按權(quán)利要求1所述的磁鐵芯線圈組裝件，其特征在于所述驅(qū)動電子設(shè)備由至少5伏的電壓源驅(qū)動，并提供至少500赫的脈沖重復(fù)頻率，所述驅(qū)動電子設(shè)備耦合在所述鐵芯線圈組件或鐵芯線圈組裝件的輸出與一表面間隙或J形間隙或J形變型火花塞之間，以產(chǎn)生一個供給燃氣透平或柴機油的火花。
4．按權(quán)利要求1所述的磁鐵芯線圈組裝件，其特征在于所述磁鐵芯通過熱處理所述鐵磁非晶體金屬合金來制造。
5．按權(quán)利要求1所述的磁鐵芯線圈組裝件，其特征在于該磁鐵芯包括一些分段鐵芯。
6．按權(quán)利要求1所述的磁鐵芯線圈組裝件，其特征在于次級線圈中的輸出電壓在25至100微秒內(nèi)在初級電流小于70安匝情況下達到大于10千伏，而在初級電流為75至200安匝的情況下大于20千伏。
7．按權(quán)利要求3所述的磁鐵芯，其特征在于所述鐵磁非晶體金屬合金為鐵基的，且還包括含有鎳和鈷的金屬元件，形成包含硼和碳的一些元件的玻璃及包含硅的半金屬元件。
8．按權(quán)利要求3所述的磁鐵芯線圈組裝件或磁鐵芯線圈組件，其特征在于該磁鐵芯是沒有氣隙的。
9．按權(quán)利要求3所述的磁鐵芯線圈組裝件或磁鐵芯線圈組件，其特征在于，該磁鐵芯是有氣隙的。
10．按權(quán)利要求7所述的磁鐵芯線圈組裝件，其特征在于該磁鐵芯是在接近該合金的結(jié)晶溫度下經(jīng)熱處理的并被部分結(jié)晶化。
11．按權(quán)利要求8所述的磁鐵芯線圈組裝件，其特征在于該磁鐵芯是在低于該合金的結(jié)晶溫度下經(jīng)熱處理的，當完成熱處理后，基本上保持非晶體狀態(tài)。
12．按權(quán)利要求1所述的磁鐵芯線圈組裝件，其特征在于由若干單獨的次裝件組成，每個次裝件包括一個具有一次級繞組的環(huán)形繞制區(qū)，所述次裝件被這樣安排，使合成的組裝件電壓在被公共初級激勵時是單個次裝件電壓的總和。
13．按權(quán)利要求1所述的磁鐵芯線圈組裝件，其特征在于，所述組裝件具有一種內(nèi)電壓分配，自底部到頂部分段階躍式的，分段數(shù)由次裝件數(shù)確定。
全文摘要
一種以大于1千赫的脈沖重復(fù)頻率工作的高脈沖重復(fù)頻率點火系統(tǒng)點燃燃氣透平內(nèi)的燃料混合物。該系統(tǒng)包括驅(qū)動電子設(shè)備和一個采用鐵磁非晶體金屬帶作為磁介質(zhì)的環(huán)形繞制鐵芯線圈組裝件。從而產(chǎn)生一個提供電壓迅速上升,高峰值電流和允許脈沖重復(fù)頻率充分提高到高于常規(guī)點火源的迅速充電與放電周期的感應(yīng)儲存系統(tǒng)。由于這些性質(zhì),該系統(tǒng)能容易地驅(qū)動極端結(jié)污的火花塞。這些電子設(shè)備和鐵芯線圈以比常規(guī)點火系統(tǒng)顯著低的價格來制造。點火基本上是瞬間的。該系統(tǒng)表示一種對柴油機內(nèi)熱塞的便宜的替代。
文檔編號H01F38/12GK1292926SQ98810969
公開日2001年4月25日 申請日期1998年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月18日
發(fā)明者W·R·拉波波爾特, P·A·帕帕尼斯托 申請人:聯(lián)合訊號公司