WO2001091200A1 - Ignition pulse generator - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a voltage converter for generating high-voltage pulses.
- the ignition pulse generator is used to ignite technical gases in the industrial sector, in the automotive sector, in lighting technology and in the home. Special applications are high-voltage igniters for burners, heating and cooking devices, ignition modules for internal combustion engines and high-voltage ignition generators for HID lamps (xenon lamps) in motor vehicles and electrical igniters for pyrotechnic igniters.
- Simple variants work with manual or electromagnetic actuation of the piezo ignition elements in conjunction with supporting spring mechanisms.
- a pure electromechanical converter such as the Piezo Transformer IV only reaches its maximum voltage in the event of resonance.
- the piezoelectric transformer described in 121 requires a control voltage of 100V for usable power conversion even when using a multi-layer actuator.
- the piezoelectric generator / 3 / uses a piezo element by means of electromagnetic excitation to charge a capacitor.
- a rectifier diode, a load resistor, a capacitor and a breakdown diode with a correspondingly high dielectric strength are required for the generation of the ignition pulse.
- the converter 141 consists of a magnetomechanical converter on the input side and an electromechanical converter on the output side.
- the functional elements are in Axial direction and are subject to mechanical preload.
- the magnetomechanical transducer is also provided with a premagnetization device.
- An oscillator with a frequency of 600 Hz to 3 kHz (resonance frequency 43 kHz) is used for the control, which feeds the coil of the converter with alternating current.
- the converter can be used to generate a high voltage of a few 100V from a battery voltage, which is used to control the backlighting of liquid crystal screens. It is not possible to generate high-energy ignition pulses with this converter.
- the mechanical pretension with the resulting shortening of the piezo element has a negative effect on the achievable ignition voltage, and the pre-magnetization causes the magnetostrictive core to undergo a proportional stretch, which reduces the work capacity in the same ratio.
- the insulation is not designed for the generation of high voltage and the temperature expansion of the functional elements is not sufficiently taken into account.
- the use of special piezo ignition elements would be much cheaper.
- the object of the invention is to provide a novel ignition pulse generator which can generate high-voltage, high-voltage ignition pulses of up to 30 kV from a low voltage from 3 V and which enables simple and precisely reproducible control.
- Another object of the invention is the safe isolation of the high-voltage ignition pulses, which can be dissipated both in a mass-related and mass-free manner. It is a further object of the invention to provide an ignition pulse generator which is designed for high vibration loads and a wide temperature range.
- Another important object of the invention is to provide a compact and closed ignition module which allows miniaturization in accordance with the energy conversion and the generated ignition voltage and can be easily integrated into existing systems.
- the object of the invention is achieved in that a magnetomechanical transducer with an electromechanical transducer in the axial direction via a fixed, unalterable common clamping is directly coupled and they form a self-contained functional unit.
- the magnetomechanical transducer consists of a magnetostrictive core, which is surrounded by a coil with an associated soft iron circuit.
- the electromechanical transducer consists of a piezo ignition element with surface electrodes attached on the end. At least one of the surface electrodes of the piezo ignition element is insulated from the other components via a ceramic body.
- the principle of operation of the ignition pulse generator is based on the simultaneous use of the magnetostrictive effect and the direct piezo effect.
- the practical implementation of the interaction of the two physical solid-state effects is based on the principle of the motor generator, with the magnetomechanical converter operating in motor mode and the electromechanical converter operating in generator mode. This is done by means of purely translatory movements in the ⁇ m range, with the actuating forces that build up at the same time. Electrical energy is converted into mechanical energy and mechanical energy into electrical energy with little loss. With this operating principle, transmission ratios of 1 to 10,000 can be achieved in a simple manner. Another significant advantage is the implementation of an ignition pulse generator with an extremely compact design and an absolutely safe electrical isolation between low voltage and high voltage. The innovative ignition pulse generator enables a reproducible and precise triggering of high-energy ignition pulses and ignition pulse sequences.
- the simple and modular design of the new ignition pulse generator creates the ideal conditions for automated mass production, which significantly reduces the manufacturing costs. For a safe function and efficient energy conversion, some important features of the invention have to be taken into account when designing the novel ignition pulse generator.
- thermomechanical temperature compensation When using a closed cylindrical shape (sleeve) for mechanical clamping of the functional elements, a slot must be provided in the longitudinal direction in the area of the magnetomechanical transducer, since the sleeve forms a massive short-circuit ring, which leads to high electrical losses. When screwing and tightening, care must also be taken that the torque is not transferred to the functional elements, which is why it must be possible to fix the position for assembly. Due to the very different coefficients of thermal expansion of the individual In order to maintain function and efficiency, thermomechanical temperature compensation must be provided for all components.
- the coil of the electromagnetic transducer is wound from a copper foil strip.
- a hermetically sealed housing should be provided in order to protect the functional elements from the direct influence of environmental influences on the one hand and on the other hand to increase the insulation capacity and service life by introducing extremely dry air.
- a heat-conducting medium should ensure good heat transfer between the functional elements and the housing for this application and the housing should be designed as a heat sink.
- a direct current pulse is fed into the coil of the magnetomechanical transducer, so that a magnetic field is built up in the coil, as a result of which the magnetostrictive actuator core expands and the piezo-ignition element compresses. Due to the mechanical tension that compresses the piezoelectric ignition element, a high voltage is generated at the electrodes on the face side, which discharges for a very short time when the breakdown voltage of the spark gap connected in parallel is reached.
- FIG. 4 shows a sectional view of the ignition pulse generator with a clamping frame (horizontal section BB from FIG. 5)
- FIG. 5 shows a sectional view of the ignition pulse generator with a clamping frame (vertical section C - C from FIG. 4)
- Figure 1 shows in simplified form the basic transducer elements 1 to 5 of the ignition pulse generator and their basic arrangement and their interaction.
- a magnetomechanical transducer consisting of a coil 1, a magnetostrictive actuator core 2 and a flux guide plate
- the magnetomechanical transducer consisting of a coil 1, a magnetostrictive
- Figure 2 shows a possible design example of the ignition pulse generator in a cylindrical housing.
- the ignition pulse generator consists of a magnetomechanical transducer, consisting of the coil 1, the magnetostrictive actuator core 2 and the pole plate 7, a piezo ignition element 4, a ceramic insulator 3 with a lead-through contact 17 and sealing ring 20, a perforated bimetal cap 8, the clamping sleeve 9 with fine thread 15 and the clamping ring 10 together.
- the coil 1 is inserted into the clamping sleeve 9 in such a way that the coil connections 6 are guided outwards through the slot 13.1.
- the slot 13.1 is to be closed with a non-conductive material so that a hermetically sealed housing is created. Then all other components are placed in the clamping sleeve 9 in the previously mentioned order in a symmetrical manner and then with the clamping ring
- the ceramic insulator 3 has two holding grooves 11, which are accessible from the outside via the holding openings 12 and when the clamping ring is tightened 14 should serve to secure the position.
- the size of the clamping force can easily be determined by evaluating the generated voltage of the piezo ignition element 4 can be detected.
- the thermomechanical temperature compensation is taken from the perforated bimetal cap 8.
- the perforated bimetallic cap 8 can compensate for the length difference between the clamping sleeve 9 and the magnetostrictive actuator 2, the piezoelectric ignition element 4 and the ceramic insulator 3, which is created by thermal expansion, over a very wide temperature range and while maintaining the set clamping force.
- the clamping sleeve 9 consists of a soft magnetic alloy and on the one hand absorbs the clamping forces and on the other hand it serves to conduct the magnetic flux in the area of the magnetomechanical transducer. In order to achieve the highest possible magnetic flux through the magnetostrictive actuator core 2, the magnetic flux is passed through the magnetostrictive actuator core 2 via a soft magnetic iron circuit consisting of the lower part of the clamping sleeve 9 and the pole plate 7.
- the pole plate 7 is designed such that the length of the air gap 19 is very small and the area of the air gap is very large. Since the pole plate 7 is firmly clamped between the magnetostrictive actuator core 2 and the piezo ignition element 4, it must follow the working movement. For this reason, the mass of the pole plate 7 must be kept small. In order to avoid a short-circuit ring, through which high electrical losses would occur, the clamping sleeve 9 and the pole plate 7 are each provided with a slot 13.1 and 13.2. If a DC pulse is fed into the coil 1 via the coil connections 6, a magnetic field is generated by it.
- the magnetic flux guided over the magnetostrictive actuator core 2 causes it to expand, as a result of which the piezo ignition element 4 is compressed.
- the pressure and tensile forces that build up are absorbed by the clamping, consisting of the clamping sleeve 9, the ceramic insulator 3, the bimetallic cap 8 and the clamping ring 10, and ensure that the mechanical stress generated in the piezoelectric ignition element 4 is maintained.
- the magnetostrictive actuator core 2 contracts again.
- the contraction of the magnetostrictive actuator core 2 simultaneously leads to the expansion of the piezo ignition element 4, as a result of which a high voltage with opposite polarity is now generated, which is discharged over the spark gap.
- the guidance of the ignition pulse voltage is ground-related.
- FIG. 3 shows a three-dimensional view of the ignition pulse generator previously described in FIG. 2 in a closed sleeve construction.
- FIGS. 4 and 5 show a further design example of the ignition pulse generator with a frame clamping.
- FIG. 4 shows a horizontal section (BB from FIG. 5) and
- FIG. 5 shows a vertical section (CC from FIG. 4) of the ignition pulse generator.
- the ignition pulse generator consists of a magnetomechanical transducer consisting of the coil 1, the magnetostrictive actuator core 2, the flux guide plate 24 and the pole plate 7, a ceramic insulator 3, a piezo ignition element 4, a ceramic body 16, a wedge bearing 22, a wedge 23 and the tenter 21 together.
- the functional elements of the ignition pulse generator are mounted on the common carrier board 26 and encapsulated with the housing 27.
- the ceramic body 16 and the wedge bearing 22 with the functional elements located in between are placed in the clamping frame 21 placed and clamped with the wedge 23.
- the thermomechanical temperature compensation takes place via the tensioning frame 21, which consists of a composite material or an alloy, where the thermal elongation is set such that the thermal elongation of the magnetostrictive actuator core 2 and of the piezoelectric ignition element 4 is equal to the thermal elongation of the tensioning frame 21.
- the piezo-ignition element 4 with its two electrodes 5.1 and 5.2 is mounted between the ceramic body 16 and the ceramic insulator 3 for mass-free guidance of the ignition pulse voltage.
- the ignition pulse voltage is conducted to the outside via the two high-voltage plug connectors 18, which are located in the ceramic body 16.
- the ground connection of the housing 27 takes place via the soldering lug 25.
- the functional sequences of the ignition pulse generator with frame clamping are completely identical to the functional sequences of the construction example in FIG. 2.
- the ceramic body 16 (FIGS. 4 and 5) is designed in such a way that the electromechanical transducer can be prefabricated as a module. At low ignition pulse voltages, the ceramic body 16 (FIGS. 4 and 5) can be replaced by a molded plastic part with ceramic disks inserted on both sides, thereby reducing the production costs.
- ignition pulse generator Another important advantage of the ignition pulse generator according to the invention is the adaptability to a wide variety of areas of application and environmental influences, such as vibration, temperature and air humidity, as well as dust, dirt and splash water.
- the simple and modular structure of the ignition pulse generator and its adaptability in terms of system integration and miniaturization create the ideal conditions for rapid implementation in marketable products.
Abstract
The invention relates to an ignition pulse generator, namely a voltage converter for generating high voltage pulses of up to 30 KV, to be controlled with direct current pulses in the extra-low voltage range. The ignition pulse generator is made-up of a magnetomechanical converter consisting of the magnetostrictive actuator core (2) and the coil (1) surrounding it, with a flux guiding plate (25); an insulator (3) and an electromechanical converter which is configured as a piezoignition element (4). The two converter elements are clamped one between the other in an axial direction, in a mechanical fixing device. The voltage is converted as a result of the simultaneous exploitation of the magnetostrictive effect and the direct piezoelectric effect. The ignition pulse generator is used for igniting technical gases and for electrically igniting pyrotechnical ignition compositions.
Description
Zündimpulsgeneratorignition pulse
Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen.The invention relates to a voltage converter for generating high-voltage pulses.
Der Zündimpulsgenerator dient der Entzündung technischer Gase im industriellen Bereich, im Automobilsektor, in der Lichttechnik und im Haushalt. Spezielle Anwendungen sind Hochspannungszünder für Brenner, Heiz- und Kochgeräte, Zündmodule für Verbrennungsmotoren und Hochspannungs-Zündgeneratoren für HID-Lampen (Xenonlampen) in Kraftfahrzeugen sowie elektrische Zünder für pyrotechni- sche Zündsätze.The ignition pulse generator is used to ignite technical gases in the industrial sector, in the automotive sector, in lighting technology and in the home. Special applications are high-voltage igniters for burners, heating and cooking devices, ignition modules for internal combustion engines and high-voltage ignition generators for HID lamps (xenon lamps) in motor vehicles and electrical igniters for pyrotechnic igniters.
Wenn es um die Erzeugung von Hochspannungszündimpulsen geht, kommen derzeit zwei grundsätzlich verschiedene Wandlertypen zum Einsatz.When it comes to generating high-voltage ignition pulses, two fundamentally different types of converters are currently used.
Dies sind Zündspulen oder zweistufige Hochspannungstransformatoren in Kombination mit einer Kondensatorentladung, die voluminös und aufwendig sind, was dem heutigen Trend zur Miniaturisierung entgegensteht. Andere Lösungsvarianten stützen sich auf den direkten Piezoeffekt. Unter Verwendung neuer, weiterentwickelter Werkstoffe und Technologien wurden Hochspannungswandler für die unterschiedlichsten Anwendungen entwickelt.These are ignition coils or two-stage high-voltage transformers in combination with a capacitor discharge, which are voluminous and complex, which is contrary to the current trend towards miniaturization. Other solution variants are based on the direct piezo effect. Using new, further developed materials and technologies, high-voltage converters have been developed for a wide variety of applications.
Einfache Varianten arbeiten mit manueller oder elektromagnetischer Betätigung der Pie- zozündelemente in Verbindung mit unterstützenden Federmechanismen. Ein reiner elektromechanischer Wandler wie der Piezotransformer IV erreicht nur im Resonanzfall sein Spannungsmaximum. Der in 121 beschriebene Piezoelektrische Transformer benötigt selbst bei Nutzung eines Vielschichtaktors eine Steuerspannung von 100V für einen brauchbaren Leistungsumsatz. Beim Piezoelectric-Generator /3/ wird ein Piezoelement mittels elektromagnetischer An- regung zum Aufladen eines Kondensators genutzt. Hierbei wird für die Erzeugung des Zündimpulses eine Gleichrichterdiode, ein Arbeitswiderstand, ein Kondensator und eine Durchbruchdiode mit entsprechend hoher Spannungsfestigkeit benötigt. Der Converter 141 besteht eingangsseitig aus einem magnetomechanischen Wandler und ausgangsseitig aus einem elektromechanischen Wandler. Die Funktionselemente sind in
Achsrichtung angeordnet und unterliegen einer mechanischen Vorspannung. Zur Einstellung des Arbeitspunktes ist der magnetomechanische Wandler noch mit einer Vormagnetisierungseinrichtung versehen. Zur Ansteuerung wird ein Oszillator mit einer Frequenz von 600 Hz bis 3 kHz (Resonanzfrequenz 43 kHz) benutzt, der die Spule des Wandlers mit Wechselstrom speist. Mit dem Converter kann aus einer Batteriespannung eine hohe Spannung von einigen 100V erzeugt werden, die zur Ansteuerung der Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen genutzt wird. Eine Erzeugung von energiereichen Zündimpulsen ist mit diesem Converter nicht möglich. Die mechanische Vorspannung mit der daraus resultierenden Verkürzung des Pie- zoelements wirkt sich negativ auf die erreichbare Zündspannung aus und durch die Vormagnetisierung erfährt der magnetostriktive Kern schon eine anteilige Dehnung, die das Arbeitsvermögen in demselben Verhältnis reduziert. Zudem ist die Isolation nicht für die Erzeugung von Hochspannung ausgelegt und die Temperaturdehnung der Funktionselemente nicht ausreichend berücksichtigt. Der Einsatz spezieller Piezozündelemente wäre weitaus günstiger.Simple variants work with manual or electromagnetic actuation of the piezo ignition elements in conjunction with supporting spring mechanisms. A pure electromechanical converter such as the Piezo Transformer IV only reaches its maximum voltage in the event of resonance. The piezoelectric transformer described in 121 requires a control voltage of 100V for usable power conversion even when using a multi-layer actuator. The piezoelectric generator / 3 / uses a piezo element by means of electromagnetic excitation to charge a capacitor. A rectifier diode, a load resistor, a capacitor and a breakdown diode with a correspondingly high dielectric strength are required for the generation of the ignition pulse. The converter 141 consists of a magnetomechanical converter on the input side and an electromechanical converter on the output side. The functional elements are in Axial direction and are subject to mechanical preload. To set the operating point, the magnetomechanical transducer is also provided with a premagnetization device. An oscillator with a frequency of 600 Hz to 3 kHz (resonance frequency 43 kHz) is used for the control, which feeds the coil of the converter with alternating current. The converter can be used to generate a high voltage of a few 100V from a battery voltage, which is used to control the backlighting of liquid crystal screens. It is not possible to generate high-energy ignition pulses with this converter. The mechanical pretension with the resulting shortening of the piezo element has a negative effect on the achievable ignition voltage, and the pre-magnetization causes the magnetostrictive core to undergo a proportional stretch, which reduces the work capacity in the same ratio. In addition, the insulation is not designed for the generation of high voltage and the temperature expansion of the functional elements is not sufficiently taken into account. The use of special piezo ignition elements would be much cheaper.
In der Voranmeldung DE 100 25 028 A1 /5/ wurde schon auf diesen Sachverhalt eingegangen.This issue has already been dealt with in the pre-registration DE 100 25 028 A1 / 5 /.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines neuartigen Zündimpulsge- nerators, der aus einer Kleinspannung ab 3V energiereiche Hochspannungs- Zündimpulse bis 30 kV erzeugen kann und eine einfache und zeitlich genau reproduzierbare Ansteuerung ermöglicht.The object of the invention is to provide a novel ignition pulse generator which can generate high-voltage, high-voltage ignition pulses of up to 30 kV from a low voltage from 3 V and which enables simple and precisely reproducible control.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die sichere Isolation der Hochspannungs- Zündimpulse, die sowohl massebezogen als auch massefrei abgeführt werden können. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, einen Zündimpulsgenerator zur Verfügung zu stellen, der für starke Vibrationsbelastungen und einen weiten Temperaturbereich ausgelegt ist.Another object of the invention is the safe isolation of the high-voltage ignition pulses, which can be dissipated both in a mass-related and mass-free manner. It is a further object of the invention to provide an ignition pulse generator which is designed for high vibration loads and a wide temperature range.
Eine weitere wichtige Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kompakten und geschlossenen Zündmoduls, welches eine Miniaturisierung entsprechend dem Ener- gieumsatz und der erzeugten Zündspannung zuläßt und problemlos in vorhandene Systeme integrierbar ist.Another important object of the invention is to provide a compact and closed ignition module which allows miniaturization in accordance with the energy conversion and the generated ignition voltage and can be easily integrated into existing systems.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein magnetomechanischer Wandler mit einem elektromechanischen Wandler in axialer Richtung über eine feste unnach-
giebige Einspannung direkt gekoppelt ist und diese eine in sich geschlossene Funktionseinheit bilden. Der magnetomechanische Wandler besteht aus einem magnetostriktiven Kern, der von einer Spule mit zugehörigem Weicheisenkreis umgeben ist. Der elek- tromechanische Wandler besteht aus einem Piezozündelement mit stirπseitig ange- brachten Flächenelektroden. Mindestens eine der Flächenelektroden des Piezozünde- lements ist über einen Keramikkörper von den anderen Bauteilen isoliert. Das Wirkprinzip des Zündimpulsgenerators basiert auf der gleichzeitigen Nutzung des magnetostriktiven Effekts und des direkten Piezoeffekts. Die praktische Umsetzung des Zusammenwirkens der beiden physikalischen Festkörpereffekte erfolgt nach dem Prinzip des Motor-Generators, wobei der magnetomechanische Wandler im Motorbetrieb und der elektromechanische Wandler im Generatorbetrieb arbeitet. Dies geschieht über rein translatorische Bewegungen im μm-Bereich, mit den sich gleichzeitig aufbauenden Stellkräften. Dabei wird elektrische Energie unter geringen Verlusten in mechanische Energie und mechanische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt. Mit diesem Wirk- prinzip sind in einfacher Weise Übertragungsverhältnisse von 1 zu 10.000 zu erreichen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Realisierung eines Zündimpulsgenerators mit einem äußerst kompakten Aufbau und einer absolut sicheren galvanischen Trennung zwischen Kleinspannung und Hochspannung. Mit dem neuartigen Zündimpulsgenerator ist eine reproduzierbare und zeitlich genaue Auslösung energiereicher Zündimpulse und Zündimpulsfolgen möglich.The object of the invention is achieved in that a magnetomechanical transducer with an electromechanical transducer in the axial direction via a fixed, unalterable common clamping is directly coupled and they form a self-contained functional unit. The magnetomechanical transducer consists of a magnetostrictive core, which is surrounded by a coil with an associated soft iron circuit. The electromechanical transducer consists of a piezo ignition element with surface electrodes attached on the end. At least one of the surface electrodes of the piezo ignition element is insulated from the other components via a ceramic body. The principle of operation of the ignition pulse generator is based on the simultaneous use of the magnetostrictive effect and the direct piezo effect. The practical implementation of the interaction of the two physical solid-state effects is based on the principle of the motor generator, with the magnetomechanical converter operating in motor mode and the electromechanical converter operating in generator mode. This is done by means of purely translatory movements in the μm range, with the actuating forces that build up at the same time. Electrical energy is converted into mechanical energy and mechanical energy into electrical energy with little loss. With this operating principle, transmission ratios of 1 to 10,000 can be achieved in a simple manner. Another significant advantage is the implementation of an ignition pulse generator with an extremely compact design and an absolutely safe electrical isolation between low voltage and high voltage. The innovative ignition pulse generator enables a reproducible and precise triggering of high-energy ignition pulses and ignition pulse sequences.
Der einfache und modulare Aufbau des neuartigen Zündimpulsgenerators schafft optimale Voraussetzungen für eine automatisierte Massenfertigung, was die Herstellungskosten erheblich reduziert. Für eine sichere Funktion und effiziente Energieumsetzung sind bei der Gestaltung des neuartigen Zündimpulsgenerators noch einige wichtige Merkmale der Erfindung zu berücksichtigen.The simple and modular design of the new ignition pulse generator creates the ideal conditions for automated mass production, which significantly reduces the manufacturing costs. For a safe function and efficient energy conversion, some important features of the invention have to be taken into account when designing the novel ignition pulse generator.
So ist bei der Verwendung einer geschlossenen zylindrischen Form (Hülse) zur mechanischen Einspannung der Funktionselemente ein Schlitz in Längsrichtung, im Bereich des magnetomechanischen Wandlers, vorzusehen, da die Hülse einen massiven Kurz- schlußring bildet, was zu hohen elektrischen Verlusten führt. Ebenso ist beim Zusammenschrauben und Spannen darauf zu achten, dass sich das Drehmoment nicht auf die Funktionselemente überträgt, weshalb eine Lagefixierung für die Montage möglich sein muß. Aufgrund der sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzel-
nen Bauelemente ist für die Erhaltung der Funktion und Effizienz unbedingt eine ther- momechanische Temperaturkompensation vorzusehen.When using a closed cylindrical shape (sleeve) for mechanical clamping of the functional elements, a slot must be provided in the longitudinal direction in the area of the magnetomechanical transducer, since the sleeve forms a massive short-circuit ring, which leads to high electrical losses. When screwing and tightening, care must also be taken that the torque is not transferred to the functional elements, which is why it must be possible to fix the position for assembly. Due to the very different coefficients of thermal expansion of the individual In order to maintain function and efficiency, thermomechanical temperature compensation must be provided for all components.
Da supermagnetostriktive Werkstoffe eine geringe relative magnetische Permeabilität aufweisen, ist besonders darauf zu achten, dass der magnetische Widerstand durch ei- ne große Luftspaltfläche so gering wie möglich gehalten wird.Since supermagnetostrictive materials have a low relative magnetic permeability, special care must be taken to ensure that the magnetic resistance is kept as low as possible by means of a large air gap area.
Für eine bessere Wärmeabfuhr und hohe Vibrationsfestigkeit und zur Erreichung einer höheren Stromdichte in der Wicklung sowie eine weitgehende Unterdrückung der Wirkung des Skineffekts ist es vorteilhaft, wenn die Spule des elektromagnetischen Wandlers aus einem Kupferfolieband gewickelt ist. Um die Funktionselemente zum einen vor der direkten Einwirkung von Umgebungseinflüssen zu schützen und zum anderen die Isolationsfähigkeit und Lebensdauer durch Einbringung von extrem trockener Luft zu erhöhen, sollte ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse vorgesehen werden. Damit im Dauerbetrieb eine gute Ableitung der entstehenden Verlustwärme möglich ist, sollte für diesen Anwendungsfall im Inneren ein Wärmeleitmedium für einen guten Wärmetransport zwischen Funktionselementen und Gehäuse sorgen und das Gehäuse sollte als Kühlkörper ausgebildet sein.For better heat dissipation and high vibration resistance and to achieve a higher current density in the winding and to largely suppress the effect of the skin effect, it is advantageous if the coil of the electromagnetic transducer is wound from a copper foil strip. A hermetically sealed housing should be provided in order to protect the functional elements from the direct influence of environmental influences on the one hand and on the other hand to increase the insulation capacity and service life by introducing extremely dry air. To ensure that the resulting heat loss can be dissipated well in continuous operation, a heat-conducting medium should ensure good heat transfer between the functional elements and the housing for this application and the housing should be designed as a heat sink.
Zur Ansteuerung des Zündimpulsgenerators wird ein Gleichstromimpuls in die Spule des magnetomechanischen Wandlers eingespeist, so dass in der Spule ein Magnetfeld aufgebaut wird, wodurch sich der magnetostriktive Aktorkern ausdehnt und das Piezozün- delement zusammendrückt. Durch die mechanische Spannung, welche das Piezozün- delement zusammenpreßt, entsteht an den stimseitigen Elektroden eine Hochspannung, die sich bei Erreichen der Durchbruchspannung der parallel geschalteten Funkenstrecke während einer sehr kurzen Zeit entlädt.To control the ignition pulse generator, a direct current pulse is fed into the coil of the magnetomechanical transducer, so that a magnetic field is built up in the coil, as a result of which the magnetostrictive actuator core expands and the piezo-ignition element compresses. Due to the mechanical tension that compresses the piezoelectric ignition element, a high voltage is generated at the electrodes on the face side, which discharges for a very short time when the breakdown voltage of the spark gap connected in parallel is reached.
Da nur ein Gleichstromimpuls in die Spule eingespeist wird, bricht nach Abschalten des Stromes das Magnetfeld in der Spule wieder zusammen, wodurch sich der magnetostriktive Aktorkern zusammenzieht. Das Zusammenziehen des magnetostriktiven Aktorkerns führt wieder zur Ausdehnung des Piezozündelements, wodurch nun eine Hochspannung mit entgegengesetzter Polarität erzeugt wird, die sich über die Funkenstrecke entlädt.Since only a direct current pulse is fed into the coil, the magnetic field in the coil collapses again after the current has been switched off, as a result of which the magnetostrictive actuator core contracts. The contraction of the magnetostrictive actuator core again leads to the expansion of the piezo ignition element, as a result of which a high voltage with opposite polarity is now generated, which is discharged over the spark gap.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele und das Wirkprinzip des Zündimpulsgenerators anhand von Zeichnungen erläutert.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen dabei:Two exemplary embodiments and the operating principle of the ignition pulse generator are explained below with reference to drawings. The associated drawings show:
Fig. 1 Darstellung des WirkprinzipsFig. 1 representation of the principle of action
Fig. 2 Schnittdarstellung des Zündimpulsgenerators mit zylindrischer Einspannung (Achsschnitt A - A aus Fig. 3)2 sectional view of the ignition pulse generator with cylindrical clamping (axis section A - A from FIG. 3)
Fig. 3 Räumliche Ansicht des Zündimpulsgenerators mit zylindrischer EinspannungFig. 3 Spatial view of the ignition pulse generator with cylindrical clamping
Fig. 4 Schnittdarstellung des Zündimpulsgenerators mit Spannrahmen (Horizontalschnitt B - B aus Fig. 5)4 shows a sectional view of the ignition pulse generator with a clamping frame (horizontal section BB from FIG. 5)
Fig. 5 Schnittdarstellung des Zündimpulsgenerators mit Spannrahmen (Vertikalschnitt C - C aus Fig. 4)5 shows a sectional view of the ignition pulse generator with a clamping frame (vertical section C - C from FIG. 4)
1010
Figur 1 zeigt in vereinfachter Form die grundlegenden Wandlerelemente 1 bis 5 des Zündimpulsgenerators sowie deren prinzipielle Anordnung und ihr Zusammenwirken. Zur Erzielung der beabsichtigten Wirkung ist ein magnetomechanischer Wandler, bestehend aus einer Spule 1 , einem magnetostriktiven Aktorkern 2 und einem FlußleitblechFigure 1 shows in simplified form the basic transducer elements 1 to 5 of the ignition pulse generator and their basic arrangement and their interaction. To achieve the intended effect is a magnetomechanical transducer, consisting of a coil 1, a magnetostrictive actuator core 2 and a flux guide plate
15 24, mit einem Piezozündelement 4 über eine feste, unnachgiebige Einspannung, hier mit der wirkenden Spannkraft +F und -F vereinfacht dargestellt, in axialer Richtung mechanisch starr gekoppelt. Um einen Kurzschluß der Elektroden 5.1 und 5.2 des Piezozün- delements 4 zu vermeiden, erfolgt die mechanische Kopplung über den Keramikisolator 3.15 24, with a piezo ignition element 4 via a fixed, unrelenting clamping, shown here in simplified form with the acting clamping force + F and -F, mechanically rigidly coupled in the axial direction. In order to avoid a short circuit of the electrodes 5.1 and 5.2 of the piezoelectric ignition element 4, the mechanical coupling takes place via the ceramic insulator 3.
20 Unter gleichzeitiger Ausnutzung des magnetostriktiven Effekts und des direkten Pie- zoeffekts wird mit der zuvor beschriebenen Anordnung ein Miniatur-Motorgenerator realisiert, der über rein translatorische Bewegungen im μm-Bereich mit den sich gleichzeitig aufbauenden Stellkräften eine Spannungswandlung ermöglicht. Der magnetomechanische Wandler, bestehend aus einer Spule 1, einem magnetostrikti-20 Using the magnetostrictive effect and the direct piezo effect at the same time, the arrangement described above is used to implement a miniature motor generator that enables voltage conversion via purely translatory movements in the μm range with the actuating forces that build up at the same time. The magnetomechanical transducer, consisting of a coil 1, a magnetostrictive
25 ven Aktorkern 2 und einem Flußleitblech 24, arbeitet hier im Motorbetrieb und das Piezozündelement 4 wirkt als Generator.25 ven actuator core 2 and a flux guide plate 24, works here in engine operation and the piezo ignition element 4 acts as a generator.
Wird in die Spule 1 des magnetostriktiven Aktorkerns 2 ein Strom eingespeist, so baut sich in ihr ein Magnetfeld auf, wodurch der magnetostriktive Aktorkern 2 maßgeblich eine Längenänderung in Magnetisierungsrichtung erfährt. Bei einer beidseitigen festen Ein-If a current is fed into the coil 1 of the magnetostrictive actuator core 2, a magnetic field builds up in it, whereby the magnetostrictive actuator core 2 experiences a change in length in the direction of magnetization. In the case of a fixed
30 Spannung wirkt nun diese Längenänderung mit der gleichzeitig einhergehenden Schubkraft auf das Piezozündelement 4, wodurch dieses zusammengedrückt wird. Die Größe der dabei erzeugten Spannung zwischen den beiden Elektroden 5.1 und 5.2 wird hauptsächlich von der einwirkenden Kraft, von der Länge und der piezoelektrischen Spannungskonstante des Piezozündelements 4 bestimmt. Der Querschnitt und die für die
Energieumwandlung maßgebliche piezoelektrische Ladungskonstante bestimmen die Größe der erzeugten elektrischen Ladung. Ist dem Piezozündelement eine Funkenstrek- ke parallel geschaltet, so erfolgt mit Erreichen der Durchbruchspannung ein Ladungsausgleich.30 voltage now acts this change in length with the accompanying thrust force on the piezo ignition element 4, whereby this is compressed. The magnitude of the voltage generated between the two electrodes 5.1 and 5.2 is mainly determined by the acting force, the length and the piezoelectric voltage constant of the piezo ignition element 4. The cross section and the for that Piezoelectric charge constants, which are decisive for energy conversion, determine the size of the electrical charge generated. If a spark gap is connected in parallel to the piezo ignition element, charge equalization takes place when the breakdown voltage is reached.
5 Nach dem Abschalten des Stromes der Spule 1 des magnetostriktiven Aktorkerns 2 bricht das Magnetfeld wieder zusammen, wodurch sich der magnetostriktive Aktorkern 2 wieder verkürzt und das Piezozündelement 4 sich wieder verlängert. Dadurch wird an den Elektroden 5.1 und 5.2 eine Spannung mit umgekehrter Polarität erzeugt, welche sich wieder bei Erreichen der Durchbruchspannung über die Funkenstrecke entlädt.5 After switching off the current of the coil 1 of the magnetostrictive actuator core 2, the magnetic field collapses again, as a result of which the magnetostrictive actuator core 2 is shortened again and the piezo ignition element 4 is lengthened again. As a result, a voltage with reverse polarity is generated at the electrodes 5.1 and 5.2, which discharges again when the breakdown voltage is reached via the spark gap.
10 Die weitere Einspeisung von Gleichstromimpulsen in die Spule 1 führt zur Wiederholung dieses Prozesses, wodurch eine Zündimpulsfolge erzeugt wird.10 The further feeding of direct current pulses into the coil 1 leads to the repetition of this process, whereby an ignition pulse sequence is generated.
Figur 2 zeigt ein mögliches Konstruktionsbeispiel des Zündimpulsgenerators in einem zylindrischen Gehäuse.Figure 2 shows a possible design example of the ignition pulse generator in a cylindrical housing.
15 Gemäß dieser Erfindung setzt sich der Zündimpulsgenerator aus einem magnetomechanischen Wandler, bestehend aus der Spule 1 , dem magnetostriktiven Aktorkern 2 und der Polplatte 7, einem Piezozündelement 4, einem Keramikisolator 3 mit Durchführungskontakt 17 und Dichtring 20, einer gelochten Bimetallkappe 8, der Spannhülse 9 mit Feingewinde 15 und dem Spannring 10 zusammen.15 According to this invention, the ignition pulse generator consists of a magnetomechanical transducer, consisting of the coil 1, the magnetostrictive actuator core 2 and the pole plate 7, a piezo ignition element 4, a ceramic insulator 3 with a lead-through contact 17 and sealing ring 20, a perforated bimetal cap 8, the clamping sleeve 9 with fine thread 15 and the clamping ring 10 together.
20 Zuerst wird die Spule 1 so in die Spannhülse 9 eingesetzt, dass die Spulenanschlüsse 6 durch den Schlitz 13.1 nach außen geführt werden. Der Schlitz 13.1 ist mit einem nichtleitenden Material zu verschließen, damit ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse entsteht. Danach werden in der Spannhülse 9 alle weiteren Bauelemente in der zuvor angeführten Reihenfolge mittensymmetrisch plaziert und anschließend mit dem Spannring20 First, the coil 1 is inserted into the clamping sleeve 9 in such a way that the coil connections 6 are guided outwards through the slot 13.1. The slot 13.1 is to be closed with a non-conductive material so that a hermetically sealed housing is created. Then all other components are placed in the clamping sleeve 9 in the previously mentioned order in a symmetrical manner and then with the clamping ring
25 10 mit Feingewinde 15 zusammengeschraubt. Die Montage sollte in einer Kammer mit möglichst geringer Luftfeuchtigkeit erfolgen. Nach abgeschlossener Komplettierung sind die Halteöffnungen 12 zu verschließen. Mit dem Dichtring 20 wird der untere Raumbereich mit dem darin befindlichen magnetostriktiven Aktorkern 2 und dem Piezozündelement 4 nach oben hin abgesperrt. Um eine Übertragung des Drehmoments beim Ein-25 10 screwed together with fine thread 15. It should be installed in a chamber with the lowest possible humidity. After completion, the holding openings 12 are to be closed. With the sealing ring 20, the lower area with the magnetostrictive actuator core 2 located therein and the piezo ignition element 4 is blocked off at the top. To transfer the torque when entering
3o schrauben des Spannrings auf das Piezozündelement 4 und den magnetostriktiven Aktorkern 2, die von zu starker Torsions- oder Querbelastung beschädigt würden, zu vermeiden, besitzt der Keramikisolator 3 zwei Haltenuten 11, die von außen über die Halteöffnungen 12 zugänglich sind und beim Anziehen des Spannrings 14 zur sicheren Lagefixierung dienen sollen. Die Größe der Spannkraft kann einfach über die Auswertung der
erzeugten Spannung des Piezozündelements 4 erfaßt werden. Von der gelochten Bimetallkappe 8 wird die thermomechanische Temperaturkompensation übernommen. Die gelochte Bimetallkappe 8 kann über einen sehr weiten Temperaturbereich und unter Aufrechterhaltung der eingestellten Spannkraft, die durch Wärmeausdehnung entstehende Längendifferenz zwischen der Spannhülse 9 und den hintereinander angeordneten magnetostriktiven Aktor 2, dem Piezozündelement 4 und dem Keramikisolator 3, ausgleichen. Die Spannhülse 9 besteht aus einer weichmagnetischen Legierung und nimmt zum einen die Spannkräfte auf und zum anderen dient sie zur Leitung des magnetischen Flusses im Bereich des magnetomechanischen Wandlers. Zur Erzielung eines möglichst hohen magnetischen Flusses durch den magnetostriktiven Aktorkern 2 wird der magnetische Fluß über einen weichmagnetischen Eisenkreis, bestehend aus dem unteren Teil der Spannhülse 9 und der Polplatte 7, durch den magnetostriktiven Aktorkern 2 geleitet. Die Polplatte 7 ist so ausgebildet, dass der Luftspalt 19 in seiner Längenausdehnung sehr klein und die Luftspaltfläche sehr groß ist. Da die Pol- platte 7 zwischen dem magnetostriktiven Aktorkern 2 und dem Piezozündelement 4 fest eingespannt ist, muß diese der Arbeitsbewegung folgen. Aus diesem Grund ist die Masse der Polplatte 7 klein zu halten. Um einen Kurzschlußring zu vermeiden, durch den hohe elektrische Verluste eintreten würden, ist die Spannhülse 9 und die Polplatte 7 jeweils mit einem Schlitz 13.1 und 13.2 zu versehen. Wird in die Spule 1 über die Spulenanschlüsse 6 ein Gleichstromimpuls eingespeist, so wird von ihr ein Magnetfeld erzeugt.3o screw the clamping ring onto the piezo ignition element 4 and the magnetostrictive actuator core 2, which would be damaged by excessive torsional or transverse loads, the ceramic insulator 3 has two holding grooves 11, which are accessible from the outside via the holding openings 12 and when the clamping ring is tightened 14 should serve to secure the position. The size of the clamping force can easily be determined by evaluating the generated voltage of the piezo ignition element 4 can be detected. The thermomechanical temperature compensation is taken from the perforated bimetal cap 8. The perforated bimetallic cap 8 can compensate for the length difference between the clamping sleeve 9 and the magnetostrictive actuator 2, the piezoelectric ignition element 4 and the ceramic insulator 3, which is created by thermal expansion, over a very wide temperature range and while maintaining the set clamping force. The clamping sleeve 9 consists of a soft magnetic alloy and on the one hand absorbs the clamping forces and on the other hand it serves to conduct the magnetic flux in the area of the magnetomechanical transducer. In order to achieve the highest possible magnetic flux through the magnetostrictive actuator core 2, the magnetic flux is passed through the magnetostrictive actuator core 2 via a soft magnetic iron circuit consisting of the lower part of the clamping sleeve 9 and the pole plate 7. The pole plate 7 is designed such that the length of the air gap 19 is very small and the area of the air gap is very large. Since the pole plate 7 is firmly clamped between the magnetostrictive actuator core 2 and the piezo ignition element 4, it must follow the working movement. For this reason, the mass of the pole plate 7 must be kept small. In order to avoid a short-circuit ring, through which high electrical losses would occur, the clamping sleeve 9 and the pole plate 7 are each provided with a slot 13.1 and 13.2. If a DC pulse is fed into the coil 1 via the coil connections 6, a magnetic field is generated by it.
Der über den magnetostriktiven Aktorkern 2 geführte magnetische Fluß bewirkt dessen Ausdehnung, wodurch das Piezozündelement 4 zusammengedrückt wird. Die sich dabei aufbauenden Druck- und Zugkräfte werden von der Einspannung, bestehend aus der Spannhülse 9, dem Keramikisolator 3, der Bimetallkappe 8 und dem Spannring 10 aufgenommen und sorgen für die Aufrechterhaltung der erzeugten mechanischen Spannung im Piezozündelement 4.The magnetic flux guided over the magnetostrictive actuator core 2 causes it to expand, as a result of which the piezo ignition element 4 is compressed. The pressure and tensile forces that build up are absorbed by the clamping, consisting of the clamping sleeve 9, the ceramic insulator 3, the bimetallic cap 8 and the clamping ring 10, and ensure that the mechanical stress generated in the piezoelectric ignition element 4 is maintained.
Durch die mechanische Spannung, welche das Piezozündelement 4 zusammenpreßt, entsteht an den stirnseitigen Elektroden 5.1 und 5.2 eine Hochspannung, die sich bei Er- reichen der Durchbruchspannung der parallel geschalteten Funkenstrecke während einer sehr kurzen Zeit entlädt. Die Führung der erzeugten Zündimpulsspannung des Piezozündelements 4 erfolgt von der negativen Elektrode 5.2 über die Polplatte 7 und den magnetostriktiven Aktorkern 2 auf die Spannhülse 9. Von der oberen Elektrode 5.1 wird
die Zündimpulsspannung über den Durchführungskontakt 17, welcher sich im Keramikisolator 3 befindet, nach außen geführt.Due to the mechanical tension, which compresses the piezo ignition element 4, a high voltage arises at the front electrodes 5.1 and 5.2, which discharges for a very short time when the breakdown voltage of the spark gap connected in parallel is reached. The guidance of the generated ignition pulse voltage of the piezo ignition element 4 takes place from the negative electrode 5.2 via the pole plate 7 and the magnetostrictive actuator core 2 to the clamping sleeve 9. The upper electrode 5.1 the ignition pulse voltage to the outside via the feed-through contact 17, which is located in the ceramic insulator 3.
Da nur ein Gleichstromimpuls in die Spule 1 eingespeist wird, bricht nach Abschalten des Stromes das Magnetfeld wieder zusammen, wodurch sich der magnetostriktive Aktorkern 2 wieder zusammenzieht. Das Zusammenziehen des magnetostriktiven Aktorkerns 2 führt gleichzeitig zur Ausdehnung des Piezozündelements 4, wodurch nun eine Hochspannung mit entgegengesetzter Polarität erzeugt wird, die sich über die Funkenstrecke entlädt. In diesem Ausführungsbeispiel des Zündimpulsgenerators ist die Führung der Zündim- pulsspannung massebezogen.Since only a direct current pulse is fed into the coil 1, the magnetic field collapses again after the current is switched off, as a result of which the magnetostrictive actuator core 2 contracts again. The contraction of the magnetostrictive actuator core 2 simultaneously leads to the expansion of the piezo ignition element 4, as a result of which a high voltage with opposite polarity is now generated, which is discharged over the spark gap. In this exemplary embodiment of the ignition pulse generator, the guidance of the ignition pulse voltage is ground-related.
Figur 3 zeigt eine räumliche Ansicht des zuvor in Figur 2 beschriebenen Zündimpulsgenerators in einer geschlossenen Hülsenkonstruktion.FIG. 3 shows a three-dimensional view of the ignition pulse generator previously described in FIG. 2 in a closed sleeve construction.
In Figur 4 und 5 ist ein weiteres Konstruktionsbeispiel des Zündimpulsgenerators mit einer Rahmeneinspannung dargestellt. Figur 4 zeigt einen Horizontalschnitt (B - B von Fig. 5) und Figur 5 einen Vertikalschnitt (C - C von Fig. 4) des Zündimpulsgenerators. Gemäß dieser Erfindung setzt sich der Zündimpulsgenerator aus einem magnetomechanischen Wandler, bestehend aus der Spule 1, dem magnetostriktiven Aktorkern 2, dem Flußleitblech 24 und der Polplatte 7, einem Keramikisolator 3, einem Piezozündelement 4, einem Keramikkörper 16, einem Keillager 22, einem Keil 23 und dem Spannrahmen 21 zusammen. Die Funktionselemente des Zündimpulsgenerator werden auf der gemeinsamen Trägerplatine 26 montiert und mit dem Gehäuse 27 verkapselt. Zur Einspannung des magnetomechanischen Wandlers, bestehend aus der Spule 1 , dem magneto- striktiven Aktorkern 2, der Polplatte 7 und dem Flußleitblech 24, und des Piezozündelements 4 mit Isolator 3 wird der Keramikkörper 16 und das Keillager 22 mit den dazwischen liegenden Funktionselementen in den Spannrahmen 21 gelegt und mit dem Keil 23 verspannt. Die thermomechanische Temperaturkompensation erfolgt über den Spannrahmen 21, der aus einem Verbundwerkstoff oder einer Legierung besteht, wo die thermische Längendehnung so eingestellt ist, dass die thermische Längendehnung vom magnetostriktiven Aktorkem 2 und vom Piezozündelement 4 gleich der thermischen Längendehnung des Spannrahmens 21 ist.
Zur massefreien Führung der Zündimpulsspannung ist das Piezozündelement 4 mit seinen beiden Elektroden 5.1 und 5.2 zwischen dem Keramikkörper 16 und dem Keramikisolator 3 gelagert. Über die beiden Hochspannungssteckverbinder 18, welche sich im Keramikkörper 16 befinden, wird die Zündimpulsspannung nach außen geführt. Über die Lötfahne 25 erfolgt der Masseanschluß des Gehäuses 27.FIGS. 4 and 5 show a further design example of the ignition pulse generator with a frame clamping. FIG. 4 shows a horizontal section (BB from FIG. 5) and FIG. 5 shows a vertical section (CC from FIG. 4) of the ignition pulse generator. According to this invention, the ignition pulse generator consists of a magnetomechanical transducer consisting of the coil 1, the magnetostrictive actuator core 2, the flux guide plate 24 and the pole plate 7, a ceramic insulator 3, a piezo ignition element 4, a ceramic body 16, a wedge bearing 22, a wedge 23 and the tenter 21 together. The functional elements of the ignition pulse generator are mounted on the common carrier board 26 and encapsulated with the housing 27. To clamp the magnetomechanical transducer, consisting of the coil 1, the magnetostrictive actuator core 2, the pole plate 7 and the flux guide plate 24, and the piezo-ignition element 4 with insulator 3, the ceramic body 16 and the wedge bearing 22 with the functional elements located in between are placed in the clamping frame 21 placed and clamped with the wedge 23. The thermomechanical temperature compensation takes place via the tensioning frame 21, which consists of a composite material or an alloy, where the thermal elongation is set such that the thermal elongation of the magnetostrictive actuator core 2 and of the piezoelectric ignition element 4 is equal to the thermal elongation of the tensioning frame 21. The piezo-ignition element 4 with its two electrodes 5.1 and 5.2 is mounted between the ceramic body 16 and the ceramic insulator 3 for mass-free guidance of the ignition pulse voltage. The ignition pulse voltage is conducted to the outside via the two high-voltage plug connectors 18, which are located in the ceramic body 16. The ground connection of the housing 27 takes place via the soldering lug 25.
Die Funktionsabläufe des Zündimpulsgenerators mit Rahmeneinspannung sind mit den Funktionsabläufen des Konstruktionsbeispiels in Figur 2 vollkommen identisch.The functional sequences of the ignition pulse generator with frame clamping are completely identical to the functional sequences of the construction example in FIG. 2.
Die beiden Konstruktionsbeispiele zeigen deutlich, wie einfach sich die Isolations- und Sicherheitsprobleme in extrem kompakter Bauform lösen lassen und welche Variationsmöglichkeiten sich für eine Miniaturisierung bieten.The two design examples clearly show how easy it is to solve the insulation and safety problems in an extremely compact design and what variation options are available for miniaturization.
Der Keramikkörper 16 (Figur 4 und 5) ist gleich so ausgeführt, dass der elektromechani- sche Wandler als Modul vorgefertigt werden kann. Bei niedrigen Zündimpulsspannungen kann der Keramikkörper 16 (Figur 4 und 5) durch ein Kunststoff- formteil mit zweiseitig eingelegten Keramikscheiben ersetzt werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden.The ceramic body 16 (FIGS. 4 and 5) is designed in such a way that the electromechanical transducer can be prefabricated as a module. At low ignition pulse voltages, the ceramic body 16 (FIGS. 4 and 5) can be replaced by a molded plastic part with ceramic disks inserted on both sides, thereby reducing the production costs.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Zündimpulsgenerators ist die Anpassungsfähigkeit an unterschiedlichste Anwendungsbereiche und Umgebungseinflüsse, wie Vibrationsbelastung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie Staub, Schmutz und Spritzwasser. Der einfache und modulare Aufbau des Zündimpulsgenerators und seine Anpassungsfähigkeit hinsichtlich Systemintegration und Miniaturisierung schaffen optimale Voraussetzungen für eine schnelle Umsetzung in marktfähige Produkte.
Another important advantage of the ignition pulse generator according to the invention is the adaptability to a wide variety of areas of application and environmental influences, such as vibration, temperature and air humidity, as well as dust, dirt and splash water. The simple and modular structure of the ignition pulse generator and its adaptability in terms of system integration and miniaturization create the ideal conditions for rapid implementation in marketable products.
Quellennachweis:Reference:
IV PIEZOELECTRIC CERAMIC TRANSFORMERIV PIEZOELECTRIC CERAMIC TRANSFORMER
C.B. Roellgen 19.12.1995C. B. Roellgen 12/19/1995
Endrich Bauelemente-Vertriebs-GmbH, Nagold 121 Piezoelektrischer Transformer DE 4131553A1Endrich Bauelemente-Vertriebs-GmbH, Nagold 121 Piezoelectric transformer DE 4131553A1
/3/ PIEZOELECTRIC GENERATOR UNIT FOR SPACE VEHIGLES US 3,389,275 141 Converter JP 08162689 A 151 Festkörper-Spannungswandler DE 10025028 A1/ 3 / PIEZOELECTRIC GENERATOR UNIT FOR SPACE VEHIGLES US 3,389,275 141 Converter JP 08162689 A 151 Solid state voltage converter DE 10025028 A1
Literaturangaben:Literature:
CeramTec: Piezoelektrische BauteileCeramTec: Piezoelectric components
(Firmenschrift mit Literaturliste - Piezokeramik, Grundlagen, Anwendungen), CeramTec(Company lettering with list of literature - piezoceramic, basics, applications), CeramTec
AG, LaufAG, run
Göran Engdahl: Handbook of Giant Magnetostriktive Materials Academic Press, ISBN 0-12-238640-X
Göran Engdahl: Handbook of Giant Magnetostrictive Materials Academic Press, ISBN 0-12-238640-X
LegendeLegend
1 Spule1 spool
2 magnetostriktiver Aktor2 magnetostrictive actuator
3 Keramikisolator3 ceramic insulator
4 Piezozündelement4 piezo ignition element
5.1 positive Elektrode5.1 positive electrode
5.2 negative Elektrode5.2 negative electrode
6 Spuienanschlüsse6 coil connections
7 Polplatte7 pole plate
8 Bimetallkappe8 bimetal cap
9 Spannhülse9 adapter sleeve
10 Spannring10 tension ring
11 Haltenut11 holding groove
12 Halteöffnung12 holding opening
13.1 Schlitz 113.1 slot 1
13.2 Schlitz 213.2 slot 2
14 Ringnut14 ring groove
15 Feingewinde15 fine threads
16 Keramikkörper16 ceramic body
17 Durchführungskontakt17 feed-through contact
18 Hochspannungssteckverbinder18 high-voltage connectors
19 Luftspalt19 air gap
20 Dichtring20 sealing ring
21 Spannrahmen21 stenter
22 Keillager22 wedge bearings
23 Keil23 wedge
24 Flußleitblech24 flow baffle
25 Lötfahne25 solder tail
26 Trägerplatine26 carrier board
27 Gehäuse
27 housing
Claims
1. Zündimpulsgenerator, bestehend aus einem magnetomechanischen Wandler, welcher sich aus einem magnetostriktiven Aktorkern und der ihn umgebenden Spule mit Weicheisenkreis zusammensetzt, aus einem Isolator und aus einem elektromecha- nischen Wandler, wobei dessen Wandlerelemente in Achsrichtung hintereinander angeordnet und in einer mechanischen Halterung fest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,1. Ignition pulse generator, consisting of a magnetomechanical transducer, which is composed of a magnetostrictive actuator core and the coil surrounding it with a soft iron circuit, an insulator and an electromechanical transducer, the transducer elements of which are arranged one behind the other in the axial direction and firmly in a mechanical holder are connected, characterized in that
- dass der magnetostriktive Aktorkern (2) aus einem positiv supermagnetostrikti- ven Werkstoff besteht,- That the magnetostrictive actuator core (2) consists of a positive supermagnetostrictive material,
- dass der Isolator (3) aus Keramik oder einem glasartigen Werkstoff besteht,- That the insulator (3) consists of ceramic or a glass-like material,
- dass der elektromechanische Wandler aus speziellen Piezozündelementen (4) besteht und- That the electromechanical transducer consists of special piezo ignition elements (4) and
- dass eine thermomechanische Temperaturkompensation gegeben ist.- That there is thermomechanical temperature compensation.
2. Zündimpulsgenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,2. Ignition pulse generator according to claim 1, characterized in
- dass die Spule (1) des magnetomechanischen Wandlers mit Gleichstromimpulsen gespeist wird, so dass in der Spule des magnetomechanischen Wandlers ein Magnetfeld aufgebaut wird, das anschließend wieder zusammenbricht, wodurch sich der magnetostriktive Aktorkern (2) ausdehnt und wieder zusammenzieht und- That the coil (1) of the magnetomechanical transducer is fed with direct current pulses, so that a magnetic field is built up in the coil of the magnetomechanical transducer, which then collapses again, as a result of which the magnetostrictive actuator core (2) expands and contracts again and
- dass dadurch das Piezozündelement (4) zusammengedrückt wird und dabei eine Hochspannung erzeugt, welche in Form eines Zündimpulses über eine parallelgeschaltete Funkenstrecke entladen wird und bei der nachfolgenden Ausdehnung des Zündelementes eine Hochspannung mit entgegengesetzter Polarität erzeugt und wieder über die Funkenstrecke entladen wird.- That thereby the piezo ignition element (4) is compressed and thereby generates a high voltage, which is discharged in the form of an ignition pulse over a spark gap connected in parallel and generates a high voltage with opposite polarity during the subsequent expansion of the ignition element and is discharged again via the spark gap.
3. Zündimpulsgenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,3. Ignition pulse generator according to claim 1, characterized in
- dass die mechanische Halterung der Funktionselemente als Spannhülse (9) mit Boden ausgeführt ist und am oberen Ende ein Feingewinde (15) zum Verspannen eingebracht ist,- That the mechanical mounting of the functional elements is designed as an adapter sleeve (9) with a bottom and at the upper end a fine thread (15) is inserted for clamping,
- dass im oberen Bereich seitliche Halteöffnungen (12) zur Lagefixierung des Isolators (3) sind, - dass im unteren Teil über die Länge des magnetomechanischen Wandlers ein Schlitz (13.1) in Längsrichtung eingebracht ist und- That in the upper area there are lateral holding openings (12) for fixing the position of the insulator (3), - That in the lower part over the length of the magnetomechanical transducer a slot (13.1) is introduced in the longitudinal direction and
- dass der eingebrachte Schlitz 13.1 mit einem nichtleitenden Material dicht verschlossen ist.- That the slot 13.1 is sealed with a non-conductive material.
4. Zündimpulsgenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,4. ignition pulse generator according to claim 1, characterized in
- dass die mechanische Halterung der Funktionselemente aus Faserverbundwerkstoff besteht und als Rahmen wie ein zum Kettenglied deformierter Ring ausgebildet ist und- That the mechanical mounting of the functional elements consists of fiber composite material and is designed as a frame like a ring deformed to the chain link and
- dass die Lagerblöcke zur Krafteinleitung einerseits als Keramikkörper (16) und andererseits als Keillager (22) ausgeführt sind.- That the bearing blocks for the application of force on the one hand as a ceramic body (16) and on the other hand as a wedge bearing (22) are executed.
5. Zündimpulsgenerator nach Anspruch 1 , 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein Bimetall (8) zur thermomechanischen Temperaturkompensation eingesetzt ist.5. ignition pulse generator according to claim 1, 3 and 4, characterized in that a bimetal (8) is used for thermomechanical temperature compensation.
6. Zündimpulsgenerator nach Anspruch 1 , 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur thermomechanischen Temperaturkompensation die mechanische Halterung aus einer Legierung oder einem Verbundwerkstoff mit angepaßter thermischer Längendehnung besteht.6. Ignition pulse generator according to claim 1, 3 and 4, characterized in that the mechanical holder consists of an alloy or a composite material with adapted thermal elongation for thermomechanical temperature compensation.
7. Zündimpulsgenerator nach Anspruch 1, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Piezozündelement (4) mit einer Elektrode (5.1) am Keramikisolator (3) liegt und die andere Elektrode (5.2) eine leitende Verbindung zur mechanischen Halterung hat.7. ignition pulse generator according to claim 1, 3 and 4, characterized in that the piezo ignition element (4) with an electrode (5.1) on the ceramic insulator (3) and the other electrode (5.2) has a conductive connection to the mechanical holder.
8. Zündimpuisgenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Piezozündelement (4) mit den Elektroden (5.1 und 5.2) zwischen dem Keramikisolator (3) und dem Keramikkörper (16) liegt.8. Ignition pulse generator according to claim 1, characterized in that the piezoelectric ignition element (4) with the electrodes (5.1 and 5.2) lies between the ceramic insulator (3) and the ceramic body (16).
9. Zündimpulsgenerator nach Anspruch 1, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Polplatte (7) eine große Luftspaltfläche zum Weicheisenkreis bildet und eine kleine Masse besitzt. 9. ignition pulse generator according to claim 1, 3 and 4, characterized in that the pole plate (7) forms a large air gap area to the soft iron circuit and has a small mass.
10. Zündimpulsgenerator nach Anspruch 1, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung der Spule (1) des magnetomechanischen Wandlers aus einem isolierten Kupferfolieband besteht.10. ignition pulse generator according to claim 1, 3 and 4, characterized in that the winding of the coil (1) of the magnetomechanical transducer consists of an insulated copper foil tape.
11. Zündimpulsgenerator nach Anspruch 1 , 3 und 4 dadurch gekennzeichnet,11. Ignition pulse generator according to claim 1, 3 and 4, characterized in
- dass die Funktionselemente unter Einschluß von extrem trockener Luft in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht sind,that the functional elements, including extremely dry air, are accommodated in a hermetically sealed housing,
- dass das Gehäuse (27) als Kühlkörper mit vergrößerter Oberfläche ausgeführt ist und- That the housing (27) is designed as a heat sink with an enlarged surface and
- dass zur Ableitung der Verlustwärme ein Wärmeleitmedium eingebracht ist. - That a heat transfer medium is introduced to dissipate the heat loss.
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