Введение
Последние годы наблюдается интенсивное развитие оригинальных конструкций катушек зажигания для современных автомобильных двигателей. В значительной мере это связано со стремлением конструкторов ДВС достичь максимального наполнения цилиндров поршневого ДВС. Основным методом решения этой задачи является увеличение количества впускных и соответственно выпускных газораспределительных клапанов. Конструкция газораспределительной головки цилиндров при этом существенно усложняется, и усложняется доступ к зажигательной свече для подвода высокого напряжения и установочного инструмента. Практически все конструкторы ДВС настаивают на отказе от высоковольтного распределения искр по цилиндрам двигателя и установке источника высокого напряжения (катушки) непосредственно на свечу, предоставляя для этой цели только цилиндрический колодец в корпусе головки. Максимальный диаметр этого колодца определяется размером установочного инструмента (торцевого ключа) для свечи с минимально возможным диаметром ввертной части. В большинстве известных конструкций диаметр колодца составляет 20–25 мм. Этот диаметр и высота головки цилиндров практически и определяют минимальные габаритные размеры катушки зажигания. Соответственно конфигурацию катушки принято называть стержневой [2, 3]. Однако все увеличивающиеся требования по величине энергетических показателей катушек не позволяют вписать полностью ее габаритные размеры в предлагаемый конструкторами объем. В связи с этим возникает необходимость рассмотреть различные варианты повышения их удельных показателей.
Материал и методы расчета
Существующие варианты исполнения конструкции стержневых катушек определили два основных направления по повышению их удельных показателей:
- при замкнутой магнитной системе – минимизация размеров магнитной цепи за счет выбора оптимального выбора конфигурации и свойств магнитопровода;
- при разомкнутой магнитной системе – введение в магнитную цепь катушки постоянных магнитов.
Настоящая статья посвящена расчетному анализу первого направления.
Исходными уравнениями для расчета являются два электротехнических уравнения индуктивности:
(1)
где: w1 – количество витков первичной обмотки ;
G – проводимость магнитной цепи, сцепленной с витками обмотки катушки;
(2)
где: – индукция в стали сердечника;
– сечение сердечника;
– максимальное значение тока в обмотке (тока разрыва в катушке зажигания).
Для обычно применяемых сталей сердечника индукция в стали 0.9Тл
При определении значений Bc по кривым намагничивания для расчета следует принимать значения Bc , находящиеся только на линейной части кривой.
Из (2) определяем значения
(3)
То, что находится в правой части уравнения (за исключением Вс), нами определено при электрическом расчете. Значения L1 и Ip определяют запасаемую катушкой энергию.
В левой части уравнения этой энергии сопоставлено произведение Scw1. Одно и то же значение Scw1, соответствующее заданному уровню энергии, может быть получено при больших сечениях и, соответственно, малом количестве витков. И, наоборот, при большом количестве витков потребуется малое сечение магнитопровода. Если не существует каких-либо других ограничений, то выбор соотношения Sc и w1 диктуется, в первом случае, экономией медного провода, а во втором – уменьшением габаритов и снижением веса катушки.
Однако при конструировании катушки для системы зажигания высокой энергии имеется важный параметр, который диктует однозначный выбор упомянутого соотношения. Этот параметр – активное сопротивление первичной обмотки катушки R1, определяемое на стадии электрического расчета [1].
Рис. 1. Эскиз магнитной системы катушки
где: 1 – Ш-образный, наборный сердечник, разрезной;
2 – вторичная обмотка;
3 – первичная обмотка;
а – толщина сердечника;
b – ширина центрального стержня;
с – ширина сечения первичной обмотки;
d – ширина сечения вторичной обмотки;
h – высота обмотки;
δ – толщина зазора.
Рис. 2. Схема замещения
где: F=Ipw1 – магнитодвижущая сила;
Gпц – проводимость последовательной цепи магнитопровода;
Gs – проводимость рассеяния.
Общая проводимость магнитной цепи определяется согласно (рис.2):
(4)
(5)
где – длина средней силовой линии магнитного потока по стали в см.;
– магнитная проницаемость стали при данной индукции (по кривым, имеющимся в справочнике). Размерность в
Sc – площадь поперечного сечения магнитопровода;
kз – коэффициент заполнения сечения сталью (0.9-0.95);
– суммарный воздушный зазор;
– коэффициент выпучивания, учитывающий увеличение площади воздушных промежутков вследствие выпучивания;
Диаметр провода первичной обмотки
(6)
Где Imax – максимальное значение действующего (эффективного) тока в катушке;
Рекомендуемая плотность тока [σ]- 8 А/мм2.
Cредний диаметр первичной обмотки:
(7)
Из определения понятия о среднем диаметре:
(8)
определим ; или, подставляя значения, получим:
(9)
Разность или:
(10)
(11)
где: h – высота обмотки (рекомендуемое значение h = (3 - 4)c.);
Рис. 3. Осевое сечение первичной обмотки
Формула (11) определяет значения площади окна первичной обмотки Sw1, которые при вариациях cечения сердечника Sc обеспечивают заданные значения сопротивления первичной обмотки R1.
Среди этих значений площади Sw1 существует только одно значение, при котором заполнение окна выбранного сердечника обмоткой оптимально. Нахождение этого значения площади Sw1 приводится ниже.
Определение площади сечения обмотки может производиться исходя из выбранного диаметра провода, известного числа витков обмотки, а также нормируемых коэффициентов заполнения окна обмотки проводом, изоляционной бумагой т.п.
(14)
Произведение может быть заменено одним коэффициентом , при достаточно установившейся технологии изготовления катушек.
Расчет диаметров вторичной обмотки производится аналогично. При этом за Dmin вторичной обмотки может быть принят Dmax первичной обмотки. Диаметр провода вторичной обмотки d2 принимается равным 0.05–0.07мм. Целесообразно сразу воспользоваться формулой для площади окна вторичной обмотки, аналогичной формуле (14):
(15)
Зная Sw2p, можно определить толщину вторичной обмотки, задаваясь уже известной общей высотой обмоток h. На рис. 4. представлен эскиз расположения первичной и вторичной обмоток.
Рис. 4. Расположение первичной и вторичной обмоток
Величина зазора определяется согласно чертежу по формуле, получаемой из (4) в предположении, что проводимостью рассеяния пренебрегаем.
(16)
отсюда:
(17)
Значения w1 определяем из (рис. 4.). Значения длины средней линии определяем по чертежу магнитопровода для выбранного сечения ().
Коэффициент заполнения площади сталью кзс принимаем равным 0,95. Коэффициент выпучивания кв принимаем равными 1,1.
Заключение
Представленный расчет позволяет реализовать оптимальную по габаритным размерам конструкцию магнитной системы катушки зажигания, однозначно соответствующую определенными ранее электрическим расчетом энергетическим параметрам катушки.
Рецензенты:
Ютт В.Е., д.т.н. профессор, зав. кафедрой «Электротехника и электрооборудование», ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», г. Москва.
Марсов В.И., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов», ФГБОУ ВПО ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», г. Москва.