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MXPA00002790A - Puente de encendido de alta cadencia de impulso - Google Patents

Puente de encendido de alta cadencia de impulso

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Publication number
MXPA00002790A
MXPA00002790A MXPA/A/2000/002790A MXPA00002790A MXPA00002790A MX PA00002790 A MXPA00002790 A MX PA00002790A MX PA00002790 A MXPA00002790 A MX PA00002790A MX PA00002790 A MXPA00002790 A MX PA00002790A
Authority
MX
Mexico
Prior art keywords
core
winding
magnetic
assembly
voltage
Prior art date
Application number
MXPA/A/2000/002790A
Other languages
English (en)
Inventor
William Ross Rapoport
Paul Alexander Papanestor
Original Assignee
Alliedsignal Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alliedsignal Inc filed Critical Alliedsignal Inc
Publication of MXPA00002790A publication Critical patent/MXPA00002790A/es

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Abstract

Un sistema de encendido de alta cadencia de impulsos que opera a cadencias de impulsos de más que KHz enciende mezclas de combustibles dentro de motores de turbina de gas. El sistema comprende dispositivo electrónicos de mando y un ensamble de denúcleo- devanado enrollado toroidalmente empleando una tira metálica amorfa ferromagnética como medio magnético. Un sistema de almacenamiento inductivo se produce de esta forma, el cual permite una elevación rápida del voltaje, corrientes de pico elevado, ciclos de carga y descarga rápidos que permiten el incremento de las cadencias de impulsos mucho más alláde lo permitido por las fuentes convencionales de encendido . Con tales propiedades el sistema puede activar fácilmente bujías extremadamente sucias. Los dispositivos electrónicos y el ensamble núcleo-devando se fabrican con costos significativamente menores que en el caso de los sistemas de encendido es sustancialmente instantáneo. El sistema representa un reemplazo económico para las bujías convencionales en motores de tipo diesel.

Description

FUENTE DE ENCENDIDO DE ALTA CADENCIA DE IMPULSOS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1. CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a sistemas de encendido de chispas para motores de turbina de gas que operan con diesel, gas natural o bien combustibles alternativos asi como para motores diesel que requieren de una fuente inicial de encendido. 2. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA ANTERIOR Los motores de turbina de gas actuales para la producción de energía tales como, por ejemplo, los empleados para los vehículos eléctricos híbridos y la generación de electricidad requieren de sistemas de encendido de chispas de muy alta energía debido al uso de combustibles de baja volatilidad que son difíciles de encender. Sistemas de encendido de alta energía típicos son los sistemas empleados en la industria de la aviación para las unidades de energía auxiliares (APUs) . Algunos de estos sistemas tienen requerimientos de control de emisión severos que pueden ser cumplidos solamente proporcionando fuentes de encendido de muy alta energía con el objeto de arrancar el motor antes que se libere una cantidad demasiado importante de combustible sin. quemar a través del sistema de escape. Los motores diesel requieren de bujías convencionales para iniciar la combustión. En este caso la punta de la bujía convencional es calentada a temperaturas mayores que 2000°F lo que requiere típicamente de grandes cantidades de corriente (aproximadamente 8 a ps por bujía) y de tiempos de calentamiento largos. Las fallas de encendido de motores incrementan la producción de emisiones peligrosas. Numerosos arranques en frío sin un calentamiento adecuado del aislante de bujía en la cámara de combustión provoca el depósito del aislante, lo que puede provocar fallas de encendido. El hollín eléctricamente conductor reduce el incremento de voltaje disponible para el encendido. Un transformador de encendido de chispa que proporciona una elevación extremadamente rápida del voltaje puede minimizar las fallas de encendido provocadas por el ensuciamiento debido al hollín. Para lograr el desempeño de encendido de chispa requerido para el encendido, y al mismo tiempo reducir la incidencia de fallas de encendido de motor provocadas por el ensuciamiento por hollín de bujías, el material de núcleo del transformador de encendido de chispa debe poseer ciertas propiedades. Dicho material de núcleo debe tener una alta permeabilidad magnética, no debe saturarse magnéticamente durante la operación, y debe tener bajas pérdidas magnéticas. La combinación de estas propiedades requeridas limita severamente la disponibilidad de materiales adecuados para la formación del núcleo. Candidatos posibles para el material de núcleo incluyen acero de silicio, ferrita, así como metales amorfos basados en hierro. El acero de silicio convencional empleado habitualmente en los núcleos para transformadores de servicios públicos es económico, pero sus pérdidas magnéticas son demasiado elevadas. Un acero de silicio de calibre menor con pérdidas magnéticas menores es demasiado costoso. Las ferritas son económicas pero sus inducciones de saturación son normalmente menores que 0.5 T y Curie, temperaturas en las cuales la inducción magnética del núcleo se vuelve cercana a cero son cercanas a 200°C. Esta temperatura es demasiado baja porque la temperatura de operación superior de un transformador de encendido de chispas es normalmente de aproximadamente 180°C. Un metal amorfo basado en hierro tiene una baja pérdida magnética y una alta inducción de saturación que rebasa 1.5 T, sin embargo presenta una permeabilidad relativamente elevada. Se requiere de un metal amorfo basado en hierro capaz de lograr un nivel de permeabilidad magnética adecuada para un transformador de encendido de chispas. Empleando este material, es posible construir un devanado de diseño toroidal que cumple con las especificaciones de salida requeridas y los criterios de dimensión física. Los sistemas actuales de encendido para automóviles no producen un suministro suficiente de energía a las bujías. Estos sistemas tienen tiempos de elevación de voltaje que son demasiado lentos y una impedancia de salida demasiado elevada de tal manera que una bujía sucia descargará el sistema de encendido. La cadencia de impulsos en estos sistemas es limitada al ciclo de carga y descarga del devanado. Tiempos de carga típicos son 5.5 milisegundos y 4.5 milisegundos para descarga para una cadencia máxima de impulsos de aproximadamente 110 Hz. La corriente de chispa pico proveniente de un sistema de encendido automotriz es de aproximadamente 100 miliamps, lo que puede ser suficiente para la mayoría de las aplicaciones automotrices, pero resulta en una chispa de baja intensidad para aplicaciones de arranque. Debido a la alta impedancia de salida de los devanados de encendido para propósitos automotrices y a la resistencia real del alambre, una gran parte de la energía que se origina en la batería es depositada en el devanado y la bujía en vez de encontrarse en la chispa real. Una inductancia secundaria muy elevada de embobinados de núcleo de tipo solenoide E o bien C típicos junto con la alta resistencia real de alambre reduce el suministro de potencia pico. Tecnologías alternativas como por ejemplo sistemas de descarga capacitiva (CD) se basan en convertidores de voltaje CC-CC para cargar un capacitor a un valor de 400 o 600 voltios. Este capacitor es descargado a través de un devanado de tipo de transformador de impulsos que suministra energía a la chispa. El costo de proporcionar un convertidor CC-CC con energía suficiente para operar un sistema de encendido de alta cadencia de impulsos es sustancial. Sistemas de tipo híbrido como por ejemplo los sistemas de encendido en la industria de la aviación pueden depositar energías muy elevadas (500 ilijoules) en la chispa, pero opera típicamente a 10 Hz o menos debido a preocupaciones de consumo de energía y contienen también convertidores CC-CC. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La presente invención ofrece un ensamble núcleo magnético -devanado (y dispositivos electrónicos) que genera una elevación rápida del voltaje (200-500 nanosegundos), tiene una impedancia de salida baja (30-100 ohms), produce voltajes de circuitos abiertos elevados (más que 25 kV) suministra una corriente pico alta proporcionada a través de la chispa (0.4-1.5 amperios), un tiempo de carga rápido (aproximadamente 100 microsegundos empleando una fuente de 12 voltios) , un tiempo de descarga rápido (aproximadamente 150 microsegundos) , una energía típica en la chispa de 6-12 milijoules por impulso. La operación a partir de una fuente de batería de 12 voltios se logra fácilmente empleando elementos electrónicos sencillos en cadencias en el disparo único dentro de un rango de 4 Khz. El ensamble núcleo-devanado puede ser operado de hecho empleando cualquier voltaje mayor de 5 voltios. La operación del ensamble núcleo-devanado en estos voltajes alternativos produce un incremento o una disminución del tiempo de carga según la fuente de voltaje disponible. Este tipo de suministro de sistema electrónico proporcionado a través de una bujía de espacio superficial (lo que se emplea típicamente en sistemas de encendido de chispas en la industria de la aviación) o bien una bujía de espacio J convencional o bien derivados resulta en una fuente de encendido de alta potencia con una capacidad de calentamiento localizada. El arco de alta cadencia de impulsos actúa como una fuente de calentamiento localizada esencialmente instantánea lo que representa un reemplazo efectivo desde una perspectiva económica para las bujías convencionales en algunas aplicaciones. De manera general, el núcleo magnético-devanado comprende un núcleo magnético compuesto de una aleación ferromagnética de metal amorfo. El ensamble núcleo-devanado tiene un devanado primario único para excitación de bajo voltaje y un devanado secundario para una salida de alto voltaje. El ensamble tiene también un devanado secundario que comprende varios subensambles de núcleo que reciben simultáneamente energía a través del devanado primario común durante un tiempo en el cual fluye una corriente en el devanado primario, almacenando energía en un campo magnético dentro del material de núcleo. Los subensambles de devanado están adaptados, cuando reciben energía, para producir voltajes secundarios, es decir, durante el periodo en el cual los subensambles reciben energía, la corriente primaria es interrumpida rápidamente, provocando el colapso del campo magnético dentro de los núcleos. Se inducen de esta forma voltajes secundarios a través de los embobinados secundarios. Estos voltajes secundarios son aditivos y se alimentan a una bujía. El ensamble núcleo magnético-devanado comprende un núcleo magnético compuesto de una aleación ferromagnética del metal amorfo que tiene pérdidas magnéticas bajas junto con embobinados primarios y secundarios menos numerosos debido a la permeabilidad magnética del material del núcleo. Construido de esta forma, el ensamble de núcleo-devanado tiene la capacidad de generar un voltaje alto en el devanado secundario dentro de un corto periodo de tiempo después de la excitación del mismo. Más específicamente, el núcleo consiste de un material ferromagnético amorfo que presenta una pérdida de núcleo baja y una permeabilidad que se ubica dentro de un rango de aproximadamente 100 a 500. dichas propiedades magnéticas son especialmente adecuadas para una descarga rápida de la bujía. Las fallas de encendido provocadas por ensuciamiento por hollín se minimizan. Además, la transferencia de energía del devanado a la bujía se lleva a cabo de manera muy eficiente, con el resultado que permanece muy poca energía dentro del núcleo después de la descarga. La resistencia secundaria baja del diseño toroidal (menos que 100 ohms) permite que la mayor cantidad energía se disipa en la chispa y no en el alambre secundario. Un ensamble toroidal múltiple se crea, el cual permite el almacenamiento de energía en los subensambles a través de una parte primaria común regida por la inductancia del subensamble y sus propiedades magnéticas. Una elevación rápida de voltaje secundaria es inducida cuando la corriente primaria disminuye rápidamente. Los voltajes secundarios individuales a través de los toroides del subensamble se incrementan rápidamente y agregan subensamble a subensamble, con base en el cambio total de flujo magnético en el sistema. Esto proporciona un arreglo versátil en el cual se combinan varias unidades de subensamble. Las unidades de subensamble están enrolladas mediante el uso de técnicas de embobinado de devanado toroidal existentes con el objeto de producir un ensamble único con un desempeño superior en casos en los cuales las dimensiones físicas son críticas. La modalidad preferida es el uso de un núcleo-devanado enrollado de manera toroidal más grande único que produce características de salida similares a las características de salida del arreglo de pilas múltiples de ensambles de núcleo-devanado más pequeños descritos arriba. La unidad opera de la manera descrita arriba. Los dispositivos eléctricos de impulsión consisten de una fuente de energía (típicamente una batería) , un capacitor de resistencia baja de serie equivalente (ESR) como proveedor de corriente pico, un conmutador como por ejemplo un transistor bipolar de compuesta integrado (IGBT) que puede ser activado (condición acortada) para permitir el flujo de la corriente a través del devanado primario y después apagado subsecuentemente (condición abierta) que disminuye rápidamente el flujo de corriente a través del devanado primario provocando el colapso del campo magnético en el núcleo induciendo un voltaje en el embobinado secundario produciendo una salida. Un impulsor se requiere para activar y apagar el conmutador en momentos apropiados y se requiere de un oscilador para establecer la cadencia de impulsos. Se requieren de circuitos de temporización para determinar cuando abrir el conmutador después del establecimiento del campo magnético . BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se entenderá de manera más completa y ventajas adicionales serán aparentes con referencia a la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas de la invención y a los dibujos anexos, en los cuales: la figura 1 es un dibujo esquemático de una combustión en un motor que representa el ensamble de devanado colocado en la parte superior de la bujía y las cajas electrónicas de controlador; la figura 2 es un diagrama de circuito para un impulso electrónico adecuado para su uso con el ensamble de núcleo-devanado de la presente invención; la figura 3 es un dibujo del lineamiento de procedimiento de procedimiento de ensamble que muestra el método de ensamble y las conexiones empleadas para producir el ensamble núcleo-devanado; la figura 4 es un dibujo de lineamiento de procedimiento de ensamble que muestra una modalidad alternativa del método de ensamble y conexiones empleadas para producir el arreglo de pila, ensamble de devanado de la presente invención; la figura 5 es una gráfica que muestra el voltaje de salida a través del devanado secundario para el encendido de amperaje en el devanado primario del ensamble ilustrado en la figura 4; la figura 6 es un voltaje típico y huella de osciloscopio actual del ensamble de núcleo-devanado de la figura 4; y la figura 7 es una gráfica que muestra la reducción de voltaje del voltaje de circuito abierto de conformidad con lo medido mediante la colocación de una resistencia en paralelo con la sonda para simular condiciones de bujía sucia. DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Con referencia a la figura 1 de los dibujos, una batería de fuente de energía 52 suministra energía a los dispositivos electrónicos de encendido 51. Unos alambres 51 llevan la señal de bajo voltaje al ensamble de núcleo-devanado 54. El par de alambres 43 puede también ser un conjunto de alambre coaxial. El ensamble de núcleo-devanado 54 es la modalidad ilustrada en la figura 4 pero podría también ser la modalidad representada en la figura 3. el ensamble núcleo-devanado 54 puede encontrarse, alternativamente en un punto intermedio como en el caso de los dispositivos electrónicos de encendido 51, en dicho caso los alambres 53 llevan señales de alto voltaje a la bujía 55. Otra ubicación alternativa para el ensamble del núcleo-devanado es entre los dispositivos electrónicos de encendido 51 y la bujía 55, en dicha ubicación los alambres 53 serían portadores de bajo voltaje en el lado de los dispositivos electrónicos de encendido 51 y portadores de alto voltaje en el lado de la bujía 55. La bujía 55 se ilustra en la figura 1 como un espacio J, pero podría ser también una bujía de espacio superficial o bien una bujía derivada de espacio J. Un área de encendido, encerrada por el recipiente 56, representa el cilindro diesel o bien una cámara de combustión típica en el caso de un motor de turbina de gas. La figura 1 tiene el propósito de ilustrar la forma cómo se puede emplear nuestra invención. Con referencia a la figura 3, el ensamble de núcleo-devanado 60 comprende un núcleo magnético 10 compuesto de una aleación de metal amorfo ferromagnético contenido dentro de una copa aislante 55. De 3 a 10 embobinados primarios 36 están enrollados alrededor del toroide, junto con 100 a 400 vueltas de alambre secundario 50. Se deja un espacio adecuado entre los embobinados primario y secundario para consideraciones de producción de alto voltaje. Típicamente, el embobinado secundario se arregla de tal manera que el voltaje suministrado al electrodo de centro de la bujía sea negativo. El embobinado primario 36 tiene una excitación de bajo voltaje que proviene de una corriente que pasa a través del embobinado primario 36 cuando se cierra un conmutador. Esto crea un campo magnético dentro de la aleación 10 de metal ferromagnético amorfo que almacena la energía. Al abrir el conmutador, el campo magnético dentro de la aleación de metal amorfo ferromagnético 10 se colapsa, induciendo así un voltaje alto a través del embobinado secundario 50. Con referencia a la figura 2, el capacitor de almacenamiento de energía es cargado a un voltaje Vcc típicamente por una batería de 12 voltios. Un oscilador y circuito de temporización controlan (i) la cantidad de tiempo durante el cual el conmutador de IGBT se encuentra cerrado (ii) cuando se encuentra abierto y (iii) la cadencia de impulsos del sistema. Esta temporización señala al impulsor de IGBT de encenderse, lo que cierra el control de IGBT, permitiendo que la corriente fluya desde el capacitor a través del ensamble de núcleo-devanado y a través del IGBT. La corriente que fluye a través del ensamble de núcleo-devanado provoca la inducción de un campo magnético dentro del toroide de metal amorfo ferromagnético, almacenando energía. Los valores de corrientes típicos a través del embobinado primario se encuentran dentro de un rango de 20 a 50 amperios por tiempos de 50 a 150 microsegundos. El circuito de temporización abre después el IGBT a través del impulsor de IGBT, lo que provoca que la corriente disminuya rápidamente (típicamente menos que 1 icrosegundo) . Esta reducción rápida de la corriente provoca que el campo magnético dentro del núcleo-devanado se colapse, induciendo un alto voltaje en el embobinado secundario del núcleo-devanado. La velocidad de elevación de voltaje es típicamente de algunos cientos de nanosegundos en el embobinado secundario. El núcleo magnético 10 se basa en un metal amorfo que tiene una alta inducción magnética, que incluye aleaciones basadas en hierro. Dos formas básicas de un núcleo 10 son adecuadas para su uso. Son la forma con espacio y la forma sin espacio y se conocen como núcleo 10. Un núcleo con espacio, ilustrado en la figura 4a, tiene una sección magnética discontinua en un trayecto magnéticamente continuo. Un ejemplo de un núcleo con espacio 10 es un núcleo magnético de forma toroidal que tiene una pequeña hendidura comúnmente conocida como un espacio de aire. La configuración con espacio se prefiere cuando la permeabilidad requerida es considerablemente menor que la permeabilidad propia del núcleo, en forma enrollada. La porción de espacio de aire del trayecto magnético reduce la permeabilidad global. Un núcleo sin espacio ilustrado en la figura 4b, tiene una permeabilidad magnética similar a la permeabilidad de un núcleo con espacio de aire, pero es físicamente continuo, teniendo una estructura similar a la encontrada típicamente en un núcleo magnético toroidal. La presencia aparente de un espacio de aire distribuido uniformemente dentro del núcleo sin espacio 10 es la razón del término "núcleo con espacio distribuido". Tanto el diseño con espacio como el diseño sin espacio funcionan en el diseño de ensamble núcleo-devanado 34 de la figura 4 y en el ensamble 60 núcleo-devanado de la figura 3, y son intercambiables en la medida en que la permeabilidad efectiva se encuentra dentro del rango requerido. Núcleos sin espacios 10 fueron escogidos para propósitos ilustrativos, sin embargo, la presente invención de conformidad con lo incorporado en el diseño modular descrito aquí no se limita al uso de un material de núcleo sin espacio. Una modalidad alternativa para el ensamble de núcleo-devanado que es impulsada sustancialmente por los mismos dispositivos electrónicos impulsores que los descritos en la figura 2 se presenta en la solicitud norteamericana copendiente No. 08/639,498, cuya divulgación se incorpora aquí por referencia. Con referencia a la figura 4, el ensamble núcleo magnético-devanado 34 comprende un núcleo magnético 10 conformado de una aleación de metal amorfo ferromagnético. El ensamble núcleo-devanado 34 tiene un devanado primario único 36 para una excitación de bajo voltaje y un devanado secundario 20 que consiste de los devanados secundarios de los subensambles de núcleo 22, 18 y 16 unidos en serie para la producción de alto voltaje. Los subensambles 22, 18 y 16 de núcleo-devanado que se emplean para la formación del ensamble de núcleo-devanado 34 reciben energía simultáneamente a través de un devanado primario común 36. Los subensambles 32 de núcleo-devanado están adaptados, cuando reciben energía, para producir voltajes secundarios aditivos, y se alimentan a una bujía. Según lo construido de esta forma, el ensamble de núcleo-devanado 34 tiene la capacidad de generar un alto voltaje en el devanado secundario 20 (que consiste de los embobinados secundarios combinados 14 de varios ensambles de núcleo-devanado 32 conectados en serie) dentro de un corto período de tiempo después de la excitación del mismo. Típicamente, el devanado secundario se arregla de tal manera que el voltaje suministrado al electrodo central de la bujía sea negativo. El núcleo magnético 10 se basa en un metal amorfo que tiene una inducción magnética elevada que incluye aleaciones basadas en hierro. Dos formas básicas de un núcleo 10 son adecuadas para su uso con nuestra invención. Se trata de la forma con espacio y de la forma sin espacio y cada una de ellas se conoce aquí como núcleo 10. Un núcleo con espacio, ilustrado en la figura 4a, tiene una sección magnética discontinua en un trayecto magnéticamente continuo. Un efecto de un núcleo de este tipo 10 es el núcleo magnético en forma toroidal que tiene una pequeña hendidura conocida habitualmente como espacio de aire. La configuración con espacio se prefiere cuando la permeabilidad requerida es considerablemente menor que la permeabilidad propia del núcleo, según lo embobinado. Una porción de espacio de aire en el trayecto magnético reduce la permeabilidad global. Un núcleo sin espacio, ilustrado en la figura 4b, tiene una permeabilidad magnética similar a la permeabilidad de un núcleo con espacio de aire, pero es físicamente continuo, teniendo una estructura similar a la estructura encontrada típicamente en un núcleo magnético toroidal. La presencia aparente de un espacio de aire distribuido uniformemente dentro del núcleo sin espacio 10 proporciona el término "núcleo de espacios distribuidos". Tanto el diseño con espacios como el diseño sin espacios funcionan en este ensamble de núcleo-devanado 34 de la figura 4 y en el ensamble de núcleo-devanado 60 de la figura 3 y son intercambiables en la medida en que la permeabilidad efectiva se encuentra dentro del rango requerido. Núcleos sin espacios 10 fueron elegidos para propósitos ilustrativos, sin embargo, la presente invención, según lo incorporado en el diseño modular descrito aquí, no se limita al uso de un material de núcleo sin espacios. El núcleo sin espacios (10) se elabora de un metal amorfo basado en aleaciones de hierro y procesados de tal manera que la permeabilidad magnética del núcleo se encuentre entre 100 y 800 según lo medido en una frecuencia de aproximadamente 1 kHz. Para mejorar la eficiencia de los núcleos sin espacios mediante la reducción de las pérdidas por corrientes tumultuosas, se enrollan cilindros más cortos y se procesan y apilan extremo con extremo con el objeto de obtener la cantidad deseada de núcleo magnético que se conoce como un núcleo segmentado. El flujo de fuga a partir de un núcleo con espacios distribuidos es menor que a partir de un núcleo con espacios, emanando menos interferencia de radiofrecuencia indeseable en las zonas aledañas. Además, debido al trayecto magnético cerrado asociado con un núcleo sin espacio, la proporción entre señal y ruido es mayor que en el caso de un núcleo con espacios, haciendo que el núcleo sin espacios sea especialmente bien adecuado en el caso en el cual una emisión baja de interferencia electromagnética (EMI) es de importancia. Un voltaje de salida en el embobinado secundario 20 mayor que 10 kV para ignición de chispa se logra a través de un núcleo sin espacio 10 con menos que 60 amperio-vueltas de embobinado primario 36 y aproximadamente 110 a 160 vueltas de embobinado secundario. Como se emplea aquí, el término "amperio-vueltas" se refiere al valor de la corriente en amperios multiplicado por el número de vueltas que comprende el embobinado primario. Un valor de 60 amperio-vueltas como se emplea arriba significa que con un embobinado primario de 4 vueltas fluyen 15 amperios de corriente en el embobinado primario al momento de la interrupción de la corriente en el embobinado primario. Tiempos de apagado típicos para interrumpir el embobinado primario son del orden de 1 microsegundo . Diseños del tipo representado en la figura 3 tienen salidas de circuito abiertas por encima de 25 kV obtenidas con menos que 120 amperio-vueltas. Los devanados previamente demostrados consistían de una cinta de metal amorfo enrollada en cilindros a ángulo recto con un diámetro interno de 0.54" y un diámetro extremo de 1.06" y una altura de 1.0" y un peso de aproximadamente 55 gramos. No es un requerimiento para la práctica exitosa de nuestra invención que las dimensiones específicas empleadas en este ejemplo se cumpla directamente. Existen grandes variaciones en cuanto a espacio de conformidad con los requerimientos de entrada y salida. En la construcción final, el cilindro de ángulo recto formó el núcleo de un toroide. El aislamiento entre el núcleo y el alambre se logró a través del uso de un plástico moldeable resistente a altas temperaturas que fue también doblado como una forma de embobinado facilitando el embobinado del toroide. Un alambre de calibre fino (aproximadamente calibre 36) se empleó para embobinar las 100-400 vueltas secundarias requeridas. Puesto que el voltaje de salida del devanado podía rebasar 25 kV, lo que representa un voltaje de embobinado a embobinado dentro de un rango de 80 voltios para un embobinado secundario de 300 vueltas, los alambres no pudieron ser significativamente empalmados. Los devanados con el mejor desempeño presentaban alambres espaciados de manera regular en los aproximadamente 300 grados del toroide. Los 60 grados restantes fueron empleados para los embobinados primarios . Una construcción alternativa ilustrada en la figura 4, rompe la construcción original, ilustrada en la figura 3, en una estructura a nivel de componentes más pequeños en donde los componentes puede ser embobinados de manera rutinaria empleando máquinas de embobinado de devanado existentes. En principio, la construcción de la figura 4 toma secciones de núcleo del mismo material de núcleo de metal amorfo de tamaño manejable y las une. Esto se logra mediante la formación de una copa aislante 12 que permite que el núcleo 10 pueda ser insertado en el subensamble 30 y mediante el tratamiento de este subensamble 30 como un núcleo a ser embobinado en forma de un toroide 32. El número de vueltas secundarios 14 que se requiere es igual que en el caso del diseño original. El ensamble final 34 comprende una pila que tiene un número suficiente (1 o más) de estas estructuras 32 para lograr las características de salida deseadas. Cada tercera unidad de toroide 32 debe ser embobinada de manera opuesta para facilitar las conexiones eléctricas entre los subensambles. Esto permite agregar los voltajes de salida. Una estructura típica 34 de la modalidad de la figura 4 comprende la primera unidad toroidal 16 embobinada en sentido contrario a las manecillas del reloj (ccw) con un alambre de salida 24 actuando como la salida del ensamble de devanado 34 final. La segunda unidad toroidal 18 es embobinada en el sentido de las manecillas del reloj (cw) y apilada encima de la primera unidad toroidal 16 con un espaciador 28 para proporcionar un aislamiento adecuado. El conductor de fondo 42 de la segunda unidad toroidal 18 se fija sobre el conductor superior 40 (conductor restante) de la primera unidad toroidal 16. La siguiente unidad toroidal 22 es embobinada en el sentido contrario de las manecillas del reloj y apilada encima de las 2 unidades toroidales previas 16, 18 con un espaciador 28 para propósitos de aislamiento. El conductor inferior 46 de la tercera unidad toroidal se encuentra conectado al conductor superior 44 de la segunda unidad toroidal. El número total de unidades toroidales 32 se determina a través de criterios de diseño y requerimientos de tamaño físico. El conductor superior final 26 forma la otra salida del ensamble de núcleo-devanado 34. Típicamente, el conductor 24 se encuentra conectado al electrodo de centro de la bujía y se encuentra en un potencial negativo mientras que el conector 26 proporciona la vía de corriente de retorno de la estructura 34. El final del conductor 24 de la estructura 34 se conoce aquí como el fondo, puesto que típicamente se apoya sobre la parte superior de la bujía conectándola con el electrodo de centro de la bujía. El extremo de conductor 26 de la estructura 34 se conoce aquí como la parte superior de la estructura puesto que es la ubicación en la cual los alambres primarios 36 están accesibles. Unos embobinados secundarios 14 de estas unidades toroidales 32 son enrollados individualmente de tal manera que aproximadamente 300 del total de 360 grados para el toroide se encuentran cubiertos. Las unidades toroidales 32 son apiladas de tal manera que los 60 grados abiertos de cada unidad toroidal 32 están alineados verticalmente. Un embobinado primario común 36 es enrollado a través de este ensamble núcleo-devanado 34. Esta construcción se conoce aquí como la construcción de apilador. La distribución de voltaje alrededor del diseño de devanado original se parece a un variac con la primera vuelta estableciéndose en cero voltios y la última vuelta con un voltaje completo. Esta distribución de voltajes se encuentra en la totalidad de la altura de la estructura de devanado. El embobinado primario es aislado de los embobinados secundarios y se encuentra en el centro del área libre de 60 grados del torside embobinado. Estas líneas son esencialmente en un potencial bajo debido a las bajas condiciones de impulso de voltaje empleadas en el embobinado primario. Las tensiones de voltaje más altas ocurren en los puntos más cercanos de la salida de voltaje alto y los embobinados primarios, secundarios a secundarios y secundarios a núcleo. El punto de tensión de campo eléctrico más elevado existe a lo largo de la parte interna del toroide y es incrementado por el campo en la parte superior interna y la parte inferior interna del devanado. La distribución de voltaje en la construcción de apilador es ligeramente diferente. Cada unidad toroidal 32 núcleo-devanado individual tiene el mismo tipo de distribución variac, pero la distribución apilada de cada ensamble de núcleo-devanado 34 es dividida entre el número de unidades toroidales individuales 32. Si existen 3 unidades toroidales 32 en la pila de ensamble de núcleo-devanado 34, entonces la unidad toroidal de fondo 16 se ubicará dentro de un rango de conductor V 24 a conductor 2/3 V 40, con el cambio de voltaje siendo aproximadamente lineal en los embobinados secundarios de V en el conductor 24 a 2/3 V en el conductor 40, la segunda unidad toroidal 18 se ubicará dentro de un rango de conductor 2/3 V 42 a conductor 1/3 V 44, con el voltaje cambiando de manera aproximadamente lineal en los embobinados secundarios de 2/3 V en el conductor 42 a 1/3 V en el conductor 44, y la unidad toroidal superior 22 se ubicará dentro de un rango de 1/3 V en el conductor 46 hasta 0 V en el conductor 26, con el cambio de voltaje siendo aproximadamente lineal en los embobinados secundarios de 1/3 V en el conductor 46 a 0 V en el conductor 26, donde el conductor 26 se encuentra en voltaje cero. Esta configuración disminuye el área de alta tensión de voltaje y este V es típicamente negativo. Se conoce como una distribución escalonada de voltajes de un subensamble al siguiente. La forma de onda de voltaje de salida tiene un componente de impulso corto (típicamente 1-3 microsegundos de duración con un tiempo de elevación de 100-500 ns) y un componente de salida de nivel bajo mucho más largo (típicamente de una duración de 100 a 150 microsegundos) . La distribución de voltaje en un arreglo de apilador es diferente y permite que la sección de voltaje más alto esté ubicada en la parte superior o en la parte inferior del ensamble de núcleo-devanado 34 según la configuración de conexión a tierra. La ventaja de la construcción de apilador es que la sección de voltaje alto pueda ser colocada exactamente en lo hondo de la bujía en el pozo de la bujía. El voltaje en la parte superior del ensamble de núcleo-devanado 34 se optimiza en solamente 1/3 V para una unidad de 3 pilas. Se prepararon núcleos magnéticos compuestos de un metal amorfo basado en hierro que tiene una inducción de saturación que rebasa 1.5 T en el estado vaciado. Los núcleos presentaron una forma cilindrica con una altura de cilindro de aproximadamente 15.6 mm y diámetros externo e interno de aproximadamente 17 y 12 mm, respectivamente. Estos núcleos fueron tratados térmicamente sin aplicación de campos externos. La figura 4 muestra un dibujo de lineamiento de procedimiento de la construcción de una unidad de ensamble 34 de núcleo-devanado de tres pilas. Estos núcleos 10 fueron insertados en unas copas de aislador plástico de alta temperatura. Varias de estas unidades 30 fueron embobinadas a máquina en el sentido de las manecillas del reloj en una máquina de embobinado de toroide con 110 a 160 vueltas de alambre de cobre formando un embobinado secundario 14 y varios fueron embobinados en el sentido contrario a las manecillas del reloj. La primera unidad toroidal 16 (fondo) fue embobinada en el sentido contrario a las manecillas del reloj con el conductor inferior 24 actuando como el conductor de salida del sistema. La segunda unidad toroidal 18 fue embobinada en el sentido de las manecillas del reloj y su conductor inferior 42 fue conectado al conductor superior 40 de la unidad toroidal inferior 16. La tercera unidad toroidal 22 fue embobinada en el sentido contrario de las manecillas del reloj y su conductor inferior 46 fue conectado al conductor superior 44 de la segunda unidad toroidal 18. El conductor superior 26 de la tercera unidad toroidal 22 actuó como conductor de conexión a tierra. Espaciadores de plástico 28 entre las unidades toroidales 16, 18, 22 actuaron como separadores de voltaje. El área no embobinada de las unidades toroidales 32 fue alineada verticalmente. Un embobinado primario común 36 fue embobinado a través de la pila de ensamble 34 núcleo-devanado en el área no embobinada. El ensamble de núcleo-devanado 34 fue encajado en un bastidor de plástico de alta temperatura con orificios para los conductores. Este ensamble fue después colado en vacío en un compuesto de encapsulamiento aceptable para la integridad dieléctrica de alto voltaje. Existen muchos tipos alternativos de materiales de encapsulamiento. Los requerimientos básicos del compuesto de encapsulamiento son que debe de poseer una resistencia dieléctrica suficiente, debe presentar una buena adherencia con todos los demás materiales dentro de la estructura, y deben poder sobrevivir a los requerimientos de entorno estrictos de sometimiento a ciclos, temperatura, impactos y vibraciones. Es también deseable que el compuesto de encapsulamiento tenga una constante dieléctrica baja y tenga una tangente de pérdida baja. El material de bastidor debe ser moldeable por inyección, económico, poseer una constante dieléctrica baja y una tangente de pérdida baja y sobrevivir a las mismas condiciones experimentales que el compuesto de encapsulamiento . Se aplicó una corriente en el devanado primario 36, incrementándose rápidamente dentro de aproximadamente 20 a 100 µsec hasta un nivel de hasta 60 amps, pero no limitándose a este nivel. La figura 5 muestra la producción obtenida cuando la corriente primaria fue rápidamente cortada en un pico dado de amperio-vuelta. El tiempo de carga fue típicamente menor que 120 microsegundos con un voltaje de 12 voltios en el sistema de conmutación primario, en dicho punto el flujo de corriente a través del devanado primario 36 fue interrumpido, lo que resultó en un voltaje que se elevó rápidamente a través de las combinaciones de subensamble de embobinados secundarios 32. Los subensambles fueron conectados en serie formando un embobinado secundario efectivo 20 a través del cual apareció el voltaje total. El voltaje de salida presentó una duración de impulso de salida corta típica de aproximadamente 1.5 microsegundos F HM y una cola de nivel bajo larga que duró aproximadamente 100 microsegundos. Así, en el ensamble de núcleo magnético-devanado 34, se generó repetidamente un alto voltaje que rebasó 10 kV a intervalos de tiempo de menos que 150 µsec. Esta característica fue requerida para alcanzar la acción de impulsos múltiples rápidos mencionada arriba. Además, la elevación rápida del voltaje producida en el devanado secundario redujo las fallas de encendido del motor que resultan de ensuciamiento por hollín. El siguiente ejemplo se presenta con el objeto de ofrecer una comprensión más completa de la invención. Las condiciones técnicas específicas así como materiales, proporciones y datos reportados se presentan para ilustrar los principios y la práctica de la invención y son solamente ejemplares y no deben considerarse como limitando el alcance de la invención. EJEMPLOS Una tira basada en hierro amorfo que tiene un ancho de aproximadamente 1.0" y un espesor de aproximadamente 20 µm fue enrollada en un mandril de acero inoxidable maquinado y soldada por puntos en el diámetro interno y en el diámetro externo para mantener la tolerancia. Se seleccionó un diámetro interno de 0.54" y un diámetro externo de 1.06". El núcleo cilindrico terminado presentada un peso de aproximadamente 55 gramos. El núcleo fue templado en una atmósfera de nitrógeno en una temperatura dentro de un rango de 430 a 450°C con tiempos de inmersión de 2 a 16 horas. El núcleo templado fue colocado en una copa de aislador y fue enrollado en una máquina de embobinado de toroide con 300 vueltas de un alambre de cobre aislado de calibre delgado como el embobinado secundario y 6 vueltas de un alambre más grueso para el embobinado primario. Un diseño del tipo representado en la figura 3 produjo voltajes de circuito abierto mayores que 25 kilovoltios con más que 120 amperio-vueltas. No es un requerimiento cumplir estrictamente las dimensiones empleadas en este ejemplo. Existen grandes variaciones de espacio de diseño según los requerimientos de entrada y salida. El cilindro de ángulo recto construido final formó el núcleo de un toroide alargado. El aislamiento entre el núcleo y el alambre se logró a través del uso de un plástico moldeable resistente a altas temperaturas que fue también doblado como un molde de embobinado facilitando el embobinado del toroide. Una cinta basada en hierro amorfo con un ancho de aproximadamente 15.6 mm y un espesor de aproximadamente 20 µm fue enrollada en un mandril de acero inoxidable maquinado y soldada en puntos en el diámetro interno y en el diámetro externo con el objeto de mantener la tolerancia. El diámetro interno de 12 mm se ajustó a través del mandril y el diámetro externo fue seleccionado en 17 mm. El núcleo cilindrico terminado presentaba un peso de aproximadamente 10 gramos. Los núcleos fueron templados en una atmósfera de nitrógeno dentro de un rango de temperaturas de 430 a 450°C con tiempos de inmersión de 2 a 16 horas. Los núcleos templados fueron colocados en copas de aislador y embobinados en una máquina de embobinado de toroide con 140 vueltas de un alambre de cobre aislado de calibre delgado como embobinado secundario. Se embobinaron tanto unidades en el sentido contrario a las manecillas del reloj como unidades en el sentido de las manecillas del reloj . Una unidad embobinada en el sentido contraria a las manecillas del reloj se empleó como las unidades de base y superior mientras que una unidad embobinada en el sentido de las manecillas del reloj fue la unidad media. Se agregaron espaciadores de aislador entre las unidades. Se embobinaron cuatro vueltas de un alambre de calibre más pequeño, formando el embobinado primario en el subensamble de toroide en el área donde los embobinados secundarios no estaban presentes. Los conductores de las unidades media e inferior fueron conectados así como los conductores de las unidades media y superior. El ensamble fue colocado en un bastidor de plástico de alta temperatura y fue encapsulado. Con esta construcción, se midió el voltaje secundario en función de la corriente primaria y el número de vueltas primarias, y se ilustra en la figura 5. El dispositivo eléctrico del impulsor es el mismo que el representando en la figura 2 donde la fuente de voltaje es una batería de 12 voltios y el conmutador de IGBT se encuentra cerrado durante aproximadamente 100 microsegundos y después se abre rápidamente. Un diseño del tipo ilustrado en la figura 4 produjo voltajes de circuito abierto mayores que 25 kilovoltios con menos que 175 amperio-vueltas en estas condiciones. La figura 6 muestra 2 fotografías de osciloscopios, la primera fotografía mostrando la forma de onda cambiante típica (huella inferior) de la corriente de núcleo-devanado primario a 20 amperios/división en la escala vertical y 20 microsegundos por división en la escala horizontal. Cuando disminuyó rápidamente la corriente, el voltaje de salida del ensamble se elevó rápidamente. Se empleó una sonda para medir esta señal y se visualiza como la huella superior de la primera foto en una escala vertical de 5 kilovoltios por división. La segunda foto es una expansión de tiempo de la elevación de voltaje inicial a través de un embobinado secundario en una escala de tiempo horizontal de 1 microsegundo por división y una escala vertical de 5 kilovoltios por división ilustrando la rápida elevación del voltaje. El voltaje de salida fue negativo en este caso y fue visualizado por consiguiente. La figura 7 una gráfica del voltaje de salida en función de amperio-vueltas del devanado con una resistencia calibrada colocada a través del embobinado secundario núcleo-devanado. Este método cargó el embobinado secundario simulando una bujía sucia en el un grado significativamente mayor de ensuciamiento. La salida fue representada gráficamente para las condiciones del circuito abierto (sin carga) y resistencia en derivación de un egohm, 100 kiloh y 20 kiloh s. Estas resistencias en derivación simularon unas bujías sucias con una carga de 100 kilohms representando una bujía extremadamente sucia. Las gráficas indican que un porcentaje importante de voltaje descargado puede lograrse a través del embobinado secundario. Habiendo descrito de esta forma la invención con detalles, se entenderá que dichos detalles no tienen que cumplirse estrictamente sino que cambios y modificaciones adicionales pueden presentarse a un experto en la materia, todos encontrándose dentro del alcance de la invención según lo definido en las reivindicaciones anexas

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES l.Un ensamble de núcleo magnético-devanado y dispositivo electrónico impulsor para generar y suministrar impulsos de excitación de alto voltaje a una cadencia de impulsos predeterminada a una bujía de espacio superficial o bien espacio J o bien derivados de espacio J, con el objeto de producir una chispa que proporciona el encendido de motores de turbina de gas y diesel, que comprende: a. una unidad de núcleo-devanado que tiene un núcleo magnético compuesto de una aleación de metal amorfo ferromagnético, dicho núcleo de dicha unidad de núcleo-devanado tiene un devanado primario para excitación de bajo voltaje y un devanado secundario para salida de alto voltaje; b. un ensamble núcleo-devanado que tiene un núcleo magnético compuesto de una aleación de metal amorfo ferromagnético, dicho núcleo de dicho ensamble de núcleo-devanado tiene un devanado primario para excitación de bajo voltaje y un devanado secundario para una salida de alto voltaje; c. dicho ensamble de núcleo-devanado comprende una pluralidad de subensambles de núcleo-devanado que reciben energía simultáneamente a través de dicho devanado primario de dicho ensamble de núcleo- devanado con el objeto de producir en sus núcleos un campo magnético en donde se almacena energía; d. dicha unidad de núcleo-devanado recibe energía a través de su embobinado primario para producir en su núcleo un campo magnético en el cual se almacena energía; e. dichos subensambles de devanado están asociados con dispositivos para interrumpir el flujo de corriente a través de dicho devanado primario de dicho ensamble de núcleo-devanado provocando que el campo magnético dentro de sus núcleos se colapse e induciendo por consiguiente voltajes a través de un subensambles secundarios que comprenden sus devanados secundarios, dichos subensambles de núcleo-devanado secundarios están embobinados alternativamente en la dirección contraria a las manecillas del reloj y en la dirección de las manecillas del reloj y están conectados entre ellos en serie de tal manera que al colapsarse dicho campo magnético, dichos subensambles de núcleo- devanado producen voltajes secundarios que son aditivos y se alimentan a una bujía; f. dicha unidad de núcleo-devanado es asociada con dispositivos para interrumpir el flujo de corriente a través de su devanado primario provocando que el campo magnético dentro de su núcleo se colapse e induciendo por consiguiente a través de su devanado secundario un voltaje que es alimentado a una bujía; g. cada uno de dicho ensamble de núcleo-devanado y dicha unidad de núcleo-devanado tiene la capacidad de generar un alto voltaje en el subensamble secundario dentro de un corto período de tiempo después de la excitación del mismo; y h. dicho ensamble de núcleo-devanado y dicha unidad de núcleo-devanado proporciona cada uno un ciclo rápido de carga y descarga que permite su operación a cadencia de impulsos mayor que 500 Hz . Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 1, donde cada uno de dicho ensamble de núcleo-devanado y dicha unidad de núcleo-devanado genera una elevación de voltaje que se ubica dentro de un rango de aproximadamente 200 a 500 nanosegundos, tiene una impedancia de salida que se ubica dentro de un rango de aproximadamente 30 a 100 ohms, produce un voltaje de circuito abierto mayor que aproximadamente 25 kV, suministra una corriente pico mayor que 0.5 amperio a través de la chispa, proporciona un tiempo de carga menor que aproximadamente 150 microsegundos, ofrece un tiempo de descarga menor que 200 microsegundos, y proporciona una energía de chispa mayor que 5 milijoules por impulso. Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 1, donde dicho dispositivo electrónico de impulso recibe energía a través de una fuente de voltaje de al menos 5 voltios, y suministra cadencias de impulsos de al menos 500 Hz, dicho dispositivo electrónico de impulso se encuentra conectado entre una salida de dicha unidad de núcleo-devanado o dicho ensamble de núcleo-devanado y una bujía de tipo espacio superficial, espacio J o bien derivado de espacio J con el objeto de producir una chispa para un motor de turbina de gas o diesel. Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 1, donde dicho núcleo magnético se fabrica mediante el tratamiento térmico de dicha aleación de metal amorfo ferromagnético. Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 1, donde el núcleo magnético comprende núcleos segmentados. Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 1, donde el voltaje de salida en el devanado secundario llega a más que 10 kV con una corriente primaria menor que 70 amperio-vueltas y más que 20 kV con una corriente primaria de 75 a 200 amperio-vueltas dentro de 25 a 150 µsec. Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 3, donde dicha aleación de metal amorfo ferromagnético es basada en hierro y comprende además elementos metálicos, incluyendo níquel y cobalto, elementos de formación de vidrio incluyendo boro y carbono, así como elementos semimetálicos, incluyendo silicio. 8. Un ensamble de núcleo magnético-devanado o una unidad de núcleo magnético-devanado de conformidad con lo reivindicado en la reivindicación 3, donde el núcleo magnético no presenta espacios. 9. Un ensamble de núcleo magnético-devanado o bien una unidad de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 3, donde el núcleo magnético presenta espacios. 10. Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 7, donde el núcleo magnético es tratado térmicamente a una temperatura cercana a la temperatura de cristalización de la aleación y parcialmente cristalizado. 11. Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 8, donde el núcleo magnético es tratado térmicamente debajo de la temperatura de cristalización de la aleación y, al terminar el tratamiento térmico, permanece sustancialmente en un estado amorfo. . Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 1, que consiste de varios subensambles individuales, cada uno consistiendo de una sección embobinada toroidalmente con un embobinado secundario, dichos subensambles pueden arreglarse de tal manera que el voltaje de ensamble resultante sea la suma de voltajes de los subensambles individuales al accionarse a través de dicho embobinado primario común. . Un ensamble de núcleo magnético-devanado de conformidad con la reivindicación 1, donde dicho ensamble tiene una distribución de voltajes interna que es segmentada de manera escalonada desde el fondo hacia la parte superior, el número de segmentos es determinado por el número de subensambles.
MXPA/A/2000/002790A 1997-09-18 2000-03-20 Puente de encendido de alta cadencia de impulso MXPA00002790A (es)

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