汽车点火线圈结构设计及性能仿真分析
汽车点火线圈结构设计及性能仿真分析[20200408211735]
摘 要
本文根据汽车点火系统中点火线圈的发展现状，结合结构设计的工艺及经验，通过对点火线圈的初、次级绕组的能量计算及匝数设计，以及对磁路的分析，完成了对点火线圈的结构设计和性能仿真进行分析，从而保证了点火线圈的性能和对环境的适应性、可靠性及经济性。
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关键字:结构设计性能匝数设计
目 录
1. 绪论 1
2. 点火线圈结构的基本要求 4
2.1 温度变化的要求 4
2.2 安装的要求 5
2.3 结构的工艺性 5
2.4 组装的要求 5
2.5 其它要求 6
3． 初级绕组的结构 7
3.1 初级绕组的匝数 7
3.1.1 铁心截面积S的计算 7
3.1.2 初级绕组的匝数N1和电感量L1的计算 8
3.1.3 初级绕组电压的确定 8
3.2 内孔插铁心处的要求 9
3.3 引出线对外连接方式 9
3.4 初级骨架与外壳的连接 11
4． 次级绕组的结构 12
4.1 次级绕组的匝数 12
4.1.1 次级绕组的电压确定和匝数计算 12
4.2 过线槽设计 12
4.3 次级骨架的始、末端的设计 14
4.4 便于树脂可渗透的措施 17
5． 磁路及其计算 17
5.1 磁路的概念 17
5.2 磁路模型 19
5.3 磁轭 20
6. 点火线圈性能仿真分析 22
结语 24
致谢 25
参考文献 26
1. 绪论
汽车电子计算机技术的发展带动了汽车点火系统的快速发展,与此也加大了能源缺乏、大气排放污染的情况。如今汽油发动机的转速要求越来越高、压缩比要求越来越大、功率要求越来越大、油耗要求越来越低和排放要求越来越低，以往的点火系不在适应当前需求。点火线圈是汽车点火系统的主要组成部分,点火系的工作性能和车辆动力是否符合要求、燃油是否经济和尾气净化质量是否达到要求，这些指标都会被点火线圈的性能直接影响到。随着人们对环境污染和节约资源的要求越来越高,驱使着点火线圈技术向着一个更加适应环境的方向发展,从而使点火线圈制造技术逐渐提高,但是随着大量的点火线圈的产出，点火线圈在各种车辆中裸露出大量的品质问题，因此对点火线圈的开发技术要求更高的提升。
当前，大多数的国内外产品的控制系统，在实验室中还没有形成自主设计产品的电子控制系统中存在的主要问题是，精度，可靠性和成本控制是很难达到的，然而国外已经经历了近半个世纪的发展，已经形成了一个完善的市场和完整的发展体系。全国产业化的一个重要指标是汽车行业，但近年来，随着中国的汽车保有量和汽车销售的快速增长，我国每年要花很多钱到国外进口电子产品，这也成为了我国汽车工业发展与国外之间的差距，点火线圈是点火控制系统的重要组成部分，它的研究与我国汽车产业的发展有密切相关的现实意义。
点火系统的组成有蓄电池、点火开关、点火线圈及火花塞等。点火系统所需的电能由蓄电池直接供给。点火系统的电源是由点火开关接通或断开。断电器和点火提前机构构成了分电器。开启或关闭点火线圈的初级回路是由断电器决定的；配电器是将点火线圈中所产生的高压电，根据发动机的工作次序轮流分配给每个气缸火花塞上；点火提前机构是在发动机运转的时候随发动机转速、负荷的改变来调节点火正时。火花塞是将点火线圈产生的高压电引入气缸内，并在火花塞电极的空隙间产生电火花，以此点燃混合气。点火线圈可以将12V的蓄电池的低电压的转变为所需要的高压电。点火线圈按铁芯形状的不同可以分为开磁路点火线圈和闭磁路点火线圈两种。
1. 开磁路点火线圈 开磁路点火线圈的组成部分主要有铁心、初级绕组、次级绕组。(1) 表面覆有绝缘漆的硅钢片叠制构成了铁心，氧化层或片上涂有绝缘漆起到隔离的作用，在外层有绝缘套管，其作用为了增大磁通量。 (2) 初级绕组是用Φ0.5～Φ1.0mm的漆包
线缠绕大约120~370 匝，外层也覆盖有绝缘纸若干层，用此增大绝缘。在真空的环境下使用石蜡和松香混合物将初级绕组绕好后浸入，并支撑与瓷质绝缘座上，来进一步加强绝缘。初级绕组是使绕组内电流的大小发生变化来实现电磁感应。 (3) 次级绕组是用Φ0.06～Φ0.10mm 的漆包线缠绕在绝缘纸管上，大约为11000～23000 匝。绝缘纸将每层导线单独隔离，为了加强绝缘和机械的损伤，且最外层的绝缘纸层数更多，或套上纸板套筒。这样是为了产生互感电动势。 (4) 将钢套（具有导磁的作用）安置在初级绕组和外壳间，使磁钢片变为筒状，因此形成磁路的一个结构，这样铁心就成为半封闭式的，来削减磁的泄漏。 (5)对加强绝缘和防止水分渗入，用沥青或变压器油充满外壳的内部空间，在充入变压器油的时候，线圈，散热好，温升低，绝缘性好。近年来也开始使用六氟化硫(SF6)等气体绝缘或采用塑料造型绝缘。 (6) 为了改良点火线圈的性能，在三接线柱式点火线圈部分增加一个附加的电阻，它的两端分别接在了“+开关”和“开关”之间。至于两接线柱式点火线圈就没有那个附加的电阻，只有“+”、“-”的两个接线柱而已，并且 “+”一端接有2根导线，其中一根导线接向点火开关，而另外一根则接至起动机电磁开关的附加电阻线上。
2.闭磁路点火线圈 次级绕组会在铁心中产生一定量的磁通，通过钢套（具有导磁作用）形成了一个回路，铁心上、下部会产生一个磁力线，磁路的磁阻越大、越多的磁通量 泄漏，因此这将会是一个很大的磁损耗，转换效率较低，一般只有60%左右。最近几年的闭磁路点火线圈，铁心一般是带有小气隙的“曰”字形或“口”字形，先在铁心上缠绕初级绕组，然后再将次级绕组放在初级绕组的外层，因此形成了一个闭合磁路，磁路中只有一个很小的空气间隙。闭磁路点火线圈具有较少的磁泄漏，这样磁阻就会小，能量损耗也因此而降低，能量转换效率自然而然就高了，一般可达到75%。此外，闭磁路点火线圈具有结构简单，体积小，重量轻，得到了越来越广泛的应用。在本文中，采用的点火线圈就是闭磁路点火线圈。
车辆的低压电源（+)与点火线圈初级绕组的一端相连，开关装置与点火线圈初级绕组的另一端相连。初级绕组与次级绕组的一端相连，高压线输出端与次级绕组的另一端相连，来传输所产生的高压电。当将电源接通时，初级绕组周围会随着电流的增大产生一个强大的磁场，其铁心存储磁场能；使用开关装置将初级线圈的电路断开时，初级绕组所产生的磁场将会快速减弱，次级绕组便可以感应出一个强大的电压。初级绕组的磁场很快就会消失，此时电流断开的瞬时电流将会很大，因此两绕组之间的匝数比越大，次级绕组所能感应的电压会越大。因此，初、次级绕组的匝数比对点火线圈的性能影响十分大。
在二十一世纪，计算机的普及和建模工具的普遍使用，数学仿真和建模成为主流的点火线圈开发平台，随着仿真技术的使用，避免了在工业生产中实物试验方式使用了传统的汽车点火线圈的弱点，能适应迅速性发展和多样性发展的需要，拥有周期短、花费低、效率高等益处。所以，发展计算机仿真模型对今后点火线圈的进一步发展，有着潜移默化的影响。
摘 要
本文根据汽车点火系统中点火线圈的发展现状，结合结构设计的工艺及经验，通过对点火线圈的初、次级绕组的能量计算及匝数设计，以及对磁路的分析，完成了对点火线圈的结构设计和性能仿真进行分析，从而保证了点火线圈的性能和对环境的适应性、可靠性及经济性。
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关键字:结构设计性能匝数设计
目 录
1. 绪论 1
2. 点火线圈结构的基本要求 4
2.1 温度变化的要求 4
2.2 安装的要求 5
2.3 结构的工艺性 5
2.4 组装的要求 5
2.5 其它要求 6
3． 初级绕组的结构 7
3.1 初级绕组的匝数 7
3.1.1 铁心截面积S的计算 7
3.1.2 初级绕组的匝数N1和电感量L1的计算 8
3.1.3 初级绕组电压的确定 8
3.2 内孔插铁心处的要求 9
3.3 引出线对外连接方式 9
3.4 初级骨架与外壳的连接 11
4． 次级绕组的结构 12
4.1 次级绕组的匝数 12
4.1.1 次级绕组的电压确定和匝数计算 12
4.2 过线槽设计 12
4.3 次级骨架的始、末端的设计 14
4.4 便于树脂可渗透的措施 17
5． 磁路及其计算 17
5.1 磁路的概念 17
5.2 磁路模型 19
5.3 磁轭 20
6. 点火线圈性能仿真分析 22
结语 24
致谢 25
参考文献 26
1. 绪论
汽车电子计算机技术的发展带动了汽车点火系统的快速发展,与此也加大了能源缺乏、大气排放污染的情况。如今汽油发动机的转速要求越来越高、压缩比要求越来越大、功率要求越来越大、油耗要求越来越低和排放要求越来越低，以往的点火系不在适应当前需求。点火线圈是汽车点火系统的主要组成部分,点火系的工作性能和车辆动力是否符合要求、燃油是否经济和尾气净化质量是否达到要求，这些指标都会被点火线圈的性能直接影响到。随着人们对环境污染和节约资源的要求越来越高,驱使着点火线圈技术向着一个更加适应环境的方向发展,从而使点火线圈制造技术逐渐提高,但是随着大量的点火线圈的产出，点火线圈在各种车辆中裸露出大量的品质问题，因此对点火线圈的开发技术要求更高的提升。
当前，大多数的国内外产品的控制系统，在实验室中还没有形成自主设计产品的电子控制系统中存在的主要问题是，精度，可靠性和成本控制是很难达到的，然而国外已经经历了近半个世纪的发展，已经形成了一个完善的市场和完整的发展体系。全国产业化的一个重要指标是汽车行业，但近年来，随着中国的汽车保有量和汽车销售的快速增长，我国每年要花很多钱到国外进口电子产品，这也成为了我国汽车工业发展与国外之间的差距，点火线圈是点火控制系统的重要组成部分，它的研究与我国汽车产业的发展有密切相关的现实意义。
点火系统的组成有蓄电池、点火开关、点火线圈及火花塞等。点火系统所需的电能由蓄电池直接供给。点火系统的电源是由点火开关接通或断开。断电器和点火提前机构构成了分电器。开启或关闭点火线圈的初级回路是由断电器决定的；配电器是将点火线圈中所产生的高压电，根据发动机的工作次序轮流分配给每个气缸火花塞上；点火提前机构是在发动机运转的时候随发动机转速、负荷的改变来调节点火正时。火花塞是将点火线圈产生的高压电引入气缸内，并在火花塞电极的空隙间产生电火花，以此点燃混合气。点火线圈可以将12V的蓄电池的低电压的转变为所需要的高压电。点火线圈按铁芯形状的不同可以分为开磁路点火线圈和闭磁路点火线圈两种。
1. 开磁路点火线圈 开磁路点火线圈的组成部分主要有铁心、初级绕组、次级绕组。(1) 表面覆有绝缘漆的硅钢片叠制构成了铁心，氧化层或片上涂有绝缘漆起到隔离的作用，在外层有绝缘套管，其作用为了增大磁通量。 (2) 初级绕组
线缠绕大约120~370 匝，外层也覆盖有绝缘纸若干层，用此增大绝缘。在真空的环境下使用石蜡和松香混合物将初级绕组绕好后浸入，并支撑与瓷质绝缘座上，来进一步加强绝缘。初级绕组是使绕组内电流的大小发生变化来实现电磁感应。 (3) 次级绕组是用Φ0.06～Φ0.10mm 的漆包线缠绕在绝缘纸管上，大约为11000～23000 匝。绝缘纸将每层导线单独隔离，为了加强绝缘和机械的损伤，且最外层的绝缘纸层数更多，或套上纸板套筒。这样是为了产生互感电动势
2.闭磁路点火线圈 次级绕组会在铁心中产生一定量的磁通，通过钢套（具有导磁作用）形成了一个回路，铁心上、下部会产生一个磁力线
车辆的低压电源（+)与点火线圈初级绕组的一端相连，开关装置与点火线圈初级绕组的另一端相连。初级绕组与次级绕组的一端相连，高压线输出端与次级绕组的另一端相连，来传输所产生的高压电。当将电源接通时，初级绕组周围会随着电流的增大产生一个强大的磁场，其铁心存储磁场能；使用开关装置将初级线圈的电路断开时，初级绕组所产生的磁场将会快速减弱，次级绕组便可以感应出一个强大的电压。初级绕组的磁场很快就会消失，此时电流断开的瞬时电流将会很大，因此两绕组之间的匝数比越大，次级绕组所能感应的电压会越大。因此，初、次级绕组的匝数比对点火线圈的性能影响十分大。
在二十一世纪，计算机的普及和建模工具的普遍使用，数学仿真和建模成为主流的点火线圈开发平台，随着仿真技术的使用，避免了在工业生产中实物试验方式使用了传统的汽车点火线圈的弱点，能适应迅速性发展和多样性发展的需要，拥有周期短、花费低、效率高等益处。所以，发展计算机仿真模型对今后点火线圈的进一步发展，有着潜移默化的影响。
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