點(diǎn)火線圈結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹(shù)脂的匹配性

楊凈斌，劉 輝

（1.深圳市健科電子有限公司，廣東 深圳 518081；2.無(wú)錫凱米克電子材料有限公司，江蘇 無(wú)錫 214100）

點(diǎn)火線圈結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹(shù)脂的匹配性

楊凈斌1，劉 輝2

（1.深圳市健科電子有限公司，廣東 深圳 518081；2.無(wú)錫凱米克電子材料有限公司，江蘇 無(wú)錫 214100）

介紹汽車(chē)用點(diǎn)火線圈的發(fā)展，新一代點(diǎn)火線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及所使用的環(huán)氧樹(shù)脂灌封料的要求。

點(diǎn)火線圈；環(huán)氧樹(shù)脂；結(jié)構(gòu)和工藝

點(diǎn)火線圈是汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)的一個(gè)重要零部件，特別是在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，它能按照設(shè)定的程序、點(diǎn)火順序和點(diǎn)火時(shí)間持續(xù)脈沖點(diǎn)火，確保發(fā)動(dòng)機(jī)有持續(xù)動(dòng)力產(chǎn)生。

點(diǎn)火線圈早期是油浸式結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在分電器結(jié)構(gòu)點(diǎn)火系統(tǒng)。到20世紀(jì)90年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展和新材料的應(yīng)用，開(kāi)始采用電子點(diǎn)火系統(tǒng)或者電噴點(diǎn)火系統(tǒng)，使點(diǎn)火線圈的性能和可靠性得以大幅提升，其中環(huán)氧樹(shù)脂扮演了非常重要的角色。由于采用了環(huán)氧樹(shù)脂作為填充料，點(diǎn)火線圈在點(diǎn)火性能、絕緣性能、散熱性能、機(jī)械性能等方面有明顯提高，點(diǎn)火線圈結(jié)構(gòu)也更趨小型化。

要確保點(diǎn)火線圈產(chǎn)品的可靠性，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)氧灌注、工藝操作、材料本身、散熱效果等多方面考慮，本文重點(diǎn)討論點(diǎn)火線圈結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹(shù)脂工藝性有關(guān)的問(wèn)題。

1 點(diǎn)火線圈及其結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用較多的點(diǎn)火線圈主要是2種結(jié)構(gòu)型式：筆式點(diǎn)火線圈和頂置式點(diǎn)火線圈。點(diǎn)火線圈外形圖如圖1所示，剖視圖如圖2所示。

圖2 點(diǎn)火線圈剖面圖

1.2 性能特點(diǎn)

點(diǎn)火線圈工作時(shí)，輸出高電壓，并點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)汽油。點(diǎn)火線圈內(nèi)部高壓擊穿是主要的失效模式之一，因此，如何確保產(chǎn)品性能要求（產(chǎn)生足夠的電壓）和耐久性能（可靠性），是點(diǎn)火線圈產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)。要確保點(diǎn)火線圈的性能和耐久性，需要做到：①優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；②環(huán)氧樹(shù)脂作為填充料，同時(shí)起到絕緣和支持固定作用。

2 環(huán)氧樹(shù)脂材料

環(huán)氧樹(shù)脂材料以環(huán)氧樹(shù)脂為基礎(chǔ)材料，輔以適當(dāng)?shù)奶畛淞稀⒐袒瘎┖臀⒘刻砑觿N類(lèi)很多，應(yīng)用也廣泛。它具有優(yōu)異的粘接性能、耐磨性能、機(jī)械性能、電絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性能，且具有收縮率低、易加工成型和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。主要由環(huán)氧樹(shù)脂（提供電絕緣性、反應(yīng)性）、二氧化硅（提供機(jī)械特性、導(dǎo)熱性）、氫氧化鋁（提供阻燃性）、酸酐類(lèi)（或胺類(lèi)，提供電絕緣性、反應(yīng)性）固化劑和一些微量添加劑構(gòu)成，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的真空加熱反應(yīng)，形成了均勻的高分子材料。在使用時(shí)只要將成分按規(guī)定的比例混合，經(jīng)過(guò)加熱硬化后便具有了優(yōu)良的綜合性能。

用于點(diǎn)火線圈的環(huán)氧樹(shù)脂的一般要求：①優(yōu)秀的電氣絕緣性能，點(diǎn)火線圈用環(huán)氧灌封樹(shù)脂在常溫時(shí)的介電強(qiáng)度可達(dá)25 kV/mm以上，體積電阻率可達(dá)1.8×108MΩ·m。②優(yōu)秀的機(jī)械特性，點(diǎn)火線圈樹(shù)脂的抗彎強(qiáng)度在130 N/mm2以上。③良好的柔韌性和熱老化性能，確保產(chǎn)品在惡劣環(huán)境中的使用壽命。

3 點(diǎn)火線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 鐵心

鐵心在點(diǎn)火線圈中主要起導(dǎo)磁作用，一般選用硅鋼片迭壓而成。由于鐵心材料硅鋼片與塑料和環(huán)氧樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)不同，在點(diǎn)火線圈工作時(shí)，由于鐵心熱膨脹導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)裂，造成點(diǎn)火線圈絕緣性能降低而擊穿，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需在鐵心表面增加一層緩沖材料，如在鐵芯表面包橡膠、包塑料或采用熱縮套管等。鐵心熱膨脹問(wèn)題解決了，還需要考慮鐵心的散熱效果，增加鐵心表面緩沖材料，會(huì)對(duì)鐵心散熱效果有影響。

鐵心制造工藝也需要保證。鐵心尖角設(shè)計(jì)盡量避免，生產(chǎn)時(shí)模具沖壓、迭壓方向一致，毛刺大小要控制。鐵心零部件結(jié)構(gòu)尖角、毛刺，易造成電場(chǎng)畸變，放電起始電壓降低，同時(shí)尖角對(duì)絕緣層容易產(chǎn)生刮傷。

筆式和頂置式點(diǎn)火線圈代表目前2種比較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)。頂置式鐵心磁路封閉，磁場(chǎng)損失小，筆式點(diǎn)火線圈采用開(kāi)磁路的“I”型鐵心，頂置式點(diǎn)火線圈的點(diǎn)火能量要比筆式線圈高。從鐵心性能方面來(lái)考慮，頂置式鐵心封閉磁路是一種較好的結(jié)構(gòu)。

點(diǎn)火線圈工作時(shí)，鐵心上感應(yīng)有較高電壓，這時(shí)鐵心應(yīng)與點(diǎn)火模塊或其它低壓器件保持適當(dāng)電氣間隙。例如，筆式點(diǎn)火線圈在鐵心兩端加橡膠墊片，既能起到熱脹冷縮的緩沖作用，又能保持適當(dāng)?shù)碾姎忾g隙。

3.2 塑料件

點(diǎn)火線圈的塑料件一般包括有外殼、插座、初級(jí)骨架和次級(jí)骨架等。塑料材料的選擇主要考慮以下2個(gè)方面：①耐溫要求。點(diǎn)火線圈工作時(shí)，溫度較高，所以在選擇塑料件材料時(shí)，要保證工作時(shí)的耐溫要求，能夠經(jīng)受冷熱沖擊試驗(yàn)的考核；②耐壓要求。點(diǎn)火線圈要產(chǎn)生高壓，能夠點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的燃油，所以，無(wú)論是塑料件、環(huán)氧樹(shù)脂，還是漆包線等，都要求有較好的耐電壓性能。和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合好，也能有效提高耐電壓性能。

次級(jí)骨架內(nèi)，不允許有氣孔。氣孔會(huì)影響塑料件的絕緣強(qiáng)度，造成電壓擊穿現(xiàn)象，這與塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、注塑工藝有很大關(guān)系。通常在注塑過(guò)程中，做首件檢查時(shí)，增加這個(gè)過(guò)程是必要的，可以保證塑料件的致密性和絕緣強(qiáng)度要求。

設(shè)計(jì)時(shí)，為確保環(huán)氧樹(shù)脂厚度均勻性，環(huán)氧樹(shù)脂不要大塊，大面積環(huán)氧也容易產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

如何確保塑料件和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合良好，本文介紹一種工藝方法，即等離子（Plasma）工藝。其基本原理是：通過(guò)等離子工藝，在塑料件表面形成微觀上的凹凸不平，有利于環(huán)氧樹(shù)脂填充，提高環(huán)氧樹(shù)脂與塑料件的結(jié)合程度，防止環(huán)氧樹(shù)脂與塑料件產(chǎn)生分層造成電壓擊穿。圖3為等離子工藝前后塑料件表面的放大效果圖。

圖3 塑料件表面的放大效果圖

對(duì)于等離子工藝效果，可以采用達(dá)因測(cè)試（DYNE Test）方法，通過(guò)達(dá)因筆（Marker pens）檢查塑料件的表面能量，以此判斷它是否會(huì)與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合良好。

4 環(huán)氧選型及灌封工藝

前文已介紹點(diǎn)火線圈所用環(huán)氧樹(shù)脂的要求，還需要有合適的環(huán)氧灌注工藝，才能保證環(huán)氧樹(shù)脂的性能符合要求。

選擇合適的環(huán)氧樹(shù)脂，從環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度（Tg值）、線性、膨脹系數(shù)、擊穿電壓等方面綜合考慮。

采用合理的環(huán)氧樹(shù)脂灌封工藝，從產(chǎn)品去潮、產(chǎn)品灌注、產(chǎn)品固化3個(gè)方面考慮。

1）被灌注產(chǎn)品首先要經(jīng)過(guò)去潮工序，目的是除掉產(chǎn)品內(nèi)的水氣，同時(shí)，保持與環(huán)氧灌封料匹配的溫度，有利于環(huán)氧樹(shù)脂滲透，保證灌封效果。

2）產(chǎn)品灌注過(guò)程，要注意產(chǎn)品灌注時(shí)的真空度要求。真空度太高，環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)的酸酐易揮發(fā)；真空度太低，環(huán)氧樹(shù)脂絕緣效果會(huì)受到影響。

3）產(chǎn)品固化，必須按照不同型號(hào)環(huán)氧樹(shù)脂所指定的溫度曲線進(jìn)行固化。一般來(lái)講，有一個(gè)低溫滲透階段，一個(gè)升溫階段和一個(gè)高溫固化階段。固化結(jié)束后段，固化溫度應(yīng)緩慢下降，防止環(huán)氧樹(shù)脂溫度突然下降造成環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)裂。

另外，環(huán)氧樹(shù)脂灌封機(jī)灌內(nèi)應(yīng)定期檢查，防止環(huán)氧樹(shù)脂沉降，影響環(huán)氧比例和固化效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

點(diǎn)火線圈是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件之一，它的使用性能和可靠性非常關(guān)鍵。如何設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出具有高可靠性的點(diǎn)火線圈產(chǎn)品，是我們追求的目標(biāo)。

（編輯 楊 景）

Compatibility Study on Ignition Coil Structure and Epoxy Resin

YANG Jing-bin1， LIU Hui2
(1. Shenzhen Jianke Electronics Co.， Ltd.， Shenzhen 518081；2. Wuxi Kaimike Electronic Materials Co.， Ltd.， Wuxi 214100， China)

This article introduces development history of ignition coil， design key points of the new-generation ignition coil structure as well as its requirements on epoxy resin.

ignition coil；epoxy resin；structure and technique

U463.642

B

1003-8639（2017）07-0068-02

2017-05-31

楊凈斌（1964-），男，湖南華容人，工程師，主要從事汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的研究、汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量體系的開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作。