分开的激励系统

                    技术领域

本发明通常涉及火花点火电路，特别涉及用于喷气式飞机引擎的 激励电路。

                    发明背景

激励电路用于喷气式飞机以及用在为点火器(在喷气式发动机的 燃烧室中产生火花以启动和/或保持发动机中的燃烧)提供高压火花能 量的其他应用中。传统的喷气式飞机激励电路在本领域中是公知的， 并且被典型地设计为利用低压电源来生成产生火花所需的高压输出。 多年来人们已经提出了许多直接回扫、电容性放电以及混合点火电路。 这些系统典型地包括通过高能电缆，或者能够承载产生火花所需的高 压和大电流的点火线与点火器连接的激励电路。激励电路经常位于靠 近点火器的位置，从而使得这些高能电缆无需过长。

如上所述，激励电路本身可以通过各种电路设计实现。例如，激 励器可以包括充电电路，和储存来自充电电路的能量以产生火花的输 出放电电路。充电电路通常包括感应装置(例如，回扫变压器)，用于 为位于放电电路中的储能装置(例如电容器)提供高压脉冲。放电电 路还可包括串连在储能装置和火花塞之间的开关装置(switching device)，例如火花隙(spark gap)或者SCR，从而通过该开关装置将 储能装置和火花塞彼此隔离。当开关装置闭合时，其起到短路的作用， 储存的能量通过火花塞放出，从而产生火花。

当用在飞行器应用中时，激励电路必须满足与电磁干扰(EMI) 和防雷保护有关的某些性能要求。为了满足这些要求，激励电路典型 地容纳在提供了防雷保护和EMI隔离的防护罩内。由于激励电路通常 位于飞机发动机处，例如在机翼外，因此这些保护装置或部件相对于 已经用于防护和保护位于飞机内其他位置的其他电路的类似装置是分 离和独立的。另外，由于所用的高能电缆可以承载600-2000安培的电 流，因此解决电缆的EMI辐射的防护需求是相当广泛的，从而增加了 系统成本。

                    发明内容

根据本发明，提供了一种分为低能量充电电路和高能量放电电路 的激励系统，所述低能量充电电路和高能量放电电路通过低能量电缆 彼此连接。所述充电电路利用在其输入中接收到的操作功率，以在输 出中提供高电压、小电流的充电信号。所述高能量放电电路通常利用 储能装置来储存从所述充电信号接收的能量，并且利用开关装置将储 存的能量提供至点火器。通过以这种方式将激励器分开，放电电路可 被设置在靠近点火器的位置，而充电电路可以远离地位于进行了更多 防护的环境中。另外，通过电缆利用小电流充电使得可以使用大量不 同类型的屏蔽和无屏蔽电缆中的任意一种，包括例如成本相对较低的 同轴电缆，并且允许充电电路和放电电路相隔较远地设置(如果需要 的话)。这样使得允许使用各种不同的物理布图设计，例如充电电路 位于飞机机身内而放电电路位于飞机发动机中，而不管发动机安装在 飞机机翼、尾部、还是其他位置。

根据本发明的另一个方面，提供了一种激励系统，具有充电电路、 放电电路、将所述两个电路相互连接的电缆、以及用于放电电路的至 少一部分的外壳。所述外壳具有第一和第二开口，并且所述电缆通过 第一开口将充电信号提供至放电电路，在第二开口中设置连接器。点 火器直接附着于连接器。这样允许激励电路与位于点火器处的放电电 路分开，并且使得充电电路较远地设置。

根据本发明的另一个方面，提供了一种可用作上述分开的激励系 统一部分的放电电路装置。所述放电电路装置可包括具有金属罐的外 壳，所述金属罐具有底壁、至少一个与所述底壁形成为一体的侧壁、 以及开放端。所述外壳还包括覆盖所述罐的所述开放端的盖。放电电 路位于所述外壳内，并且包括用于通过所述外壳内的第一开口接收操 作功率的输入，以及用于通过所述外壳内的第二开口提供点火脉冲的 输出。连接器设置在所述第二开口中并与所述放电电路的输出相连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种组装被封装的放电电路的 方法。所述方法包括以下步骤：提供(例如)如上所述的金属罐，其 包括底壁、至少一个与所述底壁形成为一体的侧壁、以及开放端；提 供安装在所述开放端上的盖；将连接器附接于所述盖中的开口中；将 放电电路安装在所述盖的内表面上；将所述放电电路与所述连接器电 连接；以及将所述盖安装在所述罐的所述开放端上，同时所述放电电 路在所述底壁和所述盖之间封闭在所述罐内。这样，放电电路首先组装 在盖上，并且当所述盖附接在所述罐的所述开放端上方时，所述放电电 路即可被设置在所述罐内。优选地，所述放电电路随后被装填在所述罐 内。

                        附图的简要说明

以下将结合附图对本发明的优选示例性实施方案进行描述，其中 相似的标记表示相似的元件，其中：

图1是本发明的分开的激励系统的实施方案的一般电路图；

图2是结合了图1的激励系统的喷气式飞机的简图；

图3是被封装的图1所示的放电电路的部分组装视图；以及

图4是组装完成后的图3的放电电路和外壳的立体图。

                    优选实施方案的详细描述

参照图1和图2，图1和图2示出了根据本发明构建的分开的激 励器系统10，其可以在喷气式飞机20上使用，以启动和保持飞机发 动机22中之一内的燃烧。激励器10包括远离高能量放电电路14并与 高能量放电电路14连接的低能量充电电路12。通常，充电电路12使 用来自于飞机电源总线(aircraft supply bus)或者其他合适的电源的操 作功率，产生高电压、小电流的充电信号，并将其通过小电流电缆16 提供至放电电路14。放电电路接收所述信号并且利用能量存储装置 (例如电容器)存储其相关能量。能量聚集直到开关装置将能量存储 装置连接至点火器，此时所储存的能量流过点火器从而产生火花。

通过将激励器10分为低能量充电电路12和高能量放电电路14、 并利用小电流电缆16连接这两个电路，所述两个电路可以在飞机20 上分隔相对较长的距离，而无需使用昂贵的可容纳大电流的电缆来将 它们互连。如图2所示，这样可将放电电路设置在发动机22处，而将 包括有源组件的充电电路连同防护罩18(用于保护其免受雷击和可能 会影响其工作的其他外部情况影响)内的其他电路一起设置在机身24 内。由于可以将充电电路的更为敏感的部分置于已经设置在飞机上用 于其他电子器件40和42的已有防护罩18内，因此该电路布局可以通 过去除激励器在发动机22中的单独防护的需要，从而降低了点火激励 系统的总成本，同时降低了位于机翼26外部的点火电路的电子器件的 数量以及重量。如图所示，如果需要的话，充电电路12可与一个或多 个通过电缆16′与其他放电电路14′连接的其他充电电路12′容纳在一 起。该第二激励器可用于与同一个发动机或者如图所示的飞机上的其 他发动机协同工作。另外，其他电子器件40、42的部分或全部可以是 所有发动机控制的一部分。例如ECU 40可以是FADEC系统的一部分。

低能量充电电路12为放电电路提供了高电压、小电流的DC信号， 并且通常包括输入30、电荷泵(charge pump)32以及经过整流的输 出34。所述输入耦合至功率源，例如标准的飞机电源总线36。可包括 传统的回扫变压器或者其他合适的高电压、小电流电源的电荷泵通过 其输入30接收操作功率。电荷泵12利用操作功率产生高电压、小电 流DC电信号，该信号典型地具有范围在2000-3000伏的电压，以及 小于1安培、更优选地小于100毫安的电流。多种可提供具有上述电 特性的输出的电路设计对于本领域技术人员来说是公知的。例如，回 扫变压器电路是众所周知的，其利用流过变压器的主绕组的电流来产 生周期性突然中断的磁场，以使得磁场快速衰减，从而在变压器的次 级绕组重感应出高压脉冲。该次级输出可以通过一个或多个整流二极 管(未示出)连接至输出34。本领域技术人员应该理解，低能量充电 电路12可以包含任意数量的附加电子元件，例如滤波器、限流装置以 及限压装置，并且可以采用多种特定电路设计中的一种。

小电流电缆16优选为能够承载与上述相同的电压和电流负载的 同轴电缆。然而，电缆16可选地可以是适于传输电荷泵32所提供的 高压充电电流的任何类型的电导体。根据飞机20的特定设置，特别是 发动机22的位置，电缆16可以延伸通过飞机的多个部件和组件。例 如，如果充电电路12位于机身内，而发动机设置在机翼上，那么电缆 16可以在机翼的内部通道中从机身延伸到远处的发动机的位置，如图 2所示。在这一点上，值得注意的是，在本文中使用的与充电和放电 电路有关的术语“远处的”和“远处地”并非指任何必须的最小距离， 也并非是需要所述两个电路位于飞机的不同部分，而只是表示充电电 路与放电电路的距离远到能够使充电电路所经受的温度、电磁场和/ 或其他环境条件与放电电路并不完全相同。因此，充电电路并非必须 位于飞机上与放电电路不同的部分，并且即使其距离放电电路可能只 有几英尺远，也可被认为是远离放电电路。

电缆16优选地包括某些电磁屏蔽部件，以对抗EMI效应。在使 用同轴电缆的情况下，其包括中心导体以及两端接地的编织(braided) 外导体(如图1所示)，以提供所需的屏蔽。然而，与许多传统的激励 器高压电缆所需的屏蔽程度相比，电缆16所需的屏蔽的程度降低，因 为电缆16仅传输小电流信号。如上所述，使用电缆来将放电脉冲传导 至点火器的传统的系统可能需要处理范围在600-2000安培的电流，而 电缆16传导比其小3到4个量级的电流。

高能量放电电路14通过电缆16接收充电信号并且存储能量，由 此一旦存储的能量超过特定阈值时，所述存储的能量被释放通过启动 燃烧处理的点火器。图1所示的高能量放电电路通常包括输入50，点 火器52以及多个无源电子元件，所述无源电子元件与在充电电路12 中使用的某些有源元件相比在多变的环境条件下典型地具有更强的鲁 棒性。“无源”元件包括例如电阻、电容器、电感器、铁氧体、变压器 以及连接器的元件。相反，“有源”元件是可以放大或者转换信号的装 置，例如晶体管和多晶体管电路(集成电路、运算放大器等)，并且包 括具有专用电源和接地连接的任何其他器件。

用在放电电路14中的无源器件主要包括储能装置54、开关装置 56、脉冲展宽电感器58以及电阻60。输入50与电缆16的一端和储 能装置的接线端相连接。在优选实施方案中，储能装置是连接在输入 50和接地之间的0.27微法的振荡回路电容器，当然也可使用其他的电 容器和其他的储能装置。储能装置的特定特征(例如电容、电感等) 可根据火花频率和其他所需的或期望的性能需求变化。开关装置56 可以是例如所示的在存储电容器54和接地之间与点火器52串联连接 的火花隙。另外，可根据特定应用的需要或者期望来选择开关装置的 特定特征(例如通过火花隙的电弧所需的电压)。电感器58串联连接 在火花隙56和点火器52之间。电感器58是对提供至点火器的点火脉 冲进行展宽和平滑的脉冲展宽电感器。最后，电阻60是为火花隙56 的输出端提供参考接地的高阻值电阻，否则火花隙56将完全与地隔 离。如本领域技术人员可以理解的那样，高能量放电电路14仅是示例 性实施方案，并且可以包含许多附加电子元件，例如滤波器、限流装 置以及限压装置，并且可以采用多种特定电路设计中的一种。

在工作中，低能量充电电路12通过电缆16为高能量放电电路14 提供慢速充电的高压、小电流DC充电信号。充电电流只需高到足以 使电容器54可以足够快地为激励电路完全充电以满足特定应用所需 的火花频率要求即可。充电电路接收操作功率并且利用电荷泵或类似 物来产生充电信号，所述充电信号通过低能量电缆传输至放电电路的 输入。充电信号提供低电容性充电，并且由于其低的电流强度而最小 化能量损失和EMI。从充电信号接收的能量在电容器中缓慢累积直到 其通过火花隙56放电。在图1所示及以上所述的实施方案中，当存储 在电容器中的能量超过火花隙的阈值(典型地在3000伏左右)时进行 释放。被释放的能量以高能点火脉冲形式通过串联的电感器58，由此 电感器展宽和平滑脉冲以产生更高的燃烧性能。展宽的点火脉冲通过 点火器52放电，所述点火器52与火花隙56相比具有较低的火花隙电 压阈值，从而产生通过点火器的电极的火花。

现在参照图3-4，其中示出了高能量放电电路14的、利用了大致 为筒形的外壳70的外壳装置。图3示出了完全组装之前的外壳，从而 可以显示出放电电路的元件。另外，图4示出了组装完毕的、准备与 飞机发动机的点火器连接的外壳。放电电路14中除了点火器52外的 所有元件都容纳在外壳70内，尽管可以认为点火器是放电电路对其起 作用的负载，可以不被认为是放电电路的一部分。如图所示，外壳70 包括金属罐78，所述罐78具有底壁、圆周侧壁以及放电电路14的组 件74可由其插入的开放端。外壳70还包括安装在金属罐78的开放端 上的金属盖76，从而将组件74在罐底壁和盖76之间封闭于罐内部。

电缆16通过外壳70的圆周面中的开口72进入外壳70。如前所 述，电缆16连接至放电电路14的输入，从而使电缆为其提供高电压、 小电流的充电信号。电缆可以通过开口72进入外壳10并且在开口处 设置有应力消除(stress relief)。可选地，电缆端部可设置有与设置在 开口72内的互补连接器相匹配的连接器(二者均未示出)。放电电路 14的输出通过设置在金属盖76的开口82内的插口(socket)80将点 火脉冲提供至点火器，由此外壳70可以直接附接至已经预先安装至发 动机的点火器52的线端。适合的插口结构对于本领域技术人员是公 知的。

为了提供屏蔽，外壳70(包括金属罐和盖)电连接至电缆16和 点火器52共用的接地。外壳70和无源电子组件74的特定结构可以与 图中特定示出的结构不同。例如，可以将外壳设计为通过盖76或金属 罐78的底壁内的开口来接收电缆16，而不是通过圆周面中的开口72 来接收。另外，可以将外壳70设计成使其整体形状为立方的、圆锥的 或者其他适合的形状。此外，点火器插口80可以从金属罐78的圆周 面或者底壁突出。然而，如将要描述的那样，插口80有利地附接至盖 76以允许将放电电路组装在盖上，用于在随后安装在金属罐内。

具体地说，组装被封装的放电电路的过程如下。首先制造金属罐 和盖，以及它们各自的开口72和82。然后，将插口80附接至开口82。 接着，将放电电路安装在盖的内表面，并且将其连接至插口。上述过 程可包括通过一个或多个电连接器简单地进行与连接器的合适电路连 接，并且依靠所述连接来将上述组件保持在合适的位置，或者可以包 括将组件74独立于其电路连接地物理固定至盖。同轴电缆16可以通 过开口72进入，并在开口处配备应力消除，并连接至放电电路，同时 电缆的中心导体连接至输入50并且外部导体接地。在完成了全部电路 连接后，利用电介质装填材料将所述元件装填在合适的位置，其中， 电介质装填材料环绕和保护上述元件并将它们绝缘。然后将盖和其部 件附接在金属罐的开放端上，由此所述元件在罐的盖和底壁之间设置 在所述外壳内。通过将盖和罐磁焊接在一起来完成附接，从而产生气 密封。当然，也可以使用本领域技术人员公知的多种其他附接技术。 装填材料可以是填充金属罐的某些或者全部内部空间的保形涂料 (conformal coating)或者是刚性的可矫形装填材料。在这点上，可以 在将盖最终安装在罐之前或者之后进行装填(或者至少是装填固化)。 在任何一种方法中，上述装填处理将元件包围密封在外壳内。

可选的，装有外壳的放电电路可以这样组装，即电路元件首先插 入并且电连接在罐内，然后如上所述分别添加并且附接介电装填材料。 在某些情况下，人们已经发现可以完全省略盖。根据该方法的组装包 括将装填材料添加至罐的开放端的顶部，然后如上所述地将电路元件 插入并且电连接在罐内。在固化以后，装填材料的上表面(其可以但 并非必须固化)与罐的开口平齐，从而作为一种盖。当然，也可以增 加或者省略其他的组装步骤，如果这种改变对于本领域技术人员来书 显而易见的话。

正如可以认识到的那样，通过提供分开的低能量充电电路和高能 量放电电路，激励电路可以用在飞机应用中，其中，放电电路可以位 于飞机发动机处的机翼外，而充电电路设置在远处(甚至在机身内)， 充电电路在这些位置可以利用现有的防雷和EMI防护装置。另外，分 开的放电电路优选地仅包括无源电子元件，从而对防雷和其他防护装 置的需求较小，这是因为无源元件与有源元件相比不容易受到影响。 此外，通过由充电电路将低能量DC充电信号发送至放电电路，激励 系统降低了能量损失和EMI(否则其将会与高能量电信号的发送相 关)。另外，大致为柱形的外壳的简单、紧凑和耐用的设计使得放电电 路的元件可以容易地受到保护并且安装在飞机发动机附近，点火器插 口使得放电电路可以直接连接至点火器，而不需要使用高能点火电缆 将放电电路和点火器相互连接。上述特征和优点只是所示分开的激励 系统性质的一小部分，其中所公开的激励系统具有相对简单的设计、 经济的制造和组装成本，并且可具有长的和有效的使用寿命。

由此显而易见的是，根据本发明在此提供了一种分开的激励系统， 其实现了在此描述的目的和优点。当然，应该理解以上仅是对本发明 优选示例性实施方案的说明，并且本发明并不受所示特定实施方案的 限制。对本领域技术人员来说各种改变和修改是显而易见的，并且这 种改变和修改由所附权利要求的范围所涵盖。