CN113053665A - 一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器及其制备方法，电容器包括若干组串联芯子列组，串联芯子列组由三列串联芯子列通过上部连接电极和下部连接电极固定连接，串联芯子列由若干芯子由上至下正极和负极接触的串联方式形成；若干组串联芯子列组上部通过正极铜排在另一侧串联芯子列的正极并联，下部通过负极铜排在一侧串联芯子列的正极并联；若干组串联芯子列组在上部的另一侧正极通过正极铜排并联，并在下部一侧正极通过负极铜排并联。本发明提供的电容器和制备方法解决了内部串联蒸镀膜局部放电，较厚金属化聚丙烯薄膜介电强度过高和赋能、耐电压测试设备有高压或超高压的要求，需要特种设备和特种作业的问题。
Description
技术领域
本发明属于薄膜电容器技术领域，具体涉及一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器及其制备方法。
背景技术
金属化薄膜电容器因耐电压高、耐冲击电流大、使用寿命长等特点被应用于军事、医疗、汽车、工业等很多领域。其中高压储能，高压脉冲放电场合的金属化薄膜电容器，性能要求具有10KA-100KA的脉冲电流放电能力及uS级的放电时间，产品的设计要求很高。
高压储能，高压脉冲薄膜电容器的设计目前主要有2种方法，第1种方法是采用高方阻厚度较厚的金属化聚丙烯薄膜做电极和介质材料，第2种方法是采用高方阻厚度较薄的内部串联金属化聚丙烯薄膜做电极和介质材料。采用这2种方法卷绕的芯子，需要耐受5KV-50KV的额定电压，对于电容器制造过程中的赋能、耐电压测试设备有高压或超高压的要求，需要特种设备和特种作业。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器及其制备方法，旨在解决现有技术中内部串联蒸镀膜局部放电，较厚金属化聚丙烯薄膜介电强度过高和赋能、耐电压测试设备有高压或超高压的要求，需要特种设备和特种作业的问题。
本发明提供如下技术方案：一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，所述电容器包括若干组串联芯子列组，所述串联芯子列组由三列串联芯子列通过上部连接电极和下部连接电极固定连接，所述三列串联芯子列包括左侧串联芯子列、中间串联芯子列和右侧串联芯子列，所述串联芯子列由若干芯子由上之下正极和负极接触的串联方式形成；
所述芯子包括作为正极的上部铆接螺母焊片和作为负极的下部铆接螺柱焊片；所述若干组串联芯子列组上部通过正极铜排在所述另一侧串联芯子列的正极并联，下部通过负极铜排在所述一侧串联芯子列的正极并联；
所述若干组串联芯子列组在上部的所述另一侧正极通过正极铜排并联，并在下部所述一侧正极通过负极铜排并联；
所述芯子为表面包裹有两层具有留绝缘边的金属化聚丙烯薄膜以卷边错位的方式包裹的芯棒，所述芯子还具有喷金层；所述金属化聚丙烯薄膜纵由上到下包括金属化电极层和聚丙烯介质层，所述聚丙烯介质层膜横向上包括加厚区、过渡区、活动区和留边区，镀层厚度以斜坡式依次递减。
进一步地，所述加厚区的方阻值为5-10Ω/□，所述过渡区的方阻值为10-40Ω/□，所述活动区的方阻值为40-90Ω/□。
进一步地，所述芯子形成一列串联芯子列的串联方法是通过焊接在芯子上下2个喷金面上的螺柱和螺母来实现，首先将带六边形的螺柱、螺母铆焊在1mm的铜板上，再将铆焊组件通过焊接耳分别焊接在芯子上下两个喷金面上，所述螺柱和所述螺母的材质为紫铜，所述螺柱和所述螺母的螺纹深度范围为8-15mm，所述螺柱和所述螺母之间增加弹性垫片，起密封圈的作用，焊接好螺柱螺母的芯子，用固定扭矩的力将2个芯子的螺柱旋入螺母，依次连接，组成1列，形成串联关系。
进一步地，所述串联芯子列组的个数为6组。
进一步地，所述一列串联芯子列中芯子的数量为8个。
进一步地，所述留边区为无蒸镀层区，宽度为2-4mm，起到隔离不同极性的蒸镀层和喷金层的作用。
进一步地，所述金属化聚丙烯薄膜卷边错位的宽度为1.5-2.5mm。进一步地，所述芯棒外包裹的金属化聚丙烯薄膜形成的卷绕外径为50-150mm。
本发明还提供上述采用芯子组串联的高压脉冲电容器的制备方法，包括以下步骤：
1)将芯子的上部铆接螺母焊片作为正极，将芯子的下部铆接螺柱焊片作为负极，形成一个焊接好焊片的芯子；
2)多个芯子的正负极相接触以串联方式形成一列串联芯子列；
3)将三列所述串联芯子列以中间串联芯子列的负极朝上，左侧串联芯子列和右侧串联芯子列的正极朝上排列，一侧串联芯子列的正极与中间串联芯子列的负极在上部通过上部连接电极连接，另一侧串联芯子列的负极与中间串联芯子列的正极在下部通过下部连接电极连接，形成一组串联芯子列组；
4)将若干组所述串联芯子列组在上部的所述另一侧正极通过正极铜排并联，并在下部所述一侧正极通过负极铜排并联，形成所述金属薄膜化内部芯子串联的芯子组电容器。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的采用芯子组串联的高压脉冲电容器解决内部串联蒸镀膜局部放电问题。金属化内部串联薄膜介质内部存在的电弱点、极板边缘气隙、表面气隙等，在较高的交变电压下，每个周波都发生重复性多次放电，放电的能量不断引起锌铝金属化膜的电极层腐蚀，加速介质老化，严重时锌铝金属大面积电离，电容器容量大幅降低。引发的主要因素两条，其一是金属化膜蒸镀层边缘存在毛刺尖峰，该毛刺尖峰在串联的金属化膜相邻2串之间形成尖端放电而最终形成局部放电，其二是芯子设计的额定超过局部放电的起始电压，形成高压电离。
本发明提供的采用芯子组串联的高压脉冲电容器采用较薄的金属化聚丙烯薄膜做电极和介质材料，因金属化镀层不存在串联结构，即不存在尖端放电和局部放电，同时因较薄的膜承受的额定电压比较低，不会形成高压电离。
2、本发明提供的采用芯子组串联的高压脉冲电容器采用了金属薄膜化处理单个芯子，进而解决了较厚金属化聚丙烯薄膜介电强度过高的问题。
电容器的额定电压根据UN＝薄膜介电强度x薄膜厚度，为达到储能电容器比较高的额定电压，常规设计采用比较厚的薄膜和比较高的介电强度，如采用7um厚薄膜，介电强度设计为650V/um。介电强度的设计值越高，则金属化蒸镀层越薄，方阻越高，发热量越大，产品使用寿命越短。
3、赋能、耐电压测试设备有高压或超高压的要求，需要特种设备和特种作业问题。本发明提供的采用芯子组串联的高压脉冲电容器和制备方法制备得到的单个芯子设计的额定电压<1000V，在电容器制造、测试和试验过程中电压<2000V，采用本发明提供的制备方法制备得到的金属薄膜化内部芯子串联的芯子组电容器的常规设备即能满足电压要求，同时操作过程无特高压，不需要特种作业。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的电容器的整体示意图；
图2为本发明提供的电容器的单个芯子的结构示意图；
图3为本发明提供的电容器的若干组串联芯子列组通过正极铜排和负极铜排连接的结构示意图；
图4为芯子表面金属薄膜的结构示意图；
图5为金属化薄膜芯子的内部结构图；
图6为电容器的串联芯子列组制备流程图。
具体实施例方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，为本实施例提供的一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，所述电容器包括若干组串联芯子列组5，所述串联芯子列组5由三列串联芯子列2通过上部连接电极3和下部连接电极4固定连接，所述三列串联芯子列2包括左侧串联芯子列2-1、中间串联芯子列2-2和右侧串联芯子列2-3，所述串联芯子列2由若干芯子1由上之下正极和负极接触的串联方式形成；
如图2所示，所述芯子1包括作为正极的上部铆接螺母焊片1-1和作为负极的下部铆接螺柱焊片1-2；如图3所示，所述若干组串联芯子列组5上部通过正极铜排6在所述另一侧串联芯子列的正极并联，下部通过负极铜排7在所述一侧串联芯子列的正极并联；
所述若干组串联芯子列组5在上部的所述另一侧正极通过正极铜排6并联，并在下部所述一侧正极通过负极铜排7并联；
如图4所示，所述芯子为表面包裹有两层具有留绝缘边的金属化聚丙烯薄膜以卷边错位的方式包裹的芯棒，所述芯子还具有喷金层；所述金属化聚丙烯薄膜纵由上到下包括金属化电极层和聚丙烯介质层，所述聚丙烯介质层膜横向上包括加厚区、过渡区、活动区和留边区，镀层厚度以斜坡式依次递减；所述加厚区的方阻值为5-10Ω/□，所述过渡区的方阻值为10-40Ω/□，所述活动区的方阻值为40-90Ω/□。
芯子的设计包括芯子形体、卷绕错边量、卷轴直径、芯棒直径、芯子外径、卷绕设备参数和外封绝缘膜的材质、厚度、圈数等，如图5所示，金属化薄膜芯子的制备方法，包括以下步骤：
S1：将两层所述金属化薄膜进行卷边错位地交叠，所述卷边错位为将两层所述留边区朝向所述芯棒的上部和下部不同方向；
S2：将两层所述金属化薄膜用所述芯棒包裹卷绕；
S3：经过所述S2的卷绕，经过热压或冷压工艺得到圆柱体或椭圆柱体的芯子，得到卷绕外径为50-150mm的圆柱体或椭圆柱体的芯子；
芯子的卷绕外径由芯子的空间布局、卷绕机的工程能力和芯子的额定容量确定，直径越小，卷绕难度越低，性能越好，但直径太小，效率较低，但直径太大，卷绕难度越高，张力越大，尤其是靠近圆柱轴心位置。
芯子形体可分为圆柱体和椭圆柱体，其中椭圆柱体为圆柱体的压扁形态，优选为圆柱体，因为椭圆柱体经过热压或冷压工艺，内部张力分布不均，尤其椭圆弧处薄膜的张力会增加，在高压使用过程中易发生过度自愈，缩短电容器使用寿命。
卷绕错位量根据电容器芯子的额定电压和薄膜的留边宽度确定，卷边错位的宽度的取值范围是1.5-2.5mm。金属化聚丙烯薄膜的留边区为无蒸镀层区，宽度为2-4mm，起到隔离不同极性的蒸镀层和喷金层的作用，留边宽度根据电容器单只芯子的额定电压确定，留边宽度越大，隔离电压越高。
芯子1形成一列串联芯子列2的串联方法是通过焊接在芯子上下2个喷金面上的螺柱和螺母来实现，首先将带六边形的螺柱、螺母铆焊在1mm的铜板上，再将铆焊组件通过焊接耳分别焊接在芯子上下两个喷金面上，本发明专利考虑1列芯子的重量和连接的可靠性，螺柱和螺母材质均为紫铜，规格选型为推荐为M6、M8或M10，螺柱和螺母的螺纹深度范围为8-15mm，同时为防止灌封时环氧树脂渗如螺丝螺母装配间隙，螺柱和螺母之间增加弹性垫片，起密封圈的作用，焊接好螺柱螺母的芯子，用固定扭矩的力将2个芯子的螺柱旋入螺母，依次连接，组成1列，形成串联关系。
优选地，一列串联芯子列2中芯子的数量为8个，所述串联芯子列组5的个数为6组。
实施例2
如图6所示，本发明还提供实施例提供的采用芯子组串联的高压脉冲电容器的制备方法，包括以下步骤：
1)将芯子的上部铆接螺母焊片1-1作为正极，将芯子的下部铆接螺柱焊片1-2作为负极，形成一个焊接好焊片的芯子1；
2)多个芯子的正负极相接触以串联方式形成一列串联芯子列2；
3)将三列所述串联芯子列2以中间串联芯子列2-2的负极朝上，左侧串联芯子列2-1和右侧串联芯子列2-3的正极朝上排列，一侧串联芯子列的正极与中间串联芯子列的负极在上部通过上部连接电极3连接，另一侧串联芯子列的负极与中间串联芯子列的正极在下部通过下部连接电极4连接，形成一组串联芯子列组5；
4)将若干组所述串联芯子列组5在上部的所述另一侧正极通过正极铜排6并联，并在下部所述一侧正极通过负极铜排7并联，形成所述金属薄膜化内部芯子串联的芯子组电容器。
采用上述方法制备得到的电容器中的芯子串联后电气参数：耐电压UN＝单个芯子的耐电压Un x串联数量n，电容量Cn＝单个芯子的耐电压C1÷串联数量n，如果要得到比较大的大容量，需要多个串联芯子组并联，并联后参数：耐电压＝UN，电容量CN＝1个串联芯子组的Cn x并联数量N。
多个串联芯子组的并联由正极母排和负极母排实现，具体为用正极母排将第1个串联芯子组的头部芯子的螺柱或螺母+第2个串联芯子组的螺柱或螺母+第2个串联芯子组的螺柱或螺母+……第N个串联芯子组的螺柱或螺母用螺母或螺丝连接，同理，用负极母排连接1到N芯子组，这样即形成n组并联关系。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，其特征在于，所述电容器包括若干组串联芯子列组(5)，所述串联芯子列组(5)由三列串联芯子列(2)通过上部连接电极(3)和下部连接电极(4)固定连接，所述三列串联芯子列(2)包括左侧串联芯子列(2-1)、中间串联芯子列(2-2)和右侧串联芯子列(2-3)，所述串联芯子列(2)由若干芯子(1)由上之下正极和负极接触的串联方式形成；
所述芯子(1)包括作为正极的上部铆接螺母焊片(1-1)和作为负极的下部铆接螺柱焊片(1-2)；所述若干组串联芯子列组(5)上部通过正极铜排(6)在所述另一侧串联芯子列的正极并联，下部通过负极铜排(7)在所述一侧串联芯子列的正极并联；
所述若干组串联芯子列组(5)在上部的所述另一侧正极通过正极铜排(6)并联，并在下部所述一侧正极通过负极铜排(7)并联；
所述芯子为表面包裹有两层具有留绝缘边的金属化聚丙烯薄膜以卷边错位的方式包裹的芯棒，所述芯子还具有喷金层；所述金属化聚丙烯薄膜纵由上到下包括金属化电极层和聚丙烯介质层，所述聚丙烯介质层膜横向上包括加厚区、过渡区、活动区和留边区，镀层厚度以斜坡式依次递减。
2.根据权利要求1所述的一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，其特征在于，所述加厚区的方阻值为5-10Ω/□，所述过渡区的方阻值为10-40Ω/□，所述活动区的方阻值为40-90Ω/□。
3.根据权利要求1所述的一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，其特征在于，所述芯子(1)形成一列串联芯子列(2)的串联方法是通过焊接在芯子上下2个喷金面上的螺柱和螺母来实现，首先将带六边形的螺柱、螺母铆焊在1mm的铜板上，再将铆焊组件通过焊接耳分别焊接在芯子上下两个喷金面上，所述螺柱和所述螺母的材质为紫铜，所述螺柱和所述螺母的螺纹深度范围为8-15mm，所述螺柱和所述螺母之间增加弹性垫片，起密封圈的作用，焊接好螺柱螺母的芯子，用固定扭矩的力将2个芯子的螺柱旋入螺母，依次连接，组成1列，形成串联关系。
4.根据权利要求1所述的一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，其特征在于，所述串联芯子列组(5)的个数为6组。
5.根据权利要求1所述的一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，其特征在于，所述一列串联芯子列(2)中芯子的数量为8个。
6.根据权利要求1所述的一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，其特征在于，所述留边区为无蒸镀层区，宽度为2-4mm，起到隔离不同极性的蒸镀层和喷金层的作用。
7.根据权利要求1所述的一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，其特征在于，所述金属化聚丙烯薄膜卷边错位的宽度为1.5-2.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器，其特征在于，所述芯棒外包裹的金属化聚丙烯薄膜形成的卷绕外径为50-150mm。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种采用芯子组串联的高压脉冲电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将芯子的上部铆接螺母焊片(1-1)作为正极，将芯子的下部铆接螺柱焊片(1-2)作为负极，形成一个焊接好焊片的芯子(1)；
2)多个芯子的正负极相接触以串联方式形成一列串联芯子列(2)；
3)将三列所述串联芯子列(2)以中间串联芯子列(2-2)的负极朝上，左侧串联芯子列(2-1)和右侧串联芯子列(2-3)的正极朝上排列，一侧串联芯子列的正极与中间串联芯子列的负极在上部通过上部连接电极(3)连接，另一侧串联芯子列的负极与中间串联芯子列的正极在下部通过下部连接电极(4)连接，形成一组串联芯子列组(5)；
4)将若干组所述串联芯子列组(5)在上部的所述另一侧正极通过正极铜排(6)并联，并在下部所述一侧正极通过负极铜排(7)并联，形成所述金属薄膜化内部芯子串联的芯子组电容器。
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2021
- 2021-03-23 CN CN202110304599.8A patent/CN113053665A/zh active Pending
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