DE2001738A1 - Stirnkontaktierter regenerierfaehiger elektrischer Kondensator - Google Patents

Description

• Stirnkontaktierter, regenerierfähiger, elektrischer Kondensator Die Erfindung bezieht sich auf einen stirnkontaktierten, regenerierfähigen, elek-trischen Kondensator, bei dem die Elektroden aus je zwei ausbrennfähig dünnen, gleiches Potential aufweisenden Metallisierungen bestehen.
• Aus der deutschen Patentschrift 832 640 ist ein regenerierfähiger Wickelkondensator bekannt, bei dem beidseitig metallisierte Papierbänder als Elektroden des Kondensators dienen. Die beiden Metallisierungen auf dem Papierband erden über Stirnkontaktschichten kurzgeschlossen, so daß das Papier im fertigen Kondensator im feldfreien Raum liegt. Als Dielektrikum werden verlustarme Stoffe, wie z.B. Polystyrol, verwendet.
• Aus de US-Patentschrift 3 346 789 ist der gleiche Kondensatoraufbau bekannt. Dieser Kondensator ist mit einem festen Imprägniermittel versehen.
• Weiterhin ist aus der französischen Patentschrift 1 541 644 der soeben beschriebene Kondensatoraufbau bekannt, wobei als Imprägniermittel ein das Dielektrikum anquellendes Isolieröl verwendet wird. Im dielektrisch wirksamen Raum befinden sich im wesentlichen nur Festkörper. Durch das Anquellen des Dielektrikums vergrößert sich dessen Volumen und füllt alle im Konden3ator vorhandenen Hohlräume aus.
• Derartige Kondensatoren besitzen wegen der Homogenität des Dielektrikums eine außerordentlich hohe Spannung festigkeit, so daß im aktiven Kondensatorteil hohe Betriebsfeldstärken zur Anwendung kommen können.
• Aus der Zeitschrift "Frequenz", Band 19, 196)r, Nr. 7, Seiten 242 - 24G, ist es aus dem Aufsatz von Heyxvang und Preissinger "Ve;teilung des elektrischen Feldes in Kondensatoren mit metallisierten Dielektriken" bekannt, daß das elektrische eld im Kondensator, insbesondere in der Umgebung der Metallkanten, proportional zur Wurzel aus der Dielektrikumsdicke ist. Die Glimmeinsatzsnannung steigt demnach proportional zur Wurzel aus der Dielektrikumsdicke. Da für steigende Betriebsspannungen die Dicke des Dielektrikums ebenfalls zunehmen muß, wird somit die Kantenfeldstärke im Vergleich zur Feldstärke im Überdeckungsbereich der Elektroden immer größer. Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, das Verhältnis der Kantenfeldstärke zur Feldstärke im Überdeckungsbereich der Elektroden, d.h. zur homogenen Feldstärke im Kondensator zu verringern.
• Bei einem stirnkontaktierten, regenerierfähigen, elektrischen Kondensator, bei dem die Elektroden aus je zwei ausbrennfähig dünnen, gleiches Potential aufweisenden Metallisierungen bestehen, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator eine innere Reihenschaltung aufweist, wobei eine Blindelektrode, ebenfalls aus zwei ausbrennfähig dünnen Metallisierungen bestehend, zwischen zwei Dielektrikumsfolien angeordnet ist.
• Die beiden Metallisierungen der Blindelektrode können bei Durchführung der Erfindung sich entweder auf den beiden Dielektrikumsfolien befinden und aufeinanderliegen oder auf einem beidseitig metallisierten Isolierstoffband, welches insbesondere aus Papier besteht und welches zwischen den beiden Dielektrikumsfolien angeordnet ist, aufgebracht sein. Die einzelnen Kondensatoranlagen können dabei gestapelt oder gewickelt sein. Als Blindelektrode sind die beiden Metallisierungen bezeichnet, welche nicht mit den Stirnkontaktschichten in Verbindung stehen.
• Eine weitere Aufteilung, d.h. eine Mehrfachreihenschaltung, erhält man durch weitere Unterteilung der Metallisierungen der stromführenden Elektrode und eine entsprechende der Blindelektrode durch isolierende Längsstreifen. Um eine maximale Gesamtkapazität zu erhalten, müssen die Geilkapazitäten, die im Kondensator in Reihe geschaltet sind, gleich groß sein, d.h. die Isolierstreifen, die parallel zu den Stirnkanten verlaufen, sind äquidistant angeordnet. Die Isolierstreifen befinden sich dabei an den gleichen Stellen auf dem jeweiligen Isolierstoffband, d.h. der Abstand der Isolierstreifen von den Stirnkanten, zu denen sie parallel verlaufen, ist für die Isolierstreifen auf beiden Oberflächen eines Isolierstoffbandes der gleiche. Im erfindungsgemäßen Kondensator wird die Kantenfeldstärke im Vergleich zur homogenen Feldstärke im Überdeckungsbereich der Elektroden nicht ungünstig hoch und es wird deshalb ein Sprühen infolge schlecht imprägnierbarer Spalte oder mangelhafter Überdeckung der Beläge vermieden. In den Metallisierungen der Blindelektrode fließen praktisch keine Ströme, so daß diese Metallisierungen sehr dünn gehalten werden können und/oder mit einem Rißmuster, Kratzern oder dergleichen, versehen sein können, wodurch das Regenerierverhalten verbessert wird.
• Die innere Reihenschaltung von Kondensatoren mit einseitig bedampften Dielektrika ist beispielsweise aus den "Siemens-Bauteile-Informationen" 7, 1969, Heft 5, auf den Seiten 136 bis 139 in Aufsatz von Hoyler "Metallisierte Kunststoffkondensatoren'für hohe Gleichspannung" beschrieben. Demgegenitber wird der erfindungsgemäßenKondensator insbesondere bei hohen Wechselspannungen verwendet.
• In den Figuren sollen anhand von erfindungsgemäßen Aus-'führungsbeispielen die Erfindung und Vorteile derselben näher erläutert werden. Die Figuren 1 bis 7 zeigen dabei schematisch Kondensatoraufbauten, welche die Erfindung verwirklichen.
• In der Figur 1 sind die stromführenden Metallisierungen 1 auf das Isolierstoffband 2 beidseitig aufgebracht. Diese Metallisierungen besitzen im Bereich A einen metallfreien IsolierstrCifen, Über die Blindelektrode, welche aus einem Isorstoffband 5 mit beidseitig aufgebrachten Metallisierungen 6 besteht, wird die innere Reihenschaltung hergestellt, Zwischen den Metallisierungen 1 und den Metallisierungen 6 der Blindelektrode befinden sic die Dielektrikumsfolien 3 und 4. Die Blindelektrode ist dabei zwischen den beiden Dielektrikumsfolien 3 und 4 angeordnet. Die Isolierstreifen in den Metallisierungen 1 befinden sich in der Motte dieser Metallisierungen und verlaufen parallel zu den Stirnkanten, welche von aufgespritzten Stirnkontaktschichten erfaßt werden. Die Metallisierungen 1 werden dabei an den Stirnseiten des Kondensators kurzgeschlossen, so daß sich das Isolierstoffband 2 im feldfreien Raum befindet. Durch den Aufbau der Fig. 1 wird eine Zweifachreihenschaltung erzielt. Eine Mehrfachreihenschaltung läßt sich durch weitere Isolierstreifen in den Metallisierungen 1 und 6 erzielen. Die Isolierstreifen zu beiden Seiten des Isolierstoffbandes 2 besitzen dabei den gleichen Abstand von den Stirnkanten, d.h. sie liegen genau übereinander.
• Versetzt zu diesen Isolierstreifen in den Metallisierungen 1 müssen in der Blindelektrode ebenfalls Isolierstreifen angeordnet sein, so daß eine Mehrfachreihenschaltung entsteht.
• In der Figur 2 besteht die eine stirnkontaktierte Elektrode aus dem Isolierstoffband 2, welches auf beiden Oberflächen ganzflächig mit den Metallisierungen 1 bedeckt ist, und die andere stirnkontaktierte Elektrode aus dem Isolierstoffband 2', welches ganzflächig zu beiden Seiten mit den 1etallisierungen 1' bedeckt ist. nischen diesen Elektroden, welche versetzt zueinander derart aufgewickelt sind, daß kontaktierbare Randbereiche aus den Stirnflächen des fertigen Kondensatorkbrpers herausragen, liegen die beiden Dielektrikumsfolien 3 und 4. Die Dielektrikumsfolien tragen einseitig die Metallisierungen 6. Die Metallisierungen 6 liegen unmittelbar aufeinander und bilden die Blindelektrode.
• Die wesentlichen Vorteile dieses Aufbaus bestehen darin, daß die Luftspalte zwischen den beiden Metallisierungen 6 nicht im elektrischen Feld liegen. Daraus ergibt sich eine hohe Spannungsfestigkeit des Kondensators. Auch die spezifische Volumenkapazität ist erhöht. Weiterhin ist bei diesem Aufbau vermieden, daß bei einer etwaigen Versetzung der durch die Schoopschichten verbundenen Metallbeläge an der Stelle h in Fig. 1 das Isolierstoffband 2 elektrisch belastet wird. Außerdem lassen sich Mehrfachreihenschaltungen durch Bewickeln von beidseitig bedampften Dielektrikumsbändern mit seitlichem Freirand rationell herstellen.
• In der Figur 3 besteht die Blindelektrode ebenfalls wie in Fig. 2 aus den beiden unmittelbar aufeinanderliegenden Metallisierungen 6, welche einseitig auf die Dielektrikumsfolien 3 und 4 aufgebracht sind. Als stirnkontaktierte Elektrode dient ein mit den Metallisierungen 1 versehenes Isolierstoffband 2. In der Mitte d Metallisierungen 1 verläuft im Bereich A ein metallfreier Isolierstreifen.
• Dieser Isolierstreifen erstreckt sich parallel zu den kontaktierten Stirnkanten der Elektroden 2. Dadurch entsehen auf dem Isolierstoffband 2 beide stromführende Elektroden, welche jede von einer Stirnseite her kontaktiert wird. Zwischen den aufeinanderfolgenden stromführenden Elektroden liegen die beiden einseitig metallisierten Dielektrikumsfolien 3 und 4.
• Bei einem derartigen Aufbau müssen nur drei Bahnen gleichzeitig verwickeln erden, wenn man einen Wickelkondensator herstellen will. Bei einem Verlaufen der einseitig metallisierten Dielektrikumsbänder 3 und 4 gegenüber den stromführenden Elektroden und bei einem Verlauf der Freiränder r auf den metallisierten Dielektrikumsfolien gegeneinander ergibt sich in keinem Fall, daß an irgendeiner Stelle die volle Spannung zwischen einer Metallisierungskante und einer benachbar-ten Metallisierung anliegt. Bei einem Durchschlag, beispielsweise durch die metallisierte Dielektrikumsfolie 3 an der Stelle D wird die auf dieser Dielektrikumsfolie befindliche Metallisierung 6 kurzzeitig auf das Potential der Metallisierung 1 gebracht.
• Dadurch wird die Spannung im Bereich D' der benachbarten, einseitig metallisierten Dielektrikumsfolie 4 kurzzeitig zusammenbrechen, so daß ein Folgedurchschlag durch diese Dielektrikumsfolie unwahrscheinlich ist. Auch nach der Bildung des Regenerierhofes, welcher beim Regenerierprozeß um den Durchschlagskanal herum in der Metallisierung entsteht und welcher den Durchschlagskanal von der restlichen Metallisierung abisoliert, liegt an keiner Stelle die volle Spannung, welche zwischen den beiden stromführenden Elektroden auf dem Isolierstoffband 2 besteht, an den Dielektrikumsfolien 3 und 4 bzw.
• zwischen zwei sich gegenüberstehenden Melallisierunben.
• Ein unerwünschter Kontakt der Metallisierungen 6 mit dem gegebenenfalls stirnseitig aufgespritzten Kontaktmetall ist auch bei kleinen Freirändern r vollständig unterbunden, da die Dielektrikumsfolien 3 und 4 zwischen den Elektrodenfolien fest eingespannt liegen.
• Die gleichen Vorteile ergeben sich bei einem Aufbau der Figur 4. Hier werden zwei verschiedene beidseitig mit den Metallisierungen 1 versehene lsolierstoffbander 2, welche sich in der gleichen Kondensatorlagenebene befinden, verwendet. Die beiden Elektroden sind im Bereich B voneinander isoliert. Hieru genügt es, wenn die beiden Elektroden in ausreichendem Abstand voneinander angeordnet sind. Der isolierende 3ereich B verläuft dabei parallel zu den kontaktierten Stirnkanten der Elektroden.
• Als Blindelektrode wirken, wie in Fig. 3, zwei Metallisierungen, welche einseitig auf die Dielektrikumsoänder 3 und 4 aufgebracht sind. Die eallisierungen 6 liegen unmittelbar übereinander. Um eine Mehriachre ihens chaltung bei der Fig. 3 zu erreichen, müssen die Metallisierungen 1 und 6 in der Fig. 3 durch weitere parallel zu den kontaktierten Stirnkanten verlaufende Isolierstreifen unterteilt sein, In der Fig. 4 verwendet man hierzu mehrere beidseitig metallisierte Isolierstoffbander, welche voneinander isoliert in der Ebene der kontaktierten Elektroden sich befinden. Die Metallisierungen 6 der Blindelektrode unterteilt man dabei durch parallel zu den Kanten verlaufende Isolierstreifen.
• In vorteilhafter Weise sind die Isolierstoffbänder, welche sich in der gleichen Lagenebene befinden wie die zu kontaktierenden Elektroden, beidseitig auf der gesamten Oberfläche mit Metallisierungen bedeckt. Hierdurch vrird verhindert, daß das Isolierstoffband 2, welches aus minderwertigem dielektrischem Material, beispielsweise aus Papier, besteht, in das elektrische Feld des Kondensators einbezogen wird.
• In den Figuren 5 und 6 sind schematisch Mehrfachreihenschaltungen dargestellt. Durch diese Mehrfachreihenschaltungen wird eine weitergehende Spannungsaufteilung erziclt. Die Figuren 5 und 6 stellen beispielsweise Aufbauten mit vierfacher innerer Reihenschaltung dar. Zwischen den beiden zu kontaktierenden Elektroden, welche in der Pig. 5 von den auf dem Isolierstoffband 2 befindlichen Metallisierungen 1 und welche in der Fig. 6 von den beidseitig sich auf den beiden Isolierstoffbändern 2 befindlicht Metallisierungen 1 gebildet werden, liegen die eine Vermehrung der inneren Reihenschaltungen erwirkenden Blindelektroden in der gleichen Kondensatorlagenebene, wie die kontaktier;ten Elektroden. Diese Blindelektroden werden in der Fig. 5 von den beidseitig isoliert von den Metallisierungen 1 auf das Isolierstoffband 2 aufgebrachten Metallisierungen 8 und in der Fig. 6 von den beidseitig auf das Isolierstoffband 9 aufgebrachten Metallisierungen gebildet. Das Isolierstoffband 9 ist im Abstand von den beiden beidseitig metallsierten Isolierstoffbändern 2 zwischen diesen angeordnet. Bestehen die Dielektrikumsfolien 3 und 4 aus gut regenerierfähigen Stoffen, so können die Elektroden, welche sich in der Lagenebene der zu kontaktierenden Elektroden befinden, auch aus Metall bestehen. Hierdurch können regenerierfähige Kondensatoren hergestellt erden, die'eine besonders hohe Kontaktfestigkeit und niedrige Belagsverluste aufweisen.
• Die Anordnungen der Figuren 2 bis 6 können weiterhin derart ausgestaltet sein, daß auf die Metallisierungen 6, z.B. durch Auflackieren, Stoffe, welche das Regenerierverhalten verbessern, aufgebracht sind. Diese Stoffe befinden sich im fertigen Kondensator im feldfreien Raum, Die Figur 7 zeigt schematisch einen Aufbau, bei welchem die zu kontaktierenden Elektroden einseitig als Metallisierung auf die Dielektrikujnsfolien 3 und 4 aufgebracht sind. Es befinden sich dabei auf der Dielektrikumsfolie 3 die zu kontaktierenden Metallisierungen 1 und auf der Dielektrikumsfolie 4 die zu kontaktierenden Elektrodcn 7.
• Etwa in der Mitte der Metallisierungen 1 und 7 verlaufen Isolierstreifen C, welche parallel zu den Stirnkanten liegen. Zwischen den beiden unmetallisierten Seiten der Dielektrikumsfolien 3 und 4 befindet sich die Blindelektrode, welche aus dem Isolierstoffband 5 und den beidseitig aufgebrachten Metallisierungen 6 besteht. Die Vorteile dieses Aufbaus bestehen darin, daß das Isolierstoffband 5, welches aus einem minderwertigen Dielektrikumsstoff bestehen kann, z.B. aus Papier, ü den Längskanten elektrisch nicht belastet wird. Bei einem Durchschlag wird die Feldstärke an den Längskanten der Metallisierungen 6 an der Durchschlagsstelle gegenüber der Kante des Selagsrandes nicht erhöht. Wenn die Isolierstoffbänder 2 und 5 in den Figuren 1 bis 7 aus einem porösen Material, insbesondere aus Papier, bestehen, wird es ermöglicht, daß der Kondensator imprägniert werden kann Die metailisierten Papieroberflächen besitzen nämlich eine rauhe Struktur, so daß zwischen diesen Isolierstoffbändern land den Dielektrikumsfolien Luftspalte entstehen, durch weiche das Imprägniermittel ohne weiteres eindringen kann. Das Imprägniermittel besteht in vorteilhafter Weise aus einem Stoff, welcher die Dielektrikumsfolien 3 und 4 anzuquellen vermag. Durch das Anquellen vergrößert sich das Volumen der Dielektrikumsfolien 3 und 4 und es werden die Luftspalte vom angequollenen Dielektrikumsstoff praktisch vollständig ausgefüllt. Dadurch erhält man ein durchwegs homogenes Dielektrikum im gesamten Kondensatorkörper. Außerdem werden die Freiränder r auf den DieJektrikumsfolien durch den hohen Druck, welcher beim Anquellen entsteht, aufeinandergepreßt, so daß die Stirnkontaktschichten nicht bis an die Metallisierunge der Blindelektrode vordringen können.
• 17 Patentansprüche 7 Figuren

Claims (17)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1.) Stirnkontaktierter, regenerierfähiger, elektrischer Kondensator, bei dem die Elektroden aus je zwei ausbrennfähig dünnen, gleiches Potential aufweisenden Metallisierungen bestehen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t ,daß der Kondensator eine innere Reihenschaltung aufeist, wobei eine Blindelektrode (5,6), ebenfalls aus zwei ausbrennfähig dünnen Metallisierungen bestehend, zwischen zwei Dielektrikumsfolien (3 und 4) angeordnet ist.
2. 2. Kondensator nach Anspruch 1, d a d u r@c h g e k e n n -z e i c h n e t sodaß eine beidseitig metallisierte Isolierstoffolie (2), welche in beiden Metallisierungen (@) etwa in der Mitte parallel zu den Stirnkanten verlaufende metallfreie Isolierstreifen aufweist, mit einer als Blindelektrode dienenden, beidseitig metallisierten zweiten Isolierstoffolie (5) unter Zwischenlegung von Dielektrikumsfolieii (3 und 4) den aktiven Kondensatorteil bilden und daß die durch die Isolierstreifen getrennten Metallisierungen (1) an ihren stirnseitigen Rändern kontaktiert sind.(Fig. 1)
3. 3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die beidseitig metallisierte Isolierstoffolie (2) auf beiden @berflächen zwei oder mehrere parallel zu den Stirnkanten verlaufende jsolierstreifen aufweist und daß die Blind@@ektrode in beiden Metallisierungen (6) ebenfalls einen oder mehrere zu den Stirnkanten parallele Isolierstreifen aufweist, d@rar@, daß die Isolierstreifen der Blindelektrode zu den @s@@i@@ streifen auf der Isolierstoffolie (2) versetzt angest@@@@ sind (Fig. 5).
4. 4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,daß für die geradzahligen Blindelektroden und für die stirnkontaktierten Elektroden parallele, nebeneinander in Abstand angeordnete, beidseitig metallisierte Isolierstoffbänder dienen (Fig. 6).
5. 5. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,daß die eine oder beide Dielektrikumsfolien (3 und 4) Metallisierungen (1 und 7) tragen, welche die zu kontaktierenden Elektroden bilden(Fig. 7).
6. 6. Kondensator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t ,daß die Blindelektrode von zwei einseitig auf die Dielektrikumsfolien (3 und 4) aufgebrachten Metallisierungen (6) gebildet ist und daß die Metallisierungen (6) aufeinanderliegen (Fig. 3).
7. 7. Kondensator nach Anspruch 1 oder 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t ,dæß die zu kontaktierenden Elektroden aus parallelen, im Abstand nebeneinanderliegenden, beidseitig metallisierten Isolierstoffbändern bestehen (Fig. 4).
8. 8. Kondensator nach Anspruch 1 oder 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t,daß die zu kontaktierenden Elektroden von beidseitig metallisierten Isolierstoffbändern (2) gebildet sind.
9. 9. Kondensator nach Anspruch 6 oder 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß zu beiden Seiten der einseitig metallisierten Dielektrikumsfolien (3 und 4) versetzt zueinander die zu kontaktierenden Elektroden, welche aus beidseitig metallisierten Isolierstoffbzldern (2) bestehen, derart angeordnet sind, d sie an gegenüberliegenden Stirnseiten kontaktiert ind (Fig. 2).
10. 10. Kondensator nach Anspruch 6 oder 8, d@a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t ,daß die zu kontaktierende Elelitroden von einem beidseitig metallisierten Isolierstoffband mit etwa in der Mitte beider Oberflächen zu den Stirnkanten parallel verlaufenden Isolierstreifen A gebildet sind (Fig. 3).
11. 11. Kondensator nach Anspruchs 6 oder 8, d a d u r c h g e -k e n n z e 1 c h n e t ,daß zur Erzielung einer inneren Mehrfachreihenschaltung die Metallisierungen (6) der Blindelektrode durch einen oder mehrere parallel verlaufende Isolierstreifen und die auf dem Isolierstoffband (2) befindlichen Metallisierungen (1) durch zwei oder mehrere parallel verlaufende Isolierstreifen unterteilt sind.
12. 12. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beidseitig metallisierten Isolierstoffbänder (2 und 5), wel che die zu kontaktierenden Elektroden und die Blindelektroden bilden aus einem porösen Material bestehen.
13. 13. Kondensator nach Anspruch 12, d a d u r C h @g e k e n n -z e i c ii n e t ,dal3 die Isolierstoffbänder (2 und 5) aus Papier bestehen.
14. 14. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n $n z e i c ii n e t ,daß die Dielektrikumsfolien (3 und 4) aus einem Stoff bestehen, welcher von einem Imprägniermittel angequollen ist.
15. 15. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i e 1i 11 e -t @ ,daß die beidseitig metallisierten Isolierstoffbänder auf beiden Oberflächen vollständig mit einer Metallisierung bedeckt sind.
16. 16, Kondensator nach Anspruch t9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t ,daß die Blindelektrode mit einem Rif3-oder Kratzmuster versehen ist.
17. 17. Kondensatoren nach Anspruch 1 bis 1G, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t ,daß die Metallisierungen der Blindelektroden mit einer im feldfreien Raum liegenden, das Regenerierverhalten verbessernden Lackschicht überzogen sind, L e e r s e i t e