DE4415105A1 - Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kondensators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kondensators, insbesondere für die Energie- Elektronik, der aus einem flachgepreßten Wickel aus dielek­ trischen Kunststoffolien besteht, die mit Elektroden aus, insbesondere regenerierfähig dünnen, Metallschichten versehen sind, wobei jeweils eine Elektrode zu einer Stirnseite des Flachwickels herausgeführt und dort mit einer Schoopschicht kontaktiert wird, indem auf einem Wickeldorn ein Stützelement angeordnet und darauf der Kondensatorwickel hergestellt wird, bei dem nach dem Herausziehen des Wickeldorns der Wickel flachgepreßt wird, und bei dem ein Stützelement verwendet wird, dessen Dicke derart bemessen ist, daß die beim Flach­ pressen des Kondensatorwickels entstehenden Knickzonen die Regenerierfähigkeit und/oder die Lebensdauer des Kondensators nicht beeinträchtigen.

Die Herstellung derartiger selbstheilender Flachwickelkonden­ satoren ist allgemein bekannt. Hierbei wird auf speziellen Maschinen mit einem geteilten Wickeldorn die Kondensatorfolie erfaßt und zu einem Wickelrohling gewickelt. Anschließend wird der Rohling vom Dorn gezogen, gepreßt, schoopkontak­ tiert, ggf. getempert und entsprechend dem Einsatzfall weiter verarbeitet, z. B. mit Anschlußdrähten an den Schoopschichten versehen und in ein Gehäuse eingebaut.

Eine Weiterentwicklung dieser Flachwickeltechnik ist in der EP O 034 662 A1 beschrieben. Hierbei hat der Wickeldorn im Querschnitt eine ellipsenförmige Geometrie. Die Folienspannung bzw. die Folienlaufgeschwindigkeit ist bei dieser Dorngeometrie nicht mehr ausreichend konstant. Die damit verbundenen Schwierigkeiten sollen durch eine gefederte Ablaufschwinge gemildert werden, wobei eine Zwangssteuerung antizyklisch zur Geometrie des elliptischen Wickelrohlings vorgesehen ist.

Allen bekannten Flachwickelverfahren sind zumindest zwei qua­ litätsentscheidende Arbeitsschritte gemeinsam, nämlich daß der Wickelrohling nach dem Wickeln vom Dorn abgezogen und an­ schließend in die Flachwickelgeometrie gepreßt wird.

Beim Abziehen des Wickelrohlings vom Dorn besteht die Gefahr, daß der Wickel teleskopiert. Die Gefahr steigt mit dem Foli­ enzug und der Wickelgeometrie. Bei Kondensatoren für die Lei­ stungs/Energieelektronik ist die geforderte Kontaktbelastbar­ keit ohne Teleskopiereffekt nur bei ausreichender Spulengüte (die einen Mindestfolienzug erfordert) realisierbar. Versuche haben ergeben, daß der Folienzug jedoch nicht soweit redu­ zierbar ist, daß das Ziel "akzeptable Spulengüte ohne Teles­ kopiereffekt" erfüllt werden kann.

Bei dem nächsten Arbeitsschritt, dem Flachpressen des Wickel­ rohlings, ist die Preßkraft so einzustellen, daß vorgeschrie­ bene Technologieparameter erreicht werden. Unvermeidlich hierbei ist aber eine vergleichsweise scharfe Knickkante. Diese Zone im Bereich der Knickkante ist kritisch in Bezug auf die Selbstheilfähigkeit bzw. die Lebensdauer des Flachwickelkondensators. Eine Reduzierung der Preßkraft, so daß keine starke mechanische Belastung durch die Verformung des Dielektrikums auftritt, ist erfahrungsgemäß ohne Beein­ trächtigung des Betriebsverhaltens nicht möglich.

Um die vorstehend aufgezeigten Schwierigkeiten zu beheben, wurde in der älteren deutschen Patentanmeldung P 42 37 392.1 ein verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen. Bei diesem verfahren verbleibt das Stützelement im Inneren des fertigen Kondensators.

Es gibt nun bestimmte Anwendungsfälle, bei denen es auf einen besonders platz- bzw. kostensparenden Kondensatoraufbau ankommt und das Stützelement nicht unbedingt benötigt wird nachdem der Kondensator fertiggestellt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das eingangs genannte verfahren zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Stützelement nach dem Flachpressen des Kondensatorwickels entfernt wird.

Das Stützelement besteht bevorzugt aus zwei übereinander angeordneten Teilen besteht und kann gegebenenfalls abgerundete Ecken aufweisen.

Es können auch Stützelemente verwendet werden, die aus zwei Teilelementen bestehen, die gegebenenfalls an den späteren Knickstellen Gelenke besitzen.

Die Stützelemente bestehen aus einem elektrisch nicht leitendem Werkstoff wie z. B. Kunststoff (Polyester, Polyimid u. dgl.), Preßspan oder Pappe. Im letzteren Fall ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß mit dem Stützelement hygroskopische Teile aus dem Kondensator entfernt sind, so daß gegebenenfalls auf aufwendige Trocknungsmaßnahmen verzichtet werden kann.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen auf einen Wickeldorn angeordneten Kondensator,

Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Vergleich zwischen einem herkömmlichen Kondensa­ tor und einem Kondensator nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 ein auf einen Wickeldorn angeordnetes Stützelement,

Fig. 5 das Stützelement gemäß Fig. 4 nach dem Zusammenpressen,

Fig. 6 ein weiteres auf einem Wickeldorn angeordnet es Stütz­ element und

Fig. 7 das Stützelement gemäß Fig. 6 nach dem Zusammenpressen.

In der Fig. 1 ist ein innenspannender Rundwickeldorn 1 mit dem Radius r dargestellt. Auf dem Rundwickeldorn 1 ist ein Stützelement 2 mit der Dicke d angeordnet, das zweimal an diametral gegenüberliegenden Seiten geteilt ist. Auf dem Stützelement 2 befindet sich eine vergleichsweise dünne Deckfolie 3, auf der der Wickelrohling 4 mit dem Innenradius R angeordnet ist.

Die Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1. Hier ist zu erkennen, daß die zwei Teilstücke des Stützelements 2 mit einem Abstand a auf dem Wickeldorn 1 angeordnet sind. Der Abstand a und die Länge I1 des Stützelements 2 sind für die Gestaltung des Flachwickels wesentlich, da diese Beziehung den optimalen Formschluß der Deckfolie 3 bzw. des Wickels 4 berücksichtigt.

Wenn die Deckfoliendicke s gegen 0 geht, gilt mit ausreichen­ der Genauigkeit:

• (1) a = 2d,
• (2) I1 = (2π (r+d) - 4 d)/2,
• (3) b = (r+d)π,
• (4) r = (2b+4d)/(2π-d), wobei in den Gleichungen (1) bis (4) a dem Abstand entspricht, mit dem das Stützelement 2 auf dem Wickeldorn 1 angeordnet ist, d die Dicke des Stützelements 2, I1 die halbe Länge des Stützelements 2, r der Wickeldornradius und b die Wickelinnenbreite (entspricht etwa I1) bedeuten.

In der Fig. 3 ist ein in der Mitte geteilter Flachwickel 4 dargestellt, bei dem die linke Hälfte nach dem Stand der Technik ohne Stützelement und die rechte mit Stützelement gefertigt ist. Bei dem in der linken Hälfte dargestellten Flachwickelkondensator nach dem Stand der Technik ist erkenn­ bar, daß die Knickzone 5 stark und scharf ausgebildet ist, während beim in der rechten Hälfte dargestellten Kondensator die Knickzone 5 insbesondere im Innenbereich einen vergrößerten Radius aufweist.

Wickelversuche, insbesondere mit Wickeln großer Geometrie (z. B. B = 160 mm, H = 20 mm, Länge von Stirnseite zu Stirnseite = 155 mm) haben ergeben, daß eine ausreichende Spulgüte nur mit einem Stützelement 2 und ggf. einer Deckfolie 3 zu errei­ chen ist, und gleichzeitig der Teleskopiereffekt vermieden werden kann.

Das Stützelement 2 besteht aus einem nicht leitenden Material, z. B. Kunststoff (Polyester, Polyimid . . . ) oder auch Preßspann, wobei die Deckfolie 3 auf das Stützelement 2 aufkaschiert sein kann. Die Dicke d des Stützelements 2 liegt vorzugsweise zwischen ca. 0,1 und 1,0 mm, wogegen die Deckfolie s vorzugsweise zwischen ca. 10 und 100 µm dick ist.

In den Fig. 4 und 5 ist eine weitere Ausgestaltung eines Stützelements 2 dargestellt, bei dem der Abstand a auf den Wickeldorn a=d (πt-2) beträgt. Diese Beziehung berücksichtigt, daß das Stützelement 2 im Kantenbereich eine Abrundung auf­ weist, deren Radius vorzugsweise der Dicke d des Stützele­ ments entspricht. Hierdurch wird ein optimaler Formschluß der Deckfolie 3 nach dem Pressen des Wickels gewährleistet. Die Deckfolie 3 kann beispielsweise auf das Stützelement 2 ge­ klebt werden. In diesem Fall empfiehlt es sich, die Trenn­ stelle der Deckfolie 3 etwa in der Mitte des Flachwickels zu plazieren, um Überlappungen zu vermeiden, die zur Knick- und Druckstellen im Wickel führen können. Alternativ kann als Deckfolie 3 ein Schrumpfschlauch eingesetzt werden.

Bei einem Stützelement 2 nach den Fig. 4 und 5 gilt angenä­ hert:

• (5) a = d (π-2)
• (6) I1 = 2π(r+d) + 4d-2dπ)/2
• (7) r = (2b+2dπ-4d)/(2π-d).

In den Fig. 6 und 7 ist ein Stützelement 2 dargestellt, das kostengünstig als Kunststoffspritzteil hergestellt werden kann. Durch geeignete Formgebung wird ein Gelenk 6 erzeugt, z. B. durch eine im flachgedrückten Formteil als Bohrung 7 dargestellte Einzelheit. Die Wandstärke wird so gewählt, daß einerseits der innenspannende Wickeldorn 1 bei der Wickelher­ stellung die Gelenkstelle 6 nicht abreißt, und andererseits aber die Flexibilität des Stützelements 2 noch so hoch ist, um die Funktion sicher zu erfüllen. Die Berechnung von a, I1 und r kann durch die Gleichungen (1) bis (7) erfolgen. Der Abstand I2 (s. auch Fig. 7 M1 und M2) beträgt ungefähr dπ.

Die Formstabilität des Stützelements 2 wird hauptsächlich durch die Materialwahl und die Wandstärke d bestimmt. Bei Va­ riation der Einflußgrößen muß folgende Beziehung berücksich­ tigt werden:

• (8) d2 = d1 (E1/E2)0,33 mit d2 Wandstärke an der Stelle M2, d1 Wandstärke an der Stelle M1, E1 Elastizitätsmodul 1 (N/mm² und E2 = Elastizitätsmodul 2 (N/mm²).

Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Formen eines Stützelements 2 (das nach dem Flachpressen entfernt wird) gewährleisten eine günstige Gestaltung der Knickzone 5 des Flachwickels 4, so daß eine mechanische Überbeanspruchung des Dielektrikums und damit eine Beeinträchtigung des Selbstheilverhaltens vermieden wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der Herstellung des Wickels 4 mit praktisch konstantem Folienzug und wirt­ schaftlichen Wickelgeschwindigkeiten ohne Einbußen der Spul­ güte und ohne Teleskopiereffekt gearbeitet werden kann. Ins­ besondere wird die geforderte Spulgenauigkeit ohne Telesko­ piereffekt auch bei Wickeln mit großen geometrischen Abmes­ sungen erreicht, so daß die fertigen Flachwickelkondensatoren eine hohe Impulsbelastbarkeit besitzen. Die Impulsbelastbar­ keit kann dabei weiter gesteigert werden, wenn die Ränder der Kunststoffolien in den metallfreien Freirandbereichen mit ei­ nem Wellen- oder Stufenschnitt versehen sind, wie es in der DE 32 24 194 A1 beschrieben ist.

Claims (1)

1. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kondensators, insbesondere für die Energie-Elektronik, der aus einem flachgepreßten Wickel (4) aus dielektrischen Kunststoffolien besteht, die mit Elektroden aus, insbesondere regenerierfähig dünnen, Metallschichten versehen sind, wobei jeweils eine Elektrode zu einer Stirnseite des Flachwickels (4) herausgeführt und dort mit einer Schoopschicht kontaktiert wird, indem auf einem Wickeldorn (1) ein Stützelement (2) angeordnet und darauf der Kondensatorwickel hergestellt wird, bei dem nach dem Herausziehen des Wickeldorns (1) der Wickel flachgepreßt wird, und bei dem ein Stützelement (2) verwendet wird, dessen Dicke derart bemessen ist, daß die beim Flachpressen des Kondensatorwickels entstehenden Knickzonen (5) die Regenerierfähigkeit und/oder die Lebensdauer des Kondensators nicht beeinträchtigen, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (2) nach dem Flachpressen des Kondensatorwickels (4) entfernt wird.