WO1999046785A1

WO1999046785A1 - Stirnkontaktierter elektrischer wickelkondensator

Info

Publication number: WO1999046785A1
Application number: PCT/DE1999/000533
Authority: WO
Inventors: Harald Vetter
Original assignee: Epcos Ag
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 1999-09-16
Also published as: DE19810371A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen stirnkontaktierten elektrischen Wickelkondensator, bei dem metallisierte Folien (8-10) mit Wellenglattschnittkombination (WS, GS), Freirand (FR) und unter einem Versatz (V) zueinander zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt sind, der durch stirnseitige Schooppartikelschichten (S) kontaktiert ist. Die Wellenlänge (μ) und die Amplitude (y) des Wellenschnittes (WS) sowie der Versatz (V) der Folien (8-10) werden unter Berücksichtigung von Foliendicke (a) und Folienmaterial (E) gewählt.

Description

Beschreibung

Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen stimkontaktierten elektrischen Wickelkondensator, bei dem metallisierte Folien mit Wellenglattschnittkombination, Freirand und unter einem Versatz zueinander zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt sind, der durch stirnseitige Schooppartikelschichten kontak- tiert ist.

Die Einsatzmöglichkeiten von Leistungskondensatoren werden in erster Linie durch den Kondensatoraufbau bestimmt, durch den Grenzwerte bzw. noch zulässige Daten für beispielsweise die Strombelastbarkeit und die Stoßstrombelastbarkeit festgelegt werden. Im einzelnen wird bei selbstheilenden Leistungskondensatoren mit Dielektrika aus Kunststoff die Regeneriersicherheit des jeweiligen Dielektrikums bzw. des Kondensatorwickels insgesamt gerade durch die Strombelastbarkeit und Stoßstrombelastbarkeit bestimmt.

In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß infolge des zunehmenden Einsatzes von IGBT-Invertern (IGBT = Bipolartransistor mit isoliertem Gate) anstelle von GTO-Invertern (GTO = Gate-Abschaltung) gerade in jüngster Zeit ein erheblicher Bedarf nach Leistungskondensatoren besteht, die extreme Spit- zenstromwerte aushalten können, also eine hohe Strom- bzw. Stoßstrombelastbarkeit haben. So sind derzeit beispielsweise Leistungskondensatoren mit 200 kA, 1.800 V und 3.000 μF üb- lieh. Es läßt sich aber absehen, daß sogar der Einsatz von Leistungskondensatoren mit 400 kA zu erwarten ist.

Leistungskondensatoren mit derartigen Kennwerten erfordern ständige Verbesserungen speziell der Kontaktierung, um dem Miniaturisierungs- und Kostensenkungsdruck zu entsprechen.

Als Beispiel seien hier die sogenannten PFC-Kondensatoren

(PFC = "Power Factor Correction" ; Phasenschieber) genannt. Schon seit längerem werden Anstrengungen zur Verbesserung der Kontaktierung unternommen. Das heißt, die Kontaktzone von Wickelkondensatoren ist Gegenstand umfangreicher Untersuchun- gen.

Als Ergebnis dieser Untersuchungen sei beispielhaft eine verstärkte Metallisierung in der Kontaktzone des Wickelkondensators genannt. Es hat sich aber gezeigt, daß diese Maßnahme in ihrer Wirkung durch das zur Anwendung gelangende Metallisierungsverfahren und den nachfolgenden Wickelprozeß zur Bildung des Kondensatorwickels Schranken unterworfen ist.

Eine andere Verbesserung betrifft die Stoßstrombelastbarkeit durch eine spezielle Ausgestaltung der Schneidkanten des Kondensatorwickels: dabei wird von der Überlegung ausgegangen, daß durch eine Verlängerung der metallisierten Schneidkante des Kondensatorwickels die Stromstrombelastbarkeit gesteigert werden kann. Durch Versuche kann nachgewiesen werden, daß ge- genüber einem Glattschnitt mit einem Wellenschnitt bei sonst gleichen Randbedingungen unstreitig eine höhere Stoßstrombelastbarkeit zu erzielen ist. Dennoch sind hier erzielte Verbesserungen relativ engen Grenzen unterworfen.

Schließlich ist aus EP 0 097 946 AI ein Wickelkondensator mit Wellenglattschnittkombination bekannt, bei dem der Wellenschnitt im Freirand vorgesehen ist. Eine solche Wellenglattschnittkombination mit Wellenschnitt im Freirand zeigt deutlich bessere Ergebnisse hinsichtlich der Stromstrombelastbar- keit bei optimaler Spulgüte für den Kondensatorwickel und Maschineneinstellung.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sti kontaktierten elektrischen Wickelkondensator zu schaffen, der sich durch hohe Strom- bzw. Stoßstrombelastbarkeit auszeichnet, ohne einen nennenswerten zusätzlichen Aufwand für seine Herstellung zu erfordern. Diese Aufgabe wird bei einem stimkontaktierten elektrischen Wickelkondensator der eingangs genannten Art erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß die Wellenlange und die Amplitude des Wellenschnittes sowie der Versatz der Folien unter Berücksichtigung von Foliendicke und Folienmaterial gewählt sind.

Der erfmdungsgemaße stirnkontaktierte elektrische Wickelkondensator nutzt also zunächst die Vorteile einer Wellenglatt- Schnittkombination mit einem Wellenschnitt im Freirand der bestehenden Leistungskondensatoren aus und verknüpft zusätzlich die Wellenlange und die Amplitude des Wellenschnittes sowie den Versatz der Folien mit der Foliendicke und dem Folienmaterial, also Mateπaleigenschaften der Folie, wie ms- besondere dem Elastizitätsmodul.

Unter "Folien" sind hierbei einseitig metallisierte Folien, beidseitig metallisierte Folien und Stutzfolien zu verstehen.

Der Versatz kann beispielsweise derart eingestellt werden, daß die Spitzen der Wellenschnittkante die Glattschnittkante um höchstens 0,3 mm, vorzugsweise höchstens 0,2 mm, überkragen. Die Amplitude des Wellenschnittes kann m bevorzugter Weise zwischen 0,2 und 1,0 mm liegen. Ein bevorzugtes Materi- al f r die Folie ist beispielsweise Polypropylen (PP) , Polyester (PET) , PVDV oder COC . Dieses hat einen Elastizitätsmodul E in der Größenordnung von E_PP « 2500 N/mm² und E_PET « 4000 N/mm² (bei Raumtemperatur) .

Die Wellenlange des Wellenschnittes entspricht etwa der Foliendicke, wahrend der Versatz etwa ein Zehntel der Foliendicke betragen kann.

Bei beidseitig metallisierten Folien kann zwischen diesen ei- ne Stutzfolie mit beidseitigem Wellenschnitt verwendet werden. 4 Ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen sti kontaktierten elektrischen Wickelkondensators zeichnet sich dadurch aus, daß vor der Schoopvorbekeimung eine auf der Metallisierung der ein- oder beidseitig metallisierten Folien eine Oxidschicht, die beispielsweise 4 nm dick sein kann, durch Sputtern entfernt wird. Gegebenenfalls kann auf die so vorbereitete Metallisierung noch eine Verstärkung durch Kathodenzerstäubung aufgetragen werden.

Bei der Herstellung von Leistungskondensatoren werden bekanntlich Folien mit unterschiedlichen Dicken für jeweilige Baureihen eingesetzt. Zweckmäßigerweise werden die vom Folienmaterial abhängigen Parameter, also beispielsweise Foliendicke und Elastizitätsmodul, für die Strombelastbarkeit des aus den Folien herzustellenden Leistungskondensators bereits bei der Folienproduktion durch zugeordnete Einstellung der Wellenschnitt-Parameter beim Schneiden und der Wickelherstellung berücksichtigt, um so in optimaler Weise Vorteile für die Strom- und Stoßstrombelastbarkeit der einzelnen Baureihen der Leistungskondensatoren sicherzustellen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den qualitativen Verlauf der Stoßstrombelastbarkeit 1/1 in A/cm (Kontaktierungslänge) in Abhängigkeit von dem Versatz V in mm bei einer Foliendicke "a" ,

Fig. 2 den qualitativen Verlauf der Stoßstrombelastbarkeit i/1 in A/cm in Abhängigkeit von dem Versatz V in mm, wenn zusätzlich zu dem Beispiel von Fig. 1 noch ein Stützpapier in einem Kondensatorwickel verwendet wird,

Fig. 3 einen Ausschnitt der Vorderansicht der Kontaktzone von zwei Kondensatorfolien, Fig. 4 einen Schnitt durch die Kontaktzone von mehreren Kondensatorfolien,

Fig. 5 einen Schnitt bzw. eine Draufsicht auf ein

Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungskondensators mit Folien mit beidsei- tiger Metallisierung und einer nicht metallisierten aktiven Folie,

Fig. 6 einen Schnitt bzw. eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungskondensators mit Folien mit einseitiger Metallisierung,

Fig. 7 den qualitativen Verlauf des Wellenlängenoptimums in mm in Abhängigkeit von der Foliendicke in mm,

Fig. 8 den qualitativen Verlauf des Versatzoptimums

V in mm in Abhängigkeit von der Foliendicke in mm,

Fig. 9 eine schematische Darstellung, die Versuchs- ergebnisse zeigt, wenn die Wellenlänge des

Wellenschnittes für die vorliegende Foliendicke und das vorliegende Folienmaterial zu lang und der Versatz zu groß gewählt sind, und

Fig. 10 eine schematische Darstellung, die Versuchsergebnisse zeigt, wenn im Vergleich zu Fig. 9 die Foliendicke größer und der Versatz kleiner eingestellt sind, was eindeutig günstige- re Daten liefert. 6 Fig. 1 zeigt den qualitativen Verlauf der Abhängigkeit der Stoßstrombelastbarkeit i/1 in A/cm in Abhängigkeit von dem Versatz V in mm. Es ist deutlich zu erkennen, daß hier ein optimaler Wert für die Stoßstrombelastbarkeit erhalten wird, wenn der Versatz auf einen optimalen Wert eingestellt wird, der m der Regel deutlich unterhalb der typischen Werte nach dem Stand der Technik von etwa 1 mm für den Versatz liegt.

Wird der gleiche Kondensatorwickel mit metallisierten Folien wie m Fig. 1 zusätzlich noch mit einem Stutzpapier mit einer Dicke von etwa 60 μm versehen, das unter die Folie des Kon- densatorwickels gelegt ist, so ändert sich der qualitative Verlauf der Abhängigkeit der Stoßstrombelastbarkeit i/1 in Abhängigkeit von dem Versatz V grundsätzlich: es liegt nun- mehr ein annähernd linearer Anstieg der Stoßstrombelastbarkeit i/1 m Abhängigkeit von dem Versatz V vor, bis die Stromtragfahigkeit der Metallisierung versagt.

Aus dem Vergleich der Fig. 1 und 2 ergibt sich sofort, daß die Stoßstrombelastbarkeit i/1 von der durch die Schoopparti- kel erreichbaren Kontaktflache je Längeneinheit des Kondensatorwickels abhangig ist. Mit anderen Worten, die Fig. 1 und 2 belegen, daß die Geometrie der Kontaktzone eine entscheidende Einflußgroße für die Stoßstrombelastbarkeit i/1 darstellt.

Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht der Kontaktzone mit zwei Kondensatorfolien mit eweils einer Foliendicke a. Die maximale Durchbiegung der Folie im Bereich der Kontaktzone ist durch fmax - fi + f₂ gegeben. Dabei bedeutet fi die Durchbiegung der Folie infolge des Versatzes V, und f₂ gibt die Durchbiegung der Folie infolge der Wellenschnittgeometrie mit der Wellenlange λ und der Amplitude y an.

Der m Fig. 3 gezeigte Kondensatorwickel hat einen Wickelra- dius Ri, welcher bei genauer Berechnung der Durchbiegungsver- haltnisse über die Schalentheorie m die Formstabilitat eingeht . Die beim Wickelvorgang des Kondensatorwickels anliegenden Zugkräfte Fz bewirken die maximale Durchbiegung F_raax der beiden Folien, so daß ein Folienspalt Fs vorliegt.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Kontaktzone eines Leistungskondensators mit Folien 1 bis 5, die jeweils mit Metallisierungen 6 bzw. 7 versehen sind. Die Folien 2 und 4 mit den Metallisierungen 7 haben einen Freirand Fr und einen Wel- lenschnitt WS, während die Folien 1, 3 und 5 einen Glattschnitt GS aufweisen. Auf den Folien 1, 3 und 5 sind Randver- stärkungen RV auf deren Metallisierungen 6 aufgebracht.

Außerdem sind in Fig. 4 die Durchbiegungen fi infolge des Versatzes V und die Durchbiegung f₂ infolge der Geometrie des Wellenschnittes Ws gezeigt.

Aus Fig. 4 ist zu ersehen, daß infolge der Drosselwirkung des Folienspaltes Fs, der ungefähr durch die Differenz zwischen der Foliendicke ai (oberste Folie) und der maximalen Durchbiegung f_max der Folie gegeben ist, bei suboptimaler Versatz- und Wellenlängeneinstellung nicht die maximal mögliche Kontaktfläche von Schooppartikeln bzw. Schoopkontaktpunkten erfaßt ist.

Fig. 5 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Wickelkondensator, wobei in der oberen Hälfte von Fig. 5 ein Schnitt durch den Wickelaufbau gezeigt ist, während die untere Hälfte eine Draufsicht einer Ebene III-III für diesen Wickelaufbau angibt.

Der dargestellte Kondensatorwickel weist beispielsweise beidseitig mit Metallisierungen 6 versehene Folien 8 und nicht metallisierte aktive Folien 9 auf, die sich mit den Folien 8 abwechseln. Die aktiven Folien 9 haben einen Wellenschnitt WS mit einer Wellenlänge λ und einer Amplitude y, während die metallisierten Folien 8 mit einem Glattschnitt versehen sind. Die

Schooppartikel S sind in idealisierter Weise in der rechten

Hälfte von Fig. 5 gezeigt.

Der in Fig. 5 veranschaulichte Aufbau des Kondensatorwickels kann auch dahingehend abgewandelt werden, daß die zwei beidseitig metallisierten Folien 8 um 180° gedreht werden und die zweite, nicht metallisierte Folie 9 herausgenommen oder als Stützfolie belassen wird.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wickelkondensators, wobei hier im Unterschied zu der Fig. 5 Folien 10 mit einseitiger Metallisierung 6 zur Anwendung gelangen, die abwechselnd auf der linken bzw. rechten Seite von Fig. 6 mit einem Wellenschnitt WS bzw. einem Glattschnitt GS und mit einem Freirand FR versehen sind.

Die Materialeigenschaften der einzelnen Folien sind in den Fig. 4 bis 6 mit E bzw. Ei bzw. E₂ veranschaulicht, um so an- zudeuten, daß diese Folien gegebenenfalls voneinander verschiedene Elastizitätsmodulen haben können.

Fig. 6 zeigt außerdem ähnlich wie Fig. 5 die Verteilung der Schooppartikel S, den Versatz V zwischen zwei Folien, die Am- plitude y des Wellenschnittes, die Wellenlänge λ des Wellenschnittes sowie die Wickelbreite WB.

In Fig. 7 ist der qualitative Verlauf des optimalen Wertes der Wellenlänge λ in Abhängigkeit von der Dicke a der Folien aufgetragen. Es ist deutlich erkennbar, daß ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Wellenlänge λ und der Foliendicke a besteht, der in erster Näherung als linear angesehen werden kann. Geeignete Werte für die Wellenlänge sind etwa 0,5 mm ... 5 mm. Dies bedeutet, daß mit konstanten Wellenlängen λ und unterschiedlichen Foliendicken a bzw. -materialien mit verschiedenen Elastizitätsmodulen E keine optimalen Ergebnisse zu erhalten sind. Bei der Folienfertigung ist bei näherungsweise vergleichbaren Amplitudeneinstellungen die Wellenlänge λ ohne weiteres durch Steigerung der zugeordneten Messerwellendrehzahl einstellbar, so daß die Herstellung entsprechender Folien keine Schwierigkeiten bereitet.

Fig. 8 zeigt den qualitativen Verlauf der optimalen Werte des Versatzes V in Abhängigkeit von der Dicke a der Folien. Auch hier ist deutlich ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Versatz V und der Foliendicke a bzw. dem Elastizitätsmodul E zu erkennen. Geeignete Werte für den Versatz sind etwa -0,3 mm ... +1,0 mm. Insbesondere ist zu sehen, daß beispielsweise konstante Einstellungen für den Versatz V bei un- terschiedlichen Foliendicken bzw. -materialien nicht zu optimalen Ergebnissen führen können.

Fig. 8 zeigt auch eine sinnvolle Beachtung einer erforderlichen Bandbreite für die Versatzeinstellung, da naturgemäß die Solltoleranz infolge Parameterforderungen einer Wickelmaschine als Fehlerband von der errechneten optimalen Einstellung in geeigneter Weise berücksichtigt werden muß.

Die Fig. 9 und 10 zeigen schließlich noch Öffnungsbefunde, die bei einem Wickelkondensator ohne Berücksichtigung der Erfindung (Fig. 9) und mit Berücksichtigung der Erfindung (Fig. 10) erhalten werden. In Fig. 9 ist die Eindringtiefe der Schooppartikel besonders im Bereich der Wellenschnitt- spitzen ausgeprägt. Hier sind aber die Wellenlänge λ für die vorliegende Dicke a der Folien und das Folienmaterial mit dem Elastizitätsmodul E als charakteristischer Größe zu lang und der Versatz V ebenfalls zu groß gewählt. Infolge der Drossel- wirkung des Folienspaltes Fs = ai - fma_X wird aber bei dieser suboptimalen Versatz- bzw. Wellenlängeneinstellung nicht die maximal mögliche Kontaktfläche von Schoopkontaktpunkten erfaßt. 10 Bei dem Beispiel von Fig. 10 ist dagegen der Versatz V kleiner eingestellt, und es ist eine Folie mit größerer Dicke verwickelt, so daß in diesem Fall die zu Fig. 9 gleiche Wellenlänge λ deutlich günstigere Ergebnisse liefert. Die Anzahl der erfaßten Schoopkontaktpunkte in der maximal zur Verfügung stehenden Kontaktfläche ist dabei sichtbar erhöht, so daß auch der maximal zulässige Stoßstrom je Längeneinheit der Kontaktzone deutlich gestiegen ist.

Claims

11 Patentansprüche

1. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator, bei dem metallisierte Folien (8-10) mit Wellenschnittkombina- tion (WS, GS) , Freirand (FR) und unter einem Versatz (V) zueinander zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt sind, der durch stirnseitige Schooppartikelschichten (S) kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge (λ) und die Amplitude (y) des Wellenschnittes (WS) sowie der Versatz (V) der Folien (8-10) unter Berücksichtigung von Foliendicke (a) und Folienmaterial (E) gewählt sind.

2. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach

Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz (V) derart eingestellt ist, daß die Spitzen der Wellenschnittkanten die Glattschnittkante um höch- stens 0,3 mm überkragen.

3. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude (y) zwischen 0,2 und 1,0 mm liegt.

4. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (8-10) aus Polypropylen oder Polyester besteht.

5. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul des Materials der Folie (8-10) etwa 2000 bis 5000 N/mm² bei Raumtemperatur beträgt. 12

6. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge (λ) im Bereich zwischen etwa 0,5 bis 5 mm liegt.

7. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz (V) etwa im Bereich zwischen -0,3 mm und +1,0 mm liegt .

8. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (8) beidseitig metallisiert sind und eine zwischenliegende Stützfolie (9) aufweisen.

9. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfolie (9) beidseitig mit einem Wellenschnitt (WS) versehen ist.

10. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (10) einseitig metallisiert sind.

11. Verfahren zum Herstellen eines stimkontaktierten elektrischen Wickelkondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Schoopvorbekeimung (S) eine auf der Metallisierung (6) vorhandene Oxidschicht durch Sputtern entfernt wird. 13

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Metallisierung (6) nach dem Entfernen der Oxid- schicht durch Kathodenzerstäubung eine Schicht aufgetragen wird.