Kondensator mit unsymmetrischem Aufbau der leitenden Schichten. In der Technik werden sehr häufig Kon densatoren verwendet, welche aus Metallfolien und dazwischen gelagerten, ölimprägnierten Isoliersehieliten aufgebaut sind.
Solche Kon densatoren neigen aber bei hoher dielektriseher Beanspruchung zu Gasbildung, welche auf Glimmerscheinungen zurüekzufüliren ist, so dass bei einer bestimmten am Kondensator lie genden Spannung, genannt Ionisationsspan- nung, eine Zerstöruno- des Dielektrikunis und somit des ganzen Kondensators eintritt.
Frühere Versuche haben gezeigt, dass die ersten Glimmerseheinunen immer von den Rändern der metallischen Bele-ttngen aus gehen und dass demzufolge die hohe dielek- trische Festigkeit des Dielektrikums nie voll ausgenützt. wird.
Es wurden daher bereits Vorsehläg-e ge macht, diese Randeffekte durch Verdickung des Dielektrikums in den Randgebieten der Belegunken zu beheben.
In allen diesen Aus führungen -aren aber die metallischen Bele- gungen, Isolierstoffseliiehten, Zwisehenbele- gungen und Randverstärkungen, bezogen auf jede metallische, mit einem Kondensatorpol verbundene Belegung, völlig s@-mnietriseh an geordnet.
Versuche sowie theoretische Cberlegun gen haben nun gezeigt, dass es äusserst vorteilhaft ist, eine L"nsymmetrie in dieser Sehiehtanord- nung anzustreben, indem dadurch eine be deutende Leistungssteigerung, bedingt durch eine Vergrösserung der Ionisationsspannung oder durch Vergrösserung der Kapazität, er zielt werden kann.
Die Erfindung betrifft daher einen Kon densator mit einem aus mehreren mit einem Isoliermittel imprägnierten Isolierstoffsehich- ten. aufgebauten Dielektrikum, bei welchem die leitenden und mit. den Kondensatorpolen gal vanisch verbundenen Belegungen in mehreren voneinander durch das Dielekt.rikuni isolierten Schichten übereinander angeordnet sind.
Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass in bezug jede der mit dem einen der Kon- densatorpole verbundenen Belegungsschiehten, in deren sieh vom Rande dieser Schicht.
gegen das Kondensatorinnere mindestens bis zu einer Tiefe von einer Dielektrikumsdicke zwi schen zwei ungleichpoligen Belegungen er streckendes Randgebiet mindestens die eine der beiden benachbarten und mit dem andern Pol verbundenen Beleungsschiehten hinein ragt, innerhalb des durch diese zwei benach barten und mit dein gleichen Pol verbundenen Belegun;
sschiehten begrenzten Raumes die -Anordnung aller leitenden Schichten ein schliesslich her diesen Raum begrenzenden Be- legungssehiehten wenigstens im Randgebiet uns@-nunetriseh ist.
Die Erfindung ist im fol;-enden an Hand von in den Fig.2 bis 16 veranschaulichten Ausführungsbeispielen des Kondensators er läutert.
Die Fig. 1 und 2 zeigen bekannte -liLsbil- dungen von Kondensatoren und dienen zur Erläuterung des Erfindungsgedankens so wie zur Festlegung einiger Begriffe.
Die Fig. 3 bis 16 zeigen vorteilhafte Schichtanord nungen von Ausführungsbeispielen des Kon- densators nach der Erfindung, wobei mit Aus nahme von Fig.16 alle Figuren nur ein Stück des Kondensatorrandes, das heisst jenes Gebiet des Kondensators, in welchem die me tallischen Belegungen enden, im Querschnitt zeigen. Fig. 16 dagegen zeigt einen Querschnitt durch den Kondensator, in welchem zwei gegenüberliegende Kondensatorränder darge stellt sind.
Die Fig. 1 und 2 geben in vergrössertem Massstab den Querschnitt durch ein Teilstück eines der Kondensatorränder von allgemein üblichen Kondensatoren wieder. Die schraf fiert gezeichneten Schichten B, und<I>B,</I> bilden die metallischen Kondensatorbeleg ungen, wo bei die Belegungsschichten B, mit dem einen und die Beleg@mgsschiehten B, mit dem an dern nicht gezeichneten Kondensatorpol ver bunden sind.
Zwischen diesen Belegimgs- schichten B" B, sind die Isolierstoffsehichten D angeordnet, wobei das im Kondensator ent haltene Imprägniermittel nicht gezeichnet ist.
In Fig.l ragen in das Randgebiet jeder Belegungsschicht je die benachbarten Bele- gungsschichten hinein.
In Fig. 2 dagegen ragen nur in das Rand gebiet der Belegimgsschichten B., die benach barten Belegungsschichten B, hinein, wogegen in das Randgebiet der Belegungsscliiehten B, keine der benachbarten Belegungssehichten B, hineinragen.
In Fig.l sollte somit mindestens in den Randgebieten jeder Belegungsschicht, also bei spielsweise in bezug auf die Belegungssehieht Bi in dem durch die beiden gestrichelt ge zeichneten Geraden N, und N._ begrenzten Randgebiet innerhalb des durch die beiden benachbarten und finit dem gleichen Pol ver bundenen Belegungssehichten B_, begrenzten Raumes llZ, die Anordnung aller leitenden Schichten (in diesem Fall nur die beiden ein zig vorhandenen Schichten B,) unsymmetrisch sein.
In analoger Weise sollte in Fig. \? minde stens in allen Randgebieten der Belegungs- schichten B,, also beispielsweise in dem Rand gebiet N, N, der Schicht. B,', innerhalb des Raumes il die Anordnung aller leitender Schichten (in diesem Fall nur die einzig vor handenen Schichten B,) unsymmetrisch sein.
Uni eine praktiseli überhaupt noch wesent liche Leistungssteigerung- zu erzielen, ist als Randgebiet N, <I>N.,</I> ein Gebiet zu wählen, das gegen das Kondensatorinnere mindestens eine Tiefe A aufweist, welche ungefähr dem Abstand zweier ungleichpoliger Belegungsschichten ent spricht. Dies bedingt ,aber äusserst exakt arbei tende Wickelmaschinen, so dass man vorläufk praktisch das Randgebiet mindestens über ein Gebiet von ein bis zwei Zehntel Millimetern aus dehnen wird.
In allen Figuren ist. das Rand gebiet durch die Linien N" N, angegeben und der durch zwei mit dem gleichen Pol verbun denen Belegungssehiehten begrenzte Rauire 1I eingezeichnet, wobei letzterer natürlich immer nur für eine Bezugssehieht Gültigkeit hat.
Die geforderte Unsymmet.rie lässt sich auf verschiedene Weisen erzielen, z. B. allein durch verschiedene Wahl der Abstände aufeinander folgender Belegungsschiehten oder allein durch Staffelung der Belegungsschiehten, oder aber durch Kombination dieser beiden Möglichkeiten.
Bemerkenswert ist hierbei die Tatsache; dass es möglich ist, einen Kondensator symme- trischen Aufbaues (Fug. I und ?) dadurch un symmetrisch zu gestalten, dass die Dicke des Dielektrikums, welches auf der gleichen Seite der mit dein gleichen Kondensatorpol v erbtui- denen Belegungssehichten liegt, verkleinert wird. Entsprechen z.
B. beim symmetrischen Kondensator (Fug. 1) die unter sieh gleichen Abstände d." d, dein für eine bestimmte loni- sationsspannung Fi unbedingt nötigen lIini- mum, so kann die Unsymnietrie dadurch er zielt werden, dass beispielsweise die Abstände d, beibehalten und die Abstände d., kleiner als d., gemacht werden.
Trotzdem nun die Ab stände d, das für den symmetrischen Aufbau zulässige Minimum unterschreiten, besitzt der derart unsymmetrisch gemachte Kondensator die gleiche Ionisationsspannung wie der sy m- metrisehe Kondensator, wobei aber die Ka pazität und damit die Leistung des unsy m- metrisehen Kondensators bedeutend grösser ist.
Fig.3 zeigt einen derart unsvnnnetriseli gebauten Kondensator.<I>B,</I> und<I>B,</I> sind wie derum die metallischen Belegungssehiehten, von welchen jeweils die mit dem gleichen Kon- densatorpol verbundenen auf einer Seite in bekannter Weise aus den Isolierstoffsehiehten (strichpunktiert gezeichnet) herausragen kön nen.
Die Sehielitdieke d, entspricht dem bei symmetrischer Anordnung für eine Ionisations- spannuna UI nicht untersehreitbaren Mini mum.
Die Schiehtdieke d, dagegen ist bedeu tend kleiner als c1_ gewählt, wodurch die ge forderte U nsymmetrie geschaffen wird, ohne dass aber die Ionisationsspannung kleiner als Ui wird. 1)a die Dicke (l, bis auf das für die ahruna der Durehsehlansfestigkeit notwen- dige Minimum verkleinert werden kann, lässt sich eine bedeutende Kapazitä.tsvergrösserun.,.)- und damit Leistungssteigerung erzielen.
Die in Fig. 3 dargestellte Sehiehtanord- nung lässt sieh aueli verwenden, wenn alle Be- legungssehicliten innerhalb der Isolierstoff schichten beispielsweise längs der durch die Gerade N, im Schnitt dargestellten Ebene enden.
Eine weitere Leistungssteigerun- lässt sieh erzielen, wenn man ausser der Sebiehtdieke c1, auch noch die Seliiclitdieke d, #reringer macht als die bei synimetriseheniAufbau nicht unter sehreitbare Sehiehtdieke, dafür aber eine lei tende Zwischenbelegung Z einlegt, wie Fig. 4 zeigt.
Dadurch wird bei gleichbleibender Ioni- sationsspannuna eine weitere Kapazitäts- und damit Leistungssteigerung; erzielt.
Die Zwi schenbelegung Z kann entweder, wie in Fis-. -1 ,gezeichnet, in der Mittelebene des dickeren Teils d, durchgehend in den Kondensator ein gebaut sein;
es genügt aber auch, diese nur in einem begrenzten Gebiet, beispielsweise zwi schen den Grenzen F" F,. einzubauen. Selbst- verständlich kann gleichzeitig sowohl die Dicke d" als auch die Dicke d, des Dielek- trikums das für symmetrischen Aufbau nötige Minimum unterschreiten, wenn in diese beiden Gebiete eine oder mehrere Zwischenbelegun gen unsymmetrisch eingelagert werden,
wobei die Zahl der Zwischenbelegungen in beiden Dielektrikumsschiehten aleieh oder v ersehie- den sein kann.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 5 und 6 sind im Kondensatorrand Zwi- sehensehichten R aus Isoliermaterial zwischen die durchgehenden Isolierstoffsehichten ein geschoben, so dass naeb erfolgter Pressung der Sehiehten, unabhängig davon, ob der Konden sator als Wickel oder Stapel ausgeführt wird, die gewünschte Unsymmetrie erzielt. wird.
Es sei ausdrücklich darauf verwiesen, dass der in den sehweiz. Patentschriften Nr. 253829, 254089, 258703 und 25870-1- vorgeschlagene Einbau von Zwisehensehiehten in das Dielek- triknni der Kondensatorrä.nder ledi@-lieb dazu diente, das Randdielektrikuni gegenüber dem Kondensatorinnern zti verstärken,
wobei aber stets auf syminetriselie Anordnung aller lei tenden Schichten geachtet wurde. In vorlie gender Erfindung dagegen erfolgt dieser Ein bau der Zwisehensehiehten R, evtl. in Kom bination mit leitenden Zwischenbelegungen Z (Fig.16), stets so, dass die geforderte Unsym- metrie gewährleistet ist.
Die Zwisehenschiehtanordnung kann nach Belieben in Form eines doppelt abaesehrägten Keils gemäss Fig. 5 (Linie b-b) oder in Form einer Treppe gemäss Filg. 6 (Linie a-a) aus- geführt sein. Die Zwisehensehiehten können ferner gesamthaft als Paket auf der einen oder andern Seite der durchgehenden Isolier- stoffsehicht liegen, wie dies in den Fig. und 8 gezeigt ist.
In der Anordnung nach Fia.7 könnten die Belegungsschiehten aueli auf der Linie<I>N, N,</I> enden, weil ja die Ur symmetrie der Sehiehtanordnungen, bezogen auf jede Belegungsschicht vorhanden ist. In der Anordnung nach Fig.8 ist dagegen eine Verkürzun - der Belegungssehichten B_ auf die Linie N,--1", nicht möglich, weil dadurch bezogen auf solche verkürzten Schichten B.
die benachbarten BeleunsseliichtenB" -welche in das Randgebiet dieser Schichten B, hinein ragen, symmetrisch angeordnet wären. Die Zvisehenschichten können einzeln oder auch gruppenweise zwischen den durchgehen den Isolierstoffschichten verteilt sein, wie dies z. B. in den Fig. 5 und 6 bzw. in der Fig. 9 dargestellt ist. Zur Vereinfaehung der Zeich nung sind in Fig.9 nur die Schichten ge zeichnet, welche innerhalb zweier gleiehpoliger metallischer Belegungsschichten liegen.
Die Abstufung und Anordnung der Zwischen schichten ist in allen Anordnungen so zu wäh len, dass die metallischen Belegungen bei der Pressung minimal deformiert werden, so dass keine Knickengen und Risse entstehen und die Belegungen möglichst stetig von den In nengebieten gegen die Ränder verlaufen.
Eine weitere vorteilhafte Schichtanord nung, welche die Unsymmetrie in den Rand gebieten erzeugt, ohne aber die Abstände der Belegungsschichten im Kondensatorinnern verschieden zu machen, wie bei den Beispielen nach den Fig. 3 und 4, und ohne eine Krüm mung der Belegungen nötig zu machen, wie sie in den Anordnungen gemäss den Fig. 5 bis 9 nach erfolgter Pressung auftritt, zeigt Fig. 10.
Die einzelnen Belegungsschichten B1 und B= sind jeweils aus mehreren aufeinar_- dergeschichteten, miteinander leitend verbun denen Folien F" <I><U>F.,</U></I> und F, aufgebaut.
Die Folien aller mit dem einen Pol verbundenen Belegimgsschiehten, beispielsweise der Schich ten B" sind treppenförmig abgestuft und in die Stufen dieser verkürzten leitenden Folien F.=, F<I>_</I> sind Zwischenschichten R aus Isolier material eingefügt, so dass der Kondensator durchgehend eine einheitliche Sehiehtdicke besitzt und trotzdem die erfindungsgemässe Unsymmetrie aufweist, was in der Zeichnung durch die Abstände dl und cl-, angedeutet ist.
Anstatt beide verschiedenpoligen Bele- gumgsschichten aus Metallfolien aufzubauen, wie Fig. 10 zeigt, ist es auch möglich, wie in Fig.11 dargestellt, nur die mit dem einen Pol verbundenen Belegtingssehichten, also bei spielsweise die Schichten B" aus mehreren Folien zusammenzusetzen und abzustufen.
Anstatt die leitenden Belegungsschichten aus einzelnenFolien aufzubauen, könnenwenig- stens diejenigen, die mit dem einen Konden- satorpol verbunden sind, in Form eines dop pelwandigen flachen Hohlkörpers ausgebildet, sein, wie die Fig. 1? und 13 veransehau- lichen. Die schraffiert gezeichneten Hohl räume können dabei nach Belieben mit einer leitenden oder isolierenden Substanz ausge füllt sein.
Diese beiden Figuren zeigen nur die Belegungsschichten B, und B_ in ihrer gegenseitigen Anordnung, wobei in Fig.1? nur die mit dem einen Kondensator pol ver- birdenen Belegungsschichten B, und in Fig.13 die mit. beiden Kondensatorpolen ver bundenen Belegungsscliichten B" B_ als Hohl körper geformt sind.
Die Kondensatoren sind also entweder derart aufgebaut, dass minde stens die mit dem einen Kondensatorpol ver bundenen Belegungsschichten aus zwei gröss tenteils parallel verlaufenden Folien bestehen, wovon die eine eben ist und die andere am Rand gegen die erstere anschmiegend verläuft, so dass zwischen den Folien ein flacher Hohl raum. vorhanden ist;
oder aber der Konden sator ist derart aufgebaut, dass die mit dem gleichen Kondensatorpol verbundenen Bele- gungsschichten gleichliegend in den Konden sator eingebaut sind, und zwar derart, dass eine Belegungssehicht und deren benachbarte verschiedenpolige Belegtuigsschieht einander die ebenen Folien zukehren und die letztere Belegiuigsschicht der nächsten,
mit der ersteren Belegungsschieht gleichpoligen Belegung-s- schicht die am Rande gekrümmten Folien zu kehren.
Selbstverständlich kann die Unsy mmetrie auch durch treppenförmige Anordnung der Be- legungsschichten erzielt werden, wie dies bei spielsweise in den Fig. 14 und 15 dargestellt ist, wobei zur Vereinfachung der Zeichnung die Isolierstoffschiehten nicht. eingezeichnet. sind. Die Stufentiefe dieser treppenförmigen Anordnung russ natürlich mindestens der Tiefe A des oben definierten Randgebietes ent sprechen.
In beiden Anordnungen ist aber dafür zu sorgen, dass auch für die Schichten B,' die nötige Unsymmetrie gewahrt bleibt, was beispielsweise durch Verdiekung des Di- elektrikums zwischen den Schichten B.' und . Bi erfolgen kann, wie dies in den Fig.14 und 15 dargestellt ist.
Die Uns' mmetrie kann aber auch erzielt, werden, indem das :Dielektrikuni auf einer Seite der am tiefsten einspringender: Belegungssebicliten (B.') mindestens iniRand- gebiet dureli mindestens eine Zwisellenbele- gung unterteilt ist.
In der Anordnung gemäss Fig.7-1 sind die Belegungssebiehten gruppenweise treppen- förmig gegeneinander verschoben, und in der Anordnung aeinäss Fig. l:5 sind die Bele"un"s- sehiehten ziekzaekföi-inig abgestuft.
In diesen Anordnungen. , iiaeli den Figu. I.-1 und 15 lassen sieh auch vorteilhaft die in dem Ausführungsbeispiel. gemäss Fig. -1 verwen deten inetallisehen Zwischenbelegungen Z ein bauen.
Diese Zwiselienbelegungen Z können natürlich auch in die Zwisehensehichten R eingebaut werden, derart, dass in das ver stärkte Dielektrikinn des Randgebietes minde stens eine leitende Zwischenbelegung einge schoben ist, wie dies in dein Ausführungsbei- spiel der Fig. 16 dargestellt ist.
Die Zwischen- belegungen 7, @deiehen Niveaus in gegenüber- liegenden Kondensatorrändern können über dies naeli Belieben miteinander verbunden werden, wobei diese Verbindungsleitungen ausserhalb oder innerhalb des Kondensators verlaufen können.
Alle die beschriebenen Anordnungen lassen sich entweder als Stapelkondensatoren oder als Wiekelkondensatoren in Forin von Flach- oder Rundwickeln ausführen, wobei natürlich auch noeli Kombinationen der einzelnen ge- zeiehneten Ausführung-sforinen inöcheh sind.
17s sei noch darauf verwiesen, dass bei Wik- kelkondensatoren zufolge der leicht verschie denen Krümmung aufeinanderfolgender Bele- gungsschiehten die Feldverteilung bezüglich einer Solchen Schiebt immer etwas unsynime- tri4eh ist, jedoch handelt es sieh hierbei um eine LTnsyn@metrie, die irre einige (;
rössenord- nungerr kleiner ist als die durch die vorlie gende Erfindung erzielte Unsynimetrie.
Selbstverständlich kann die gemäss obigen Ausführungen in irgendeiner Weise erzielte Unsymmetrie noell verstärkt werden, indem die Dielektrikunisehiehten beidseitiD- einer Be- legungssehieht aus -Material mit nntersehied- liehen Dielektrizitätskonstanten hergestellt werden, wobei es bekanntlich möglich wird, die Temperaturkonstanz der Kapazität des Kon densators zu verbessern.