DE102004034769A1

DE102004034769A1 - Doppelschichtkondensator und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004034769A1
Application number: DE102004034769A
Authority: DE
Inventors: Christoph J. Dr. Weber; Stefan Nowak; Hubertus Goesmann
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2004-07-19
Filing date: 2004-07-19
Publication date: 2006-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Doppelschichtkondensator mit einem Kondensatorwickel (2) und einem stirnseitig angeordneten, flächig ausgebildeten ersten elektrischen Kontakt (61, 62, 63), der entlang des Wicklungsverlaufs mit einem Abschnitt mindestens einer Wickelschicht des Kondensatorwickels mechanisch fest verbunden ist. Vorzugsweise sind alle Wickelschichten des Kondensatorwickels (2) mittels des ersten elektrischen Kontakts in radialer Richtung miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppelschichtkondensator mit einem Kondensatorwickel und Verfahren zur Herstellung eines solchen Doppelschichtkondensators.

Der Wickel eines Doppelschichtkondensators weist zwei Elektrodenbeläge und eine dazwischen angeordnete, elektrisch isolierende Trennschicht auf. Die Wickelschichten eines einer bestimmten Elektrode zugeordneten Elektrodenbelags stehen vorzugsweise auf der entsprechenden Stirnseite des Wickels über der isolierenden Trennschicht hinaus. Der Kondensatorwickel ist i. d. R. in einem Gehäuse mit einem Deckel angeordnet. Im Deckel können Ausbeulungen (Sicken) ausgebildet sein, die zu den überstehenden Teilen des Elektrodenbelags einen Druckkontakt erzeugen. Es wird zusätzlich ein elektrischer und mechanischer Kontakt zwischen dem Deckel (im Bereich der Sicken) und einigen Wickelschichten des Elektrodenbelags z. B. durch Punktschweißungen mittels eines Lasers erzeugt. Durch so gebildete Querverbindungen zwischen verschiedenen Wickelschichten des Kondensatorwickels werden Stromwege im Elektrodenbelag gering gehalten. Dabei sind nur wenige Wickelschichten direkt mit dem Deckel verbunden, was zu relativ langen Stromwegen und damit verbundenen Verlusten führt. Der durch die Sicken eines Deckels kontaktierbare Bereich eines Kondensatorwickels ist aufgrund des Platzbedarfes für die Bördelung und Dichtungen stark eingeschränkt. Dies hat zur Folge, dass nicht alle Wickelschichten direkt an den Außenkontakt, also den Deckel oder den Boden des Kondensators angebunden sind. Daraus resultiert ein hoher ESR Wert (ESR = Electrical Serial Resistance) und eine geringe Leistungsdichte des Kondensators.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Doppelschichtkondensator mit einer niederohmigen Kontaktierung eines Kondensatorwickels anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Doppelschichtkondensators anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Es wird ein Doppelschichtkondensator mit einem Kondensatorwickel angegeben. Der Kondensator weist ferner einen an der Stirnseite des Wickels angeordneten, flächig ausgebildeten ersten elektrischen Kontakt auf, der einen Abschnitt mindestens einer Wickelschicht des Kondensatorwickels entlang des Wicklungsverlaufs elektrisch kontaktiert. Der erste elektrische Kontakt ist – z. B. durch Reibschweißen oder ein anderes Schweiß- oder Lötverfahren – fest mit diesem Abschnitt verbunden.

Unter einer Wicklung versteht man eine Spirale bzw. eine Rolle, die beim Aufwickeln einer leitenden Bahn (z. B. Alufolie) auf den Kern des Kondensatorwickels entsteht. Der Kondensatorwickel weist zwei elektrisch voneinander durch eine isolierende Trennschicht elektrisch isolierte Wicklungen auf. Der Schichtaufbau aus einer ersten Wicklung, der Trennschicht und einer zweiten Wicklung ist auf einem Wickelkörper aufgewickelt und bildet eine Spirale. Die erste Wicklung ragt an der ersten Stirnseite des Wickels vorzugsweise über die Trennschicht hinaus. Die zweite Wicklung ragt an der zweiten Stirnseite des Wickels vorzugsweise über die Trennschicht hinaus.

Die jeweilige Wicklung weist im Querschnitt bzw. entlang einer Gerade quer zu ihrer Längsachse verschiedene aufeinander folgende Wickelschichten auf. Eine Wickelschicht stellt im Querschnitt eine Windung der Spirale dar. Verschiedene Wickelschichten des Kondensatorwickels liegen übereinander.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass gegenüber den bisher bekannten Doppelschichtkondensatoren die Stromwege zwischen den Wickelschichten und den Außenanschlüssen des Kondensators verkürzt sind. Im Kondensator gemäß der Erfindung ist eine niederohmige stirnseitige Flächenkontaktierung des Wickels realisiert. Mit der Erfindung gelingt es, die Anzahl und die Länge der Sicken zum Laserschweißen gegenüber den bekannten Kondensatoren zu reduzieren. Dies führt zu erheblich geringeren Fertigungszeiten sowie zur Vereinfachung der Deckelkonstruktion.

Der Kondensatorwickel kann einen beliebigen Querschnitt aufweisen, also im Querschnitt quer zu seiner Längsachse rund oder flach sein.

Der erste Kontakt kann in einer Variante die Stirnseite des Kondensatorwickels komplett bedecken. In einer anderen Variante können an der Stirnseite des Kondensatorwickels mehrere erste Kontakte vorgesehen sein.

Ferner können zweite elektrische Kontakte vorgesehen sein, die den Kondensatorwickel an dessen Stirnseite an von den ersten Kontakten freien Flächen elektrisch kontaktieren. Die zweiten Kontakte sind zwischen den ersten Kontakten angeordnet. Die zweiten Kontakte können die ersten Kontakte elektrisch kontaktieren und zumindest teilweise mit diesen überlappen.

Der Kondensator weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, in dem der Kondensatorwickel angeordnet ist. Das Gehäuse weist in einer Variante eine Mantelhülle und mindestens einen stirnseitig angeordneten Deckel auf, in dem die zweiten Kontakte als Ausbeulungen ausgebildet sind. Das Gehäuse kann z. B. becherförmig sein. Die Form des Gehäuses ist vorzugsweise an die Form des Kondensatorwickels angepasst. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem Metall, z. B. Aluminium, ausgebildet, und kann auf seiner Außenseite – abgesehen von seinen Anschlussbereichen – ggf. eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen.

Der Kondensatorwickel ist an einen Außenkontakt des Kondensators anschließbar. Der Außenkontakt des Kondensators kann z. B. in einem stirnseitig angeordneten Deckel eines Kondensatorgehäuses ausgebildet sein. Der Außenkontakt des Kondensators weist vorzugsweise zur Stirnseite des Kondensatorwickels zum Kondensatorwickel hin ragende Ausbeulungen (Sicken) auf, welche die zweiten Kontakte des Kondensators bilden und die Stirnseite des Kondensatorwickels elektrisch kontaktieren. Die zweiten elektrischen Kontakte sind mit den Wickelschichten des Kondensatorwickels beispielsweise durch Punktschweißungen fest verbunden.

In der bevorzugten Variante der Erfindung sind Abschnitte von mehreren Schichten des Kondensatorwickels mittels des ersten Kontakts fest miteinander verbunden. Vorzugsweise sind mittels des ersten Kontakts mehrere oder alle Schichten des Kon densatorwickels im Wesentlichen quer zum Schichtverlauf (d. h. in radialer Richtung) miteinander oder mit dem zweiten Kontakt fest verbunden.

Die elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem ersten Kontakt und der entsprechenden Schicht des Kondensatorwickels verläuft vorzugsweise, im Gegensatz etwa zu einer punktförmigen Schweißverbindung zwischen einem Kondensatorwickel und einem zweiten Kontakt, entlang einer Linie. Der erste Kontakt kann auch durch (umgebogene und) miteinander überlappende Teile der Schichten gebildet sein. In diesem Fall gelingt es, beim Besprühen der Stirnseite des Kondensatorwickels zur Erzeugung von den ersten Kontakten das Eindringen des Metallsprays in das Innere des Wickels zu vermeiden.

Die ersten Kontakte können auf beiden Stirnseiten des Kondensatorwickels, vorzugsweise im Deckel- bzw. Bodenbereich des entsprechenden Doppelschichtkondensators ausgebildet sein.

Ein Kondensator gemäß Erfindung kann z. B. in einem im folgenden beschriebenen Verfahren erzeugt werden. Zunächst wird ein Kondensatorwickel mit dem vorgegebenen Querschnitt bereitgestellt. Am Kondensatorwickel wird stirnseitig mindestens ein flächiger erster elektrisch leitender Kontakt erzeugt, der mit einem Wicklungsabschnitt einer Wickelschicht des Kondensatorwickels entlang des Wicklungsverlaufs z. B. durch Verlöten mechanisch fest verbunden wird.

In einer Variante der Erfindung werden die stirnseitigen, über einer elektrisch isolierenden Trennschicht hinausragenden Abschnitte der aufeinander folgenden Wickelschichten jeweils z. B. zum Kondensatorkern hin so umgebogen, dass die umgebogenen Bereiche unterschiedlicher Wickelschichten zumindest teilweise miteinander überlappen. Diese Bereiche werden fest bzw. zumindest teilweise in radialer Richtung leitend miteinander verbunden und bilden den ersten Kontakt.

Mindestens eine Wickelschicht des Kondensatorwickels kann mittels des ersten Kontakts direkt mit einem zweiten Kontakt verbunden werden. Dabei ist der erste Kontakt sowohl mit der Wickelschicht als auch mit dem zweiten Kontakt fest verbunden. Der erste Kontakt kann das äußere oder das nach innen gewandte Wickelende des Kondensatorwickels direkt mit dem zweiten Kontakt verbinden.

Der erste Kontakt kann dadurch erzeugt werden, dass die Wickelschichten des Kondensatorwickels durch Reibschweißen miteinander verbunden werden. Der erste Kontakt kann auch dadurch erzeugt werden, dass Elektrodenbeläge des Kondensatorwickels stirnseitig mit einem z. B. durch Sprühen aufzutragenden Metall belegt werden.

Die Wickelschichten einer Kondensatorwicklung werden an der Stirnseite in einer Variante z. B. durch ein Arc Spray Verfahren mit flüssigem Aluminium belegt und dadurch auch in radialer Richtung elektrisch miteinander kontaktiert. Mit Hilfe von abdeckenden Schablonen bzw. Masken ist es möglich, ausgewählte Bereiche selektiv mit Metall zu belegen. Durch die selektive Belegung der Stirnseite des Wickels mit einem ersten Kontakt wird erreicht, dass die für das Einpressen der Sicken wünschenswerte Flexibilität der überstehenden Folien (d. h. Wickelschichten) erhalten bleibt.

Der Kondensatorwickel wird in einer Variante vor dem Erzeugen des ersten Kontakts in einem becherförmigen Gehäuse plat ziert. In einer anderen Variante wird der Kondensatorwickel erst nach dem Erzeugen des ersten Kontakts im Gehäuse platziert. Anschließend wird das Gehäuse mit dem darin angeordneten Wickel durch einen Deckel abgeschlossen, dessen Ausbeulungen auf die Stirnseite des Wickels drücken und so die zweiten Kontakte bilden. Zwischen dem jeweiligen zweiten Kontakt und der Stirnseite des Wickels wird eine feste Verbindung z. B. durch eine oder mehrere Laserpunktschweißungen erzeugt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
1 eine Draufsicht von oben auf einen bekannten Doppelschichtkondensator
2 eine Draufsicht von oben auf einen Doppelschichtkondensator gemäß Erfindung, bei dem die zweiten Kontakte zwischen den ersten Kontakten angeordnet sind
3 eine Draufsicht von oben auf einen Doppelschichtkondensator gemäß Erfindung, bei dem die ersten und die zweiten Kontakte direkt miteinander verbunden sind
1 zeigt einen bekannten Doppelschichtkondensator mit einem Gehäuse 1 und einem Kondensatorwickel, der eine erste Wicklung 2 und eine hier nicht dargestellte zweite Wicklung aufweist. Die Wicklung 2 stellt eine auf den Wickelkörper 3 aufgewickelte Spirale bzw. Rolle dar. Das Gehäuse 1 ist mit einem hier nur ausschnittsweise gezeigten Deckel mit radial verlaufenden Ausbeulungen abgeschlossen, welche zweite Kontakte 41, 42, 43 bilden. Die zweiten Kontakte 41, 42, 43 sind mit einzelnen Wickelschichten der ersten Wicklung 2 durch Laserpunktschweißung fest verbunden. Die Schweißpunkte 51 bis 56 stellen Kontaktpunkte zum Außenanschluss des Kondensators dar.
Die gestrichelte Linie zeigt den Stromweg 7 vom äußeren Ende 21 der Wicklung 2 zum nächstliegenden Schweißpunkt 51. Der Stromweg ist hier relativ lang, da zwischen den äußersten Wickelschichten bis zum Schweißpunkt 51 keine radial verlaufende elektrische Verbindung besteht. Der lange Stromweg führt zu hohen ohmschen Verlusten.
Mit der Erfindung wird die Verkürzung des Stromweges zwischen den außenliegenden, in radialer Richtung nicht direkt mit den zweiten Kontakten 41, 42, 43 verbundenen Wickelschichten und dem nächstliegenden Kontaktpunkt erzielt.
Im folgenden wird eine erfindungsgemäße Kontaktierung der ersten Wicklung beschrieben, die auch auf die zweite Wicklung des Kondensatorwickels übertragbar ist.
In 2 sind die ersten Kontakte 61, 62, 63 sektorenförmig ausgebildet und zwischen den zweiten Kontakten 41 bis 43 angeordnet. Die ersten Kontakte 61, 62, 63 stellen eine radiale elektrische Verbindung zwischen den einzelnen, aufeinander folgenden Wickelschichten zur Verfügung. Mit den punktierten Linien ist angedeutet, dass die stirnseitigen Abschnitte von Wickelschichten entlang des Wicklungsverlaufs fest mit dem jeweiligen ersten Kontakt verbunden sind.
Der kürzeste Stromweg 81 vom Wickelende 21 zu dem nächstliegenden Schweißpunkt – hier dem Schweißpunkt 56 – ist mit einem Pfeil gekennzeichnet. Der kürzeste Stromweg 82 von einer zum Wickelanfang gewandten Wickelschicht zum nächstliegenden Schweißpunkt – hier dem Schweißpunkt 55 – ist auch durch einen Pfeil dargestellt. Die zwischen zwei ersten Kontakten liegenden Stromwege entlang des Wicklungsverlaufs sind mit den Bezugszeichen 71, 72, 73 gekennzeichnet.
Die radiale elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Schichten, insbesondere den äußersten Schichten, verkürzt die entsprechenden Stromwege und sorgt auf diese Weise für eine niederohmige Kontaktierung des Kondensatorwickels.
In 3 sind die ersten Kontakte 61, 62 ringförmig ausgebildet. Der ringförmige erste Kontakt 61 ist direkt an den zweiten Kontakt 43 angeschlossen. Dadurch wird die kurzmöglichste elektrische Verbindung zwischen dem Wickelanfang und dem Schweißpunkt 55 realisiert. Der ringförmige erste Kontakt 62 ist direkt an den zweiten Kontakt 41 angeschlossen. Dadurch wird die kurzmöglichste elektrische Verbindung zwischen dem Wickelende 21 und dem Schweißpunkt 51 realisiert. In diesem Beispiel sind die ringförmigen ersten Kontakte 61, 62 jeweils mit nur einer Wickelschicht entlang des Wicklungsverlaufs verbunden. Möglich ist aber auch, die ringförmigen ersten Kontakte 61, 62 so auszubilden, dass sie mit Abschnitten von mehreren aufeinander folgenden Wickelschichten fest verbunden sind und diese in radialer Richtung miteinander verbinden.
Die Erfindung ist auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele, bestimmte Materialien, die Anzahl oder spezielle Anordnung der dargestellten Elemente nicht beschränkt. Die Erfindung kann für beide Wickelseiten angewendet werden.

1: Gehäuse des Kondensators
2: erste Wicklung des Kondensatorwickels
21: Ende der Wicklung 2
3: Wickelkörper
41, 42, 43: zweiter Kontakt
51 bis 56: Schweißpunkte
61, 62, 63: erster Kontakt
7: Stromweg vom Wickelende 21 zum nächstliegenden Schweißpunkt 51
71, 72, 73: Stromwege entlang des Wicklungsverlaufs
81: kürzester Stromweg vom Wickelende 21 zum nächstliegenden Schweißpunkt
82: kürzester Stromweg von einer zum Wickelanfang gewandten Kondensatorwicklung zum nächstliegenden Schweißpunkt

Claims

Doppelschichtkondensator – mit einem Kondensatorwickel (2), – mit einem an der Stirnseite des Kondensatorwickels (2) angeordneten, flächig ausgebildeten ersten elektrischen Kontakt (61, 62, 63), der einen Abschnitt mindestens einer Schicht des Kondensatorwickels (2) entlang des Wicklungsverlaufs elektrisch kontaktiert und fest mit diesem Abschnitt verbunden ist.
Kondensator nach Anspruch 1, bei dem stirnseitige Abschnitte von mehreren Schichten des Kondensatorwickels (2) mittels des ersten Kontakts (61, 62, 63) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Kontakt (61) die Stirnseite des Kondensatorwickels (2) komplett bedeckt.
Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mehrere erste Kontakte (61, 62, 63) vorgesehen sind.
Kondensator nach Anspruch 4, bei dem zweite elektrische Kontakte (41, 42, 43) vorgesehen sind, die den Kondensatorwickel (2) an dessen Stirnseite elektrisch kontaktieren.
Kondensator nach Anspruch 5, bei dem die zweiten elektrischen Kontakte (41, 42, 43) den Kondensatorwickel (2) an von den ersten Kontakten (61, 62, 63) freien Flächen elektrisch kontaktieren.
Kondensator nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die zweiten elektrischen Kontakte (41, 42, 43) mit den Schichten des Kondensatorwickels (2) durch Punktschweißungen verbunden sind.
Kondensator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die zweiten Kontakte (41, 42, 43) zwischen den ersten Kontakten (61, 62, 63) angeordnet sind.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Kondensatorwickel (2) ein Rundwickel ist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem stirnseitige Abschnitte der aufeinander folgenden Wickelschichten jeweils einen abgebogenen Bereich aufweisen, wobei die abgebogenen Bereiche unterschiedlicher Wickelschichten fest verbunden sind und den ersten Kontakt (61, 62, 63) bilden.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Gehäuse, in dem der Kondensatorwickel (2) angeordnet ist.
Kondensator nach Anspruch 11, wobei das Gehäuse eine Mantelhülle und mindestens einen stirnseitig angeordneten Deckel aufweist, in dem die zweiten Kontakte (41, 42, 43) als Sicken ausgebildet sind.
Kondensator nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der erste Kontakt (61, 62) mindestens eine Wickelschicht des Kondensatorwickels (2) direkt mit einem zwei ten Kontakt (43, 41) verbindet.
Kondensator nach Anspruch 13, bei dem der erste Kontakt (62) das Wickelende (21) des Kondensatorwickels (2) direkt mit einem zweiten Kontakt (41) verbindet.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem Abschnitte von mehreren Wickelschichten mittels des ersten Kontaktelements (61, 62, 63) in radialer Richtung leitend miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Kondensatorwickels für einen Doppelschichtkondensator, mit folgenden Schritten: a) ein Kondensatorwickel (2) wird bereitgestellt, b) am Kondensatorwickel (2) wird stirnseitig mindestens ein flächiger erster elektrisch leitender Kontakt (61, 62, 63) erzeugt, der mit einem Wicklungsabschnitt mindestens einer Wicklung des Kondensatorwickels (2) entlang des Wicklungsverlaufs mechanisch fest verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der erste Kontakt (61, 62, 63) dadurch erzeugt wird, dass die Wickelschichten des Kondensatorwickels (2) durch Reibschweißen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der erste Kontakt (61, 62, 63) dadurch erzeugt wird, dass Elektrodenbeläge des Kondensatorwickels (2) stirnseitig mit einem Metall belegt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem ein flüssiges Metall verwendet wird, das auf die Stirnseite des Kondensatorwickels durch Sprühen aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die über einer Trennschicht hinausragende Bereiche der Elektrodenbeläge des Kondensatorwickels vor dem Besprühen mit dem Metall so umgebogen werden, dass sie zumindest teilweise miteinander überlappen.