DE102006048686A1

DE102006048686A1 - Vergossener niederinduktiver Hochstromkondensator mit verbesserten Fertigungseigenschaften

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Publication number: DE102006048686A1
Application number: DE200610048686
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-14
Filing date: 2006-10-14
Publication date: 2008-04-24

Abstract

Kondensator mit mindestens einem axial eingebauten Kondensatorwickelelement, das in ein sehr dünnwandiges und sehr gut lötfähiges metallisches Gehäuse eingebaut ist, mit dem Gehäuseboden elektrisch leitend verbunden ist, das Gehäuse nahezu vollständig ausfüllt und dadurch eine koaxiale niederinduktive anordnung bildet, wobei das Gehäuse neben der elektrischen Rückleiterfunktion gleichzeitig als Gießform Verwendung findet, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss des Wickelelements am Becherboden mit Hilfe von Lötverbindungen durch Öffnungen im Boden erfolgt, die durch die Lötung geschlossen werden, wobei die Anordnung durch Deckel und Boden in der Form stabilisiert wird und durch den Verguss eine zusätzliche mechanische Stabilität erhält, wobei das Gehäuse zur Erleichterung des Vergussprozesses am oberen Ende einen Überstand bildet, der einen wesentlichen Teil der erforderlichen Vergussmenge aufnehmen kann, um das Vergussvolumen mit nur wenigen Nachfülloperationen einbringen zu können.

Description

Stand der Technik
Vergossene Kondensatoren bestehen generell aus den Kondensator-Wickelelement(en) (1), der internen isolierten Verdrahtung (2), der internen Isolation zum Gehäuse (3) und einem Metallgehäuse (4) mit Durchführungen (5) oder es wird ein Isolierstoffgehäuse verwendet, wodurch die interne Isolation zum Gehäuse entfällt. Auch Kombinationen aus Metall- und Kunststoffgehäuse sind bekannt, wobei zumeist der obere Becherbereich aus Kunststoff besteht, in den Durchführungsbolzen oder Gewindeeinsätze (5) eingelassen sind.
Die Leerräume sind mit Harz vergossen. (Siehe 1)
Der Nachteil dieser Ausführungen besteht generell darin, dass Verdrahtungsleitungen zusätzlichen Raum benötigen und diese sowohl gegen das Wickelelement, als auch bei Verwendung eines Metallgehäuses gegen das Gehäuse isoliert werden müssen, wenn sie am Wickel aussen zum Anschluss hochgeführt werden.
Durch die Dicke dieser Leitung einschließlich ihrer Isolation ergibt sich eine Inhomogenität der Isolation zum Gehäuse und der Wickel kann deshalb nicht mehr zentrisch eingebaut werden. Der benötigte Platz für die Leitung beschränkt den Durchmesser des Wickelelementes. Dadurch bedingte Hohlräume müssen dann mit nicht aktivem Vergussmaterial aufgefüllt werden, was die Kosten und den inneren Wärmewiderstand erhöht und den Aktiv-Füllfaktor reduziert. Werden mehrere parallele Leitungen am Umfang verteilt verwendet um den Wickel besser zentrieren zu können, so geht noch mehr Aktivvolumen verloren und die Verdrahtung wird sehr aufwendig und kompliziert.
Wird die Leitung dagegen innen durch das Kernloch geführt, so ist der Leitungsquerschnitt durch die Größe des Kernloches begrenzt, oder es wird ein vergrößerter Wickelkern benötigt, der wiederum zusätzliches, nicht aktives Volumen und höhere Kosten beansprucht. Ein weitere Nachteil dieser Ausführung besteht darin, dass die in der Leitung entstehenden Stromwärmverluste über den gesamten Durchmesser nach außen und zu Deckel und Boden abgeleitet werden müssen, was eine erhöhte hot spot Temperatur verursacht. Zudem benötigen im Kernloch verlegte Leitungen am Ein- und Ausgang aus dem Kernloch in axialer Richtung jeweils den Leitungsdurchmesser + Isolation als zusätzliche Baulänge, was wiederum den Aktiv-Füllfaktor reduziert. Zugleich wird durch Leitung und Isolation das Kernloch teilweise verschlossen, was das einfüllen des Vergusses behindert und zu längeren Vergusszeiten führt, weil der Verguss nicht ungehindert hineinlaufen kann.
Beiden Ausführungsarten ist gemeinsam, dass die verwendeten Innenleitungen nur mit relativ geringem Querschnitt ausgeführt werden können und deshalb relativ hohen Widerstand und hohe Induktivität aufweisen. Die jeweils erforderlichen Isolationen zwischen Wickel, Leitung und Gehäuse sind schwierig auszuführen, sind aufwendig in der Montage und bergen gerade an den Knickstellen der Leitung an der oberen Wickelkante ein erhöhtes Durchschlagsrisiko, weil hier mechanische Belastung auf der ohnehin abgeknickten Leitungsisolation anliegt.
Erfindungsgemäße Ausführung.
Die oben dargestellten Nachteile lassen sich vermeiden, indem statt Bändern, Drähten oder Litzen als Leitung am Wickelumfang oder im Wickelkernloch das erfindungsgemäße Konzept mit konzentrischer Rückleitung eine koaxiale Anordnung bildet wobei gut lötbare Metallfolie oder sehr dünnem Blech zur Anwendung kommt, was selbst bei extrem geringer Wandstärke einen außerordentlich hohen Leitungsquerschnitt und geringste Induktivität ergibt, wodurch gleichzeitig durch den Metallmantel mit Boden oder den dünnstwandigen Becher oder durch eine zusätzliche Isolierhülle eine Gießform gebildet wird. Die konzentrische Rückleitung kann aus dünnwandigem Rohr, aus gelöteter Metallfolie oder aus einem speziell gefertigten dünnwandigen Fließpressbecher bestehen.
Diese metallische Umhüllung des Kondensators ergibt neben der elektrischen Rückleiterfunktion zugleich einen hohen Schutz gegen eindringende Diffusionsfeuchtigkeit.
Eine ausreichende mechanische Stabilität des sehr dünnwandigen Metallmantels und -Bodens wird durch den nachfolgenden Verguss erreicht. Die Vorteile der Erfindung liegen in der Verwendung eines ungewöhnlich dünnen Gehäusemantels mit trotzdem großem Leitungsquerschnitt und guter Verarbeitungsfähigkeit, wobei durch die dünne ca. < 0,3mm Wandstärke eine verbesserte Lötgeschwindigkeit mit Schonung von Wickelelement und Schoopierkontaktschicht vor zu hohem Wärmeeintrag erzielt wird. Neben Verbesserungen in Bezug auf Induktivität, Serienwiderstand geringem Materialeinsatz und guter Verarbeitungsfähigkeit wird eine hohe Aktivvolumennutzung erreicht.
Die Verwendung ist sowohl als Einzelkondensator als auch als Komponente in Parallelschaltung zum Anschluss an niederinduktive Sandwichsammelschienen vorgesehen.
Ausführungsbeispiel 1 eines erfindungsgemäßen Kondensators:
Siehe 2
Der Wickel (1) wird in einen dünnwandigen Metallmantel (2) mit dünnwandigem, lötfähigem Boden (3) eingesetzt und durch mehrere Öffnungen im Boden angelötet und dadurch elektrisch und thermisch kontaktiert. Die obere Schoopierkante des Wickels ist durch eine überstehende Isolation (4) oder durch einen Schrumpfschlauchüberzug oder eine Kappe isoliert. Der Gehäusemantel wird vorzugsweise aus Kupferfolie oder gut weichlötbarer kupferhaltiger Folie gefertigt und mit aushärtendem Harz vergossen. Der Deckel (5) versteift die Zylinderform und trägt den Gehäuseanschluss (6), der durch eine Isoliereinlage (7) von der oberen Kontaktplatte (8) isoliert ist. Lötstellen sind flächig geschwärzt dargestellt. Der Verguss erfolgt durch die Deckelöffnung (9) und füllt über das Kernloch und den Abstand der Bodenplatte (10) das gesamte Gehäuse. Falls spannungsführendes Gehäuse nicht für die Anwendung geeignet ist, kann eine isolierende Befestigung z.B. mit Isolierring oder Isolierschelle erfolgen oder die nachfolgende Ausführung mit Isolierumhüllung gewählt werden.
Ausführungsbeispiel 2:
Alternative Ausführungsart mit Isolierumhüllung
Siehe 3
Alternativ kann der Metallmantel den Umfang auch nur teilweise umschließen oder auch nur überlappend oder aus mehreren aufgewickelten Lagen bestehen und auch der Boden braucht nicht vollständig geschlossen zu sein, falls die Vergussdichtheit durch eine geschlossene Isolierumhüllung (11) erzielt wird.
Ausführungsbeispiel 3:
Ausführung mit zusätzlichem Metallbecher zur Wärmeableitung über den Boden.
Siehe 4
Wird eine gezielte Reduzierung des Wärmewiderstandes erforderlich, kann der z. B. mit Schrumpfschlauch (11) isolierte Kondensator in einen Metallbecher (12) mit gut wärmeleitender Masse eingegossen werden. Der Metallbecher kann dann zur besseren Wärmeableitung mittels seitlichen Laschen (13) oder mit zentraler Bodenschraube auf einem Kühlkörper befestigt werden. Zur Erhöhung der Luft- und Kriechstrecke kann auf dieses Außengehäuse ein Isolierteil (14) aufgesetzt werden, das gleichzeitig die Anschlüsse aufnimmt, diese in Position hält und eine Verlängerung der Gießform darstellt.
Ausführungsbeispiel 4
Kondensatorelement zur Verwendung als Komponente in großen Kondensatoren.
In einer weiteren Anwendung können mehrere der neuartigen Kondensatorelemente direkt an eine niederinduktive Sammelschiene angeflanscht (angelötet oder angeschraubt) und zu einer extrem niederinduktiven und verlustarmen Baugruppe kombiniert werden. Diese Anordnung kann bei Bedarf in ein zusätzliches Metall- oder Isolierstoffgehäuse eingebaut und bei Bedarf vergossen werden und somit als niederinduktive Baugruppe oder kompletter Kondensator verwendet werden.

Claims

Kondensator mit mindestens einem axial eingebauten Kondensatorwickelelement, das in ein sehr dünnwandiges und sehr gut lötfähiges metallisches Gehäuse eingebaut ist, mit dem Gehäuseboden elektrisch leitend verbunden ist, das Gehäuse nahezu vollständig ausfüllt und dadurch eine koaxiale niederinduktive Anordnung bildet, wobei das Gehäuse neben der elektrischen Rückleiterfunktion gleichzeitig als Gießform Verwendung findet, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss des Wickelelementes am Becherboden mit Hilfe von Lötverbindungen durch Öffnungen im Boden erfolgt, die durch die Lötung geschlossen werden, wobei die Anordnung durch Deckel und Boden in der Form stabilisiert wird und durch den Verguss eine zusätzliche mechanische Stabilität erhält, wobei das Gehäuse zur Erleichterung des Vergussprozesses am oberen Ende einen Überstand bildet, der einen wesentlichen Teil der erforderlichen Vergussmenge aufnehmen kann, um das Vergussvolumen mit nur wenigen Nachfülloperationen einbringen zu können.
Kondensator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass statt eines geschlossenen Becherbodens eine oder mehrere dünnwandige flächige Verbindungen vom unteren Gehäuseumfang zur unteren Wickelstirnseite führen und dort mit dem Wickel verlötet sind, wobei die dann unten offene Gehäusestruktur durch eine Isolierumhüllung geschlossen wird, so dass der kubische oder runde Metallbecher dadurch wieder unten vergussdicht wird und auch in diesem Falle die mechanische Stabilität der Konstruktion durch den Verguss soweit erhöht wird, wie sie für normales Handling und zur Befestigung üblicherweise erforderlich ist.
Kondensator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spannungsführende Gehäuse des Kondensators mit einer äußeren Isolierumhüllung ausgestattet wird oder alternativ mit Hilfe von Isolierkomponenten isoliert montiert wird.
Kondensator nach Ansprüchen 1 bis 3, indem der Kondensator zur besseren Wärmeableitung mittels gut wärmeleitender Masse in ein eng anliegendes Metallgehäuse mit verstärktem Boden eingegossen wird, um mit diesem Metallgehäuse eine verbesserte Wärmeableitung bei Befestigung auf einem Kühlkörper zu ermöglichen.
Kondensator nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschlussbereich des Kondensators ein Isolierkörper zur Fixierung der Anschlüsse und zur Erzielung vergrößerter Luft und Kriechstrecken verwendet wird, der als Gehäuseverlängerung wiederum als Gießform fungiert und zusammen mit dem Kondensator vergossen werden kann.
Kondensator nach Ansprüchen 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass der laut 5. aufgesteckte Isolierkörper den Oberbereich des Kondensators vergussdicht abschließt und der Innenbecher und die Innenisolation unten ausreichend offen gestaltet sind und das in Anspruch 5 erwähnte Außengehäuse Öffnungen für einen Verguss von der Bodenseite her aufweist und am Boden ein Leervolumen vorgesehen ist, das einen Verguss mit nur wenigen Nachfüllaktionen erlaubt.
Kondensator nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als Komponente in Parallelschaltung an einer niederinduktiven Sammelschiene zur Herstellung einer größeren niederinduktiven, hochbelastbaren Kondensatoreinheit verwendet und bei Bedarf mit einem zusätzlichen Schutzgehäuse ausgestattet wird, wobei zumindest die Kondensator-Wickelelemente vergossen sind.