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Die Erfindung betrifft ein Kondensator-Bauteil mit Stromschiene und ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensator-Bauteils mit Stromschiene.
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Bei dem Kondensator-Bauteil kann es sich beispielsweise um einen Leistungskondensator, der beispielsweise für den Einsatz in einem radialsymmetrischen Einbauraum geeignet ist, handeln. Insbesondere kann das Kondensator-Bauteil als Zwischenkreiskondensator im Zwischenkreis eines Umrichters eingesetzt werden.
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Ein derartiges Kondensator-Bauteil weist Elektroden auf, die über Stromschienen kontaktiert werden. Die Stromschienen werden auch als „Busbars” bezeichnet. Als schwierig erweist sich oft die Fertigung der Stromschienen und die Kontaktierung der Stromschienen mit den Elektroden.
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Aus der
DE 3443069 A1 sind stirnkontaktierte Kondensatoren mit Kontaktfedern zur Kontaktierung bekannt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kondensator-Bauteil mit verbesserten Eigenschaften anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es ein verbessertes Verfahren zur Herstellung des Kondensator-Bauteils anzugeben.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Kondensator-Bauteil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
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Es wird ein Kondensator-Bauteil angegeben, das einen Grundkörper aufweist, wobei der Grundkörper Innenelektroden und eine Außenfläche aufweist. Vorzugsweise ist der Grundkörper ringförmig. Vorzugsweise ist auf der Außenfläche eine erste Stromschiene angeordnet, die mit den Innenelektroden elektrisch kontaktiert ist. Erfindungsgemäß ist die Stromschiene auf der Außenfläche aufgewickelt.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper ringförmig um eine Achse geformt. Die Flächennormale der Außenfläche, auf der die erste Stromschiene angeordnet ist, weist in radialer Richtung von dieser Achse weg. Es sind auch andere Geometrien des Grundkörper denkbar, beispielsweise ein flacher Grundkörper.
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Die Stromschiene kann ebenfalls ringförmig sein. Die Stromschiene kann ferner derart konstruiert sein, dass sie den ringförmigen Grundkörper nicht vollständig umschließt. Die Stromschiene kann beispielsweise eine ringsegmentartige Form aufweisen. In azimuthaler Richtung kann die Stromschiene beispielsweise eine Ausdehnung von 300° bis 355° aufweisen. Die Stromschiene kann einen geringfügig größeren Durchmesser als der Grundkörpers aufweisen.
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Das Kondensator-Bauteil mit einem ringförmigen Grundkörper weist vorzugsweise einen hohen Volumenfüllfaktor auf. Der Volumenfüllfaktor gibt das Verhältnis des geometrischen Volumens eines Bauteils oder Moduls zu dem tatsächlich technisch genutzten Volumen an. Durch die Kombination eines ringförmigen Grundkörpers mit einer auf der Außenfläche angeordneten Stromschiene kann ein für das Kondensator-Bauteil zur Verfügung stehendes radialsymmetrisches Volumen effektiv genutzt werden. Ferner ermöglicht die an der Außenfläche angebrachte Stromschiene in einfacher Weise eine Kontaktierung des Kondensator-Bauteils mit einer externen Spannungsquelle.
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In einer nicht beanspruchten Ausführungsform weist der Grundkörper einen Folienstapel mit mehreren Innenelektroden und dazwischen angeordneten dielektrischen Folien auf. Vorzugsweise handelt es sich bei den dielektrischen Folien um Polymerfolien. Die dielektrischen Folien können auf zumindest einer Außenfläche metallisiert sein. In diesem Fall werden die Innenelektroden durch die Metallisierung der dielektrischen Folien gebildet. Vorzugsweise sind die metallisierten Polymerfolien derart übereinander angeordnet, dass sich dielektrische Schichten und metallische Schichten in dem Folienstapel entlang der Flächennormale der Folien abwechseln.
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Der Grundkörper kann ferner einen oder mehrere Trennfilme aus einem isolierenden Material aufweisen, die den Grundkörper in mehrere Kapazitäten unterteilen.
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Die metallisierten dielektrischen Folien sind zu einem Kondensatorwickel, insbesondere einem ringförmigen Kondensatorwickel, aufgewickelt. Die Stirnseiten dieses Kondensatorwickels, die parallel zur Flächennormale der Folien sind, können zumindest teilweise mit einer Metallisierung beschichtet werden. Diese Metallisierung wird auch als Schoopschicht bezeichnet. Als Stirnseiten werden hier die Seiten des Grundkörpers bezeichnet, die parallel zur Flächennormale der Innenelektroden angeordnet sind.
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Der Grundkörper des Kondensators wird durch den Kondensatorwickel gebildet.
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Vorzugsweise weist die erste Stromschiene einen ersten, auf die Außenfläche des Grundkörpers aufgewickelten Metallstreifen auf.
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Der Metallstreifen wird vorzugsweise zur Ausbildung der Stromschiene auf den Grundkörper aufgewickelt. Vorzugsweise wird die Stromschiene in einem durchgängigen Wickelprozess auf den Grundkörper aufgewickelt, so dass sich ein kostensparendes Herstellungsverfahren ergibt. Als durchgängiger Wickelprozess wird hier ein Verfahren bezeichnet, dass es ermöglicht die Stromschiene sowie eine Isolierschicht, die oberhalb und/oder unterhalb der Stromschiene angeordnet ist, in einem gemeinsamen Wickelprozess aufzuwickeln. Vorzugsweise wird in demselben Wickelprozess auch eine zweite Stromschiene aufgewickelt, die ebenfalls einen Metallstreifen aufweist.
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Vorzugsweise weist der erste Metallstreifen Kupfer auf. Insbesondere ist der erste Metallstreifen ein verzinnter Kupferstreifen. Es sind aber auch andere Materialien für den Metallstreifen möglich. Vorzugsweise wird ein Material mit einer hohen Leitfähigkeit gewählt.
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Der Grundkörper des Kondensators weist erste und zweite Innenelektroden auf, wobei vorzugsweise die ersten Innenelektroden mit einer ersten Stirnseite des Grundkörpers kontaktiert sind und die zweiten Innenelektroden mit einer zweiten Stirnseite, die der ersten Stirnseite gegenüber liegt, kontaktiert sind. Die erste Stirnseite des Grundkörpers kann eine erste Schoopschicht aufweisen. Die zweite Stirnseite des Grundkörpers kann eine zweite Schoopschicht aufweisen.
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Das Kondensator-Bauteil kann eine zweite Stromschiene aufweisen. Die zweite Stromschiene kann mit Innenelektroden des Grundkörpers kontaktiert sein. Insbesondere kann die erste Stromschiene mit den ersten Innenelektroden und die zweite Stromschiene mit den zweiten Innenelektroden kontaktiert sein. Die zweite Stromschiene kann in radialer Richtung außen an dem Grundkörper angeordnet sein.
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In einem Ausführungsbeispiel ist ein erster Metallstreifen als erste Stromschiene auf die Außenfläche des Grundkörpers aufgewickelt und mit den ersten Innenelektroden kontaktiert. Ein zweiter Metallstreifen ist als zweite Stromschiene auf die Außenfläche des Grundkörpers gewickelt und mit den zweiten Innenelektroden des Grundkörpers kontaktiert, wobei der erste und der zweite Metallstreifen durch eine Isolierschicht voneinander getrennt werden. Im Folgenden ist unter der Bezeichnung „Metallstreifen” der erste und/oder der zweite Metallstreifen zu verstehen.
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An jeder der beiden Stromschienen kann über eine externe Spannungsquelle jeweils ein Potential angelegt werden. Werden erste Innenelektroden beispielsweise mit der ersten Stromschiene kontaktiert, an der ein erstes Potential anliegt, und werden ferner zweite Innenelektroden mit der zweiten Stromschiene kontaktiert, an der ein zweites Potential anliegt, so kann im Grundkörper zwischen den ersten und den zweiten Innenelektroden eine Kapazität ausgebildet werden.
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Vorzugsweise weist der Grundkörper einen ersten Kondensator und einen Y-Kondensator, der einen zweiten Kondensator und einen dritten Kondensator aufweist, auf. Die erste und die zweite Stromschienen können dabei derart mit dem ersten Kondensator und dem Y-Kondensator kontaktiert sein, dass der zweite und der dritte Kondensator in Reihe zueinander und parallel zu dem ersten Kondensator geschaltet sind.
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Die Y-Kondensatoren unterdrücken vorzugsweise unsymmetrische Störungen. Eine solche Störung kann beispielsweise durch Schwankungen in der Spannungsversorgung entstehen.
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Der erste Kondensator und die Kondensatoren des Y-Kondensators können in das Kondensator-Bauteil integriert sein. Ein Kondensator kann beispielsweise dann als „integriert in ein Bauteil” bezeichnet werden, wenn das Bauteil und der Kondensator zumindest eine gemeinsame Spannungsversorgung oder ein gemeinsames Gehäuse aufweisen.
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Vorzugsweise weist die erste Stromschiene ein erstes Kontaktelement auf. Das Kontaktelement kann an dem Metallstreifen der Stromschiene angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist das erste Kontaktelement mit einer ersten Stirnseite des Grundkörpers verbunden und die erste Stromschiene ist durch das erste Kontaktelement mit zumindest einigen der Innenelektroden kontaktiert. Das Kontaktelement kann dementsprechend eine elektrische Kontaktierung des Metallstreifens mit den Innenelektroden des Grundkörpers ermöglichen.
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Bei dem Kontaktelement kann es sich beispielsweise um einen Kontaktbügel handeln, der mit einer Schoopschicht des Grundkörpers verbindbar ist.
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Der Metallstreifen kann zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen aufweisen. An zumindest einer Seitenfläche kann zumindest ein Kontaktelement angeordnet sein.
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Vorzugsweise wird zumindest ein Kontaktelement mit einer Stirnseite des Grundkörpers zur Kontaktierung des Metallstreifens mit den Elektroden verbunden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt diese Verbindung durch Verschweißen. Dazu kann das Kontaktelement an die Schoopschicht angeschweißt werden. Ein Verschweißen des Kontaktelements mit der Schoopschicht ermöglicht eine dauerhafte und sehr robuste Verbindung.
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Vorzugsweise weist der Metallstreifen mehrere Kontaktelemente auf.
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Beispielsweise sind mehrere Kontaktelemente zur Kontaktierung des Grundkörpers in regelmäßigen Abständen auf dem Metallstreifen angeordnet, um Unsymmetrien bei der Spannungsversorgung des Grundkörpers zu vermeiden.
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Vorzugsweise wird wenigstens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der Stromschiene mit einer äußeren Spannungsquelle, etwa einem Insulated-Gate Bipolartransistor, IGBT, verwendet. Dieses Kontaktelement ist beispielsweise fingerförmig ausgebildet. Wenigstens ein Kontaktelement kann mit einem Masseanschluss verbunden sein.
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Vorzugsweise weist das Kondensator-Bauteil einen Trennfilm auf, wobei der Trennfilm die erste Stirnseite des Grundkörpers in einen ersten und einen zweiten Bereich teilt und wobei der erste und der zweite Bereich voneinander elektrisch isoliert sind. Der Trennfilm kann ein isolierendes Material aufweisen. Der Trennfilm kann derart angeordnet sein, dass er in axialer Richtung aus der Stirnseite der Grundkörpers herausragt.
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Vorzugsweise weist die zweite Stromschiene ein zweites Kontaktelement auf, wobei das erste Kontaktelement mit dem ersten Bereich der ersten Stirnseite des Grundkörpers kontaktiert ist und das zweite Kontaktelement mit zumindest einem aus dem zweiten Bereich der ersten Stirnseite des Grundkörpers oder der zweiten Stirnseite des Grundkörpers kontaktiert ist.
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Dementsprechend kann das erste oder das zweite Kontaktelement den aus der Stirnseite herausragenden Trennfilm übergreifen. Zu diesem Zweck sind bügelförmige Kontaktelemente besonders gut geeignet. Diese können mit einer Grundfläche des Metallstreifens vor dem Aufwickeln oder Aufstecken auf den Grundkörper einen stumpfen Winkel einschließen, beispielsweise 100°. Dementsprechend kann der Kontaktbügel über den herausragenden Trennfilm hinweg gleiten, ohne diesen bei der Kontaktierung zu beschädigen. Anschließend kann der Kontaktbügel beispielsweise mit einer Schweißzange weiter verformt werden und so mit der Schoopschicht kontaktiert werden.
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Vorzugsweise weist der Grundkörper ferner ein mechanisch federndes Element, das zwischen der Außenfläche des Grundkörpers und dem Metallstreifen angeordnet ist, auf.
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Mit Hilfe eines solchen federnden Elementes kann beispielsweise die Volumenausdehnung des Kondensatorwickels beim Erwärmen aufgefangen werden. Zum anderen hat ein solches federndes Element aber auch den Vorteil, dass Vibrationen, wie sie beispielsweise beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs auftreten, gedämpft werden können.
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Besonders bevorzugt wird als mechanisch federndes Element eine Federunterlage (Spring-Pad) verwendet. Eine solche Federunterlage wird vorzugsweise hergestellt aus einem Kunststoffschaum. Vorzugsweise bilden die einzelnen Poren des Schaums gasdichte, geschlossene Zellen, die mit einem Gas, beispielsweise CO2, gefüllt sind. Ein solchermaßen hergestellte Federunterlage hat den Vorteil, dass sie besonders unempfindlich ist gegenüber Materialermüdung. Die Federeigenschaften werden nicht in erster Linie durch Kompression und Dekompression von einem Festkörper sondern durch die geschlossenen Gasblasen und damit durch Kompression bzw. Dekompression eines Gasvolumens bewirkt.
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Vorzugsweise ist das Kondensator-Bauteil mit einem glasfaserverstärkten Kunststoff beschichtet. Dieser kann eine auf einer Außenseite des Kondensator-Bauteils angeordnete Schutzschicht bilden, die die Stromschienen vor Beschädigungen schützt.
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Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Kondensator-Bauteils angegeben. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- A) Fertigen eines Grundkörpers des Kondensator-Bauteils, wobei der Grundkörper Innenelektroden und eine Außenfläche aufweist,
- B) Anordnen einer ersten Stromschiene an der Außenfläche, und
- C) Kontaktieren der ersten Stromschiene mit den Innenelektroden des Grundkörpers.
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Erfindungsgemäß wird in Schritt B) die erste Stromschiene auf die Außenfläche aufgewickelt.
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Der Grundkörper kann beispielsweise ringförmig sein. Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von Kondensator-Bauteilen, die nicht auf eine bestimmte Form der Grundkörper beschränkt sind.
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Das Verfahren ermöglicht die Konstruktion eines extrem kompakten Kondensators. Es kann insbesondere ein geeignet dimensionierter und vorgefertigter Metallstreifen zur Herstellung der Stromschiene verwendet werden. Dementsprechend sind nach dem Aufbringen des Metallstreifens auf den Grundkörper keine weiteren Bearbeitungsschritte, wie z. B. ein Zuschneiden des Metallstreifens, nötig.
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Es ist möglich das Verfahren vollautomatisch durchzuführen. Dementsprechend ist das Verfahren sehr kostensparend.
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Vorzugsweise wird zur Ausbildung der Stromschiene ein erster Metallstreifens auf die Außenfläche des Grundkörpers aufgewickelt. Alternativ könnte die Stromschiene als vorgefertigtes Bauteil auf den Grundkörper aufgesteckt werden.
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Vorzugsweise werden im Verfahren in Schritt B) die folgenden Teilschritte ausgeführt:
- B1) Aufwickeln eines Isolierfilms auf dem Grundkörper,
- B2) Anhalten des Aufwickelns des Isolierfilms,
- B3) Einlegen eines Metallstreifens auf den Isolierfilm und
- B4) Aufwickeln des Metallstreifens und des Isolierfilms. Ferner kann sich an den Schritt B4) der Teilschritt B5) fortgesetztes Aufwickeln des Isolierfilms anschließen. Nicht alle Teilschritte B1–B4 sind notwendig. Insbesondere der Teilschritte B2, in dem das Aufwickeln des Isolierfilms angehalten wird, ist optional. Es ist auch möglich, den Metallstreifen in die Wickelmaschine einzuschießen, ohne dabei das Aufwickeln des Isolierfilms anzuhalten.
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Dementsprechend wird der Isolierfilm zum Aufwickeln der Stromschiene nicht aus der Wickelmaschine entfernt. Vielmehr dient er als Unterlage für den Metallstreifen, der als Stromschiene aufgewickelt wird. Der Metallstreifen und der Isolierfilm können dementsprechend gleichzeitig in einem Wickelprozess aufgewickelt werden. Dementsprechend kann die Stromschiene und der Isolierfilm in einem durchlaufenden Wickelprozess auf den Grundkörper aufgebracht werden.
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Der durchlaufende Wickelprozess kann vollautomatisch erfolgen. Der Wickelprozess kann mittels einer einzigen Wickelmaschine erfolgen.
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In analoger Weise kann in dem durchlaufenden Wickelprozess eine zweite Stromschiene aufgewickelt werden. Nachdem die erste Stromschiene aufgewickelt ist und diese von zumindest einer Lage des Isolierfilms bedeckt ist, kann dazu das Aufwickeln des Isolierfilms wiederum angehalten werden. Dann kann ein zweiter Metallfilm eingelegt werden und zusammen mit dem Isolierfilm aufgewickelt werden. Dieser Schritt ist genauso wie der oben beschriebene Schritt B2 optional. Es ist auch möglich, den Metallstreifen in die Wickelmaschine einzuschießen, ohne dabei das Aufwickeln des Isolierfilms anzuhalten.
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Es ist also möglich, in einem einzigen durchlaufenden Wickelprozess zwei Stromschienen zu erzeugen. Vorzugsweise werden dabei auch Isolierschichten erzeugt, wobei vorzugsweise zwischen den Stromschienen sowie ober- und unterhalb der Stromschienen jeweils eine Isolierschicht angeordnet ist.
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Vor der Anordnung auf der Außenfläche kann der Metallstreifen vorgerollt werden. Beim Vorrollen wird der Metallstreifen bereits an die Form des Grundkörpers angepasst. Dadurch können Beschädigungen des Metallstreifens oder eines Isolierfilms beim Aufwickeln vermieden werden. Das Herstellungsverfahren ist jedoch auch für nicht vorgerollte Metallstreifen möglich.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen, schematischen Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 den Grundkörper eines ringförmigen Kondensator-Bauteils,
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2 einen ringförmigen Kondensator-Bauteils mit Stromschienen in perspektivischer Ansicht,
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3 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch den in 2 gezeigten Kondensator,
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4 in perspektivischer Darstellung einen Schnitt durch das in den 2 und 3 gezeigte Kondensator-Bauteil,
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5 tabellarisch die Schritte des Herstellungsverfahrens zur Herstellung eines Kondensator-Bauteils, und
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6 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Kondensator-Bauteil, das ein mechanisch federndes Element aufweist.
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1 zeigt in perspektivischer Ansicht den Grundkörper 2 eines Kondensator-Bauteils 1. Der Grundkörper 2 ist ringförmig. Es handelt sich bei dem Kondensator-Bauteil 1 um einen Folienkondensator, wobei im Grundkörper 2 übereinander gewickelte metallisierte dielektrische Folien angeordnet sind. Der Grundkörper 2 ist radialsymmetrisch um eine Symmetrieachse 3 geformt. Der Grundkörper 2 weist eine erste Stirnseite 4 und eine dieser gegenüberliegenden zweite Stirnseite 5 auf, wobei die Flächennormale der ersten Stirnseite 4 und die Flächennormale der zweiten Stirnseite 5 jeweils parallel zur Achsenrichtung der Symmetrieachse 3 sind. Jede der beiden Stirnseiten 4, 5 ist zumindest teilweise mit einer Metallschicht, der sogenannten Schoopschicht 6, 7, bedeckt. Die erste Stirnseite 4 weist eine erste Schoopschicht 6 auf. Die zweite Stirnseite 5 weist eine zweite Schoopschicht 7 auf.
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In radialer Richtung, nach außen hin gesehen, weist der Grundkörper 2 des Kondensator-Bauteils 1 eine Außenfläche 8 auf. Die Innenelektroden des Kondensator-Bauteils 1 können durch Trennlagen voneinander elektrisch getrennt sein, so dass das Kondensator-Bauteil 1 mehrere Kapazitäten aufweist. Vorzugsweise sind eine zweite und eine dritte Kapazität in Reihe zueinander und parallel zu einer ersten Kapazität geschaltet sind, so dass die zweite und dritte Kapazität zu einem Y-Kondensator verschaltet sind. Dementsprechend kann ein Y-Kondensator, der die zweite und dritte Kapazität aufweist, in ein Kondensator-Bauteil, das ferner die erste Kapazität aufweist, integriert sein.
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Der Grundkörper 2 weist einen ersten und einen zweiten Trennfilm 19, 20 auf. Der erste und der zweite Trennfilm 19, 20 können einen Kunststoff, beispielsweise Polyimid, aufweisen. Der erste Trennfilm 19 kann dabei derart dimensioniert sein, dass er aus dem übrigen Grundkörper 2 herausragt. Insbesondere ragt der Trennfilm 19 in axialer Richtung über die erste Schoopschicht 6 hinaus. Dementsprechend wird die erste Schoopschicht 6 in zwei voneinander isolierte Bereiche getrennt. Ferner kann der zweite Trennfilm 20 derart dimensioniert sein, dass er aus dem übrigen Grundkörper 2 herausragt. Insbesondere ragt der Trennfilm 20 in axialer Richtung über die zweite Schoopschicht 7 hinaus. Dementsprechend wird die zweite Schoopschicht 7 in zwei voneinander isolierte Bereiche getrennt.
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2 zeigt ein Kondensator-Bauteil 1 in perspektivischer Ansicht. Auf dem Grundkörper 2 des Kondensator-Bauteils 1 sind eine erste Stromschiene 9 und eine zweite Stromschiene 10 angeordnet. Die erste Stromschiene 9 ist dabei in radialer Richtung außen auf der Außenfläche 8 angebracht. In radialer Richtung außen auf der ersten Stromschiene 9 ist wiederum die zweite Stromschiene 10 angeordnet.
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In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste und die zweite Stromschiene 9, 10 nahezu deckungsgleich. Die erste Stromschiene 9 und die zweite Stromschiene 10 sind koaxial zum Grundkörper 2 angeordnet. Die erste Stromschiene 9 weist einen ersten Metallstreifen 11 auf. Die zweite Stromschiene 10 weist einen zweiten Metallstreifen 12 auf. Der erste und der zweite Metallstreifen 11, 12 sind vorzugsweise ringförmig. Jeder der Metallstreifen 11, 12 weist erste Kontaktelemente 13 auf. Die ersten Kontaktelemente kontaktieren den jeweiligen Metallstreifen 11, 12 elektrisch mit zumindest einigen der Innenelektroden des Grundkörpers 2. Ferner kann jeder der beiden Metallstreifen 11, 12 zweite Kontaktelemente 14 und dritte Kontaktelemente 15 aufweisen. Die zweiten Kontaktelemente 14 können den jeweiligen Metallstreifen 11, 12 mit einer Spannungsquelle verbinden. Die dritten Kontaktelemente 15 können den jeweiligen Metallstreifen 11, 12 mit einem Massepotential verbinden.
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Der erste und der zweite Metallstreifen 11, 12 weisen jeweils eine erste und eine zweite Seitenfläche 16, 17 auf, die einander gegenüber liegen. Die ersten, zweiten und dritten Kontaktelemente 13, 14, 15 sind an einer oder an beiden Seitenflächen 16, 17 des jeweiligen Metallstreifens 11, 12 angeordnet.
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Der erste Metallstreifen 11 weist erste Kontaktelemente 13 auf seiner ersten Seitenfläche 16 auf, die um etwa 90° nach innen gebogen sind und mit der ersten Schoopschicht 7 des Grundkörpers 2 verbunden sind. Die ersten Kontaktelemente 13 sind mit der ersten Schoopschicht 7 verschweißt. Die ersten Kontaktelemente 13 ermöglichen eine elektrische Kontaktierung des ersten Metallstreifens 11 mit zumindest jeweils einigen der Innenelektroden des Grundkörpers 2 des Kondensators 1.
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Die erste Seitenfläche 16 des ersten Metallstreifens 11 weist ferner zweite Kontaktelemente 14 auf. Diese zweiten Kontaktelemente 14 sind fingerförmige Vorsprünge, die in Richtung der Symmetrieachse 3 aus dem Kondensator 1 herausragen. Die zweiten Kontaktelemente 14 dienen zur elektrischen Kontaktierung des ersten Metallstreifens 11 mit einer externen Spannungsquelle. Ferner weist der erste Metallstreifen 11 dritte Kontaktelemente 15 zur Verbindung des ersten Metallstreifens 11 mit einem Massepotential auf.
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Zwischen dem ersten Metallstreifen 11 und dem zweiten Metallstreifen 12 ist eine hier nicht erkennbare Isolierschicht angeordnet, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Die Isolierschicht kann mit dem ersten und dem zweiten Metallstreifen 11, 12 in einem gemeinsamen Wickelprozess aufgewickelt werden.
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Die beiden Stromschienen 9, 10 weisen Kupfer oder ein ähnlich gut leitendes Material auf. Vorzugsweise werden als Metallstreifen 11, 12 verzinkte Kupferstreifen verwendet.
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Beispielsweise liegt die Breite des ersten und des zweiten Metallstreifens zwischen 20 und 100 mm. Die Dicke des Metallstreifens 11, 12 liegt vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 1,5 mm. Als Dicke wird hier die Ausdehnung des Metallstreifens 11, 12 in radialer Richtung des Kondensators 1 bezeichnet. Als Breite wird die Ausdehnung des Metallstreifens 11, 12 in axialer Richtung des Kondensator-Bauteils 1 bezeichnet.
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Wird der Metallstreifen 11, 12 vor dem Aufwickeln auf den Grundkörper 2 vorgerollt, d. h. bereits vor dem Aufwickeln auf den Grundkörper 2 an die Form des Grundkörpers 2 angepasst, so kann beispielsweise eine Dicke von 1,5 mm erzielt werden. Metallstreifen 11, 12 mit einer geringen Dicke, beispielsweise von weniger als 0,5 mm, können auch ohne vorheriges Vorrollen auf den Grundkörper 2 aufgewickelt werden.
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Die Metallstreifen 11, 12 können beispielsweise mit folgenden Schritten hergestellt werden. Es wird von einer Spule ausgegangen, auf der ein langes einstückiges Metallband beispielsweise ein Kupferband, aufgewickelt ist. Dieses lange Metallband bildet das Grundmaterial, aus dem zahlreiche erste und/oder zweite Metallstreifen 11, 12 inklusive Kontaktelementen gefertigt werden. Das lange Metallband wird von der Spule abgewickelt und durch eine Stanzwerkzeug geführt. Das Stanzwerkzeug stanzt das Metallband vollautomatisch, wobei das Metallband in zahlreiche miteinander verbundene Metallstreifen aufweisend Kontaktelemente gestanzt wird. Die Metallstreifen sind dabei derart dimensioniert, dass sie sich als erste und zweite Metallstreifen 11, 12 für das Kondensator-Bauteil eignen. Dementsprechend werden bei dem Stanzverfahren Kontaktelemente an den Seiten der Metallstreifen vollautomatisch gestanzt. Das gestanzte Metallband wird anschließend auf eine Spule gewickelt.
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Zwei Spulen, auf denen jeweils ein derart gestanztes Metallband aufgewickelt ist, werden nunmehr an eine Wickelmaschine gekoppelt. Von jeder der beiden Spulen wird ein Metallstreifen 11, 12 auf den Grundkörper aufgewickelt. Dabei wird der Metallstreifen 11, 12 vom weiteren Metallband abgetrennt, beispielsweise abgeschnitten oder abgerissen. Anschließend werden die Kontaktelemente der Metallstreifen 11, 12 vollautomatisch mit den Stirnseiten 4, 5 des Grundkörpers 2 elektrisch kontaktiert.
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Das Verwenden einer Spule mit vorgestanzten Metallstreifen ist besonders einfach, falls zahlreiche Kondensator-Bauteile in einer Massenfertigung hergestellt werden, da hier keine Unterbrechungen des Wickelprozesses zwischen der Fertigung zweier Bauteile nötig sind. Es ist aber auch möglich, einzeln gefertigte Metallstreifen zu verwenden, die nicht auf einer Spule aufgewickelt sind.
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3 zeigt einen Querschnitt durch den in 2 gezeigten Kondensator 1 in schematischer Ansicht.
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Die erste Stromschiene 9 und die zweite Stromschiene 10 sind an einer in radialer Richtung außen liegenden Außenfläche 8 des Grundkörpers 2 am Grundkörper 2 des Kondensators 1 angeordnet sind. Die erste Stromschiene 9 weist den ersten Metallstreifen 11 auf. Die zweite Stromschiene 10 weist den zweiten Metallstreifen 12 auf.
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Der Grundkörper 2 weist mehrere metallisierte dielektrische Folien 18 auf. Der Grundkörper 2 weist erste und zweite Elektroden 28, 29 auf, die durch die Metallisierungen der dielektrischen Folien 18 gebildet werden. Alternativ könnte der Grundkörper 2 dielektrische Folien und metallische Folien aufweisend, die abwechselnd übereinander gestapelt sind und entsprechende erste und zweite Elektroden 28, 29 bilden.
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Die ersten Elektroden 28 sind mit der ersten Schoopschicht 6 des Kondensators 1 verbunden. Die zweiten Elektroden 29 sind mit der zweiten Schoopschicht 6 des Kondensators 1 verbunden.
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Im Grundkörper 2 sind ein erster isolierender Trennfilm 19 und ein zweiter isolierender Trennfilm 20 angeordnet. Die erste Stirnseite 4 des Grundkörpers 2 ist mit einer ersten Schoopschicht 6 zumindest teilweise beschichtet. Die zweite Stirnseite 5 des Grundkörpers 2 ist mit einer zweiten Schoopschicht 7 zumindest teilweise beschichtet. Jede der beiden Schoopschichten 6, 7 wird durch einen der Trennfilme 19, 20 in zwei Bereiche unterteilt. Dabei ist die erste Schoopschicht 6 in einen in radialer Richtung inneren Bereich 21 und einen in radialer Richtung äußeren Bereich 22 geteilt. Ferner ist die zweite Schoopschicht 7 in einen in radialer Richtung inneren Bereich 23 und einen in radialer Richtung äußeren Bereich 24 geteilt.
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Der Grundkörper 2 des Kondensator-Bauteils 1 bildet mehrere Kapazitäten C1–C3 aus, die jeweils durch die Trennfilme 19, 20 voneinander getrennt sind. In radialer Richtung wird der Grundkörper 2 durch die beiden isolierenden Trennfilme 19, 20 in drei Kapazitäten aufgeteilt, wobei hier die in radialer Richtung innerste Kapazität als erste Kapazität C1 bezeichnet wird, die sich daran in radialer Richtung anschließende Kapazität als zweite Kapazität C2 und die in radialer Richtung äußerste Kapazität als dritte Kapazität C3.
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Insbesondere bildet das Kondensator-Bauteil 1 eine erste Kapazität C1, eine zweite Kapazität C2 und eine dritte Kapazität C3 aus, wobei die zweite und die dritte Kapazität C2, C3 in Reihe zueinander und parallel zu der ersten Kapazität C1 geschaltet sind, so dass die zweite und dritte Kapazität C2, C3 zu einem Y-Kondensator verschaltet sind. Dementsprechend ist hier ein Y-Kondensator, der die zweite und dritte Kapazität C2, C3 aufweist, in ein radialsymmetrischen Kondensator-Bauteil, der die erste Kapazität C1 aufweist, integriert.
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In radialer Richtung außen sind auf dem Grundkörper 2 zunächst mehrere Lagen einer Isolierfolie angeordnet, die eine Isolierschicht 25 bilden. Über der Isolierschicht 25 ist die erste Stromschiene 9 angeordnet, die über erste Kontaktelemente 13 mit der ersten Schoopschicht 6 des Grundkörpers 2 und mit der zweiten Schoopschicht 7 des Grundkörpers 2 verschaltet ist. Die erste Stromschiene 9 bzw. der erste Metallstreifen 11 weist auf beiden Seitenflächen 16, 17 erste Kontaktelemente 13 auf. Eines der Kontaktelemente 13 der ersten Stromschiene 9 ist mit dem inneren Bereich 21 der ersten Schoopschicht 6 verschweißt und ein weiteres erstes Kontaktelement 13 der ersten Stromschiene 9 ist mit dem äußeren Bereich 24 der zweiten Schoopschicht 7 verschweißt.
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In radialer Richtung ist über der ersten Stromschiene 9 eine mehrlagige Isolierschicht 25 angeordnet. Über der mehrlagigen Isolierschicht 25 ist wiederum eine zweite Stromschiene 10, die den zweiten Metallstreifen 12 aufweist, angeordnet. Oberhalb der zweiten Stromschiene 10 ist ein glasfaserverstärkter Film 26 angeordnet, der den Kondensator 1 vor Umwelteinflüssen und Beschädigungen schützt.
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Der zweite Metallstreifen 12 weist auf der zweiten Seitenfläche 17 erste Kontaktelemente 13 auf. Diese ersten Kontaktelemente 13 sind um 90° nach innen gebogen und mit der zweiten Schoopschicht 7 auf der ersten Stirnseite 5 des Grundkörpers 2 verschweißt. Die ersten Kontaktelemente 13 des zweiten Metallstreifens 12 sind mit dem inneren Bereich 23 der zweiten Schoopschicht 7 verschweißt und ermöglichen eine Kontaktierung des zweiten Metallstreifens 12 mit den Elektroden, die mit dem inneren Bereich 23 der zweiten Schoopschicht 7 verbunden sind.
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Der äußere Bereich 22 der ersten Schoopschicht 6 ist ferner mit einem Massepotential verbunden.
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4 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Schnitt durch den Kondensator aus 3. 4 zeigt, dass die erste Stromschiene 9 mit der ersten Schoopschicht 6 kontaktiert ist. Die zweite Stromschiene 10 ist mit der zweiten Schoopschicht 7 kontaktiert. Die Kontaktierung erfolgt jeweils durch trennlagenübergreifende erste Kontaktelemente 13. Diese sind bügelförmig. Ferner weist die erste und die zweite Stromschiene 9, 10 jeweils fingerförmige zweite Kontaktelemente 14 auf, die in axialer Richtung aus dem Grundkörper 2 des Kondensators 1 herausragen und die zur Kontaktierung der Stromschienen 9, 10 mit einer externen Spannungsquelle dienen können. Ferner weisen die erste und die zweite Stromschiene 9, 10 dritte Kontaktelemente 15 auf, die mit einem Massepotential verbunden sind.
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Bei der genauen Ausgestaltung der ersten, zweiten und dritten Kontaktelemente 13, 14, 15 sind beliebige Variationen bezüglich Form, Anordnung und Anzahl der Kontaktelemente 13, 14, 15 denkbar. Vorzugsweise werden mehrere Kontaktelemente 13, 14, 15 in regelmäßigen Abständen symmetrisch an der ersten und zweiten Stromschiene 9, 10 angeordnet, um so eine gleichmäßige Spannungsversorgung zu gewährleisten. Grundsätzlich ist aber auch ein einziges erstes, ein einziges zweites und ein einziges drittes Kontaktelement 13, 14, 15 pro Stromschiene 9, 10 ausreichend.
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5 zeigt in einem Ablaufdiagramm mehrere Schritte im Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Kondensators 1. Das Verfahren weist die Schritte A, B und C auf. Das Verfahren kann vollautomatisch erfolgen. Das Verfahren kann in einer einzigen Wickelmaschine durchgeführt werden, die sämtliche Elemente der Stromschienen 9, 10 aufwickelt und die Kontaktierung zum Grundkörper 2 erstellt.
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Als erster Schritt A wird der Grundkörper 2 des Kondensator-Bauteils 1 gefertigt, wobei der Grundkörper 2 Elektroden und eine Außenfläche 8 aufweist. Die Elektroden werden durch metallisierte dielektrische Folien 18 gebildet, die zu einem Kondensatorwickel gewickelt werden. Ferner weist der Grundkörper 2 zwei Stirnseiten 4, 5 auf, die jeweils mit einer Metallschicht, der Schoopschicht 6, 7, beschichtet sind. Die Elektroden im Grundkörper 2 sind abwechselnd mit der ersten und mit der zweiten Schoopschicht 6, 7 elektrisch verbunden.
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Ferner weist das Verfahren den Schritt B, Anordnen einer ersten Stromschiene 9 an der Außenfläche des Grundkörpers 2, auf. Vorzugsweise wird in Schritt B ein erster Metallstreifen 11 auf die Außenfläche 8 des Grundkörpers 2, aufgewickelt.
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Der Schritt B kann beispielsweise die Teilschritte B1–B10 aufweisen, wobei einige dieser Teilschritt optional sind. Im Teilschritt B1 wird zunächst ein Isolierfilm auf den Grundkörper 2 aufgewickelt. Bei dem Isolierfilm kann es sich um einen PET-Film (PET = Polyethylenterephtalat) handeln. In Schritt B1 wird zunächst ein Ende des Isolierfilms an den Grundkörper 2 angeschweißt. Dann wird der Isolierfilm vorzugsweise in mehreren Windungen auf den Grundkörper 2 aufgewickelt. Die Aufwickeldichte der durch den Isolierfilm gebildeten Isolierschicht 25 liegt beispielsweise im Bereich mehrerer Millimeter.
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An den Schritt B1 kann sich der Schritt B2, Anhalten des Aufwickelns des Isolierfilms, anschließen. Dabei wird das Aufwickeln des Isolierfilms gestoppt. Der Isolierfilm wird jedoch nicht aus der Wickelmaschine entnommen. Es wird vielmehr in Schritt B3 nunmehr der erste Metallstreifen 11 auf den Isolierfilm eingelegt bzw. zusammen mit dem Isolierfilm in die Wickelmaschine eingeschossen. Anschließend werden im Schritt B4 nunmehr der erste Metallstreifen 11 und der Isolierfilm gemeinsam auf den Grundkörper 2 aufgewickelt. Es wird vorzugsweise genau eine Wicklung des ersten Metallstreifens 11 aufgewickelt.
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Der erste Metallstreifen 11 ist dementsprechend derart dimensioniert, dass die Länge des ersten Metallstreifens 11 dem Umfang des Grundkörpers 2 mit aufgewickeltem Isolierfilm entspricht. Vorzugsweise umschließt der erste Metallstreifen 11 den Grundkörper nicht vollständig. Der erste Metallstreifen 11 kann nach dem Aufwickeln ein Ringsegment bilden, das einen kleinen Winkelbereich des Grundkörpers, beispielsweise 5° bis 40° unbedeckt lässt.
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An den Schritt B4 schließt sich der Schritt B5 an. In Schritt B5 wird der Isolierfilm weiter aufgewickelt mit beispielsweise einer Aufwickeldicke im Millimeterbereich.
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Anschließend an den Schritt B5 folgt der Schritt B6, Anhalten des Aufwickelns des Isolierfilms. Anschließend wird in Schritt B7 ein zweiter Metallstreifen 12 in die Wickelmaschine eingeschossen. Im nächsten Schritt B8 wird wiederum der zweite Metallstreifen 12 und der Isolierfilm gemeinsam aufgewickelt. Dabei wird eine Wicklung des zweiten Metallstreifens 12 aufgewickelt. An den Schritt B8 schließt sich der Schritt B9 an, in dem wiederum nur der Isolierfilm in mehreren Wicklungen aufgewickelt wird. Ist eine hinreichend dicke Isolierschicht auf die zweite Stromschiene 10 aufgewickelt, so wird der Isolierfilm durch Verschweißen mit der Isolierschicht verbunden. Anschließend wird der nicht aufgewickelte Teil des Isolierfilms abgeschnitten und aus der Wickelmaschine entnommen.
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In Schritt B10 wird ein glasfaserverstärkter Film 26 außen auf den Isolierfilm aufgebracht. Nicht alle Teilschritte B1–B10 sind notwendig. Insbesondere die Teilschritte B2 und B5, in denen jeweils das Aufwickeln des Isolierfilms angehalten wird, sind optional. Es ist auch möglich, die Metallstreifen 11, 12 in die Wickelmaschine einzuschießen, ohne dabei das Aufwickeln des Isolierfilms anzuhalten.
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An Schritt B10 schließt sich der Schritt C an, in dem die ersten Kontaktelemente 13 des ersten und des zweiten Metallstreifens 11, 12 mit den Elektroden des Grundkörpers 2 kontaktiert werden. Dazu können die ersten Kontaktelemente 13 der Metallstreifen 11, 12 mit der jeweiligen Schoopschicht 6, 7 verschweißt werden.
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Ferner zeigt 6 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Kondensator-Bauteil 1 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel. Gegenüber dem in 3 gezeigten Kondensator-Bauteil 1 weist dieses Kondensator-Bauteil 1 ferner ein mechanisch federndes Element 27 auf. Das mechanisch federnde Element 27 ist zwischen dem Grundkörper 2 und der Isolierschicht 25 angeordnet, auf der wiederum die erste Stromschiene 9 angeordnet ist. Das federnde Element 27 ist als Federunterlage (Spring-Pad) ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kondensator-Bauteil
- 2
- Grundkörper
- 3
- Symmetrieachse
- 4
- erste Stirnseite
- 5
- zweite Stirnseite
- 6
- erste Schoopschicht
- 7
- zweite Schoopschicht
- 8
- Außenfläche
- 9
- erste Stromschiene
- 10
- zweite Stromschiene
- 11
- erster Metallstreifen
- 12
- zweiter Metallstreifen
- 13
- erstes Kontaktelement
- 14
- zweites Kontaktelement
- 15
- drittes Kontaktelement
- 16
- erste Seitenfläche
- 17
- zweite Seitenfläche
- 18
- metallisierte dielektrische Folie
- 19
- erster Trennfilm
- 20
- zweiter Trennfilm
- 21
- innerer Bereich der ersten Schoopschicht
- 22
- äußerer Bereich der ersten Schoopschicht
- 23
- innerer Bereich der zweiten Schoopschicht
- 24
- äußerer Bereich der zweiten Schoopschicht
- 25
- Isolierschicht
- 26
- glasfaserverstärkter Film
- 27
- federndes Element
- 28
- erste Innenelektrode
- 29
- zweite Innenelektrode
