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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Kondensator, der insbesondere aus einem Verbund aus isolierenden Kunststofffolien aus Dielektrika und metallischen Elektroden gebildet wird. Die Elektroden werden über Kontaktschienen, auch Busbars genannt, kontaktiert. Der Verbund weist z.B. die Form von Wickeln oder Stacks auf und wird vorteilhaft in einem Gehäuse verbaut, wobei die Busbars die Anschlüsse nach außen bilden. Die elektrische Anbindung des Verbundes an die Busbars erfolgt durch Lötverbindungen oder Schweißverbindungen zwischen den metallischen Elektroden und den Busbars. Übliche Lötverfahren sind Handlötung, Roboterlötungen oder Lötungen mit Hilfe einer Widerstandsschweißanlage.
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Elektrische Kondensatoren mit großer Kapazität, hohen Spannungslagen und großen Strömen benötigen große Folienpakete mit einem großen Gesamtvolumen. Diese Folienpakete sind über Lötanschlüsse mit der zumeist aus Kupfer bestehenden Busbar verbunden. Eine solche Verbindung lässt jedoch keinen Toleranzausgleich zu. Somit können bei großen Unterschieden zwischen den Längenausdehnungskoeffizienten der Folienpakete und der Busbars und hohen Temperaturschwankungen im Betrieb des Kondensators die unterschiedliche Längenausdehnung des Folienpakets und der Busbar zu Spannungen führen. Im Extremfall kann dies bis hin zur Zerstörung des Kondensators wirken. Die Verwendung von kleinen und flexiblen Busbars hat hingegen den Nachteil, dass der Innenwiderstand des Kondensators aufgrund des geringen Querschnitts der Busbars ansteigt und somit die Verlustleistung des Kondensators in einen nicht mehr akzeptablen Bereich steigen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kondensator ist bevorzugt ein Folienkondensator und umfasst eine Vielzahl von Elektroden. Diese Elektroden sind bevorzugt durch Isolationselemente getrennt, wobei die Isolationselemente zwischen den Elektroden angeordnet sind. Es wird somit bevorzugt ein Verbund aus Elektroden und Isolationselementen gebildet, der beispielsweise die Form eines Stapels oder einer Wicklung aufweist. Weiterhin umfasst der erfindungsgemäße elektrische Kondensator zumindest eine Kontaktschiene, die eine Vielzahl von Kontaktelementen umfasst. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kontaktelemente elastisch verformbar ausgebildet sind. Die Kontaktelemente verfügen über einen Kontaktbereich, an dem erfindungsgemäß zumindest eine der Elektroden des Kondensators anliegt. Auf diese Weise stellen die Kontaktelemente eine Verbindung zwischen zumindest einer der Elektroden und der Kontaktschiene her. Durch die elastische Verformbarkeit der Kontaktelemente wird auf eine vorteilhafte Weise ein Toleranzausgleich zwischen den Elektroden und der Kontaktschiene ermöglicht. Somit kann beispielsweise eine unterschiedliche Längenausdehnung bei Erwärmung der Elektroden und des Kontaktelements ausgeglichen werden. Außerdem kann bevorzugt durch die Verwendung einer vorteilhaften platzsparenden Geometrie eine große Anzahl an Kontaktelementen vorgesehen sein, so dass der elektrische Innenwiderstand des Kondensators reduziert wird. Auf diese Weise wird bevorzugt weniger Verlustwärme produziert, so dass der erfindungsgemäße Kondensator insbesondere sehr temperaturstabil arbeitet. Zusammen wird mit dem Toleranzausgleich der elastischen Kontaktelemente eine sehr gute Temperaturwechselfestigkeit realisiert.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontaktelemente integral mit der Kontaktschiene ausgebildet sind. Dies ermöglicht einerseits eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung der Kontaktschiene sowie der Kontaktelemente und hat andererseits den Vorteil, dass der Übergangswiderstand zwischen Kontaktschiene und Kontaktelemente minimiert wird. Somit kann ein sehr geringer Innenwiderstand des Kondensators umgesetzt werden.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kontaktelemente aus der Kontaktschiene gestanzt sind. Dies vereinfacht weiter den Fertigungsaufwand, wodurch beispielsweise die Herstellkosten gesenkt werden können.
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Vorteilhafterweise sind die Kontaktelemente der Kontaktschiene derart ausgebildet, dass diese einen Toleranzausgleich zwischen der Kontaktschiene und der verbundenen Elektrode vornehmen. Insbesondere wird dies durch die elastische Ausbildung der Kontaktelemente unterstützt. Der Toleranzausgleich ermöglicht beispielsweise einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Kondensators auch bei großen Temperaturschwankungen, da hier die unterschiedlichen Längenausdehnungen der einzelnen Bauteile des Kondensators aufgefangen werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Kontaktelement der Kontaktschiene derart aufgebaut, dass dieses einen im Wesentlichen geraden Abschnitt und zwei jeweils an den im Wesentlichen geraden Abschnitt angeordnete geschwungene Abschnitte aufweist. Insbesondere wird auf diese Weise eine Ω-Form erzeugt. Eine derartige Form ermöglicht in vorteilhafter Weise eine elastische Verformung des Kontaktelements und bietet dennoch einen ausreichend großen Querschnitt, um einen Innenwiderstand des Kondensators nicht zu groß werden zu lassen.
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Um die Kontaktschiene zu stützen, ist bevorzugt eine Vielzahl von Stützelementen vorgesehen. Eine Mehrzahl von Kontaktelementen ist vorteilhafterweise zwischen den Stützelementen angeordnet. Besonders bevorzugt sind dabei jeweils zwischen zwei Stützelementen mehrere Kontaktelemente angeordnet, wobei ein Kontaktelement jeweils von beiden Stützelementen getragen wird. Durch diesen sehr platzsparenden Aufbau wird bevorzugt ermöglicht, dass eine große Vielzahl von Kontaktelementen in der Kontaktschiene vorgesehen werden können, so dass ein sehr geringer Innenwiderstand des Kondensators realisiert wird. Dennoch sorgen die Stützelemente für ausreichende Stabilität innerhalb der Kontaktschiene, so dass der Kondensator auch vor mechanischen Belastungen geschützt ist.
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Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass die Kontaktelemente im Wesentlichen innerhalb einer von der Kontaktschiene gebildeten Ebene angeordnet sind. Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass lediglich der Kontaktbereich aus der Ebene der Kontaktschienen herausragt. Auf diese Weise wird die Montage des Kondensators sehr vereinfacht, da die Kontaktschienen direkt an dem vorteilhaft verwendeten Folienpaket angeordnet werden können und somit automatisch lediglich die Kontaktflächen an der zu kontaktierenden Folie bzw. an der zu kontaktierenden Elektrode anliegen. Somit kann bevorzugt verhindert werden, dass die elastische Verformbarkeit der Kontaktelemente durch ungünstige Montage blockiert oder verhindert wird.
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Um den Innenwiderstand des Kondensators weiter zu verringern, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Kontaktbereich der Kontaktelemente mit der zu kontaktierenden Elektrode insbesondere formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden ist. Ebenso ist eine Kombination beider Verbindungsarten möglich. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kontaktbereich mit der Elektrode verschweißt oder verlötet ist. Beide Verfahren ermöglichen, einen sehr geringen Übergangswiderstand herzustellen, so dass insgesamt der Innenwiderstand des Kondensators sehr gering ausfällt.
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Vorteilhafterweise ist die Kontaktschiene derart ausgebildet, dass diese zumindest einen Anschlussbereich aufweist. Über diesen Anschlussbereich kann der Kondensator vorteilhafterweise mit weiteren Elementen verbunden werden. Bei dem Anschlussbereich kann es sich beispielsweise um eine Öffnung handeln, die eine formschlüssige Verbindung durch Verschrauben oder Vernieten ermöglicht, andererseits kann der Kontaktbereich beispielsweise auch ein Lötpunkt sein, mit dem der erfindungsgemäße Kondensator an ein weiteres elektrisches Element angelötet werden kann.
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Vorteilhafterweise sind die Kontaktschiene und/oder die Kontaktelemente aus Kupfer gefertigt. Dieses Material hat sehr gute elektrische Eigenschaften und eignet sich daher besonders zur Kontaktierung des erfindungsgemäßen Kondensators.
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Bevorzugt weist der elektrische Kondensator zwei Kontaktschienen auf, wobei jede Kontaktschiene zumindest eine unterschiedliche Elektrode des Kondensators kontaktiert. Insbesondere eignet sich dieser Aufbau für Folienkondensatoren, da mit jeder Kontaktschiene eine oder mehrere Folien kontaktiert werden, die eine oder mehrere parallel oder in Serie geschaltete Elektroden des Kondensators bilden. Die beiden Kontaktschienen ermöglichen daher vorteilhaft den Zugriff auf den so gebildeten Energiespeicher in seiner Gesamtheit.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnung ist:
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1 eine schematische Ansicht eines elektrischen Kondensators gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Kondensators gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung eines Kontaktelements einer Kontaktschiene, wie sie in dem elektrischen Kondensator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird, und
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4 eine schematische Ansicht des Kontaktelements aus 3 in einer weiteren Ansicht.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt einen Kondensator 1, der insbesondere als Folienkondensator ausgebildet ist. Der Kondensator 1 stellt eine erste Ausführungsform der Erfindung dar und umfasst eine Vielzahl von Elektroden 2 und Isolationselementen 3. Dabei sind die Vielzahl von Elektroden parallel geschaltet und bilden somit einen einzigen Kondensator, für den eine charakteristische Kapazität bestimmbar ist. Die Elektroden 2 sind dabei entweder mit einer ersten Kontaktschiene 4 oder mit einer zweiten Kontaktschiene 6 verbunden. Die erste Kontaktschiene 4 und die zweite Kontaktschiene 6 dienen dabei bevorzugt zum Anschließen des Kondensators an weitere elektronische Bauteile. Sowohl die erste Kontaktschiene 4 als auch die zweite Kontaktschiene 6 weisen eine Vielzahl von Kontaktelementen 5 auf, die zwischen den Elektroden 2 und der ersten Kontaktschiene 4 bzw. der zweiten Kontaktschiene 6 angeordnet sind. Die Kontaktelemente 5 ermöglichen dabei einen Toleranzausgleich zwischen den Elektroden 2 und der ersten Kontaktschiene 4 oder der zweiten Kontaktschiene 6, indem die Kontaktelemente 5 elastisch verformbar ausgestaltet sind. Bei unterschiedlicher Temperaturausdehnung der Elektroden 2 und der ersten Kontaktschiene 4 bzw. der zweiten Kontaktschiene 6 können sich die Kontaktelemente 5 elastisch verformen, um somit diesen Ausdehnungsunterschied aufzunehmen. Die Wechselfestigkeit bei Temperaturschwankungen des Kondensators 1 wird dadurch deutlich erhöht.
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2 zeigt einen Kondensator 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Kondensator 1 umfasst wiederum eine Vielzahl von Elektroden 2 und Isolationselementen 3, die in einem quaderförmigen Stapel angeordnet sind. Die Elektroden 2 werden wiederum von einer ersten Kontaktschiene 4 und von einer zweiten Kontaktschiene 6 kontaktiert, wobei die Kontaktierung wiederum über Kontaktelemente 5 erfolgt. Dazu sind jeweils drei Kontaktelemente 5 übereinander zwischen zwei Stützelementen 41 der ersten Kontaktschiene angeordnet. Die auf der Rückseite des aus Elektroden 2 und Isolationselementen 3 gebildeten Stapels angebrachte zweite Kontaktschiene 6 ist analog zu der ersten Kontaktschiene 4 aufgebaut. Sowohl die erste Kontaktschiene 4 als auch die zweite Kontaktschiene 6 weisen jeweils einen Anschlussbereich auf, die erste Kontaktschiene 4 einen ersten Anschlussbereich 40 und die zweite Kontaktschiene 6 einen zweiten Anschlussbereich 60. Auf diese Weise kann der Kondensator 1 mit weiteren Bauteilen verbunden werden, so dass der Kondensator 1 in einer elektrischen Schaltung als Energiespeicher benutzt werden kann. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau weist die erste Kontaktschiene 4 und die zweite Kontaktschiene 6 eine hohe mechanische Stabilität auf, während dennoch ein Toleranzausgleich durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Elektroden 2 und erster Kontaktschiene 4 bzw. zweiter Kontaktschiene 6 möglich ist. Dies wird realisiert durch die Kontaktelemente 5. Ein derartiges Kontaktelement 5 ist in 3 dargestellt.
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3 zeigt schematisch ein Kontaktelement 5, wie es in der ersten Kontaktschiene 4 und in der zweiten Kontaktschiene 6 verwendet wird. Das Kontaktelement 5 ist zwischen zwei Stützelementen 41 der ersten Kontaktschiene 4 angeordnet. Es weist insbesondere zwei geschwungene Bereiche 52 auf, die in einem geraden Bereich 51 zusammenlaufen. In dem geraden Bereich 51 ist ein Kontaktbereich 50 angebracht, der zur Kontaktierung der Elektroden 2 geeignet ist, da sich der Kontaktbereich 50 aus der Ebene der geschwungenen Bereiche 52 sowie der Stützelemente 41 abhebt (siehe 4). Durch die Form der geschwungenen Bereiche 52 ist es möglich, die an den Kontaktbereich 50 angebundene Elektrode 2 derart zu kontaktieren, dass eine Verformung der Elektrode 2 durch eine elastische Verformung des Kontaktelements 5 ausgeglichen wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Material der ersten Kontaktschiene 4 oder des Kontaktelements 5 einen deutlich unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die von dem Kontaktbereich 50 kontaktierte Elektrode 2.
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4 zeigt das Kontaktelement 5 aus einer weiteren Ansicht. Diese Ansicht entspricht einer Ansicht aus 3 von oben. Dabei ist erkennbar, dass der Kontaktbereich 50 derart geformt ist, dass sich dieser aus einer Ebene E abhebt. In der Ebene E liegen sämtliche anderen Teile des Kontaktelements 5: Sowohl die geschwungenen Bereiche 52 als auch die Stützelemente 41 der ersten Kontaktschiene 4 bilden eine Ebene E, aus der der Kontaktbereich 50 hervorsteht. Durch das Hervorstehen des Kontaktbereichs 50 wird eine Kontaktierung der Elektroden 2 sehr einfach ermöglicht, da die elastische Verformbarkeit der geschwungenen Bereiche 52 des Kontaktelements 5 nicht beeinträchtigt wird. Außerdem können beispielsweise Schweißelektroden, die zum Verbinden des Kontaktbereichs 50 mit den Elektroden 2 verwendet werden, derart positioniert werden, dass der Schweißstrom überwiegend im gewünschten Lötbereich fließt und nur geringe unerwünschte Nebenströme auftreten. Daher erlaubt der erfindungsgemäße Aufbau der Kontaktelemente 5 neben der erhöhten Temperaturwechselfestigkeit des Kondensators auch eine sehr einfache und kostengünstige Fertigung des Kondensators 1.
