DE1564111A1 - Wickelkondensator und Anordnung der Stromzufuehrung - Google Patents

Description

DR. A. MENTZEL '

506 REFRATH b. KöiN, den ZJ. Januar 1966

DIPPING. W. DAHLKE . _{FRANKENFOHST137 t a #} /j, _# PATENTANWÄLTE TElEFON: BEKSBEEG 4200

lliinoia Tool v/orks Inc Chicago, Illinois - TJBA

wickelkondensator und .anordnung der οtrom&uführunr;

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Kondensator und insbesondere einen wickelkondensator aus üpiralformi^ aufgewickelter tfolie und einem dielektrisoheri werkstoff, der eine v/es ent Ii oh. bessere Bindef estigkei b zwiachen dem Kondonsatorkörper und den elektrischen StromzufUhrungen aufweist, die an den !!ändern der Folienbander in dem Kondensatorkörper angebracht sind. Insbesondere betrifft die hrfindun^ einen K.ondensa tor, der aus einer spiralförmig aufgewi ckoJ ten ivJ ek-

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trodenfolie und einem dielektrischen Film besteht, wobei die elektrischen Stromzuführungen durch Verschweißen der elektrischen ötromziiführungen und der Elektrodenfolie mit der ±;lektrodenfolie verbunden sind.

Beim Wickeln von Kondensatorkörpern der erfindungsgemäßen Art werden zwei oder mehr Llektrodenfolien Hit einem dazwischenliegenden dielektrischen Werkstoff aufgewickelt, der die Folienlagen gegeneinander elektrisch isoliert.. Bei einer gleichmäßigen Breite der Zwischenlage des dielektrischen "Werkstoffes sind die sukzessiven Lagen der Jbilektrodenf olie so gestaffelt, daß ihre Bänder abwechselnd über gegenüberliegende Ränder des dielektrischen Werkstoffes hinausragen. Auf diese Weise bilden die überragenden Ränder der sukzessiven Folienschicht gegenüberliegende Enden des Kondensatorkörpers.

Bekannte Kondensatoren in Polienanordnung sind durch ein. hohes Gewicht aufgrund der allgemeinen Verwendung von Zinnfolie - einer Zinnbleilegierung - in dem Kondensatorkörper und durch Löten oder Hartloten beim Verbinden der elektrischen ötrumführungen an die Folie des Kondensatorkörpers gekennzeichnet. Diese Konstruktion hat den Nachteil eines großen Gewichtes und ist außerdem insofern nachteilig, als die Bindung zwischen der Lötmasse und der Kondensatorfolie auf der einen Üeite und den elektrischen Ütromsuführungen auf der anderen Üeite in einem weiten Maße unvorhersehbare Ergebnisse erbringt.

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TJm.den Lötkontakt so groß wie möglich zu halten, wird eine besonders große Kontaktfläche zwischen den Stromzufuhruiigen und der Zinnfolie geschaffen, indem die Enden der Stromzuführungen bis zum Hand des Kondensatorkörpers oder über diesen hinaus geführt sind. In solchen Fällen müssen die Enden der Stromzuführungen, d.h. die Enden, die nicht zur Herstellung einer elektrischen Verbindung benutzt sind, sondern über den Kondensatorkörper hinausragen, gestutzt werden,,was zwangsläufig zu einem zusätzlichen Fertigungsschritt führt und außerdem die Gefahr einer Beschädigung während des Schnittvorgangs mit sich bringt, wobei der Schnitt in den Kondensatorkörper hineingehen kann.-

Andere Schwierigkeiten, die naturbedingt bei der Verwendung einer Lötmasse in der Herstellung von Kondensatoren auftreten, beruhen auf der Tatsache, daß die Lötmasse selbst recht schwer ist. Darüber hinaus besteht während des Lötens die Möglichkeit, daß die Lötmasse eine elektrische Verbindung zwischen sukzessiven Folienbändern herstellt und damit die Kondensatorfunktion zerstört. Darüber hinaus kann bei Verwendung des Kondensators in Bereichen mit hohen Umgebungstempera türen die Lo tmasse weich werden und zu fließen beginnen und damit eine elektrische Brücke erzeugen, die die Wirksamkeit des Kondensators nachteilig beeinflußt. Schließlich stellen die Kosten für die Lötmasse selbst ein Problem dar/ wenn Ver-

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suche unternommen werden, die Lötverbindung und die zugehö-rige elektrische Durchstrombarkeit durch die Verwendung teurerer Lötmassen-zusammensetzungen zu verbessern.

TJm das Gewicht und die Verkstoffkosten zu verringern, sind bereits "Versuche unternommen worden, um anstelle der Zinnfolie Aluminiumfolie zu verwenden, was sich allerdings nicht als sehr erfolgreich erwiesen hat. Die besondere Natur der Aluminiumoberfläche - wegen der Atmosphärischen Einwirkung Aluminiumoxyd - läßt das Anlöten von elektrischen Stromzuführungen an Aluminium naturbedingt recht fehlerhaft v/erden., Als Folge davon findet Aluminiumfolie eine geringere Verwen- dung in Kondensatoren, als in Anbetracht der Vorteile zu erwarten wäre, die sie bietet, nämlich geringes Gewicht und geringe Kosten.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, spiralförmig aufgewickelte Kondensatoreinheiten zu schaffen, die eine hohe Bindefestigkeit zwischen den fcStromzuführungen und dem Kondensatorkörper erbringen. -

Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, die Verwendung von Aluminium in Wickelkondensatoren zu erweitern, wodurch das Gewicht, die Werkstoffkosten und die zugehörigen Bearbeitungsunkosten verringert werden.

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Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, einen Wickelkondensator zu schaffen, der kürzere ötromzuführungslängen auf v/eist. Dies und anderes wird durch die vorliegende Erfindung ':fcwährxeistet, in der der spiralförmig gewickelte Kondensat οrkörρer mit den elektrischenütromzuführungen in eintr ■.eise verschweißt ist, die sowohl die Verwendung kür- -. zerer Stromzuführungen als auch von Aluminiumfolie gestattet, swischen denen eine erhöhte Bindefestigkeit bewirkt wird, die bisher unter Verwendung bekannter Werkstoffe für Folien und Dtromzuführungΰΐι nicht erzielbar war. iJrfindungsgemäß werden elektrische ütrorazufuhrungen und die .L¹OIienränder geschmolzen und mit einander verschv/eißt, um eine bessere Kondensatorein- · heit zu schaffen» .

.Die Erfindung ist anhand ein.es Ausführungsbeispiels im Kachfolgenden ausführlicher beschrieben. In der Zeichnung sind:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des erfin-

dungsgernäiBen Kondensators, in der gezeigt ist, wie die Stromzuführungen an den Enden des Kondensatorkb'rpers befestigt sind, wobei d«er Kpndensatorkörxjer radia,l zur Wickelachse zusammengedrückt worden ist, um den Innenraum zu be-■ seitigen, der während der Wickelung von dem Wickeldorn eingenommen worden ist;

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Fig. 2 eine Seitenansicht des Kondensators, in der gezeigt ist, wie die Stromzufuh.ru.ngen an den Rändern der Folienbänder befestigt sind, wobei diese elektrischen Stromzuführungen während des /und des Yerschweißens mit den Rändern der Folie auch in die Enden des Kondensatorkörpers eingedrückt werden;

Fig. 3 eine der Figur 2 ähnliche Ansicht des Kondensators, der in axialer Richtung zusammengedrückt worden ist, um die Ränder der Folienbänder zusammenzudrücken, wobei die elektrischen Stromzuführungen weiter in die Endlage an den Enden des Kondensatorkörpers eingedrückt werden;

Fig. 4 ein Schnitt im vergrößerten Maßstab eines Teils des Koiidensators, in dem im einzelnen die abwechslnden Lagen der Folienbänder und der dielektrischen Streifen sowie die durch Verschweißen mit dem Rand der Folienbänder verbundene elektrische Stromzuführung gezeigt sind.

In Figur 1 überdeckt das Ende des dielektrischen Streifens 10 das leitende Folienband 11 und bildet die Außenfläche des Kondensatorkörpers vor der Auftragung einer Oberschicht,

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die nach Bedarf vorgesehen sein kann, Ein zweiter dielektrischer Streifen 12, der in Figur 1 nicht gezeigt ist, auf den aber im Nachfolgenden noch Bezug genommen wird, trennt die ■ gegenüberliegende- oder innere Fläche des Folienbands 11 von dem leitenden Folienband 13, das seinerseits durch einen dielektrischen Streifen 10 von dem Folienband 11 getrennt ist, nachdem der Schichtstreifen, der abwechselnd aus dielektrischen Streifen und Folienbändern besteht, spiralförmig aufgewickelt ist. Die Stromzuführungen 14 und 15 bestehen aus herkömmlichem Metall oder, einer Kombination von lieta.ll.en., die -eine gute elektrische Leitfähigkeit haben; sie v/erden durch Wärmeeinwirkung mit den Folienbändern 11 bzw. 13 verschweißt.

!bin Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen der ei-ektrischen Stromzuführungen mit der Folie durch Schlagschweißen sind' bereits vorgeschlagen worden. Dieses Verfahren, das mit Hilfe der dazugehörigen Vorrichtung ausgeführt wird, umfaßt die Schritte des Verbindens von Kondensatorreihen mit den elektrischeil Stromzuführungen, des Ladens der Kondensatorreihen und des Bewegeris der Strotozufiihrungen in eine richtige Lage in iiichtung auf das Ende des Kondensatorkorpers, mit dem die Stromzuführung durch Verschweißung verbunden werden soll. An diesem Punkt springt in den Kondensatorreihen. gelagerte elektrische Energie übor don Luftspalt und erzeugt eine intensive Wärme,, was zu einem Schmelzen der Oberflächen

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der Stromzuführung en und der Elektrodeniölie in dem Kondensatorkörper führt, üine fortschreitende Bewegung der Stromzuführungen führt die Stromzuführungen und die Ränder der ±/lektrodenfolie zusammen, während die 0"berflachen sich inmer ,noch ±u geschmolzenen Zustand "befinden. Ein molekulares Yeruongen oder Vorschmelzen der beiden Teile tritt auf, und daran schließt sich .unmittelbar ein Abkühlen der V.erkstoffe in edneu ausreichenden Maße ein, um sie in den festen Aggregatzustirnd zurückzuführen, was zu einer starken Bindung zwischen den Strom zu führung en und der Folie führt. Kit geeigneten liixteln zur Steuerung der Bewegung der elektrischen Stromauf iihrungen und damit zur Steuerung der Bogenbildung ist es theoretisch möglich, gleichzeitig die beiden Stronzuführungen an aera Ilondensatorkörper zu befestigtn, praktisch jedoch wird in diesen Verfahren eine Stromzuführung atigeschweißt,. und dann wird das gleiche Verfahren für die zweite Stromzuführung wiederholt..

Die fortschreitende Bewegung der elektrischen Stromzuführung en führt die Stromzuführungen in den Kondensatorkürper, wie das in Figur 2 gezeigt ist. Als Folge davon erfolgt ein Verschweißen der Drahtzuführungen mit dur i-'oiie über ei.rc? 180 des TJmfangs der Stromzuführungen. Die gestaffelte Laru der Folienbänder 11 und 13 ist aus Figur 2 zu ersehen. Ddese gestaffelte Lage wird dadurch erreicht, daß die beiden Folienband er abwechselnd mit Randbereichen über die p;erenüberiiefeii-

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den Ränder der zwischenliegenden dielektrischen Streifen hinausragen., vOn denen es sich bei dem einen um den Streif en ■

10 handelt. Das Verschweißen der Stromzuführungen 14 und 15 mit den Folienbändern 11 und 13 erfolgt in Teilen der Randbereiche der Folie und ist nicht nur auf die Kanten beschränkt, wobei es sich bei den Randbereichen um die Teile der Folienbänder handelt," die über die Kanten der zwischenliegenden dielektrischen Streifen hinausragen. In Figur 3 sind die Stromzuführungen 14 und 15 an den Randbereichen der Folienbänder

11 und 13 verschweißt,, wie das auch in Figur 2 der Fall ist.. Allerdings sind hier nach Einschweißen der Stromzuführungen .in die Randbereiche der Folie durch ein axiales Eindrücken in Richtung der Wickelachse des Kondensatorkörpers die Randbereiche der Elektrodenfolie eingedrückt.

Der'Aufbau des Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung geht im Einzelnen aus Figur 4 hervor, in der gezeigt ist, v/ie die elektrische Stromzuführung 14 mit den Randbereichen der Elektrodenf'olie 11 vor dem axialen Eindrücken der fertigen Kondensatoreinheit verbunden ist. Figur 4 ist nicht maßstabsgerecht gezeichnet, denn es ist lediglich beabsichtigt, die Relativlagen anzudeuten, n±ht aber die Maße der Elektrodenfolie, des dielektrischen Bandes und der elektrischen Stromzuführung. Der unterste der den Kondensatorkö'rper bildenden Streifen-wird von dem dielektrischen Streifen 10 gebildet, der hier als einfache äußere Lage gezeigt ist, während er Im all--

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gemeinen eine ausreichende Überlange umfaßt, um mehrere Schlußwicklungen zu bilden und damit mehrere außenliegende Schichten des Kondensatorkörpers zu erzeugen. Entsprechend ist die Darstellung der Randbereiche der iJleictrodenfolie Ii in Figur 4 insofern nicht' naturgetreu, als notwendigerweise eine erhebliche Verformung der Handbereiche während der Bewegung der elektrischen.Stromzuführung 14 in eine ein Verschweißen mit der Folie Ii gestattende Lege·erfolgt. Hur eine nichterforderliche genaue Steuerung der Bewegung der Stromzuführung 14 würde zu einer Verschweißung mit der i'olie 11 fuhren, ohne daß sie an dem Randbereich gefaltet und gebogen wird. Ferner kann eine Verformung der iU-nidbereich« in jedem Kondensatorkorper bis zu einem gewissen I.aße inincr auftreten, sei es beabsichtigt oder im Verlauf einer gewöhnlichen Vorbehandlung, so daß ein Verschweißen der Stromzuführung mit der Folie an den Kanten und an den Randbereichen an Punkten erfolgt, die nicht an der Kante liegen.

Die gestaffelte Anordnung der abwechselnden Schichten der Elektrodenfolien 11 und 13 ist im einzelnen ebenfalls aus Figur 4 zu ersehen, wobei die Länge des Randbereichs der Folie 11 (der Teil der Folie, der über den Rand der dielektrischen Streifen 10 und 12 hinausragt) im wesentlichen gleich dem Maß ist, um das die Elektrodenfolie 13 aufgrund der Tatsache eingerückt ist, daß ihr Randbereich über die anderen Kanten der gleichen dielektrischen Streifen hinaus-

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ragt, ma das gegenüberliegende Ende des in Figur 4 nichtgezeigten Vickelkondensators zu bilden,,

Das, Maß und die Art des Schmelzens und des darauffolgenden Verschweißens hängt teilweise Ton den besonderen verwendeten werkstoffen ab, aiis denen die folie und die elektrischen Stromzuführungen bestehen. .Im allgemeinen wird wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit und seiner relativ geringen Kosten Kupferdraht für die Stromzuführ/ungen gewählt. Zwei Kupferhalbfabrikate, die allgemeine Verwendung als elektrische Strumführungen gefunden haben, und die sich in der praktischen Ausführung dieser Erfindung als sehr erfolgreich erwiesen haben, sind Kupferdraht.mit Stahlkern, in dem etwa 40 Jo des gesamten' Querschnitts Kupfer ist, während der Rest,* von dem Stahlkern eingenommen wird, und in einer zweiten Form halbharter Kupferdraht in einer Stärke von 80 /TT, bei dem es eich um Kupferdraht handelt, der in bestimmten Grenzen gehärtet ist. Dieser Kupferdraht kann in beiden Ausführungen mit einer Zinn-Bleilegierung in der Größenordnung einer Stärke von 0,75 /CT beschichtet sein.

Das Verschweißen zwischen den Stromzuführungen und den leitenden Polienbändern erfordert eine ausreichende Wärme, um innerhalb von Grenzen ein Schmelzen zu gewährleisten, im allgemeinen braucht, sie aber nJeht notwendigerweise sowohl die Stromzuführung als auch die Folie anzuschmelzen, so daß das

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molekulare Binden erfolgen kann. Die erforderliche Wärmemenge" hängt deshalb teilweise von den betreffenden zu verbindenden Werkstoffen ab, worauf im übrigen bereits hingewiesen worden ist. Auf die Hitzeempfindlichkeit der dielektrischen Streifen muß dabei geachtet werden, weil viele dieser dielektrischen Werkstoffe bei relativ geringen Temperaturen zu schmelzen beginnen. Allerdings ist bei einem Verschweißen der Metall- . teile unter Verwendung des Schlag-schweißverfahrens die Wärme in den zu verschweißenden Bereichen im hohen Maße konzentriert und kann damit gering gehalten werden. Ferner verleihen die relativ großen Oberflächen der Ra.ndbereiche der Elektrodenfolie dem spiralförmig aufgewickelten Kondensatorkörper gewisse Charakteristiken von Kühlrippen, die eine schnelle Wärmeabgabe an die Umgebungsluft gestatten. Im allgemeinen erweisen sich die üblicherweise verwendeten dielektrischen Bänder aus Kunststoff, wie sie in Wickelkondensatoren verwendet werden, z.B. Polyethylenterephthalat oder Kohlenstoff luorharze, als vollkommen zufriedenstellend.

In dieser Kondensatoreinheit, in der der Kondensatorkörper und die Stromzuführungen miteinander verschweißt sind, ist die Bruchfestigkeit der Bindung zwischen der Stromzuführung und der Folie in dem Kondensatorkörper großer als die fieißfestigkeit der Folie. In diesem verbesserten Kondensator führ ;jeder mutwillige Versuch zur Abnahme der elektrischen

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Stromzuführungen zu einem Heißen der Folie- an der Linie oder an dem Punkt, an dem: die Verschweißung erfolgt, wobei keine Trennung zwischen der Stromzuführung und der Elektrodenfolie erfolgt, lilektrische Stromzuführungen, die mittels des Schlagschweißverfahrens mit einer Aiuminiuinfolie verschweißt sind es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß sich Aluminiumfolie schlecht durch Loten mit Stromzuführungen. verbinden läßt --,. erzeugen eine Verbindung,, die wesentlich fester ist, als "wenn die gleichen Stromzuführungen an.-Zinn—Bleifolie angelötet werden.. 'Am bemerkensv/ ortest en ist die Tatsache, daß diese Bindung zwischen der -...iektrischen Stromzuführung'und dem ^iuminium pro einheit Kontaktfläche so stark ist, daß das derzeitige Verfahren des Aniötens. der Stromzuführung über die .gesamte Lange der größten Abmessung des. Endes des Kondensator-Körpers aus Zinn-Bleifolie durch Verschweißen des gleichen StrOmzuführungsmaterials mit Aluminium über eine Länge der Stromzuführung ersetzt werden kann,, die sich nur über die .Halfte oder sogar weniger alja die größte Abmessung des Kondensatorkörpers in gleicher Abmessung erstreckte

Indem ermöglicht wird, daß sich die elektrischen Stromzuführungen radial von einem Punkt weg erstrecken, der auf der Wickelaoh.se oder in deren Nähe liegt, anstatt daß die. Stromzuführung das Ende des Kondensatorkörpers gemäß dem Stand der Technik schneiden müssen, ist eine erhebliche Einsparung im

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Drahtverbrauch möglich. Bei einer Gesamtlänge der Stromzuführung in der Größenordnung von 50 mm ist eine Einsparung von etwa 6 mm oder mehr für jeden der beiden Stromzuführungen ein großer Anteil, wobei diese Einsparung'unter gleichzeitiger Erhöhung der Haltefestigkeit erreicht wird, einer Haltefestigkeit, die sich als besonders nützlich insofern erweist, als die Verbindung von Stromzuführungen mit Aluminium ermöglicht wird.

"Vvie bereits zuvor angedeutet" worden ist, ist der erfindungsgemäße Kondensator, der aus einem aus Aluminiumfolie bestehenden Kondensatorkörper besteht, nur etwa ein Drittel so schwer wie ein Kondensator gleicher Größe, der aus Zinn-Blei-'folie hergestellt ist, und zwar wegen des geringeren Gewichts von Aluminium und wegen der geringeren Länge der Stromzuführung. Der geringere Preis für Aluminiumfolie und die damit einhergehenden geringeren Versand- und Transportkosten verringern die Kosten für den erfindungsgemäßen Kondensator im Vergleich zu der bekannten Anordnung ganz erheblich.

Für bestimmte Aufgaben muß der Kondensator einem Flammentest unterzogen werden, der aus drei Zyklen mit einer Dauer von 15 Sekunden in einer Gasflamme und von 15 Sekunden aus der Flamme heraus besteht, wobei keine bleibende Flamme von dem Kondensator nach dem dritten Zyklus zugelassen ist. Kondensatoren, die aus einer Zinn-Bleilegierung gemäß dem Stand der Technik bestehen,

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halten dieser Probe im allgemeinen nicht stand, weil der dielektrische Film an oder in der Nähe der Außenfläche heiß wird und schmilzt und zu brennen beginnt. Der erfindungsgemäße Kondensator brennt in der gleichen Probe nicht, weil Aluminium ein sehr guter thermischer Leiter ist, während das für eine Zinn-Bleilegierung nicht zutrifft. Als Folge davon werden V; arme s tauung en an oder in der liähe der Oberfläche ausgeschaltet.

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Aus einem dielektrischen '..-erkstoff und einer Elektrodenfolie spiralförmig in einer eine Kapazität erzeugenden Anordnung aufgewickelten Kondensatorkörper und aus Stronzuführungen an den binden des Kondensatorkörpers bestehender Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungen (14, Ib) an den Randbereichen der Llektrodenfolie (11, 13) schmelzverschweißt sind.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungen (14, 15) an den linden des Kondensatorkörpers radial von der wickelachse wegführen.

3. Kondensator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromzuführung, jeweils durch Schlagschweißen mit der Eiektrodenfoiie verbunden ist.

'"-. Kondensator n&ch Anspruch 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, de.j die ^.iel-itrcdenfolie sus Aiuninium besteht.

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