DE19810371A1

DE19810371A1 - Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator

Info

Publication number: DE19810371A1
Application number: DE1998110371
Authority: DE
Inventors: Harald Vetter
Original assignee: Siemens Matsushita Components GmbH and Co KG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 1999-09-23
Also published as: WO1999046785A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen stirnkontaktierten elektrischen Wickelkondensator, bei dem metallisierte Folien (8-10) mit Wellenglattschnittkombination (WS, GS), Freirand (FR) und unter einem Versatz (V) zueinander zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt sind, der durch stirnseitige Schooppartikelschichten (S) kontaktiert ist. Die Wellenlänge (lambda) und die Amplitude (y) des Wellenschnittes (WS) sowie der Versatz (V) der Folien (8-10) werden unter Berücksichtigung von Foliendicke (a) und Folienmaterial (E) gewählt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen stirnkontaktierten elektrischen Wickelkondensator, bei dem metallisierte Folien mit Wellenglattschnittkombination, Freirand und unter einem Versatz zueinander zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt sind, der durch stirnseitige Schooppartikelschichten kontak tiert ist.

Die Einsatzmöglichkeiten von Leistungskondensatoren werden in erster Linie durch den Kondensatoraufbau bestimmt, durch den Grenzwerte bzw. noch zulässige Daten für beispielsweise die Strombelastbarkeit und die Stoßstrombelastbarkeit festgelegt werden. Im einzelnen wird bei selbstheilenden Leistungskon densatoren mit Dielektrika aus Kunststoff die Regeneriersi cherheit des jeweiligen Dielektrikums bzw. des Kondensator wickels insgesamt gerade durch die Strombelastbarkeit und Stoßstrombelastbarkeit bestimmt.

In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß infolge des zu nehmenden Einsatzes von IGBT-Invertern (TGBT = Bipolartransi stor mit isoliertem Gate) anstelle von GTO-Invertern (GTO = Gate-Abschaltung) gerade in jüngster Zeit ein erheblicher Be darf nach Leistungskondensatoren besteht, die extreme Spit zenstromwerte aushalten können, also eine hohe Strom- bzw. Stoßstrombelastbarkeit haben. So sind derzeit beispielsweise Leistungskondensatoren mit 200 kA, 1800 V und 3000 µF üb lich. Es läßt sich aber absehen, daß sogar der Einsatz von Leistungskondensatoren mit 400 kA zu erwarten ist.

Leistungskondensatoren mit derartigen Kennwerten erfordern ständige Verbesserungen speziell der Kontaktierung, um dem Miniaturisierungs- und Kostensenkungsdruck zu entsprechen. Als Beispiel seien hier die sogenannten PFC-Kondensatoren (PFC = "Power Factor Correction"; Phasenschieber) genannt.

Schon seit längerem werden Anstrengungen zur Verbesserung der Kontaktierung unternommen. Das heißt, die Kontaktzone von Wickelkondensatoren ist Gegenstand umfangreicher Untersuchun gen.

Als Ergebnis dieser Untersuchungen sei beispielhaft eine ver stärkte Metallisierung in der Kontaktzone des Wickelkondensa tors genannt. Es hat sich aber gezeigt, daß diese Maßnahme in ihrer Wirkung durch das zur Anwendung gelangende Metallisie rungsverfahren und den nachfolgenden Wickelprozeß zur Bildung des Kondensatorwickels Schranken unterworfen ist.

Eine andere Verbesserung betrifft die Stoßstrombelastbarkeit durch eine spezielle Ausgestaltung der Schneidkanten des Kon densatorwickels: dabei wird von der Überlegung ausgegangen, daß durch eine Verlängerung der metallisierten Schneidkante des Kondensatorwickels die Stromstrombelastbarkeit gesteigert werden kann. Durch Versuche kann nachgewiesen werden, daß ge genüber einem Glattschnitt mit einem Wellenschnitt bei sonst gleichen Randbedingungen unstreitig eine höhere Stoßstrombe lastbarkeit zu erzielen ist. Dennoch sind hier erzielte Ver besserungen relativ engen Grenzen unterworfen.

Schließlich ist aus EP 0 097 946 A1 ein Wickelkondensator mit Wellenglattschnittkombination bekannt, bei dem der Wellen schnitt im Freirand vorgesehen ist. Eine solche Wellenglatt schnittkombination mit Wellenschnitt im Freirand zeigt deut lich bessere Ergebnisse hinsichtlich der Stromstrombelastbar keit bei optimaler Spulgüte für den Kondensatorwickel und Ma schineneinstellung.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen stirnkontak tierten elektrischen Wickelkondensator zu schaffen, der sich durch hohe Strom- bzw. Stoßstrombelastbarkeit auszeichnet, ohne einen nennenswerten zusätzlichen Aufwand für seine Her stellung zu erfordern.

Diese Aufgabe wird bei einem stirnkontaktierten elektrischen Wickelkondensator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wellenlänge und die Amplitude des Wellenschnittes sowie der Versatz der Folien unter Berück sichtigung von Foliendicke und Folienmaterial gewählt sind.

Der erfindungsgemäße stirnkontaktierte elektrische Wickelkon densator nutzt also zunächst die Vorteile einer Wellenglatt schnittkombination mit einem Wellenschnitt im Freirand der bestehenden Leistungskondensatoren aus und verknüpft zusätz lich die Wellenlänge und die Amplitude des Wellenschnittes sowie den Versatz der Folien mit der Foliendicke und dem Fo lienmaterial, also Materialeigenschaften der Folie, wie ins besondere dem Elastizitätsmodul.

Unter "Folien" sind hierbei einseitig metallisierte Folien, beidseitig metallisierte Folien und Stützfolien zu verstehen.

Der Versatz kann beispielsweise derart eingestellt werden, daß die Spitzen der Wellenschnittkante die Glattschnittkante um höchstens 0,3 mm, vorzugsweise höchstens 0,2 mm, überkra gen. Die Amplitude des Wellenschnittes kann in bevorzugter Weise zwischen 0,2 und 1,0 mm liegen. Ein bevorzugtes Materi al für die Folie ist beispielsweise Polypropylen (PP), Poly ester (PET), PVDV oder COC. Dieses hat einen Elastizitätsmo dul E in der Größenordnung von E_PP ≈ 2500 N/mm² und E_PET ≈ 4000 N/mm² (bei Raumtemperatur).

Die Wellenlänge des Wellenschnittes entspricht etwa der Foli endicke, während der Versatz etwa ein Zehntel der Foliendicke betragen kann.

Bei beidseitig metallisierten Folien kann zwischen diesen ei ne Stützfolie mit beidseitigem Wellenschnitt verwendet wer den.

Ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen stirnkon taktierten elektrischen Wickelkondensators zeichnet sich da durch aus, daß vor der Schoopvorbekeimung eine auf der Metal lisierung der ein- oder beidseitig metallisierten Folien eine Oxidschicht, die beispielsweise 4 nm dick sein kann, durch Sputtern entfernt wird. Gegebenenfalls kann auf die so vorbe reitete Metallisierung noch eine Verstärkung durch Kathoden zerstäubung aufgetragen werden.

Bei der Herstellung von Leistungskondensatoren werden be kanntlich Folien mit unterschiedlichen Dicken für jeweilige Baureihen eingesetzt. Zweckmäßigerweise werden die vom Foli enmaterial abhängigen Parameter, also beispielsweise Folien dicke und Elastizitätsmodul, für die Strombelastbarkeit des aus den Folien herzustellenden Leistungskondensators bereits bei der Folienproduktion durch zugeordnete Einstellung der Wellenschnitt-Parameter beim Schneiden und der Wickelherstel lung berücksichtigt, um so in optimaler Weise Vorteile für die Strom- und Stoßstrombelastbarkeit der einzelnen Baureihen der Leistungskondensatoren sicherzustellen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den qualitativen Verlauf der Stoßstrombelast barkeit î/l in A/cm (Kontaktierungslänge) in Abhängigkeit von dem Versatz V in mm bei ei ner Foliendicke "a",

Fig. 2 den qualitativen Verlauf der Stoßstrombelast barkeit î/l in A/cm in Abhängigkeit von dem Versatz V in mm, wenn zusätzlich zu dem Bei spiel von Fig. 1 noch ein Stützpapier in ei nem Kondensatorwickel verwendet wird,

Fig. 3 einen Ausschnitt der Vorderansicht der Kon taktzone von zwei Kondensatorfolien,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Kontaktzone von meh reren Kondensatorfolien,

Fig. 5 einen Schnitt bzw. eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungskondensators mit Folien mit beidsei tiger Metallisierung und einer nicht metalli sierten aktiven Folie,

Fig. 6 einen Schnitt bzw. eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Leistungskondensators mit Folien mit einseitiger Metallisierung,

Fig. 7 den qualitativen Verlauf des Wellenlängenop timums in mm in Abhängigkeit von der Folien dicke in mm,

Fig. 8 den qualitativen Verlauf des Versatzoptimums V in mm in Abhängigkeit von der Foliendicke in mm,

Fig. 9 eine schematische Darstellung, die Versuchs ergebnisse zeigt, wenn die Wellenlänge des Wellenschnittes für die vorliegende Folien dicke und das vorliegende Folienmaterial zu lang und der Versatz zu groß gewählt sind, und

Fig. 10 eine schematische Darstellung, die Versuchs ergebnisse zeigt, wenn im Vergleich zu Fig. 9 die Foliendicke größer und der Versatz klei ner eingestellt sind, was eindeutig günstige re Daten liefert.

Fig. 1 zeigt den qualitativen Verlauf der Abhängigkeit der Stoßstrombelastbarkeit î/l in A/cm in Abhängigkeit von dem Versatz V in mm. Es ist deutlich zu erkennen, daß hier ein optimaler Wert für die Stoßstrombelastbarkeit erhalten wird, wenn der Versatz auf einen optimalen Wert eingestellt wird, der in der Regel deutlich unterhalb der typischen Werte nach dem Stand der Technik von etwa 1 mm für den Versatz liegt.

Wird der gleiche Kondensatorwickel mit metallisierten Folien wie in Fig. 1 zusätzlich noch mit einem Stützpapier mit einer Dicke von etwa 60 µm versehen, das unter die Folie des Kon densatorwickels gelegt ist, so ändert sich der qualitative Verlauf der Abhängigkeit der Stoßstrombelastbarkeit î/l in Abhängigkeit von dem Versatz V grundsätzlich: es liegt nun mehr ein annähernd linearer Anstieg der Stoßstrombelastbar keit î/l in Abhängigkeit von dem Versatz V vor, bis die Stromtragfähigkeit der Metallisierung versagt.

Aus dem Vergleich der Fig. 1 und 2 ergibt sich sofort, daß die Stoßstrombelastbarkeit î/l von der durch die Schoopparti kel erreichbaren Kontaktfläche je Längeneinheit des Kondensa torwickels abhängig ist. Mit anderen Worten, die Fig. 1 und 2 belegen, daß die Geometrie der Kontaktzone eine entscheidende Einflußgröße für die Stoßstrombelastbarkeit î/l darstellt.

Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht der Kontaktzone mit zwei Kon densatorfolien mit jeweils einer Foliendicke a. Die maximale Durchbiegung der Folie im Bereich der Kontaktzone ist durch f_max = f₁ + f₂ gegeben. Dabei bedeutet f₁ die Durchbiegung der Folie infolge des Versatzes V, und f₂ gibt die Durchbiegung der Folie infolge der Wellenschnittgeometrie mit der Wellen länge λ und der Amplitude y an.

Der in Fig. 3 gezeigte Kondensatorwickel hat einen Wickelra dius Ri, welcher bei genauer Berechnung der Durchbiegungsver hältnisse über die Schalentheorie in die Formstabilität ein geht.

Die beim Wickelvorgang des Kondensatorwickels anliegenden Zugkräfte Fz bewirken die maximale Durchbiegung F_max der bei den Folien, so daß ein Folienspalt Fs vorliegt.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Kontaktzone eines Lei stungskondensators mit Folien 1 bis 5, die jeweils mit Metal lisierungen 6 bzw. 7 versehen sind. Die Folien 2 und 4 mit den Metallisierungen 7 haben einen Freirand Fr und einen Wel lenschnitt WS, während die Folien 1, 3 und 5 einen Glatt schnitt GS aufweisen. Auf den Folien 1, 3 und 5 sind Randver stärkungen RV auf deren Metallisierungen 6 aufgebracht.

Außerdem sind in Fig. 4 die Durchbiegungen f₁ infolge des Versatzes V und die Durchbiegung f₂ infolge der Geometrie des Wellenschnittes Ws gezeigt.

Aus Fig. 4 ist zu ersehen, daß infolge der Drosselwirkung des Folienspaltes Fs, der ungefähr durch die Differenz zwischen der Foliendicke a₁ (oberste Folie) und der maximalen Durch biegung f_max der Folie gegeben ist, bei suboptimaler Versatz- und Wellenlängeneinstellung nicht die maximal mögliche Kon taktfläche von Schooppartikeln bzw. Schoopkontaktpunkten er faßt ist.

Fig. 5 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel für den erfindungs gemäßen Wickelkondensator, wobei in der oberen Hälfte von Fig. 5 ein Schnitt durch den Wickelaufbau gezeigt ist, wäh rend die untere Hälfte eine Draufsicht einer Ebene III-III für diesen Wickelaufbau angibt.

Der dargestellte Kondensatorwickel weist beispielsweise beid seitig mit Metallisierungen 6 versehene Folien 8 und nicht metallisierte aktive Folien 9 auf, die sich mit den Folien 8 abwechseln. Die aktiven Folien 9 haben einen Wellenschnitt WS mit einer Wellenlänge λ und einer Amplitude y, während die metallisierten Folien 8 mit einem Glattschnitt versehen sind.

Die Schooppartikel S sind in idealisierter Weise in der rechten Hälfte von Fig. 5 gezeigt.

Der in Fig. 5 veranschaulichte Aufbau des Kondensatorwickels kann auch dahingehend abgewandelt werden, daß die zwei beid seitig metallisierten Folien 8 um 180° gedreht werden und die zweite, nicht metallisierte Folie 9 herausgenommen oder als Stützfolie belassen wird.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Wickelkondensators, wobei hier im Unterschied zu der Fig. 5 Folien 10 mit einseitiger Metallisierung 6 zur Anwen dung gelangen, die abwechselnd auf der linken bzw. rechten Seite von Fig. 6 mit einem Wellenschnitt WS bzw. einem Glatt schnitt GS und mit einem Freirand FR versehen sind.

Die Materialeigenschaften der einzelnen Folien sind in den Fig. 4 bis 6 mit E bzw. E₁ bzw. E₂ veranschaulicht, um so an zudeuten, daß diese Folien gegebenenfalls voneinander ver schiedene Elastizitätsmodulen haben können.

Fig. 6 zeigt außerdem ähnlich wie Fig. 5 die Verteilung der Schooppartikel S, den Versatz V zwischen zwei Folien, die Amplitude y des Wellenschnittes, die Wellenlänge λ des Wel lenschnittes sowie die Wickelbreite WB.

In Fig. 7 ist der qualitative Verlauf des optimalen Wertes der Wellenlänge λ in Abhängigkeit von der Dicke a der Folien aufgetragen. Es ist deutlich erkennbar, daß ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Wellenlänge λ und der Foliendicke a besteht, der in erster Näherung als linear angesehen werden kann. Geeignete Werte für die Wellenlänge sind etwa 0,5 mm . . . 5 mm. Dies bedeutet, daß mit konstanten Wellenlängen λ und unterschiedlichen Foliendicken a bzw. -materialien mit verschiedenen Elastizitätsmodulen E keine optimalen Ergebnis se zu erhalten sind.

Bei der Folienfertigung ist bei näherungsweise vergleichbaren Amplitudeneinstellungen die Wellenlänge λ ohne weiteres durch Steigerung der zugeordneten Messerwellendrehzahl einstellbar, so daß die Herstellung entsprechender Folien keine Schwierig keiten bereitet.

Fig. 8 zeigt den qualitativen Verlauf der optimalen Werte des Versatzes V in Abhängigkeit von der Dicke a der Folien. Auch hier ist deutlich ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Versatz V und der Foliendicke a bzw. dem Elastizitätsmodul E zu erkennen. Geeignete Werte für den Versatz sind etwa -0,3 mm . . . +1,0 mm. Insbesondere ist zu sehen, daß bei spielsweise konstante Einstellungen für den Versatz V bei un terschiedlichen Foliendicken bzw. -materialien nicht zu opti malen Ergebnissen führen können.

Fig. 8 zeigt auch eine sinnvolle Beachtung einer erforderli chen Bandbreite für die Versatzeinstellung, da naturgemäß die Solltoleranz infolge Parameterforderungen einer Wickelmaschi ne als Fehlerband von der errechneten optimalen Einstellung in geeigneter Weise berücksichtigt werden muß.

Die Fig. 9 und 10 zeigen schließlich noch Öffnungsbefunde, die bei einem Wickelkondensator ohne Berücksichtigung der Er findung (Fig. 9) und mit Berücksichtigung der Erfindung (Fig. 10) erhalten werden. In Fig. 9 ist die Eindringtiefe der Schooppartikel besonders im Bereich der Wellenschnitt spitzen ausgeprägt. Hier sind aber die Wellenlänge λ für die vorliegende Dicke a der Folien und das Folienmaterial mit dem Elastizitätsmodul E als charakteristischer Größe zu lang und der Versatz V ebenfalls zu groß gewählt. Infolge der Drossel wirkung des Folienspaltes Fs = a₁-f_max wird aber bei dieser suboptimalen Versatz- bzw. Wellenlängeneinstellung nicht die maximal mögliche Kontaktfläche von Schoopkontaktpunkten er faßt.

Bei dem Beispiel von Fig. 10 ist dagegen der Versatz V klei ner eingestellt, und es ist eine Folie mit größerer Dicke verwickelt, so daß in diesem Fall die zu Fig. 9 gleiche Wel lenlänge λ deutlich günstigere Ergebnisse liefert. Die Anzahl der erfaßten Schoopkontaktpunkte in der maximal zur Verfügung stehenden Kontaktfläche ist dabei sichtbar erhöht, so daß auch der maximal zulässige Stoßstrom je Längeneinheit der Kontaktzone deutlich gestiegen ist.

Claims

1. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator, bei dem metallisierte Folien (8-10) mit Wellenschnittkombina tion (WS, GS), Freirand (FR) und unter einem Versatz (V) zueinander zu einem Kondensatorwickel aufgewickelt sind, der durch stirnseitige Schooppartikelschichten (S) kon taktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge (λ) und die Amplitude (y) des Wellen schnittes (WS) sowie der Versatz (V) der Folien (8-10) unter Berücksichtigung von Foliendicke (a) und Folienma terial (E) gewählt sind.

2. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz (V) derart eingestellt ist, daß die Spitzen der Wellenschnittkanten die Glattschnittkante um höch stens 0,3 mm überkragen.

3. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude (y) zwischen 0,2 und 1,0 mm liegt.

4. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (8-10) aus Polypropylen oder Polyester besteht.

5. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul des Materials der Folie (8-10) etwa 2500 bis 4000 N/mm² bei Raumtemperatur beträgt.

6. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge (λ) im Bereich zwischen etwa 0,5 bis 5 mm liegt.

7. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz (V) etwa im Bereich zwischen -0,3 mm und +1,0 mm liegt.

8. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (8) beidseitig metallisiert sind und eine zwi schenliegende Stützfolie (9) aufweisen.

9. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfolie (9) beidseitig mit einem Wellenschnitt (WS) versehen ist.

10. Stirnkontaktierter elektrischer Wickelkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (10) einseitig metallisiert sind.

11. Verfahren zum Herstellen eines stirnkontaktierten elek trischen Wickelkondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Schoopvorbekeimung (S) eine auf der Metallisie rung (6) vorhandene Oxidschicht durch Sputtern entfernt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Metallisierung (6) nach dem Entfernen der Oxid schicht durch Kathodenzerstäubung eine Schicht aufgetra gen wird.