DE2018755A1 - Verfahren zur Herstellung einer Hochspannungs-Kondensator-Anordnung und einer Hochspannungs-Keramik-Kondensator-Anordnung - Google Patents

Description

1 River Road
Scheneetady, N. Y. / USA

Verfahren zur Herstellung einer Hochspannungs-Kondensator-Anordnung und einer Hochspannungs-Keramik-Kondensator-Anordnung

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Keramik-Kondensator-Anordnung und insbesondere eine Kondensatoranordnung dieser Art, welche einen Stapel von in Reihe geschalteten Keramikscheiben oder -blöcken umfaßt, die jeweils an ihren gegenüberliegenden Endflächen ein Paar von Metallelektroden aufweisen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Keramik-Kondensator-Anordnung.

Typische Kondensatoranordnungen dieser Art sind beschrieben in dem Ii.S. Patent 3 325 708 und 2 840 670. In diesen Koridensatoranordnungen bestehen Elektroden auf den gegenüberliegenden Flächen jeder Scheibe aus Silberschichten, die diese Flächen bedecken und in der Nähe des äußeren ümfangs der Scheibe enden. In

der Nähe der äußeren Kante dieser Silberschicht treten hohe elektrische Feldstärkedichten auf und um die Auslösung von dielektrischen Durchbrüchen in diesem Bereich der hohen Feldkonzentration zu verhindern, ist dort eine Hülle aus isolierendem Kunststoff vorgesehen, um diese Kante und die Peripherie der Keramikscheibe vollständig zu bedecken.

Diese Hülle ist schwierig aufzubringen, sie ist kostspielig und kann nicht leicht in Umgebungen mit hohem Druck verwendet werden, bei denen schnelle Druckabfälle auftreten. Solche Druckabfälle erzeugen eine plötzliche Ausdehnung jeglichen unter hohem Druck stehenden Oases; das in der Hülle absorbiert sein kann, und eine solche Expansion kann Risse oder Löcher in dem Hüllenmaterial erzeugen.

Ein Ziel der Erfindung ist es, die Notwendigkeit für diese dicke Hülle aus isolierendem Kunststoff, welcher die Kante der Metallelektrode einhüllt, zu beseitigen.

Ein weiteres Ziel ist es, die elektrische Feldliniendichte zu verringern, welche sich in der Nähe der äußeren Kante der dünnen Metallelektroden auf den Keramikscheiben ausbildet.

Ein weiteres Ziel ist es, die Keramik-Kondensator-Anordnung in einer solchen Weise zu konstruieren, daß sie höhere Spannungen als vorbekannte Keramik-Kondensator-Anordnungen vergleichbarer Länge aushalten kann,

Die Keramikscheiben der Kondensatoranordnung des vorgenannten U.S. Patentes 3 325 708 sind voneinander trennbare Elemente, welche durch ein rohrförmiges Gehäuse und eine Federklammer am Ende des Rohrgehäuses an ihrem Platz gehalten werden müssen.

In einer anderen Kondensatoranordnung werden getrennt© Keramik-Kondensatorelemente, die jeweils mit einer dicken ICu«-_: "stoff-

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hülle versehen sind, durch mit Gewinde versehene Verbindungen zwischen den Elementen und ein rohrförmiges Gehäuse um die Elemente herum an ihrem Platz gehalten. Solche Gehäuse, Klammern und Verbindungen sind kostspielig und verbrauchen einen zu hohen Raumbedarf. Weiterhin neigen die mit Gewinde versehenen Verbindungen dazu, durch Zufall zu stark angezogen zu werden und dies könnte eine Elektrode der Anordnung beschädigen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einejhöchst kompakte, mechanisch sich selbst tragende Keramik-Kondensator-Anordnung zu schaffen, die keine komplizierten Halterungen oder Gehäuse oder mit Gewinde versehene Verbindungen zwischen den Keramikelementen erfordert'.

Ein besseres Verständnis erhält man aus der folgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausfuhrungsform, zusammen mit den zugehörigen Abbildungen.

Fig. 1 ist eine Ansicht im Teilschnitt, welche die Grundteile einer Kondensatoranordnung zeigt, die eine Ausführungsform der Erfindung bildet, vor ihrem Einbau in die Anordnung.

Fig. 2 ist eine Ansicht, teilweise im Schnitt, und zeigt die zusammengebauten Teile der Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Ansicht, teilweise im Schnitt, der Kondensatoranordnung nach Fig. 2, welche an ihren Endteilen befestigt ist.

Fig. Jj zeigt gewisse elektrische Feldverhältnisse, die in der Kondensatoranordnung nach Fig. 3 vorhanden ist.

Die Fig. 5> 6 und 7 und 8 veranschaulichen bestimmte elektrische Feldverhältnisse, die in Kondensatoranordnungen vorliegen, welche gewisse Gesichtszüge der Erfindung nicht aufweisen.

Fig. 9 ist eine Schnittansicht einer modifizierten Ausführungs-

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form der Erfindung.

Fig. 10 ist eine Schnittansicht einer Kondensatoranordnung, die Einzelheiten nach einer Konstruktion entsprechend Fig. 9 zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Vielzahl von Keramik-Kondensatorblöcken 10, die jeweils eine zylindrische äußere Oberfläche 12 und ein Paar ebene Flächen 14 an entgegengesetzten Enden des Blocks 10 zeigen, welche senkrecht zu der äußeren Mantelfläche liegen. Jede ebene Fläche 14 ist bedeckt durch einen dünnen überzug 16 eines mit ihr fest verbundenen leitfähigen Materials. Vorzugsweise besteht dieser überzug 16 aus einer integral auf die Keramikfläche 14 aufgeschweißten Silberdispersion. Jeder der Keramikblöcke 10 ist aus einem Keramikmaterial mit hoher dielektrischer Durchschlagsfestigkeit und einer hohen Dielektrizitätskonstante hergestellt, beispielsweise aus Bariumtitanat. Eine typische Dielektrizitätskonstante liegt- im Bereich von mehreren hundert bis mehreren tausend bezogen auf die Dielektrizitätskonstante von Luft als Einheit.

Zwei Endblöcke oder Ringe 18, die aus einem elektrischen Isolationsmaterial, beispielsweise glasfaserverstärktem Polyester oder einem geeigneten Keramikmaterial, hergestellt sind, bilden ebenfalls einen Teil der Kondensatoranordnung. Jeder von diesen Endringen 18 hat an· einer Oberfläche eine ebene Fläche 20. Die in der Fi&. 1 gezeigten Teile werden allgemein zueinander ausgerichtet und fest miteinander verbunden, um den in Fig. 2 gezeigten Kondensatorstapel 22 zu bilden. Zur Verbindung der Keramikblöcke IO miteinander wird zwischen den aneinandergrenzenden überzügen 16 von benachbarten Blöcken ein geeignetes Bindemittel vorgesehen. Ein solches Bindemittel ist bx-eispielsweise ein Epoxydkleber, der mit hochdispergiertem Silber oder anderen leitfähigen Teilchen gefüllt ist. Ein weiteres geeignetes Bindemittel ist ein geeignetes silberhaltiges Lötmittel, das zwischen die aneinandergrenzenden überzüge 16 aufgebrächt wird. Ein geeigneter Epoxydkleber verbindet zuverlässig die

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Endringe 18 mit den äußeren leitfähigen Schichten 16 des Stapels

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Nachdem das Bindemittel ausgehärtet oder sonst irgendwie verfestigt ist, um den Stapel der Fig. 2 zu einer in sich stabilen starren Struktur umzubilden, wird der Umfang des verklebten Stapels maschinell bearbeitet, vorzugsweise durch ein spitzenloses Schleifverfahren. Vom Umfang jedes Stapels wird durch das Schleifverfahren genügend Material entfernt, um eine glatte zylindrische Oberfläche zu erzeugen, die eine Lage besitzt, wie sie durch die gestrichelten Linien 25 angedeutet ist. Das Schleifverfahren erzeugt eine praktisch vollkommene Ausrichtung zwischen den zylindrischen Umfangsflächen aller Keramikelemente. Jegliche Erhebungen an der Oberfläche, wie sie in Fig. 2 bei 26 gezeigt sind, und sich aus unterschiedlichen Durchmessern der Blöcke ergeben könnten oder daraus, daß Blöcke unrund sind oder eine geringe Fehlausrichtung der Blöcke vorliegt, werden durch das Schleifverfahren entfernt. Die Teile der leitfähigen Schicht 16, welche in radialer Richtung außerhalb der gestrichelten Linien 25 liegen, werden ebenfalls durch das Schleifverfahren entfernt. Von großer Wichtigkeit ist, daß die Umfangskante jeder leitfähigen Schicht 16 genau mit der endgültigen Ümfangsoberflache 12 der angrenzenden Keramikscheibe 10 zusammenfällt und praktisch vollkommen mit dieser Umfangsfläche 12 ausgerichtet ist. Es wurde gefunden, daß typischerweise nach dem Arbeitsgang des spitzenlosen Schleifens keiner der Teile im Bvereich einer leitfähigen Überzugsschicht 16 äußere Oberflächen aufweist, die am ganzen Umfang des Stapels mehr als etwa 0,025 mm (1 mil) von der genauen Ausrichtung abweichen.

Ein wichtiger Faktor, der zu der oben beschriebenen präzisen Ausrichtung an der ganzen Außenkante der metallischen Überzugsschicht l6 beiträgt, ist die Abwesenheit irgendwelcher Scharten in der Umfangskante der Schicht 16. Die Metallschicht ist relativ spröde und das Schleifen hat eine Neigung dazu, winzige Scharten am Umfang dieser Schicht zu erzeugen. Es ist jedoch möglich, diese Schicht zu vermeiden, da jede der Metallschichten

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zwischen zwei relativ starken Teilen eingebettet ist, die an der ganzen durch das Schleifen erfaßten Fläche in innigem Kontakt mit der Schicht stehen. In dieser Beziehung ist zu beachten, daß jede der Metallschichten 16 am Ende des Stapels 22 zwischen die in innigem Kontakt stehenden Endringe 18 und eine benachbarte Keramikscheibe während des Schleifvorganges eingebettet. In gleicher Weise sind alle anderen Schichten 16 in einem Abstand vom Ende des Stapels 22 jeweils zwischen unmittelbar benachbarte Keramikelemente 10 während des Schleifvorganges eingebettet. Die Vermeidung von Scharten im Umfang der leitfähigen Überzüge 16 ist wichtig, da solche Scharten eine Ursache für einen dielektrischen Durchschlag längs der Länge des Stapels sein können.

Während des Schleifvorganges wirkt der im vorigen Abschnitt beschriebene"Sandwich-Effekt" nicht nur dahingehend, daß er die Entstehung von winzigen Scharten an der Umfangskante der Silberschicht 16 verhindert, sondern ei· wirkt auch dahingehend, daß er verhindert, daß sich in dem Keramikmaterial unmittelbar benachbart zu der Umfangskante des Silberüberzugs 16 winzige Scharten ausbilden. In Abwesenheit dieses Sandwich-Effektes werden solche Scharten in dem Keramikmaterial häufig durch den Schleifvorgang erzeugt. Die abgenommenen Keramikpartikel können durch den SchleifVorgang vollständig entfernt werden,oder sie können infolge eines Risses in der Keramik oder infolge der Haltewirkung der" benachbarten Silberschicht, welche sogar noch intakt sein kann, in ihrer Lage verbleiben. In jedem Falle führt jedoch die Anwesenheit der Keramikspänehen zu einer hohen Dichte der elektrischen Feldstärk®, welch© eine Ursache für den elektrischen Durchschlag längs der Länge des Stapels sein kann.

Der oben erwähnt® spitzenlos® Sehl@ifvos*gang kann in einer geeigneten ^spitgenlesen Schleifmaschine konventioneller Konstruktion dursligtfütot w©2»d@n_o Ia einer selefean Schleifmaschine wird das Arbeitsstück g©d3P©fafc un«S gleichseitig der Läng© nach bewegt, während ein® mit höh©? Geschwindigkeit umlaufende-Schleif"-098 4 ο/Π 4 S

scheibe gegen seine Oberfläche gepreßt wird. Da die Einzelheiten dieser Maschine keinen Teil der Erfindung bilden, werden sie in der Abbildung nicht gezeigt und werden nicht n<äher beschrieben. Weitere Informationen über solche Maschinen findet man gewünschtenfalls auf den Seiten 562 bis 565 des Buches "Metal Processing, von O.W. Boston, 2. Auflage, Verlag John Wiley and Sons, 1951."

Nachdem der Stapel nach Fig. 2, wie oben beschrieben, geschliffen wurde, um einen glatten Mantel über seine ganze Länge zu erhalten, wird die Mantelfläche des Stapels mit einer dünnen Schicht oder einem Film aus dielektrischem Material überzogen. Diese dielektrische Überzugsschicht, welche in Fig. 3 bei 30 wiedergegeben ist, hat typischerweise eine Dicke von etwa 0,05 nun (2 mil). Diese Dicke ist in der Fig. 3 stark übertrieben. Ein geeignetes Material für den überzug ist ein Epoxydharz oder ein Polyesterharz, ein Silikonlack oder ein Polyesterlack. Der Zweck des dünnen dielektrischen Überzugs 30 ist es, durch Feldemission und Mikroentladung ausgelöste Durchschläge von den Kan-. ten der Silberschichten 16 aus zu unterdrücken. Der dielektrische überzug 30 muß einen hohen spezifischen Widerstand besitzen,

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vorzugsweise etwa 10 Ohra-cm. Der spezifische Widerstand sollte jedoch einen endlichen Wert besitzen, um Durchschläge, die durch eingefangene Ladung ausgelöst werden, zu vermeiden*

Der dielektrische überzug 30 sollte vorzugsweise die gesamte Umfangsflache des Stapels bedecken. In ihren breiteren Aspekten umfaßt jedoch die Erfindung einen dielektrischen überzug, der nur die äußere Umfangskante der metallischen Überzugsschichten ' 16 und die unmittelbar benachbarte Umfangsflachen des Keramikmaterials bedeckt. Eine Bedeckung der isolierenden Endringe 18 ist nicht wichtig, ausgenommen dahingehend, daß dies die Bedeckung der äußeren Umfangskante der entgegengesetzten Endelektroden 16 erleichtert. Die relative Dielektrizitätskonstante des Überzugsmaterials ist typischerweise etwa 3-5.

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Es ist zu beachten, daß bei der Aufbringung der Silberschicht 16 auf die einzelnen Keramikelemente 10 während der Herstellung keine große Sorgfalt darauf verwendet werden muß, daß die leitenden Überzugsschichten genau am Umfang des Blocks enden. Wenn durch Zufall der überzug 16 in Form einer unregelmäßigen Kante kurz vor dem Umfang endet oder über den Umfang hinausragt, wie es bei 27 in Fig. 1 angedeutet ist, dann kann der Block 10 immer noch ohne weitere Bearbeitung vor der Einfügung in den Stapel 22 verwendet werden. Dies wird möglich gemacht durch das oben beschriebene Schleifverfahren, dem der zusammengeklebte Stapel 22 der Fig. 2 unterzogen wird. Durch ausreichendes Schleifen des Umfangs des Stapels kann die Peripherie der Überzugsschicht 16 im Inneren jeglicher vorher vorhandenen Unregelmäßigkeiten in dem ursprünglichen äußeren Rand der leitfähigen Überzugsschicht lokalisiert werden. Diese Unregelmäßigkeiten werden, daher entfernt, und man erhält eine glatte Umfangskante, die fast vollkommen mit der fertigbearbeiteten Peripherie des angrenzenden Keramikmaterials übereinstimmt.

Es wurden Anstrengungen unternommen, um die Umfange der einzelnen Keramikscheiben ohne anschließende maschinelle Bearbeitung des Stapels,wie oben beschrieben, aufeinander auszurichten. Hierzu wurden die Scheiben einfach in richtiger Lage zueinander verklebt. Wegen unrunder Scheiben, Unterschieden im Durchmesser und wegen der durch Wärmeausdehnung erzeugten Probleme war jedoch typischerweise die periphere Ausrichtung in dem sich ergebenden verklebten Stapel recht schlecht. Aneinandergrenzende Keramikscheiben in typischen auf diese Weise hergestellten Stapeln enthalten Abweichungen von etwa 0,6 ram (25 mil) und an verschiedenen Umfangspunkten sogar mehr. Weiterhin waren die Ränder der Silberschichten auf den Scheiben nicht genau ausgerichtet, sogar wenn die Umfange der Keramikscheiben genau ausgerichtet werden konnten. Die Unregelmäßigkeiten und Kerben, welche typischerweise in den Umfangskanten solcher überzüge vorhanden waren, haben eine genaue Ausrichtung an allen Umfangspunkten verhindert. Solche Fehlaüsriehtungen werden durch den'

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erfindungsgemäßen SchleifVorgang des Stapels beseitigt.

Der Kondensatorstapel nach Fig. 2 stellt eine höchst kompakte Struktur insofern dar, daß zwischen den Keramikblöcken keine dicken Abstandsstücke vorhanden sind, wie sie typischerweise bei bekannten Konstruktionen vorhanden waren. Einer der Gründe für die Einfügung solcher Abstandsstücke war es, einen Raum zur Aufnahme der dicken Hülle aus isolierendem Kunststoff zu erhalten, die benutzt wurde, um den äußeren Umfangsteil des leitfähigen Überzuges auf dem Keramikblock zu bedecken. Erfindungsgemäß ist es möglich, diese Hülle zu beseitigen, da die Konzentration der elektrischen Feldlinien, die an der Ümfangskante der leitfähigen überzüge vorhanden gewesen ist, stark verringert ist, teilweise infolge der praktisch perfekten Ausrichtung, die zwischen der Ümfangskante und der angrenzenden Keramikscheibe vorhanden ist. Durch die Beseitigung der dicken Hülle können die Überzugsschichten 16 von aneinandergrenzenden Kondensatorelementen unmittelbar miteinander verklebt werden. Daß diese Verbindung zwischen den Schichten 16 dünn ist, bildet einen weiteren Faktor zur Verringerung der Feldlinienkonzentration an dem äußeren Rand, wie nachstehend im einzelnen erläutert wird.

Die Tatsache, daß alle Keramikblöcke miteinander verklebt sind, ist auch deswegen vorteilhaft, weil sie die Kondensatoranordnung zu einem einheitlichen Werkstück macht, das leicht gehandhabt werden kann und bei dem eine geringere Gefahr zu einer Beschädigung besteht.

Um den Kondensatorstapel in eine elektrische Hochspannungsschaltung anzuschließen, ist ein Paar von metallischen Anschlußteilen 34 und 36 entsprechend Fig. 3 vorgesehen, welche in eine Hochspannungsschaltung 37» 38 eingefügt sind. Die Elektrode 36 ist ein stationäres Teil, das im Eingriff mit dem Boden des Stapels steht. Die andere Elektrode 3¹I andererseits ist in der Lage sich im beschränkten Umfange zu bewegen und wird durch eine Feder"

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nach unten in Kontakt mit dem Oberteil des Stapels gedrückt. Die obere Elektrode wird durch ein Führungsrohr 41 geführt, das an einem stationären Metallteil 42 befestigt ist. Der Strom wird zur oberen Elektrode 34 über einen Stromweg geleitet, der durch das Teil 42 und die Feder 40 führt.

Eine typische Anwendung für die Kondensatoranordnung ist ein Schaltkreisunterbrecher mit Luftstrom, wie er in Fig. 3 der vorgenannten U.S. Patentschrift 3 325 708 gezeigt ist. Dort sind zwei Kondensatoranordnungen, die einer Anordnung nach Fig.3 vergleichbar sind, in einem Tank angeordnet, der mit Luft unter hohem Druck gefüllt ist, und werden für Spannungsverteilerzwekke verwendet.

Für solche Anwendungen ist es besonders vorteilhaft, die dicke Kunststoffhülle zu beseitigen, die zuvor für die Einhüllung von Kondensatorelementen verwendet wurde. Das Hochdruckgas in dem Tankraum außerhalb der Hülle neigt dazu, in den Kunststoff einzudringen und ein plötzlicher Druckabfall in dem Tankdruck wird eine plötzliche Expansion dieser Luft erzeugen, welche nachteilige Löcher oder Risse in dem Hüllenmaterial erzeugen kann. Die dünne Schicht 30, die um den erfindungsgemäßen Stapel angebracht ist, ist so dünn, beispielsweise etwa 0,05 mm (2 mil), daß sie bei der oben erwähnten Expansion kein beträchtliches Hindernis für das Austreten der Luft darstellt. Daher neigt der überzug 30 nicht zu einer Beschädigung bei einer aolchen Qasexpansion.

Es sei angenommen, daß zwischen den Endatischlüssen 34 und 36 der Fig. 3 eine Hochspannung anliegt. Das in der Kondensatoranordnung vorhandene elektrische Feld ist dann außerordentlich gleichmäßig und frei von Feldlinienkonzentrationen. Der Bereich, in dem es am schwierigsten gefunden wurde, diese Konzentrationen zu ver-, meiden, ist der Bereich unmittelbar benachbart zu der Außenkante der leitenden Überzugsschicht 16 auf jedem Keramikelement 10. Aus einer Reihe von Gründen war es möglich, in diesem Bereich durch die Erfindung die Feldlinienkonzentrationen stark zu ver-

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ringerri. Ein Hauptgrund besteht darin, daß die leitfähigen überzüge sich vollständig bis zum Umfang des Stapels erstrecken und genau an dem Umfang enden. Dieser Zustand wird an den gesamten Umfang des Stapels erhalten, und es gibt keine Späne oder Scharten (chips) im Umfang des Überzuges oder dem unmittelbar benachbarten Keramikmaterial um dieses genaue Abschließen zu stören. Eine Fehlausrichtung der unmittelbar aneinandergrenzenden Umfange kann durch das Schleifen des verklebten Stapels, wie oben beschrieben, auf weniger als etwa 0,025 mm (1 mil) begrenzt werden. Ein weiterer Faktor, der zu den verringerten Feldlinienkonzentrationen an der Kante der Überzugsschicht 16 beiträgt, ist die extrem dünne metallische Verbindungsstruktur zwischen den beiden Keramikelementenj beispielsweise ist in einer bevorzugten Ausführungsform diese Dicke nur etwa einige 0,025 mm (einige mil). Diese Verhältnisse neigen dazu, alle aus der metallischen Verbindungsstruktur in diesem kritischen Bereich austretfnein^Flffffinien dazu zu zwingen, in das Keramikmaterial senkrecht zur ebenen Fläche des leitfähigen Überzuges einzutreten. Dies ist in Fig. Ί angedeutet, wo die elektrischen Feldlinien bei 50 gezeichnet sind. Diese elektrischen Feldlinien wölben sich beim Eintritt in das Keraraikmaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante nicht nach außen. Dies wäre der Fall, wenn der überzug 16 vor der Peripherie, wie in Fig. 5 gezeigt, enden würde. Eine solche Wölbung der Feldlinien nach außen bedeutet jedoch eine Konzentration der elektrischen Feldstärke in diesem bestimmten Bereich. Ebenfalls treten auch keine bedeutungsvollen elektrischen Feldlinien aus den Bereichen des Metalls aus, die sich in einem Abstand von der Grenzschicht Metall - Keramik befinden, und sie drängen sich auch nicht an der Kante des metallischen Überzuges bei dem Eintritt in die Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante zusammen. Dies ist ein weiterer Zustand der auf «ine hohe Feldlinienkonzentration hindeutet. Dieser letztere Zustand wird ausgeprägter, wenn die metallische Verbindungsstruktur dicker wird, wie es in Fig. 6 angedeutet ist. Erfindungsgemäß ist man jedoch in der Lage, diesen Zustand praktisch bedeutungslos im Hinblick auf die Verringerung der elektrischen Durchbruchsnanniuig J5U machen, indem man die metallische

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Verbindungsstruktur sehr dünn hält, d. h. unterhalb etwa 0,4 mm ( 15 mil). Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Dicke kleiner als etwa 0,12 mm (5 mil).

Ein weiterer Gesichtspunkt, der zur Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes in der Keramik und zum Nich'tvorhandensein von Feldlinienkonzentrationen beiträgt, ist die besondere Art, in der der Stapel an seinen beiden Enden aufgebaut ist. Es ist zu beachten, daß die Endringe 18 aus isolierendem Material und nicht aus Metall sind. Wenn diese Ringe 18 aus Metall wären, dann würden elektrische Feldlinien aus Bereichen des Metallrings austreten, die in einem Abstand von der Grenzfläche Metall - Keramik liegen und ein Zusammendrängen dieser Linien an der Kante des Überzuges erzeugen, ähnlich wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Eine unerwünschte Zusammendrängung von Feldlinien ähnlich zu der in Fig. 5 dargestellten Zusammendrängung tritt ebenfalls auf, wenn die Keramikscheiben nicht richtig ausgerichtet sind. Dies geschieht sogar dann, wenn der Metallüberzug auf jeder Keramikscheibe genau an der Umfangsflache dieser Scheibe endet. Diese Verhältnisse sind in Fig. 7 abgebildet. Dort drängen sich die aus dem überstehenden Teil der oberen Schicht 16 austretenden Feldlinien an der Kante der unteren Schicht 16 bei ihrem Eintritt in die untere Keramikscheibe. Zu beachten ist ebenfalls, daß diese Feldlinien 51 durch das umgebende Medium hindurchgehen, welches eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante besitzt, bevor sie in die Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante eintreten. Auf diese Weise tritt eine Konzentration der elektrischen Spannungen in dem Medium mit niedriger Dielektrizitätskonstante bei 51 ein.

Wenn die Umfangeflächen der Keramikscheiben genau ausgerichtet sind, die Umfangskanten der Metallüberzüge jedoch nicht, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, dann treten unerwünscht hohe elektrische Beanspruchungen in dem Spalt 53 zwischen der oberen Überzügsschicht 16 Und dem unteren Keramikblock auf. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß die von dem überhängenden Teil der oberen 'Überzugsschicht 16 austretenden elektrischen Feldlinien 5¹* zuerst ' durch den Spalt 53 m\% einem Maiectal niedriger Dielektrizitäts-

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konstante gehen, bevor sie in die Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante eintreten* Auf diese Weise wurde eine unzulässige Konzentration der elektrischen Spannungen in dem Material niedriger Dielektrizitätskonstante eintreten. In der Anordnung nach Fig. β würde auch eine Auswölbung der Feldlinien, die benachbart zu dem Spalt 53 aus der unteren Überzugsschicht 16 austreten, nach außen geschehen und dadurch weiter die erwünschte Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes verringert werden. Die in Fig. 8 auftretenden Verhältnisse können auch eintreten, wenn in einem der Metallüberzüge 16 eine Scharte vorhanden wäre, und in der Tat könnte die Fig. 8 auch einen Schnitt durch die Anordnung an dem Ort einer solchen Scharte darstellen.

Es ist weiterhin zu beachten, daß die Elektroden 34 und 36 und alle zu dem benachbarten äußersten überzug 16 benachbarten Metallstrukturen um eine beträchtliche Entfernung in radialer Richtung nach innen von der äußeren Umfangskante des Überzuges 16 aus verlagert sind. Wenn man.die übliche kappenähnliche Anschlußstruktur hätte, bei der eine Lippe das Ende des Stapels umgibt, dann würden die aus diesen Strukturen austretenden Feldlinien in die Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante an Punkten eintreten, die sich j.n einem Abstand von dem am Ende befindlichen überzug 16 befinden, und es würde dadurch ein stark belasteter Spalt außerhalb des Stapels und benachbart zu seinem Umfang erzeugt werden, welcher eine Quelle für dielektrische Durchschlagsprobleme darstellen würde.

Es sind kommerziell erhältliche Kondensatoren bekannt, die durch das Zusammenkleben von zwei Keramikblöcken hergestellt werden, welche identisch sind zu den Blöcken 10, und in eine dicke Hülle aus Isolationsmaterial eingeschlossen sind. Diese Keramikbiöcke haben an ihren entgegengesetzten Flächen Silberüberzüge und sind in einer im allgemeinen zueinander ausgerichteten Beziehung ange ordnet. Es wurden elektrische Prüfungen an solchen Kondensatoren vorgenommen, um sie mit aus zwei Elementen bestehenden Kondensatoren zu vergleichen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden« Es wurde gefunden, daß solche bekannten

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Kondensatoren zuverlässig bei der maximalen Spannung von nur 90 kV zwischen ihren Enden widerstehen können. Die nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kondensatoren, die zwei Keramikelemente mit gleichen Abmessungen wie die getesteten kommerziell erhältlichen Kondensatoren verwenden, können zuverlässig 140 kV aushalten. Diese drastische Erhöhung der zulässigen Spannung um mehr als 50 % ist unerwartet, insbesondere, da sie ohne die bei dem bekannten Kondensator verwendete dicke Isolationsschicht erreicht wird. In ihren breiteren Aspekten soll die Erfindung eine Anordnung umfassen, die einen einzelnen Keramikblock umfaßt und entsprechend Fig. 9 aufgebaut ist. Bei dieser Anordnung sind mit den SilberUberzUgen 16 des Keramikblocks Endringe 18 verklebt, welche den Endringen 18 der Fig. 1 und 2 entsprechen. Das Ganze bildet eine verklebte Anordnung und der Umfang dieser verklebten Anordnung wird in einer spitzenlosen Schleifmaschine zu einer glatten zylindrischen Form geschliffen. Es wird ausreichend geschliffen, um die Urafangskante jedes Überzuges 16 in eine genaue Ausrichtung mit der Umfangefläche des benachbarten Keramikmaterials zu bringen. Die Endringe 18 schützen die Ümfangskante des Überzuges 16 gegen Schaden in der gleichen Weise wie es im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 2 erklärt ist. Nach dem Schleifverfahren wird ein dünner überzug 30 aus dielektrischem Material mit einer Stärke von vorzugsweise einigen 0,025 mm (mil), beispielsweise etwa 0,05 mm (2 mil), an dem Umfang der Anordnung aufgebracht.

Die Anordnung nach Fig. 9 kann einzeln zwischen zwei Anschlußpunkten, wie den Punktβφ4 und 36 der Fig. 3, verwendet werden, oder sie kann als eine der Einheiten eines Stapels verwendet werden, der aus einer Vielzahl solcher Einheiten besteht, die durch Knöpfe in Reihe miteinander verbunden sind in der allgemeinen Weise, wie es in der vorgenannten U.S. Patentschrift 3 325 708 beschrieben ist. Ein Stapel dieser Art ist in Fig. 10 abgebildet, wo die leitfähigen Knöpfe zwischen den Kondensatoreinheiten bei 55 gezeigt sind. Diese Knöpfe sind nicht mit den

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Kondensatoreinheiten verbunden und machen mit den blanken mittleren Bereichen der überzüge 16 Kontakt. Die Anschlußteile 3¹I und 36 entsprechend den Anschlußteilen der Fig. 3 sind vorgesehen, und eine Druckfeder MQ drückt alle Teile zusammen.

Obwohl eine Schleifmaschine zur Erzielung der oben beschriebenen glatten Oberfläche an dem Kondensatorstapel bevorzugt wird, können selbstverständlich andere geeignete Werkzeugmaschinen, vorzugsweise spanabhebende (abrading) Maschinen, für diesen Zweck verwendet werden. Die maschinelle Bearbeitung sollte jedoch mindestens in der Lage sein, die Fehlausrichtungen im Bereich eines leitfähigen Überzuges auf weniger als etwa 0,1 mm (5 mil) zu verringern. Wie oben beschrieben, können bei einer spitzenlosen Schleifmaschine Fehlausrichtungen von weniger als etwa 0,025 mm (1 mil) leicht erhalten werden.

Obwohl für den Kondensatorstapel eine zylindrische Mantelfläche bevorzugt wird, gibt es Anwendungen, in denen eine Kegelfläche erwünscht sein könnte, und in ihren weiteren Aspekten umfaßt die Erfindung Kondensatoren mit solchen Oberflächenformen.

Obwohl im Zusammenhang mit den Abbildungen bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind, ergeben sich aus der offenbarten technischen Lehre für den Fachmann offensichtliche Abänderungen und Modifikationen.

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Claims (13)

1. Ansprüche

   ' 1 »jHochspannungs-Keramikkondensator-Anordnung, dadurch g e k e η η ζ eic h η et, dass sie umfasst:

   a) einen Stapel (22) von elektrisch in Reihe geschalteten Keramikkondensatorblöcken (10), die jeweils eine äussere Umfangsfläche (12), ein Paar von entgegengesetzten, im wesentlichen ebenen, sich quer dazu erstreckenden Flächen (I¹O und einen an diesen ebenen Flächen (I¹I) fest verbundenen leitfähigen Überzug (l6) enthalten,

   b) wobei einer der leitfähigen Überzüge (16) an jedem Kondensatorblock einem Überzug (16) auf einem unmittelbar benachbarten Kondensatorblock gegenüberliegt,

   c) Verbindungsmittel zwischen den gegenüberliegenden Überzügen (16), welche die Keramikblöcke (10) so miteinander verbinden, wobei die Umfangsflächen benachbarter Keramikblöcke (10) genau zueinander ausgerichtet sind,

   d) wobei jeder der Keramikblöcke (10) eine praktisch schartenfreie Aussenfläche unmittelbar benachbart zu den darauf befindlichen leitfähigen Überzügen besitzt,

   e) jeder dieser leitfähigen Überzüge eine schartenfreie Umfangskante hat, die sich um den ganzen Umfang des Stapels in einer genau ausgerichteten Beziehung mit der Umfangs¹-flache des benachbarten Keramikkondensatormaterials (10) befindet,

   f) eine dünne Schicht (30) aus Isolationsmaterial, welche die Umfangskante jeder der leitfähigen Überzüge (16) und die unmittelbar angrenzende äussere Oberfläche der zu dem leitfähigen Überzug benachbarten Keramikblöcke (10) bedeckt,

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   g) wobei die maximale Abweichung zwischen der Umfangskante aller leitfähigen überzüge und der benachbarten*Umfangsflache der Keramikkondensatorblöcke kleiner als etwa ■■O,lj mm (5 mil) ist.
2. 2. Hoehspannungs^Keramikkondensator-Anordnung nach Anspruch 1,. da d u r c h ge k e η η ζ e i c h η et ,dass die maximale Abweichung zwischen der Umfangskante aller leitfähigen überzüge (16) und der benachbarten Umfangsfläche der Keramikkondensatorblöcke (10) weniger als etwa 0,025 mm (1 mil) ist.
3. 3. Hochspannungs-KeramikkondensatOr-Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r" c h ."" ge k e η η ζ e ic h net , dass die Mantelfläche des Stapels ohne den aufgebrachten dielektrischen überzug eine Oberflächenglätte in dem Bereich der leitfähigen Überzugs schicht hat, welche der Glätte entspricht, die £p ich durch Schleifen der Umfangsoberflächenbereiche aufeine Schleif maschine mit Drehung des Arbeitsstückes ergibt. .".-;"
4. 4. Hochspannungs-Keramikkondensator-Anordnung nach Anspruch 1, da d u r c h g e k e η η ζ ei c h η e t , dass der Abstand zwischen den gegenüberliegenden im wesentlichen ebenen Flächen benachbarter Kondensatorblöcke weniger als etwa

   0,37 mm (15 mil) beträgt* .V;'_.
5. 5. Hochspannungs-Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den gegenüberliegenden im wesentlichen ebenen Flächen benachbarter Keramikfondensatorblöcke weniger als etwa 0,13 mm (5 mil) ist. ' I

   I ·
6. 6.. Hochspannungskondensator-Anardnurig nach Anspruch 6» j -dadurch gekennzeichnet, dass sie. ^; weiterhin umfasst:

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   a) ein Paar von Endblöcken (18) aus elektrisch isolierendem Material an entgegengesetzten Enden des Stapels, die jeweils eine Oberfläche besitzen, welche mit einer der leitfähigen Überzugsschichten (16) am äusseren Ende des Stapels fest verbunden ist und mit diesem überzug am äusseren Ende an praktisch dem ganzen Umfang des Überzuges übereinstimmen,

   b) der Umfang jeder der überzüge (16) am äusseren Ende frei von Scharten ist und diese eine Umfangskante aufweisen,

   die sich um die ganze Peripherie des Stapels herum erstreckt, _k · und dort eine präzise Gleichlage mit der Umfangsfläche des f benachbarten Keramikkondensatormaterials (10) und des Endblockmaterials (18) besitzen.
7. 7. Hochspannungs-Keramikkondensator-Einheit, dadurch gekennzeichnet , das3 sie umfasst:

   a) einen Keramikkondensatorblock (10) mit einer äusseren Umfangsfläche (12), ein Paar von gegenüberliegenden im wesentlichen ebenen Flächen (14), die sich quer zu dieser Umfange fläche erstrecken und an jeder dieser ebenen Flächen fest verbundene leitfähige Überzugsschicht (16),

   j b) ein Paar Endblöcke (18) aus elektrisch isolierendem Material, ^ von denen jeweils eine Oberfläche mit einer der leitfähigen Überzugsschichten (16) auf dem Keramikblock fest verbunden ist und die an diese Überzugsschicht in praktisch dem ganzen äusseren Umfangsbereich der Überzugsschicht grenzen,

   c) wobei der Keramikblock und die Endblöcke zusammen einen ' Stapel bilden,

   : d) der Umfang jeder der leitfähigen ÜberzugssQhichten (16) frei, von Scharten ist und die überzüge (1$) eine Umfangskante besitzen» die sich um den ganzen Umfang des Stapels herum in einer genau aufeinander ausgerichteten Beziehung zur

   • Umfangsfläche des Keramikkondensatorifiaterials und des ^; benachbarten Endblockmaterials befindet»

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   e) ein dünner Überzug (30) aus einem Isolationsmaterial, der die Umfangskante jedes der leitfähigen überzüge und die unmittelbar benachbarte äussere Oberfläche des zu dem leitfähigen überzug benachbarten Keramikblocks bedeckt.
8. 8. Hochspannungs-Kondensator-Anordnung, bestehend aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensator-Einheiten nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η ζe i c h η et, dass die Kondensator-Einheiten in einem Stapel mit zwischen benachbarten Kondensator-Einheiten angebrachten leitfähigen Knöpfen (55) angeordnet sind, welche in Kontakt mit den leitfähigen Überzugsschichten (16) stehen, wobei die Endblöcke (18) aus isolierendem Material, welche zwischen den Keramikblöcken (10) angebracht sind, eine Ringform aufweisen, so dass ein mittlerer Teil des zugehörigen leitfähigen Überzuges frei liegt, um den Kontakt mit dea zugehörigen Knopf zu gestatten«
9. 9. Hochspannungs-Keramikkondensator-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin Endanschlussteile (3*1,36) umfasst, die jeweils mit den leitfähigen Überzugsschichten (16) am Ende des Stapels in Kontakt sind, wqbei diese Endanschlussteile und jede weitere leitfähige Struktur unmittelbar benachbart zu den leitfähigen Überzugsschichten am Ende des Stapels in radialer Richtung im Innern der äusseren Umfange dieser Überzüge angeordnet sind,.
10. 10. Verfahren zUf Herstellung einer Hochspannungs-Keramikkondensator-Ahordnuhgy dadurch gekennzeichnet j^ dass sie die folgenden Verfahrensschritte umfasst: *' >iv.

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    . ' a) Herstellung eiii&r Vielzahl von Keramikkondensatorblöcken (10), die jeweils eifif äussere Umfangsflache (12), ein Paar

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    . BAD ORIGINAL

    von quer dazu verlaufenden gegenüberliegenden im wesentlichen ebenen Flächen (14) und mit jeder dieser ebenen Flächen fest verbundene leitfähige Überzugsschichten (16) besitzen,

    b) die Kondensatorblöcke werden so miteinaTäer verbunden, dass sie allgemein zueinander ausgerichtet sind und die Flächen (l4) aneinander stossen, und es wird ein Stapel (22) gebildet, indem eine der leitfähigen Überzugsschichten (16) jedes Blockes (10) mit einer der leitfähigen Überzugsschichten eines benachbarten Blockes verbunden ist,

    c) die-Umfangsflache (12) des Stapels wird "maschinell bearbeitet, um genügend Material wegzunehmen, so dass die Umfangskanten der Überzugsschichten präzise ausgerichtet sind bezüglich der Umfangsfläche der unmittelbar benachbarten Keramik längs der jeder Überzugsschicht,

    d) yrobei sich die leit fähige Überzugsschicht an der Fläche jedes Blocks hinreichend weit erstreckt, so dass nach der maschinellen Bearbeitung der Umfangskante der Überzugsschicht diese sich um den ganzen Umfang des Stapels erstreckt.
11. 11". Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet. ,. dass die maschinelle Bearbeitung durch spanabhebende Verfahren durchgeführt wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10,' d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h ne t , dass die maschinelle Bearbeitung in Form eines Schleif'verfahrens auf einer das Werkstück drehenden Werkzeugmaschine durchgeführt wird.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin die folgenden Schritte umfasst:

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    a) an jeder der leitfähigen Überzugsschichten (1β) an den. äusseren Enden des Stapels wird ein Endblock (18) aus elektrisch isolierendem Material fest verbunden, der. eine Oberfläche hat, die im wesentlichen längs dem ganzen äusseren Umfang der Überzugsschicht mit der Überzugsschicht übereinstimmt,

    b) darin wird der Umfang jeder dieser Endblöcke, die gegenüberliegende leitfähige Überzugsschicht und der angrenzende Keramikblock hinreichend bearbeitet, um in dem Bereich der Überzugsschicht eine präzise Ausrichtung zwischen den äuss-eren Umfangsflächen, der Überzugsschicht und des angrenzenden Keramikbloeks zu erhalten,

    14, Verfahren zur Herstellung einer Hochspannungs-Keramikkondensator-Anordnung, da du r σ h gekennzeichnet, . dass es die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

    a) es wird ein Keramikondenaatorblock hergestellt mit einer äusseren Umfangsfläche (12), ,einem Paar von gegenüber- " liegenden im wesentlichen ebenen Oberflächen (l4), die sich quer dazu erstrecken und eine an jeder dieser ebenen Flächen, fest verbundenen gleitfähigen Überzugsschicht (16),

    b) an jeder der leitfähigen Überzugsschichten (16) wird

    ein Endblock (l8) aus elektrisch isolierendem Material fest verbunden, der eine Fläche, hat, welche im wesentlichen längs dem ganzen äusseren Umfangsbereich der Überzugsschicht an die Überzugsschicht angrenzt,

    c) dann werden die Umfange der Endblöcke (18), der gegenüberliegenden metallischen Überzugsschichten (16) und des Keramikbloeks (10) hinreichend bearbeitet", um in dem Bereich jeder' der Überzugs schichten eine genaue überein-' Stimmung zwischen der äusseren Umfangsfläche der Überzugsschicht und-des Keramikbloeks längs des ganzen Umfangs. der Überzugsschicht zu erhalten, . '-'■--

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