DE2658765A1 - Elektrischer wickel- oder stapelkondensator mit beidseitig metallisierten isolierstoffbaendern - Google Patents
Elektrischer wickel- oder stapelkondensator mit beidseitig metallisierten isolierstoffbaendernInfo
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Description
13.12.1976 Rs
Anlage zur
P at ent anine ldung
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1
Elektrischer Wickel- oder Stapelkondensator mit beidseitig metallisierten Isolierstoffbanderη
Es wird ein elektrischer Wickel- oder Stapelkondensator vorgeschlagen,
der eine Lage beidseitig metallisiertes Papier oder Kunststoff enthält und somit- die preiswerte Herstellung
eines elektrischen Kondensators bei kleinen Abmessungen gestattet. Bei dem neuen Kondensator sind auf mindestens
einer Oberfläche des Isolierstoffbandes metallfreie Zonen
vorgesehen, um das Trocknen und Imprägnieren der Isolierstoff bänder zu erleichtern und zu beschleunigen.
einer Oberfläche des Isolierstoffbandes metallfreie Zonen
vorgesehen, um das Trocknen und Imprägnieren der Isolierstoff bänder zu erleichtern und zu beschleunigen.
Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Wickel- oder Stapelkondensator mit beidseitig metallisierten Isolierstoffbändern.
Derartige Kondensatoren aus einer Lage beidseitig
80982*70158
ORJQlMAL IWSPEGTED " 2 "
metallisiertem Papier mit Belägen verschiedenen Potentials
auf den beiden Seiten sind bekannt, wobei das metallisierte Papier das. Dielektrikum bildet. Weiterhin sind elektrische
Kondensatoren bekannt mit Belägen gleichen Potentials auf beiden Papierseiten, wobei ein weiteres unmetallisiertes Papier-
oder Kunststoffband das Dielektrikum bildet.
Bei Kondensatoren aus einer Lage beidseitig metallisiertem Papier mit Belägen verschiedenen Potentials auf beiden Seiten
zeigten sich bei der Massenfertigung nach der Imprägnierung zunächst unerklärbare Streuungen der elektrischen Vierte und damit
zu erwartende Unterschiede in der Lebensdauer. Beim Betrieb von Kondensatoren mit Belägen gleichen Potentials auf
beiden Papierseiten konnten Frühausfälle beobachtet werden, die auf einen ölmangel zwischen den Kondensatorlagen zurückzuführen
waren, wobei dieser ölmangel unmittelbar nach der Imprägnierung noch nicht vorhanden war. Durch weitere Untersuchungen
konnte festgestellt werden, daß in beiden Fällen bei geeigneter, d.h. nicht zu hoher Wickelfestigkeit das Imprägnieröl
in der vorgesehenen Zeit zwar zwischen die einzelnen Papierlagen, bzw. Papier- und Kunststofflagen eingedrungen, die Imprägnierung
der Papierbahnen selbst jedoch noch nicht abgeschlossen war, weil das Eindringen des Öles in die Hohlräume
zwischen den Papierfasern durch die auf beiden Seiten aufgedampfte Metallschicht behindert'wurde. Außerdem konnte nachgewiesen
werden, daß schon der Austritt der Feuchtigkeit durch die beidseitig aufgebrachten, wenn auch dünnen Metallbeläge
verzögert wird.
Im Interesse vertretbarer, d.h. möglichst kurzer Imprägnierzeiten
des Kondensators ist es erforderlich, die Imprägnierzeit der Papierbahnen selbst zu 'verkürzen. Dies ist besonders
wichtig, wenn bei Kondensatoren mit Belägen gleichen Potentials auf beiden Papierseiten Polypropylenfolie als Dielektrikum verwendet
v/ird, weil diese Folie beim Imprägnieren des Kondensators ebenfalls öl aufnimmt, dabei quillt und die Spalte zwischen
den Bändern ausfüllt, so daß später eine v/eitere ölzufuhr von
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außen in den Wickel zur Nachimprägnierung des Papiers unterbunden ist.
Weiterhin ist es bei einseitig bedampftem Metallpapier für Gleichspannungskondensatoren bekannt, in dem Metallbelag
kammartige Unterbrechungen zur Strombegrenzung vorzusehen. Bei einem Ausführungsbeispiel wurden in diesem Zusammenhang
etwa 0,5 mm breite und 50 mm lange metallfreie Querstege vorgesehen, die mit dem metallfreien Isolierrand in Verbindung
stehen und in einem Abstand von etwa 20 mm in Bandrichtung aufeinanderfolgen. Diese Unterbrechungen im Metallbelag begrenzen
die Energiezufuhr vom Anschlußrand her auf die einzelnen metallisierten Felder, wodurch im Falle eines selbstheilenden
Durchschlages bei hohen Gleichspannungen.die Ausheilgüte erhöht ttfird. Diese stets quer verlaufenden metallfreien
Stege erhöhen die Belagrand länge im gezeichneten. Fall um den Faktor 5 gegenüber der Normalbedampfung mit einfachem Isolierrand,
wobei das Verhältnis von Fläche zu Umfang eines rnetallfreien Quersteges 0,25 (ram) und das Verhältnis Schmalseite
zu Breitseite eines metallfreien Steges 100 beträgt.
Wechselspannungskondensatoren mit den geschilderten, kammartigen metallfreien Zonen sind aus beidseitig metallisierten
Isolierstoffbändern praktisch nicht herstellbar, weil bei Belägen mit verschiedenem elektrischem Potential auf beiden Seiten
die exakte überdeckung der metallfreien Zonen in der Fertigung nicht erreichbar ist, während bei Kondensatoren mit Belägen
gleichen Potentials auf beiden Seiten des Isolierstoffbandes, die wegen ihres Aufbaus einen sehr niedrigen Verlustfaktor
haben können, dieser -infolge der etwa fünffach größeren Metallrandlänge auf ein Vielfaches ansteigen würde. Der Grund
hierfür liegt in der bekannten Tatsache, daß der übergang von der Metallschicht zum metallfreien Isolierrand eine mehr oder
weniger ausgeprägte hochohmige Zone enthält. Die darunter liegende Teilkapazität ist dadurch stark verlustbehaftet und umso
größer je länger der Metallschichtrand wird. Außerdem wäre ein
80982Ϊ/0158 ' " ή ~
Kondensator mit den beschriebenen kammartigen metallfreien
Zonen proportional zur Randlänge mehr durch Glimmentladungen gefährdet, weil am Belagrand die Feldstärke am größten ist.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Kondensators mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Imprägnieren der Isolierstoffbänder, insbesondere
der Papierbänder, im Kondensator beschleunigt, teilweise sogar erst ermöglicht wird, ohne daß die zuvor geschilderten
Nachteile auftreten.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Lösung,möglich. Als besonders vorteilhaft zur Erzielung der erfindungsgemäßen Merkmale haben sich die
in den Unteransprüchen weiterhin beanspruchten Herstellungsverfahren
erwiesen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den schematischon Aufbau eines elektrischen Kondensators
aus einer Lage beidseitig metallisiertem Papier mit Belägen verschiedenen Potentials auf beiden Seiten,
bei denen das metallisierte Papier gleichzeitig das Dielektrikum bildet,
Fig. 2 den schematischen Aufbau eines Kondensators mit Belägen
: gleichen Potentials auf beiden Papierseiten, wobei ein
-weiteres unmetallisiertes isolierstoffband "das Dielektrikum
bildet,
Fig. 3 zeigt schematisch verschiedene Möglichkeiten der Gestaltung
von metallfreien Zonen auf der bedampften Oberfläche eines Isolierstoffbandes und
80982Ϋ/0158
Pig. 4 ist eine Darstellung zur Erläuterung der elektrischen
Vorgänge im Kondensator.
Ein Kondensator für den Betrieb an Wechselspannung mit guten Selbstheileigenschaften ist in Fig. 1 dargestellt. Er ist aus
beidseitig metallisierten Papierbändern 10 und 11 geschichtet oder gewickelt, welche anschließend imprägniert werden müssen.
Die aufgedampften Beläge sind mit 12 und 13 bzw. mit Ik und 15
bezeichnet. Die Anschlußränder der Beläge 12 und 13 bzw. 14 und
15 liegen an entgegengesetzten Enden der Bänder 10 und 11. Die Beläge eines Bandes 10 bzw. 11 haben also entgegengesetztes
Potential, jeweils zwei aufeinanderliegende Beläge verschiedener Bänder dagegen haben dasselbe Potential. Dadurch liegen
die mit Imprägnieröl gefüllten Spalte zwischen den Papierbahnen 10 und 11 im feldfreien Raum. Der Kondensator hat sehr stabile
und zeitlich konstante elektrische Werte und eine sehr hohe Glimmeinsatζspannung.
Fig. 2 zeigt einen ebenfalls bekannten Aufbau eines imprägnierten Kondensators aus zwei Papierbändern 16 und 17» auf welche
jeweils beidseitig Metallbeläge 18 und 19, bzw. 20 und 21 aufgedampft sind. Die Isolierränder und die Anschlußränder der
Metallbeläge eines Bandes 16 oder 17 liegen auf derselben Seite, die Metallbeläge eines Bandes sind durch die später auf den
Kondensatorwickel oder -stapel aufgebrachten, in den Abbildungen nicht dargestellten Kontaktbrücken kurzgeschlossen. Beide
Beläge 18 und 19, bzw. 20 und 21 haben dasselbe Potential. Als Dielektrikum zwischen den beiden als Doppelbelagträger wirkenden
Bändern 16 und 17 dienen zwei weitere, nicht metallisierte Isolierstoffbänder 22 und 23 aus Kunststoff. Kondensatoren mit
einem Aufbau gemäß Fig. 2 sind in der Lage, hohe Lade- und Entladeströme
zu führen und sie sind bei Verwendung eines geeigneten Kunststoffes besonders verlustarm.
Um die Trocknung der Papierbahnen und ihrer Imprägnierung zu erleichtern, wird er^ij-R4V1gS*3Äe/1V&5 ,vorgeschlagen, mindestens auf
INSPECTED " 6 "
einer, vorzugsweise aber auf beiden Seiten metallfreie Zonen auf der Isolierstoffoberfläche zu belassen, die den
Feuchtigkeits- und öldurchgang durch die Metallschicht erleichtern.
Diese metallfreien Flächen sollen eine bestimmte Form und Größe haben, um die Funktion und die Güte des Kondensators
nicht in unzulässiger Weise zu beeinträchtigen.
Fig. 3 zeigt in den Abbildungen a bis d vier verschiedene Ausbildungen
der metallfreien Zonen, wobei diese relativ große Abmessungen haben und gewisse Mindestabstände gegeneinander
aufweisen. Dabei stellen die in Fig. 3 gezeigten Gestaltungen jedoch nur einige von zahlreichen möglichen Gestaltungsformen
dar. In den Abbildungen a bis d sind dabei in 10 mm Querabstand und 5 mm Längsabstand Quadrate (a), Kreise (b), Rechtecke (c)
oder Dreiecke (d) mit folgenden Abmessungen vorgesehen:
Jeweils in der Reihenfolge a, b, c, d beträgt der unbedampfte
Flächenanteil 7,3/5,6/14,7 und 3,7 %, das Verhältnis der Breitseite 1 zur Schmalseite d beträgt' bei Zugrundelegung
einer Längeneinheit d = 2 mm 1/1/2/1, das Verhältnis Fläche zu Umfang beträgt 0,25 d = 0,5 mm / 0,25 d'= 0,5 mm / 0,33 d =
0,66 mm und 0,14 d = 0,25 nun; der Versatz in Bandlängsrichtung beträgt 2,5 1 = 5mm / 2,5 1 = 5 mm/ 1,25 1 = 5 mm und
2,89 1 = 5 mm. Die Aussparungen aus der Metallschicht gemäß den Abbildungen 3a bis 3d können auf einer oder auf beiden
Oberflächen des Isolierstoffbandes vorgesehen sein. Die metallfreien
Zonen sollen weder unter sich noch mit dem Isolierrand in Verbindung stehen, um den Verlustfaktor nicht durch zusätzliche
belagbedingte Vorwiderstände zu erhöhen, welche entstünden, wenn eine merkliche Strombegrenzung in Längs- oder
Querrichtung vorhanden wäre. Das Verhältnis von Breitseite . zu Schmalseite einer metallfreien Zone soll zwischen 1 und
höchstens 3 liegen, das Verhältnis Flächeninhalt zu Flächenumfang zwischen 0,125 d und 0,375 d, wobei d die Ausdehnung
der Schmalseite ist. Hierdurch erreicht man, daß der Verlustfaktor
nicht durch verlängerte unscharfe Ränder unnötig erhöht wird. '
80982Ϊ/0Ί58 " 7 "
-ir -
Palls die Teilflächen in den angegebenen Grenzen länger als
breit sind, ist es im Hinblick auf ihre Herstellung vorteilhaft, daß die Längskanten parallel zur Bandrichtung verlaufen.
Bei mehreren in Bandquerrichtung aufeinanderfolgenden Teilflächen sind jeweils zwei benachbarte metallfreie Zonen mit
Rücksicht auf das elektrische Verhalten um mindestens ihre Längsausdehnung gegeneinander in Bandlängsrichtung versetzt.
Um weiterhin einerseits eine ausreichende Wirkung als Imprägnierhilfe zu erhalten, andererseits den Kapazitätsverlust aber
noch auf vertretbare Größen zu beschränken, sollen höchstens 15 % der im Falle einer völligen Bedampfung erreichbaren Belagfläche
metallfrei bleiben. Dabei sollte mindestens eine
ρ
metallfreie Teilfläche pro cm der Bandoberfläche vorhanden
metallfreie Teilfläche pro cm der Bandoberfläche vorhanden
Die in Fig. 3 gezeigten Abmessungen und Formen der metallfreien
Zonen sind besonders geeignet für einen Kondensatoraufbau gemäß
Fig. 2. Für einen Aufbau gemäß Fig. 1 können sich je nach den Betriebsbedingungen mit den aus Fig. 3 ersichtlichen Gestaltungen
der metallfreien Zonen Schwierigkeiten ergeben, was anhand der Fig. 4 näher erläutert ist. In Fig. 4a ist die Feldverteilung
im Kondensator durch den Feldlinienverlauf ohne metallfreie Zonen angedeutet. Die Zeichnung ist, wie von Kondensatoraufbauzeichnungen
bekannt, nicht maßstäblich. Die Feldlinien verlaufen quer durch die Papierbahnen· von Belag zu Belag je einer
Papierbahn, die ölgefüllten Spalte zwischen den Bändern sind feldfrei.
In Fig. 4b ist der Feldlinienverlauf in der- Umgebung einer feldfreien
Teilfläche mit den anhand von Fig. 3 beschriebenen Abmessungen angedeutet. Durch die metallfreie Zone und die darauf
folgende ölschicht hindurch verlaufen die. Feldlinien bis zum
Metallbelag der nächsten Papierlage. Die Feldstärke im öl ist
wegen der gegenüber der verwendeten Papiersorte beispielsweise etwa halb so großen Dielektrizitäts.zahl des Öles doppelt so hoch wie
im Papier. Es ist leicht einzusehen, daß ab einer bestimmten
BO9 82Ϊ/0158 ' ' 8 "
elektrischen Feldstärke, die vom Papier ausgehalten wird, in
der ölschicht Teilentladungen auftreten, die den Kondensator vorzeitig zerstören können. In diesem Fall ist es zweckmäßig,
wenn man die Abmessungen der metallfreien Zonen in den Mikrobereich,
d.h. in die Größenordnung der Papierdicke von einigen ,um verlegt. So wird der Durchgriff des Feldes zum Belag des
Nachbarbandes stark eingeschränkt, wie dies in Fig. ^c angedeutet
ist.
Ein gemäß der Ausbildung nach Fig. 4c gestalteter Metallbelag, "
der sowohl für Kondensatoren nach Fig. 1 als auch für Kondensatoren nach Fig. 2 geeignet ist, sollte maximal 5000 metallfreie
Zonen je cm der Oberfläche besitzen, um den Verlustfaktor nicht durch die zusätzliche Kantenwirkung unzulässig zu
erhöhen. Trotz dieser groß erscheinenden Zahl von metallfreien Zonen ergibt sich bei dem genannten kleinen Durchmesser im
^üm-Bereich dennoch nur eine relativ kleine unbedampfte Fläche;
hat ein Belag im Abstand von 0,1 mm in Längs- und Querrichtung annähernd kreisrunde Löcher mit 0,01 mm Durchmesser, so beträgt
die Lochzahl 10 000/cm ,der unbedampfte Flächenanteil jedoch weniger als 1 %. Auch im Hinblick auf möglichst geringe Kapazitätseinbuße
sind derartige metallfreie Zonen im Mikrostrukturbereich
also in der Regel den in Fig. 3 dargestellten Abmessungen und Anordnungen von metallfreien Zonen vorzuziehen.
Für die Herstellung der metallfreien Zonen, insbesondere für
die Herstellung größerer Abmessungen, sind folgende, an sich
bekannte Verfahren besonders geeignet: Freilassung der gewünschten Gebiete bei der Bedampfung durch Negativvorbekeimung, Freihaltung
der Zonen durch umlaufende Abdeckbänder oder Abdeckschablonen, nachträgliches elektrisches Wegbrennen der metallfreien
Zonen durch aufgesetzte Elektroden oder teilweise Korrosion der zunächst vollständigen Metallschicht durch gezieltes
lokales Aufdampfen von korrosionsfördernden Stoffen, z.B. von Bi, an den metallfrei gewünschten Stellen..
80982^/0158 "9"
Ein besonders für die Herstellung von metallfreien Mikrostrukturen
geeignetes, an sich ebenfalls bekanntes Verfahren besteht in einer lokalen Sensibilisierung der zunächst vollständigen
Metallschicht durch örtlich erhöhten spezifischen Druck und anschließende Einwirkung einer halogenhaltigen Atmosphäre. Der
örtlich hohe spezifische Druck kann z.B. durch einen Haarpinsel oder eine entsprechende Walze ausgeübt werden, als halogenhaltige
Atmosphäre eignet sich z.B. Joddampf. Dadurch werden bevorzugt die durch die Papieroberflächenstruktur gegebenen,höher
liegenden Stellen metallfrei, weil diese Stellen die Berührungspunkte bei der vorangegangenen Sensibilisierung darstellen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur mechanischen Herstellung
der metallfreien MikroStruktur besteht im Umspulen oder Aufspulen der metallisierten Isolierstoffbänder über mindestens eine
feststehende und/oder mit geringerer Umfangsgeschwindigkeit als die Bandgeschwindigkeit umlaufenden Metallwalze. Außerdem kann
es auch zweckmäßig sein, zur Herstellung metallfreier Mikrostrukturen eine Teilkorrosion der Metallschichten im fertigen Kondensatorelement
herbeizuführen unter Ausnutzung der im Papier enthaltenen Restfeuchtigkeit durch eine geeignete Temperatur- und
Vakuumsteuerung bei der der Imprägnierung vorausgehenden Trocknung
der Kondensatorwickel· oder Kondensatorstapel. Beispielsweise werden Wickel aus beidseitig mit Zink bedampftem Papier
mit der nach dem Bedampfen noch zurückgebliebenen Restfeuchtigkeit
auf bekannte Weise gewickelt und mit Anschlußbrücken versehen. Durch längeres Verweilen der Wickel bei einer erhöhten .
Temperatur unter 100° C bei normalem Luftdruck können durch Teilkorrosion die erfindungsgemäßen metallfreien Zonen in gewünschter
Zahl in den metallischen Belagschichten erhalten werden. Durch anschließende Trocknung bei Temperaturen über 100° C
im Vakuum wird die Teilkorrosion der Metallschichten gestoppt und die entstandene Struktur fixiert.
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8G932T/0158
Claims (13)
- AnsprücheΓΐJ Wickel- oder Stapelkondensator mit beidseitig metallisierten Isolierstoffbändern, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Oberfläche des Isolierstoffbandes nietallfreie Zonen vorgesehen sind.
- 2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der metallfreien Zonen im ,um-Bereich liegen.
- 3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß Länge und Breite der metallfreien Zonen in der gleichen
Größenordnung liegen. - 4. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenanteil der metallfreien Zonen
kleiner als 15 % der gesamten, bei vollständiger Bedampfung entstehenden Belagfläche ist. - 5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallfreien Zonen weder unter sich noch mit dem Isolierrand
des Bandes in Verbindung stehen. - 6. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßmindestens eine metallfreie Zone pro cm der Bandoberfläche vorhanden ist.80982^/0158- Ii -2656765
- 7. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallfreien Zonen durch Negativ-Vorbekeimung erzeugt werden.
- 8. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallfrcien Zonen durch umlaufende AbdeckschabIonen erzeugt werden.
- 9. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallfreien Zonen durch nachträgliches elektrisches Ausbrennen erzeugt werden.
- 10. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallfreien Zonen durch lokales Aufdampfen eines korrosionsfördernden Stoffes erzeugt werden.
- 11. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallfreien Zonen durch lokale Sensibilisierung der zunächst vollständigen Metallschicht durch örtlich erhöhten spezifischen Druck und anschließende Einwirkung einer halogenhaltigen Atmosphäre erzeugt werden.
- 12. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallfreien Zonen erzeugt werden durch Um- oder Aufspulen der metallisierten Isolierstoffbänder über mindestens eine .feststehende oder mit geringerer80982Ϊ/0158- 12 -Umfangsgeschwindigkeit als die Bandgeschwindigkeit umlaufenden Metallwalze.
- 13. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallfreien Zonen bei Atmosphärendruck durch Teilkorrosion der Metallschichten im Kondensatorelement vor dessen Imprägnierung erzeugt werden unter Ausnutzung der im Isolierstoff vorhandenen Restfeuchtigkeit sowie bei erhöhter Temperatur zwischen 20° C und 100° C.8098 2$/0158
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5136462A (en) * | 1990-04-03 | 1992-08-04 | Steiner Gmbh & Co. Kg | Foil with vacuum vapor deposited metal coating |
Also Published As
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FR2375703A1 (fr) | 1978-07-21 |
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