DE2826481C2

DE2826481C2 -

Info

Publication number: DE2826481C2
Application number: DE19782826481
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Hoyler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-01-28
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1989-01-26
Also published as: DE2826481A1

Description

Die Erfindung betrifft einen regenerierfähigen elektri schen Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsan wendungen, welcher aus aufgewickelten Lagen von mit Me tallbelägen versehenen Kunststoffolien besteht, wobei metallfreie Randstreifen auf den Längsseiten der Folien angeordnet sind, und bei dem die Metallschichten aus einer Legierung von 15 bis 80 Atom-% Aluminium mit Kupfer bestehen, nach dem nicht vorveröffentlichten Patent 27 03 636.

Die Legierungsbeläge dieser Kondensatoren weisen im Vergleich zu reinen Aluminium-Belägen gleicher Dicke niedrigere Flächen leitwerte auf. Der durch Energieverluste im Metallbelag ent stehende Anteil des Verlustfaktors tan δ ist bei sinusförmiger Wechselspannung der Kreisfrequenz ω gegeben durch tan δ = (4ωεε.u²) (1+3 v/u)/3 dL, wobei d die Dicke des Dielektrikums, ε die Dielektrizitäts zahl, ε. die elektrische Feldkonstante, L den Flächenleit wert, u den kapazitiv wirksamen Anteil und v den kapazitiv nicht wirksamen Anteil der Folienbreite bedeuten.

Aus der genannten Formel errechnet sich, daß z. B. bei L = 0,03 S, d = 6 µm, u = 100 mm, e = 2,2 (Polypropy len) schon bei ω = 2 π 50 Hz die Belagsverluste grö ßer als die dielektrischen Verluste des Kondensators werden. Dies kann beim Betrieb von Leistungskondensa toren, wo Oberwellenanteile im 50 Hz-Netz nicht auszu schließen sind, zu unerwünschter Wärmeerzeugung im Kon densator führen.

Es ist zur Abhilfe nicht vorteilhaft, die Legierungs beläge über die ganze Folienbreite dicker zu machen, um den Flächenleitwert zu erhöhen, weil dann an den nicht kontaktierten Belagskanten zahlreiche Durchschläge auf treten, die sich von dort aus nesterartig über die ganze kapazitive Fläche verteilen. Diese Durchschläge entste hen durch Teilentladungen im Bereich der hohen Randfeld stärke an den Kanten der Metallbeläge; denn die bei den dünneren Legierungsbelägen gemäß der Hauptanmeldung an den Metallkanten wirksam werdende Feldstärkeabsenkung durch leitfähige Oxide ist bei dickeren Belägen zeit lich so verzögert, daß bereits eine Dielektrikumsschä digung durch die Teilentladung entstehen kann, die zu einem Durchschlag führt, ehe die wirksame Oxidschicht ausgebildet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den gattungsgemäßen Kondensator derart weiterzubilden, daß auch bei höheren Wechselspannungsfrequenzen die Belags verluste gering gehalten werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Aus der DE-PS 8 67 888 ist ein regenerierfähiger elektrischer Kondensator bekannt, welcher aus aufgewickelten Lagen von mit Metallschichten der Beläge versehenen Folien be steht, wobei metallfreie Randstreifen auf den Längsseiten der Folien vorgesehen sind. Die Metallschichten weisen auch dort senkrecht zur Längsrichtung der Folien eine variable Dicke auf, wobei die Dicke der Metallschichten in den an die metallfreien Randstreifen angrenzenden Bereichen am geringsten ist und stetig zur gegenüberliegenden Folienseite zunimmt und die Folien derart miteinander gewickelt sind, daß bei zwei aneinanderliegenden Folien die metallfreien Rand streifen an verschiedenen Seiten des Kondensators angeordnet sind. Die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 sind somit aus dieser Druckschrift bekannt. Mit den dort vor gesehenen Maßnahmen soll erreicht werden, daß die Stromdichte im Anschlußbereich der Kondensatorbeläge, z. B. bei einem Strom Stoß infolge eines Kurzschlusses im Kondensator, nicht so groß wird, daß möglicherweise die Metallisierung im Bereich der Stromzuführungsstellen zerstört wird.

Weiterhin ist aus der DE-AS 10 06 692 ein Verfahren zur Her stellung festhaftender Kondensatorbeläge auf einer Dielektri kumsschicht aus einem Kunststoff bekannt. Als Beispiel für eine geeignete Metallschicht wird dort eine Schicht aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung genannt.

In der DE-PS 8 87 541 ist ein metallisiertes Dielektrikums band für Kondensatoren beschrieben auf dem mindestens zwei Metallbeläge unterschiedlicher spezifischer Leitwerte über einander liegen, die Legierungen gebildet haben, wobei min destens eine Metallschicht einen über die Breite des Dielek trikumsbandes verschiedenen Querschnitt aufweist.

Aus der DE-OS 23 59 431 geht ein Verfahren zur Metallisierung eines Kunststoffbandes für Kondensatoren hervor, bei dem ein Metallbelag aus Aluminium in annähernd gleicher Schicht stärke auf das Kunststoffband aufgebracht und anschließend durch Aufbringen einer weiteren Metallschicht aus Kupfer elektrisch leitfähiger gemacht wird.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen er läutert. In der dazugehörenden Zeichnung zeigt

Fig. 1 den schematischen Querschnitt durch zwei Folienlagen des Kondensators, und

Fig. 2 bzw. Fig. 3 den Verlauf der Flächenleitwerte zweier aneinanderliegender Folien.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch zwei aneinanderliegende Folien 1 und 2 mit den Metallbelägen 3 und 4 dargestellt. Die Dicke der Metallbeläge 3 und 4 ist dabei im Vergleich zur Dicke der Folien 1 und 2 zeichnerisch stark verzerrt dargestellt; in Wirklichkeit sind die Metallbeläge 3 und 4 wesentlich dünner als die Kunststoffolien 1 und 2. Die Dicke der Beläge 3 und 4 ist im Bereich der Freiränder 5 und 6 an den Kanten 7 und 8 am geringsten und steigt von diesen Bereichen ausgehend stetig zur gegenüberliegenden Folien seite an, so daß an den Kanten 9 und 10 die Beläge 3 und 4 am stärksten sind.

Wenn die beiden Metallbeläge 3 und 4 ein gleiches Profil aufweisen, so ist bei den aneinanderliegenden Folien 1 und 2 der mittlere Flächenleitwert der Beläge L₀ = (L₃+L₄)/2 = (L _max+L _min)/2 und damit auch die mittlere Dicke über die kapazitiv wirksame Folienbreite u konstant. Dies ist des halb vorteilhaft, weil an allen übereinanderliegenden Stellen von u wenigstens einer der beiden Beläge 3 und 4 einen für das Selbstheilverhalten ausreichend niedrigen Flächenleitwert L = L₀ aufweist.

Bei Verwendung von Kunststoffolien 1, 2 aus Polypropylen und Metallbelägen 3, 4 aus einer Aluminium/Kupfer-Legierung mit 30 bis 80% Kupfer liegt der Flächenleitwert an den Kanten 7, 8 der Metallbeläge 3, 4 bevorzugt unter 0,02 S, was einer Dicke von unter 20 nm entspricht. Die Dicke der Beläge 3, 4 nimmt in Richtung auf die gegenüberliegenden Kanten 9, 10 derart zu, daß das Verhältnis der Flächenleit werte an den Kanten 7, 8 zu den Flächenleitwerten an den Kanten 9, 10 zwischen 1: 5 und 1: 30 beträgt. Die Stirnkontakt schichten des Kondensatorwickels werden im Bereich der Kanten 9, 10 angebracht. Dadurch erzielt man den Vorteil, daß die Schoopschichten besonders gut kontaktiert werden, da die Güte der Kontaktierung von der Dicke der Metallbeläge in den Rand zonen abhängt.

Der Kondensator gemäß der Erfindung weist somit eine Reihe von Vorteilen auf, welche ein Kondensator mit gleichmäßiger Belagsstärke nicht besitzt: ein gutes Regenerierverhalten, niedrige dielektrische Verluste, gute Kontaktierung der Stirnkontaktschichten und eine gute Durchschlagsfestigkeit.

In den Fig. 2 und 3 sind die Flächenleitwerte L zweier übereinanderliegender Belagprofile verschiedener Art dar gestellt. Dabei sind die Flächenleitwerte des einen Belags (L₃) ausgezogen und diejenigen des anderen Belags (L₄) gestrichelt dargestellt.

In Fig. 2 sind die Leitwerte L von Belagsprofilen dargestellt, welche von den Maximalwerten L _max zu den Minimalwerten L _min eine linear fallende Belagsstärke aufweisen. Es ergibt sich für die zwei übereinanderliegenden Beläge ein mittlerer Leit wert von L₀.

In der Fig. 3 sind die Flächenleitwerte L von Belägen dar gestellt, bei denen die Belagsstärke Viertelkreisbögen um die Mittelpunkte (x = -u/2, L = (L _max+L _min)/2 = L₀) bzw. (x = +u/2, L = (L _max+L _min)/2 = L₀) mit Radius (L _max-L _min)/2 sind. Auch in diesem Fall ergibt sich ein mittlerer Flächenleit wert L₀, der bei gleicher Belagsstärke in den Randbereichen denselben Wert aufweist wie bei dem linearen Verlauf der Belagsstärke gemäß Fig. 2.

Setzt man zum Vergleich die Belagsverluste bei einem Kondensator mit Belägen gleicher Stärke und einem Leitwert L₀ = 0,07 S = 100%, so ergeben sich bei einem Verhältnis von L _min/L _max = 1/10 im Falle der Fig. 2 bei linearem Verlauf der Belagsstärke Belagsverluste von 77% und im Falle der Fig. 3 nur 61% bei sonst gleichen Parametern. Somit ergeben sich bei den Kondensatoren gemäß der Erfindung mit stetig veränderbarer Belagsstärke geringere Belagsverluste als bei Belagsprofilen mit konstantem Flächenleitwert.

Neben den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Profilen sind auch andere gekrümmte Profile, z. B. solche aus Parabelstücken, deren Scheitel bei L _max bzw. L _min liegen, und solche, die aus linearen und gekrümmten Bereichen bestehen, vorteilhaft.

Claims

1. Regenerierfähiger elektrischer Kondensator, insbesondere für Wechselspannungsanwendungen, welcher aus aufgewickelten La gen von mit Metallschichten der Beläge versehenen Kunststof folien besteht, wobei metallfreie Randstreifen auf den Längs seiten der Folien angeordnet sind, und bei dem die Metall schichten aus einer Legierung von 15-80 Atom-% Aluminium mit Kupfer bestehen, nach Patent 27 03 636, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (3, 4) senkrecht zur Längsrichtung der Folien (1, 2) eine varia ble Dicke aufweisen, daß die Dicke der Metallschichten (3, 4) in den an die metallfreien Randstreifen (5, 6) angrenzenden Be reichen (7, 8) am geringsten ist und stetig zur gegenüberlie genden Folienseite zunimmt, und daß die Folien (1, 2) derart miteinander gewickelt sind, daß bei zwei aneinanderliegenden Folien (1, 2) die metallfreien Randstreifen (5, 6) an ver schiedenen Seiten des Kondensators angeordnet sind.

2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Flächen leitwerte der Beläge an den beiden Folienseiten zwischen 5:1 und 30:1 beträgt.

3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der Flächen leitwert der Beläge (7, 8) im Bereich der Grenzen zu den metallfreien Randstreifen (5, 6) kleiner als 0,02 S ist.

4. Elektrischer Kondensator nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Flächenleitwert der Beläge (3, 4) zweier anein anderliegender Folien (1, 2) konstant ist.

5. Elektrischer Kondensator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Beläge aus einer Legierung von Aluminium mit Kupfer im Verhältnis 20:80 bis 70:30 bestehen.