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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Filmkondensatoren, gestapelt oder gewickelt,
insbesondere metallisierte, gewickelte Kondensatoren. Das Verfahren
zum Tränken
der Wicklungen kann auch bei Spulen und anderen elektrischen Bauteilen
eingesetzt werden.
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Filmkondensatoren
sollen so verstanden werden, dass sie Kondensatoren betreffen, die
aus einem Papiermaterial und/oder Kunststoffmaterial hergestellt
sind. Dieser Ausdruck umfasst sowohl metallisierte Konstruktionen
als auch Film/Folienkonstruktionen. Mit Folie ist hierbei eine Metallfolie
gemeint, beispielsweise aus Al, Sn, SnPb, usw.
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Zum
Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird der Ausdruck „Kondensatorwicklung" auch bei „gestapelten
Kondensatoren" eingesetzt,
und betrifft der Ausdruck des Tränkens
das Tränken
der Wicklung an sich, woran sich eine Einkapselung anschließt. In der
detaillierten Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf
einen gewickelten Filmkondensator beschrieben. Hierdurch soll allerdings
die Erfindung nicht eingeschränkt
werden.
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Gewickelte
Kondensatoren sind auf diesem Gebiet bekannt, beispielsweise aus
der US-A-4 656 556, der EP-B1-0 192 818, und der DE-C1 35 05 888.
Derartige Kondensatoren sind beispielsweise gewickelte Filme, die
metallisiert wurden. Die Metallisierung sorgt dafür, dass
die Enden der gewickelten Kondensatorwicklung metallisiert werden,
um Kontakte auf dem Kondensator auszubilden. Die Filme können aus
Papier oder Kunststoff hergestellt sein.
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Papier
weist einen Nachteil auf, nämlich
dass es poröser
ist, und eingeschlossene Luft in den Poren aufweisen kann. Die normale
Vorgehensweise bei der Herstellung dieser Kondensatoren besteht
darin, das Papier zu trocknen, und es danach beispielsweise mit
Epoxy zu tränken,
um eingeschlossene Luft in dem Papier zu entfernen, das bei der
Herstellung der Wicklung verwendet wird. Luft kann auch in der Wicklung
selbst zwischen den unterschiedlichen Schichten eingefangen sein.
Wenn Kunststofffilme anstelle von Papier verwendet werden, kann
daher immer noch Luft in der gewickelten Kondensatorwicklung festgehalten
sein.
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Ein
häufig
erfahrenes Bedürfnis
besteht darin, selbstverlöschende
Substanzen dem Material hinzuzufügen,
welches die Einkapselung des Kondensators bildet. Es gibt verschiedene
Substanzen wie Bor, Aluminiumhydrat usw., die für diese Zwecke eingesetzt werden
können.
Allerdings führen
einige dieser Substanzen zu einem Problem, wenn die Kondensatorwicklung
getränkt
wird, da sie verhindern, dass ein wirksames Tränken stattfindet, und Substanzen
wie Bor aus Umweltgesichtspunkten keine gute Wahl darstellen, sodass
sie nicht zum Tränken
eines Teils bei der Herstellung des Kondensators eingesetzt werden
sollten.
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Nach
dem Stand der Technik werden Papierkondensatoren üblicherweise
so hergestellt, dass Papier, das metallisiert ist, oder zusammen
mit einer dünnen
Folie, in zwei oder mehr Schichten zu einer Wicklung gewickelt wird.
Diese Wicklungen können
mit einer Dampfsperre in dieser Stufe versehen werden, durch Wickeln
einer Folie aus geeignetem Material in das äußere Teil der Wicklung. Die
Wicklungen, die zylinderförmig ausgebildet
sind, werden in eine im Wesentlichen flache Form zusammengedrückt, und
werden an ihrem Ende mit oder ohne Leitungen oder dergleichen besprüht. Es ist
wesentlich, dass die Wicklung ausreichend zusammengedrückt wird,
sodass kein Metall zwischen die Schichten in der Wicklung eindringt.
Dann wird die Wicklung getrocknet, und falls die Leitungen in dem
vorherigen Schritt nicht an der Wicklung angebracht wurden, werden
sie nunmehr an die an ihrem Ende besprühten Teile der Wicklung angelötet. Die
Wicklung wird in einem Kasten oder einer Form angebracht, und wenn
keine Dampfsperre bei der Wicklung in den vorherigen Stufen vorgesehen
wurde, kann die Dampfsperre in Form eines Aufklebers in der Form
angeordnet werden.
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Die
Form oder der Kasten mit der Wicklung wird einem Vakuum ausgesetzt,
und es wird ein Tränken der
Wicklung einschließlich
des Füllens
des Kastens oder der Form erzielt, unter Verwendung des gleichen Mediums
zum Tränken
und Füllen,
und dies erfolgt in einem Schritt. Der Kasten bzw. die Form und
sein bzw. ihr Inhalt werden zu diesem Zeitpunkt ausgehärtet, und
die fertiggestellten Kondensatoren werden entweder aus der Form
herausgezogen, oder es werden die Kästen getrennt. Dann werden
die Kondensatoren selbstverständlich
getestet und bezeichnet, bevor sie verpackt werden.
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Falls
Wicklungen aus Kunststoffmaterial anstelle von Papier bestehen,
erfolgt das Füllen
der Kästen oder
Formen unter Einsatz eines Vakuums.
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Eine Übersicht
für die
Herstellung der Kondensatoren nach dem Stand der Technik ist in
Tabelle I, Spalten 1-3 angegeben.
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Aus
der
DE 30 030 89 A ist
ein Verfahren zur Herstellung eines getränkten elektrischen Bauteils
bekannt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung getränkter und
eingekapselter Kondensatoren.
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Gemäß der Erfindung,
die durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 festgelegt ist, umfasst
das Verfahren zur Herstellung der Wicklungen einen Schritt, in welchem
sichergestellt wird, dass die Luft aus der fertiggestellten Wicklung
entfernt wurde, und das Material zum Tränken ausgehärtet ist.
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Gemäß der Erfindung
ist es ebenfalls möglich,
die Wicklung unter Verwendung eines Tränkmediums zu tränken, und
dann diese unter Verwendung eines anderen Mediums einzukapseln.
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Die
Wicklung wird aus einem metallisierten Film, Papier oder Kunststoff,
gewickelt. Der Kunststofffilm kann beispielsweise bestehen aus Polypropylen
(PP), Polyester (PET), Polykarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS),
oder Polyethylennaphtalat (PEN). Die Auswahl des Filmmaterials hängt von
dem angestrebten Einsatzzweck des Kondensators ab.
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Bei
dem neuen Verfahren gemäß der Erfindung
wird eine Wicklung bzw. ein Stapel vorbereitet. Die Wicklung wird
vorzugsweise einem Vakuum ausgesetzt, um die Luft zu entfernen,
und die Wicklung mit beispielsweise Epoxy zu tränken, dann wird das Vakuum
entfernt, und übt
die zutretende Luft einen Druck auf das Epoxy aus, das daher in
die Kondensatorwicklungen gezwungen wird. Die Wicklung mit dem Epoxy
zum Tränken
wird in einem Aushärtungsbad
ausgehärtet,
und es werden Leitungen an den Kondensatorwicklungen befestigt,
um elektrische Anschlüsse
für den
Kondensator zur Verfügung
zu stellen. Dann wird die Kondensatorwicklung vorzugsweise in einem
Kasten zur Einkapselung mit beispielsweise Epoxy angeordnet, wonach
das Epoxy ausgehärtet
wird. Auf diese Weise kann das Tränkmittel, das zum Tränken der
Wicklung verwendet wird, von dem Material verschieden sein, das
zu deren Einkapselung eingesetzt wird.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
eingekapselten, gewickelten Kondensators, aus Papier oder Kunststoff,
der einfach und wirksam hergestellt werden kann.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines eingekapselten, gewickelten Kondensators, aus Papier oder
Kunststoff, der eine Einkapselung aufweist, die selbstverlöschende
Eigenschaften aufweist, und Festigkeit und Beständigkeit in Bezug auf übliche Flussmittel
aufweist, wobei das Tränken
der Wicklung unter Verwendung von Zusammensetzungen durchgeführt werden
kann, die unter Umweltgesichtspunkten wünschenswerter sind, als die
bislang verwendeten Zusammensetzungen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Wicklung für
einen Kondensator, aus Papier oder Kunststoff, die einfach und wirksam
getränkt
und ausgehärtet
wird, und bei welcher das Tränkmittel
unter Umweltgesichtspunkten akzeptabler ist, als die bislang verwendeten
Zusammensetzungen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die Merkmale
des Patentanspruchs 12 oder des Patentanspruchs 13 festgelegt ist,
besteht in der Bereitstellung eines eingekapselten, gewickelten Kondensators,
aus Papier oder Kunststoff, bei welchem der gewickelte Kondensator
eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist, sodass kein Risiko in Bezug
auf Kurzschlüsse
vorhanden ist.
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Ein
metallisierter Papierfilm weist eine gute Eigenschaft im Vergleich
zu einem Kunststofffilm auf, nämlich
die bessere Fähigkeit
der Selbstheilung, die bei Kunststofffilmen nicht vorhanden ist.
Kunststofffilm, insbesondere ein Film, der durch eine sehr dünne Metallschicht
metallisiert ist, die einen hohen Widerstandswert pro Flächeneinheit
aufweist, stellt jedoch beinahe entsprechende Ergebnisse in dieser
Hinsicht zur Verfügung.
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Andere
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachstehenden, detaillierten Beschreibung deutlich werden. Allerdings
wird darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung und
spezielle Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
angeben, jedoch nur zur Erläuterung
dienen, da zahlreiche Änderungen
und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung, die durch
die beigefügten
Patentansprüche
festgelegt ist, Fachleuten auf diesem Gebiet auffallen werden.
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Kurzbeschreibung
der Tabelle und der Zeichnungen
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Tabelle
I zeigt eine Übersicht
von Vorgängen
zur Herstellung von Kondensatoren nach dem Stand der Technik und
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1 Wicklung
für einen
metallisierten Filmkondensator.
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2 Vorgang
zur Herstellung der Wicklung gemäß der Erfindung.
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3 Flussdiagramm
eines Beispiels für
die Herstellung eines Kondensators gemäß der Erfindung.
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In 1a ist eine schematische Ansicht eines
metallisierten Filmkondensators einer Konstruktion gezeigt, und
in 1b ein Schnitt entlang A-A. Die
teilweise gewickelte Wicklung 10 ist mit den beiden Schichten 11 und 12 dargestellt.
Wie aus dem Schnitt hervorgeht, weisen die Schichten jeweils eine
Elektrode 13, 14 und ein Dielektrikum 15, 16 (Papier
oder Kunststoff) auf. Die Schichten 11 und 12 werden
aufeinander angeordnet, und gerollt. Wahlweise vorgesehene, zusätzliche
Schichten werden zwischen den beiden Schichten 11 und 12 angeordnet.
Die beiden Schichten 11, 12 sind so dargestellt,
dass sie einen freien Toleranzbereich 17, 18 jeweils
an entgegengesetzten Seiten der beiden Filme aufweisen. Auf diese
Art und Weise können
die Elektroden 13, 14 jeder Schicht 11 und 12 getrennt
auf jeder Seite kontaktiert werden, zur Bereitstellung eines elektrischen
Anschlusses des Kondensators.
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In 2 ist
eine Art und Weise zur Ausbildung der Wicklung mit ihrer endgültigen Form
dargestellt. Die Ansicht bei a) zeigt schematisch das Einebnen der
Wicklung. In b) ist gezeigt, wie bei den Enden der Wicklung ein
Besprühen
am Ende zum Kontaktieren erfolgt. Gemäß der Erfindung schließt sich
an diesen Schritt eine Tränkung
an.
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Die
Tränkung
wird nachstehend genauer erläutert.
Bei c) ist die Anbringung einer Leitung an einem der Endabschnitte
der Wicklung dargestellt, wobei die andere Leitung am entgegengesetzten
Ende (nicht dargestellt) angebracht wird. Schließlich ist bei d) die Einkapselung
der Wicklung dargestellt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens zur Herstellung eines gewickelten Kondensators gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 3 geschildert.
Im Schritt 1 werden metallisierte Filme in Form länglicher
Streifen (Kunststoff oder Papier) übereinander angeordnet, und dann
zylinderförmig
aufgewickelt. Die Metallisierung der Streifen ist so ausgebildet,
dass eine Grenze des Streifens ohne Metall bleibt, und die andere
mit Metall beschichtet ist. Die metallisierten Grenzen der Filme werden
dazu verwendet, eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden
und den Leitungen durch Besprühung
der Enden der Wicklungen zur Verfügung zu stellen. Andere Arten
elektrischer Verbinder können
die Leitungen beim elektrischen Anschluss des Kondensators an anderen
elektrischen Bauteilen ersetzen. Abhängig von der Art des Kondensators,
der hergestellt wird, können
mehr als zwei Filmschichten vorgesehen sein.
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Im
Schritt 1a werden die Enden der Wicklung teilweise maskiert,
um eine dünne
Metallschicht (etwa 0,4 mm) auf die jeweiligen Enden der Wicklung
aufzusprühen,
und immer noch Zugang zur Wicklung für das Tränkungsmittel übrig zu
lassen.
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Im
Schritt 2 werden die Enden der Wicklung am Ende besprüht, auf
welche später
die Leitungen aufgeschweißt
werden sollen.
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Eine
alternative Vorgehensweise besteht darin, die Enden im Schritt 2 zu
besprühen,
ohne irgendein Teil von ihnen zu maskieren. Um den Zugang des Tränkungsmittels
in die Wicklungen zu ermöglichen,
werden dann Nuten in den metallisierten Enden im Schritt 2a hergestellt,
damit das Tränkungsmittel
in die Wicklung eindringen kann.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
kann die am Ende aufgesprühte
Metallschicht so dünn
und porös sein,
dass Zugang zur Wicklung für
das Tränkungsmittel
durch die Metallschicht erfolgt.
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Im
Schritt 3 wird bei der Wicklung vorzugsweise ein Trocknungsvorgang
bei etwa 110 °C über etwa
12 Stunden durchgeführt.
Dies kann unter Vakuum erfolgen. Die Kondensatorwicklung gemäß der Erfindung
wird dann im Schritt 4 einem Vakuum ausgesetzt, beispielsweise in
einem Behälter,
in welchem Vakuum vorhanden ist.
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Weiterhin
wird im Schritt 5 Epoxyharz in flüssiger Form gründlich ausgegast,
und im Schritt 5 über
die Kondensatorwicklungen gegossen, um diese zu tränken. Die
Temperatur des Epoxybades, die sich hierdurch ergibt, wird auf beispielsweise
60 bis 70 °C
gehalten.
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Im
Schritt 6 wird das Vakuum abgezogen, und lässt man
den Druck der zufließenden
Luft auf die getränkte
Wicklung für
beispielsweise eine halbe Stunde einwirken. Die Dauer dieses Zeitraums
hängt von
den Erfahrungen eines Fachmanns auf diesem Gebiet ab, und wird durch
diesen festgelegt, und hängt
von derartigen Faktoren ab wie beispielsweise der Größe der Wicklung,
dem Material, dem Tränkungsmittel,
usw.
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In
diesem Zeitraum kann die Luft das Epoxyharz in die Kondensatorwicklung
drücken,
und die möglichen
Hohlräume
in der Kondensatorwicklung durchdringen, sowohl in den Filmen als
auch zwischen den Filmen, sodass dort praktisch keine Luft vorhanden
ist. Daher sollte die Tränksubstanz
eine niedrige Viskosität von
vorzugsweise 20 mPas bei 60 bis 70 °C aufweisen, um dieses Ziel
zu erreichen. Beispiele für
das verwendete Epoxy sind beispielsweise Bisphenol-A-Diglycidylether oder
eine Mischung aus Bisphenol-A und Bisphenol-F. Das Tränkungsmittel
kann auch ein oder mehrere Härtungsmittel
und Beschleuniger enthalten.
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Bei
einer teilweisen Tränkung
der Wicklungen kann die Tränkung
ohne den Einsatz eines Vakuums durchgeführt werden, da die Kapillarkräfte dazu
führen,
dass die Wicklung mit ausreichend viel Tränkungsmittel gefüllt wird.
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Nach
dieser Behandlung weisen die Kondensatorwicklungen Epoxy in den
Wicklungen und auch auf deren Außenseite auf. Die Wicklungen
können
im Schritt 7 beispielsweise zentrifugiert werden, um das überschüssige Epoxy
zu entfernen, jedoch ist dies nicht immer erforderlich. Andere Vorgehensweisen
zum Verteilen oder Entfernen des überschüssigen Epoxys sind vom Umfang
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Um
das zum Tränken
verwendete Epoxy in den Kondensatorwicklungen auszuhärten, werden
sie im Schritt 8 in ein warmes Flüssigkeitsbad zum Aushärten bei
einer Temperatur von etwa 90 bis 150 °C eingebracht. Mehrere Ziele
werden durch Einsatz dieser Maßnahme
erreicht. Das Aushärtungsbad
stellt eine gleichmäßige Temperatur
zum Aushärten
zur Verfügung, überschüssiges Epoxy,
das immer noch an den Wicklungen anhaftet, kann von den Kondensatorwicklungen
durch die Einwirkung des flüssigen
Aushärtungsbades
entfernt werden, und darüber
hinaus verhindert das flüssige
Aushärtungsbad,
dass die Kondensatorwicklungen aneinander ankleben.
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Der
Einsatz der Flüssigkeit
zum Aushärten
führt zu
einem weiteren Vorteil, da auf diese Art und Weise zahlreiche Wicklungen
in jedem Posten ausgehärtet
werden können.
Falls irgendeine geringfügige
Menge an Epoxy fehlt, ist es möglich,
es durch die Flüssigkeit
zu ersetzen, und so Luft außerhalb
der hergestellten Kondensatorwicklung zu halten.
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Während des
Aushärtens
der getränkten
Wicklungen in dem Bad kann das Bad langsam gerührt oder umgewälzt werden,
um den Aushärtungsvorgang
zu beschleunigen.
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Wenn
die Kondensatorwicklungen in Luft ausgehärtet werden sollten, wie beim
Stand der Technik, müssten
sie umgewälzt
werden während
des Aushärtens,
damit sie nicht aneinander kleben. Weiterhin führt das Aushärten der
mit Epoxy behandelten Wicklung unter Luft zu einer dünnen Epoxyschicht
auf den Enden der Wicklungen, die das Anbringen der Kontaktierungsvorrichtungen,
beispielsweise Leitungen, schwierig macht. Wenn die Wicklungen klein
sind, können
sie trotz des Umwälzens
aneinander kleben.
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Unterschiedliche
Arten von Aushärtungsflüssigkeiten
können
gemäß der Erfindung
bei dem Aushärten der
Kondensatorwicklungen oder Kondensatorspulen eingesetzt werden.
Eine derartige Aushärtungsflüssigkeit
ist ein Öl,
DINP, jedoch können
ebenso andere Öle
eingesetzt werden, die üblicherweise
zum Tränken
von Kondensatoren oder Wicklungen verwendet werden. Die wesentlichen
Eigenschaften der Aushärtungsflüssigkeiten,
die eingesetzt werden sollen, sind gute elektrische Eigenschaften,
was bedeutet, dass sie gute Isoliereigenschaften und dielektrische
Eigenschaften zur Verfügung
stellen sollten.
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Im
Schritt 10 werden die Wicklungen mit den Kontaktierungsvorrichtungen,
Leitungen oder Verbindungsvorrichtungen für Bauelemente für die Oberflächenmontage
versehen.
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Die
Wicklungen werden dann, im Schritt 11, eingekapselt, unter
Verwendung einer geeigneten Verbindung oder Zusammensetzung, wobei
bei einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung diese eine unterschiedliche
Verbindung als jene ist, die zum Tränken der Wicklungen verwendet
wird. Das Tränkungsmittel muss
nicht notwendigerweise selbstverlöschend sein. Wenn eine Feuchtigkeitssperre
benötigt
wird, kann die Sperre in einem früheren Schritt in dem äußeren Teil
der Wicklung verschachtelt werden, vor dem Einkapseln, oder kann
die Wicklung in einem Kasten angeordnet werden, in welchem eine
Feuchtigkeitssperrschicht vorgesehen ist, oder kann der Kasten selbst
eine Feuchtigkeitssperre aufweisen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des Kondensators gemäß der Erfindung
können
Metallfolien, die mit den Papier- oder Kunststofffolien verschachtelt
sind, die metallisierten Filme ersetzen. Bei dieser Ausführungsform
werden das Tränken
und das nachfolgende Aushärten
in einem Flüssigkeitsbad
zum Aushärten noch
wichtiger, um ein gutes Ergebnis zu erzielen.
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Der
Kondensator gemäß der Erfindung
kann auch mit einer anderen Kontaktierungsvorrichtung als Leitungen
versehen werden, aber kann beispielsweise mit Oberflächenmetallisierungskontaktbereichen
auf der Wicklung direkt versehen sein, um eine Oberflächenmontage
auf beispielsweise einem Substrat zu ermöglichen. Die montierte Wicklung
kann danach, falls erforderlich, aus Gründen von Umgebungseinflüssen eingekapselt
werden.
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Ein
Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung
besteht darin, dass es bei Wicklungen eingesetzt werden kann, die
aus Papier und/oder Kunststoff hergestellt sind. Sobald die Papierwicklungen
getränkt
und ausgehärtet
wurden, können
sie auf die selbe Art und Weise wie Kunststoffwicklungen behandelt
werden, welche die selbe Behandlung erfahren haben, oder wie nicht-getränkte Kunststoffwicklungen.
Dies bedeutet, dass unter Herstellungsgesichtspunkten die Wicklungen,
auf Papier- oder Kunststoffgrundlage, zu Kondensatoren hergestellt
werden können,
unter Einsatz der gleichen Maßnahmen
und Einrichtungen. Sie können
beide unter Verwendung beispielsweise von Epoxy eingekapselt werden,
ohne dass bromhaltige Bestandteile usw. hinzugefügt werden müssen, die bei der Herstellung
von Papierkondensatoren zum Zwecke der Selbstverlöschung benötigt werden.
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Anstatt
von Epoxy können
andere wärmehärtende Harze,
beispielsweise Polyester, Polyurethan usw., zum Einkapseln eingesetzt
werden. Füllmittel,
beispielsweise Aluminiumhydrat, können der Verbindung bzw. Zusammensetzung
zum Einkapseln hinzugefügt
werden, um spezielle Eigenschaften zu erzielen, beispielsweise zum
Zwecke der Selbstverlöschung
und der Vermeidung der Bildung von Rissen.