-
Kondensator mit unsymmetrischem Aufbau In der Technik- werden. sehr
häufig Kondensatoren verwendet, welche aus Metallfolien und dazwischen gelagerten,
ölimprägniertün Isolierschichten aufgebaut sind. Solche Kondensatoren neigen aber
bei hoher dielektrischer Beanspruchung zu Gasbildung, welche auf Glimmerscheinungen
zurückzuführen ist, so daß bei einer bestimmten, am Kondensator liegenden Spannung,
genannt Glimmspannung, eine Zerstörun#g des Dielektrikums und somit des ganzen Kondensators
eintritt.
-
Frühere Vcrsuch#e haben gezeigt, daß die ersten Glimmerscheinung,en
immer von den Rändern der metallischen Belegungen ausgehen und daß demzufolge die
hohe dielektrische Festigkeit des Dielektrikums nie voll ausgenutzt wird.
-
Es wurden daher bereits Vorschläge gemacht, diese Randüffekte durch
Verdickung des Dielektrikums in ckn Randgebieten der Befegungen zu beheben. In allen
diesen Ausführungen waren aber die metallischen Belegungen, Isolierstoffschichten,
Zwischünbelegungen und, Randlverstärkungen, bezogen auf jede metallische mit einem
Kond-ensatorpol. verbundene Belegung, völEg symmetrisch angeordnet.
-
Versuche sowie theoretische Überlegungen haben nun gezeigt, daß es
äußerst vorteilhaft ist, eine Unsymmetrie in dieser Schichtanordnu ' ng
zu erzielen, indem dadurclicinebe-deutendeLeistungssteigerung, bedingt durch
eine, Vergrößerung der Glimmspannung oder durch Vergrößerung der Kapazität, verbunden
ist.
-
Die Erfindung betrifft daher einen Konden#sator mit einem aus mehreren
mit einem Isoliermittel imprägnierten Isolierstoffsehichten aufgebauten Dielektrikurn,
bei
welchem die leiten-den und mit den Kondierieatorpolen galvanisch verbundenen Belegungen
in mehreren voneinander durch das Dielektrikurn isolierten# Schichten übereinander
angeordnet sind, wobei erfinidungsgemäß in bezug auf jede Belegungsschicht
(Bezugsschicht), in deren Randgebiet mindestens eine der beiden unmittelbar benachbarten
Belegungsschichten hineinragt, innerhalb des durch diese zwei benachbarten und mit
dein gleichen Pol verbundene Belegungsschichteni begrenzten Raumes die Anordnung
aller leitenden Schichten einschließlich der diesen Raum begrenzendlen Belegungsschichten
wenigstens im Randgebiet =,symmetrisch ist, wobei sich dieses Randgebiet jeweils
vom Ende der Bezugssehicht gegen das Kondensatorinnere bis zu ein-er Tiefe von.
der Größenordnung der Dielektrikumsdicke, zwischen zwei verschiedenpoligen Bülegung#schichten
ausdehnt.
-
Die Erfindung sei nun an Hand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe
der Fig. i bis 14 erläutert.
-
Die Fig. i a und 11) zeigen bekannte Anordnungen und dienen
zur Erläuterung des Erfindungsgedanküns sowie zur Festlegung einiger Begriffe. Die
Fig. 2 bis 14 zeigen vorteilhafte Schichtanordnungen von Ausführungsbeispielen der
Erfindung, wobei mit Ausnahme von# Fig. 14 alle Figuren nur ein Stück des Kondensatorrandes
im Ouerschnitt zeigen. Fig. 14 dagegen zeigt einen Querschnitt durch den Kondensator,
in welchem beide gegenüberlieg-enden Ränder dargestellt sind.
-
Die Fig. i a und" i b geben in stark vergrößertem Maßstab den
Querschnitt durch ein, Stück dies Randes von allgemein üblichen Kondensatären wieder.
Die schraffiert gezeichneten Schichten B, und B, bilden die metallischen, Kondensatorbelegungeil,
wobei die BelegungsscWchten B, mit dem einen und die Belegungsschichtpn, Be mit
dem andern nicht gezeichneten Kondensatorpol verbunden sind. Zwischen diies--n Belegungsschichten
B" B 2 sind die Isolierstoffschichten D angeordnet, wobei das im Kondensator
enthaltene l#mprägn#i,ermittel nicht gezeichnet ist.
-
In Fig. i a ragen! in das Randgebiet jeder Belegungsschicht
je die beiden bcnachbarten Belegungsschichten hinein..
-
In Fig. 11) dagegen- ragen nur in das Randgebiet der Belegungsschichten
B 2 die beiden benachbarten Belegungsschichten Bi hinein, wogegen in das Randgebiet
der Boelegungsschichten B, keine der henachbartün Belegungsschichten B2 hineinragt.
Die Symmetriebedingungen gemäß der Erfindung sind also in Fig. i a auf je-de Belegungsschicht
und in Fig. i b nur auf die Belegungsschichten B 2 anzuwenden.
-
In Fig. i a sollte somit mindestens in den Randgebieten je#ck-#r Bele"ngsschicht,
also beispielsweise in dem durch die beiden gestricbelt gezeichrieten Geradcri
N, und N2 begrenzten Randgebiet der Belegungsschicht B,', innerhalb
des durch die beiden benachbarten und. mit dcm gleichen Pol ver-1)un,dcnen Belegungsschichter
B, begrenzten Raumes ill die Anordnung aller leitenden Schichten (in diesem Fall
nur die beiden einzig vorhandenen Schichten B.) unsymmetrisch sein.
-
In analoger Weise sollte in Fig. ib mindestens in all-en: Randgebieten
der Belegungsschichten B., also beispielsweise in dem Randgebiet NCN" der Schicht
B2', innerhalb des Ratimes-11 die Anordnung aller leitenden Schicliten (in diesem
Fall nur die einzig vorhandenen Sclilchten B,) unsymmetrisch sein.
-
Um eine praktisch überliaupt nocti wesentliche Uistungssteigerung
zu erzielen, ist als Randgebiet Ni-N. ein Gebiet zu wählen, das gegen das Kondensatorinnere
mindestens ciiiic Tiefe A aufweist, welche ungefähr dem Abstand z,%N-eier
ungleichpoliger Belegungsschichten entspricht. Dies setzt aber äußerst exakt arbeitende
Wickelmaschinen voraus, so daß man vorläufig praktisch das RandgQbiet mindestens
über ein Gebiet von ein bis zwei Zehntel Millimetern aus,dehn..-n wird.
-
Die erfindtingsgern'iße Unsynimetrie lqßt sich auf verschiedene Weisen
crzielen, z. B. allein durch verschiedene Wahl der Abstände aufeinanderfolgender
Belegungsschichten-, oder allein durch Staffelung der Bülegungsschichten, oder aber
durch Kombin,ation dieser beider l#,lögliclikieiten.
-
Bemerkenswert ist hierbei die Tatsache, daß es möglich ist, einen
Kondensator symmetrischen Aufbaus (Fig. i a und i b) dadurch unsymmetrisch
zu gestalten, daß die Dicke des Dielektrikums, welches auf der gleichen Seite der
mit einem Kondensatorpol verbunden-en Belegungssclilchten liegt, verkleinert wird.
Entsprechen z. B, beim symmetrischen Kondiensator (Fig. i a) die uiit-cr sid gleichen
Abstände d,' d2 dem für eine bestimmte Glimtnspannung U, unbedingt
nötigen Minimum, so kann die Unsymmetrie dadurch erzielt Nverden, daß 1)cispielsweise
die Abstände d. beibehalten und. die Abständedl, kleiner als d,
geinaclit werden. Obwohl nun die Abstände d, das für den symmet-rischen Aufbau zulässige
Minimum untersclireiten, besitzt der derart unsyrrirrictrisch gemachte Kondensator
die gleiche Glinimspannung wie der symmetrische Kondensator, wobei aher die Kapazität
und damit die Lcistung des ' uns##nlinctrisclien Kondc-nsators bedeutend
gesteigert wird.
-
Fig. 2 zeigt einen derart unsyninietrisch gebauten Kondensator. B,
und B, sind wiederum die metallischen Belegungsschic#ten, die Jeweils auf einer
Seite in bekannter Weise aus den Isolierstoffschicli-,en (strichpunktiert gezeichnet)
heratisragenikönnen. Die Schichtdicke d2 entspricht dem bei symmetrischer
Anordnung für eine Glimmspannung Ul nicht unterschreitbarem Minimum. Die Schichtdicke
di daglegen ist bedeutend kleiner als d, gewählt, wodurch die erfind-ungsgemäße
Unsymmctriü güschaffen wird, ohne daß aber die Gliminspannung kleiner als
Ui wird. Da dlie Dicke di bis auf das für d:e Wahrung der Durchschlagsfestigkeit
notwendige Minimum verkleinert werden kann, läßt sich eine b,edeutcnde Kapazitätsvergrößerung
und damit Leistungs,steigerung erzielen.
-
Die in Fig. 2 dargestellte Schichtanordnung läßt
sch
auch verwenden, wenn alle Belegungsschichten innerhalb der Isolierstotischichten,
beispielsweise längs der durch diie Gerade E im Schnitt dargestellten Ebene
en-den.
-
Eine weitere Lei-stungssteigerurig läßt sich erzielen, wenn man; außer
der Schichtdickedi auch noch die Schichtdicke d2 geringer macht als dlie
bei svinmetrischern Aufbau nicht unterschreilbare #chichtdicke, dafür aber eine
leitende Zwischenbclegung Z einlegt, wie Fig. 3 zeigt. Dadurch wird bei gleichbleibender
Glimmspannung eine weitere Kapazitäts- und damit Leistungssteigerung erzielt. Die
Zwischenbelegung Z kann entweder, wie in Fig. 3 gezeichnet, durchgehend,
in den Kondensator eingebaut sein, es genügt aber auch diese nur in einem begrenzten
Gebiet, beispielsweise zwischen den Grenzen Fl, F 2 einzubauen. Selbstverständlich
kann gleichzeitig sowohl die Dickedl als auch die Dicked2 des Dielektrikums das
für symmetrischen Aufbau nötige Minirnurn unterschreiten, wenn in diese beiden Gebiete
eine oder mehrere Zwischenbellegungen unsymmetrisch eingelagert werden, wobei die
Zahl der Zwischcribelegungen in beiden, Dielektrikumsschichten gleich oder verschieden
sein kann.
-
In weiteren Anordnungen, beispielsweise gemäß Fig. 4 und
5, sind im Kondien-satorrand Zwischenschichten R aus Isoliermaterial zwischen
den, durchgehenden Isolierstoffschichten eingeschoben, so daß nach erfolgter Prüssung
der Schicht-en,' unabhängig davon, ob der Kondensator als Wickel oder Stapel ausgeführt
wird, die gewünschte Unsymmetrie, erzielt wird. Es sei ausdrücklich darauf verwiesen,
daß der früher vorgeschlagene Einbau vonZwischenschichten, in das Dielektrikurn
der Kondensatorränder lediglich dazu diente, das Randdielektrikurn gegenüber dem
Kondensatorinnern zu verstärken, wobei aber stets auf symmetrische Anordnung al-ler
leitenden Schichten geachtet wurde. In vorliegender Erfindung dagegen erfolgt dies-er
Einbau der Zwischenschichten R, evtl. in Kombination mit leitenden Zwischenbelegungen
Z (Fig. 14), Stets so, daß die erfindungsgemäße Un#symmetrie gewährleistet ist.
-
Die Zwischenschichtanordnung kann nach Belieben in Form einer Treppe
gemäß Fig. 5 (Linie a-a) oder in Form eines doppelt abgeschrägten Keils gemäß
Fig. 4 (Linie b-b) aus-geführt sein. Die Zwischenschichten können ferner insgesamt
als Paket auf der Ober- oder Unterseite der durchgehenden Isolierstoffschicht liegen,
wie d-ies in den Fig. 6 a und 6 1) gezeigt ist. In der Anordnung nach
Fig. 6a können die Belegungsschichten, auch auf der Linie E-E enden, weil
ja die Unsvminetrie der Sch-ichtan,ordnungün, bezogen auf jeäe Belegungsschicht,
vorhanden ist. In der Anordnung nach Fig. 6 1) ist dagegen eine Verkürzung
der Belegungsschichten 13, auf dic Linie E-E nicht möglich, weil dadurch, bezogen
auf diese verkürzten Scbichten B., die benarfibarten Belegungsschichten B, die-
nun beide niclit inehr von R" überragt würden, symmetrisch angeordnet wären. Die
Zwischenschichten können einzeln oder aucli gruppenweise zwischen el den durchgehenden
Isolierstoffschtichten verteilt sein, wie dies z. B. in den Fig. 4 und
5 bzw. in der Fig. 7 dargestellt ist. Zur Vereinfachung der Zeichnung
sind, in Fig. 7 nur die Schichten gezeichnet, welche innerhalb zweier gleichpoliger
metallischer Belegungsschichten lieg-en. Die Abstufung und Anordnung der Zwischenschichten
ist in allen Anordnungen so ju wählen, daß die metallischen, Belegungen bei der
Priessung minimal defonniert werden, so daß keine Kaickungen und Risse entstehen
und die B-elegungen möglichst stetig von den Innengebieten gegen'die Ränder verlaufen.
-
Eine weitere vorteilhafte Schichtanordnung, welche die Unsymmetrie
in, den Randgebieten erzeugt, ohne ab-er die Abstände der Belegungsschichten im
Kondensatorinnern verschieden. zu machen, wie in den Fig. 2 und; 3, und ohne
eine Krümmung der Belegungen nötig zu machen, wie sie in den Anordnungen gemäß den,
Fig. 4 bis 7 nach erfolgter Pressung auftritt, zeigt Fig. 8. Die einzeln-en
B-elegungsschichten Bi und B2 sind jeweils aus mehreren aufeinandergeschichteten,
miteinander leitend verbundenen FolietiF aufgebaut. Die Folien, aller mit dem einen
Pol verbundenen Belegungsschichten, beispielsweise Bl, sind treppenförtnig abgestuft,
und in die Stufen dieser verkürzten leitenden Folien F2' F, sind. Zwischenschichten
R aus Isolierma-terial eingefügt, so daß der Kondensator durchgehend eine einheitlichie
Schichtdicke besitzt und, trotzdem die erfindungsgernäße, elektrische Unsymmetrie
aufweist, was in der Zeichnung durch die Abständie d,
und d. angedeutet
ist.
-
Anstatt beide verschiedenpoligen Belegungsschichten aus Metallfolien
aufzubauen, wie Fig. 8
zeigt, ist es auch möglich, wie in Fig. 9 dargestellt,
nur die mit dem einen Pol verbundenen Belegungsschichten, also beispielsweise Bj,
aus mehreren Folien zusammenzusetzen und. abzustufen.
-
Anstatt die leitenden Belegungsschichten: aus einzelnen Folien aufzubauen,
können wenigstens diejenigen, die mit dern einen Kondensatorpol verbunden sind,
in Form eines doppelwandigen. flachen Hohlkörpers ausgebildet sein, wie die Fig.
io und ii veranschaulichen. Die schraffiert gezeichneten Hohlräume können dabei
nach Belieben mit einer leitenden oder isolierenden Substanz, ausgefüllt sein. Diese
beiden Figuren zeigen nur die Belegungsschichten Bi und- B, in ihrer gegenseitigen
Anordnung, wobei in Fig. io nur die mit, dem einen Kondensatorpol verbundenen Belegungsschichten
B, und in Fig. i i die mit beiden Kondcnsato*rpolen# verbundenen Belegungsschichten
Bj, B2 als Hohlkörper geformt sind.
-
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Unsyrntrictrie auch durch
treppenförmige Anordnung der Belegungsschichten erzielt werden-, wie (lies beispielsweise
in den Fig. 12 und 13 dargestellt ist, wobei zur Vereinfachung der Zeichnung
die Isolierstoffschichten. nicht eingezeichnet sind. Die Stufentiefe dieser treppenförmigen
A.nordhung muß natürlich mindestens der Tiefe A des oben definierten, Randgebietes
entsprechen. In beiden Anordnungen ist aber dafür zu sorgen, daß auch für
die
Schichten, B2' die nöt#ige Un-symmetrie gewahrt bleibt, was beispielsweise durch
Verdickung des Dielektrikums zwischen B.' und, Bl' erfolgen kann, wie dies in den
Fig. 12 und 13 dargestellt ist.
-
In der Anordnung gemäß Fig. 12 sind die Belegungss-chichten gruppenweise
treppcnförrnig gegeneinander verschob-en, und in der Anordnung gemäß Fig. 13 sind
(Jie Belegungsschichtiii zickzackförmig abgestuft.
-
In diesen Anordnungen (Fig. 12 und. 13) lassen sich auch vorteilhaft
die in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 verwendeten metallischen ZwischenbeelegungenZ
einbauen. Diese ZwischenbelcgungenZ können natürlich auch in die Zwischcnschichten
R eingebaut werden, wie dies in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 14 dargestellt
ist. Die Zwischenbelegungen Z gleichen Niveaus in gegenüberliegenden Rändern können
überdies nach Belieben miteinander verbunden werden, wobei diese Verbindungsleitungen
außerhalb oder innerhalb des Kond,ensators verlaufen können.
-
, Alle die beschriebenen Anordnungen lassen sich entweder als
Stapelkondensatoren oder als Wickelkondensatoren in Form von Flach- oder Rundwickeln
ausführen, wobei natürlich auch noch Kombinationen der einzelnen gezeichneten Ausführungsformen
tnögl#ic#h sind.
-
Es sei noch darauf verwiesen, daß bei Wickelkond,ensatoren zufolge
der leicht verschiedenen Krümmung aufeinanderfolgender Belegungsschichten die Feldverteflung
bezüglich einer solchen Schicht immer etwas unsymmetrisch ist; jedoch handelt es
sich hierbei um eine Unsymmetrit, die urn einige Größenordnungen kleiner ist als
die durch die vorliegende Erfindung bedingte Unsymmetrie.
-
Selbstverständlich kann die gemäß obigen Ausführungen in irgendeiner
Weise erzielte Unsvinmetrie noch verstärkt werden, indem für die 15i,elektrikumschichten
beidseitig einer Belegungsschicht verschiedene Dielektrizitätskonstanten gewählt
werden, wobei es bekannt#lich möglich wird, die Tümperaturkonstanz der Kapazität
dies Kondensators zu verbessern.