-
Kondensator mit geschichtetem, am Rande verstärktem Dielektrikum In
der Technik werden sehr häufig Kondensatoren verwelidet, welche aus ?Metallfolien
und dazwischen gelagerten, ölimprägnierten Isolierschichten gewickelt sind, wobei
diese Wickel meist zu flachen Paketen gepreßt sind. Solche Kondensatoren mit aus
ölimprägnierten Schichten aufgebautem Dielektrikum neigen aber bei höher dielektrischer
Beanspruchung zu Gasbildung, welche auf Glimmerscheinungen zurückzuführen ist, so
daB bei einer bestimmten am Kondensator liegenden Spannung, genannt Ionisationsspannung,
eine Zerstörung des Dielektriktims und somit des ganzen Kondensators eintritt.
-
1:s ist bereits bekannt, direkt an den beiden ll;üllen der metallischen
Belegungen je eine Isolier-Z, mit möglichst lockerem Gefüge und rauher Oberfläche
anzulegen, die übrigen isolierendem Schichten aber in der üblichen dichten Ausführung
mit glatter Oberfläche zu belassen. Es ist auch bekannt, nur die Ränder der metallischen
Belegungen beidseitig mit je einer Isolierstoffschicht finit rauher Oberfläche und
lockerem Gefüge zu belegen. In derart aufgebauten Kondensatoren ist die Gefahr
der Gasbildung etwas verringert und demzufolge eine Zerstörung weniger wahrscheinlich
als bei den nur mit glatten Isolierschichten ausgestatteten Kondensatoren.
-
Versuche an allen diesen bekannten Kondensatoren hallen aber gezeigt,
daB die ersten GlimmerscheinungcIl1 immer von den Rändern der metallischen Belegungen
ausgehen
und daß demzufolge die hohe dielektrisclie Festigkeit des Dielektrikums in den inneren
Partien des Kondensators nie voll ausgenutzt wird.
-
Laienfalls ist bekannt, daß das Verhältnis der Feldstärken in zwei
Stoffen von verschiedenen Dielektrizitätskonstanten, welche zwischen zwei ebenen
Elektroden liegen, umgekehrt proportional zti denDielektrizitätskonstanten dieser
beiden Stoffe ist. Da ferner in einem imprägnierten, geschichteten Dielektrikum
die Schichtdicke des Imprägniermittels verschwindend klein ist gegenüber der Schichtdicke
des Isolierstoffs selbst, ist es möglich, bei konstanter Feldstärke im Imprägniermittel
die am Kondensator liegende Spannung zu vergrößern, wenn gleichzeitig die Dielektrizitätskonstante
des Isolierstoffs verkleinert wird. Versuche auch mit solchen Kondensatoren zeigten
aber, daß dadurch eine wesentliche Erhöhung der Ionisationsspannung nicht möglich
ist und nach wie vor die inneren Partien gegenüber den Randgebieten nicht voll ausgenutzt
sind.
-
Die Untersuchung des Zusammenhanges zwischen der an einen Kondensator
gelegten Ionisatiotisspannung und der Dicke des Dielektrikums im Kondensator zeigte,
daß die Ionisationsspannung mit der 0,45- bis o,5fachen Potenz der Dicke des Dielektrikunis
ansteigt. Verdickt man somit das zwischen den metallischen Belegungen befindliche
Dielektrikum nur an den Rändern, so ist es möglich, die Ionisationsspannung zu erhöhen,
ohne gleichzeitig die Gesamtkapazität des Kondensators wesentlich zu verkleinern.
-
Je nach der Dicke und der Anzahl der durchgehenden Isolierstoffschichten
kann schon mit je einer einzigen Zwischenschicht, die in die beiden Randpartien
des Kondensators zwischen je zwei metallischen Belegungen eingelagert ist, der Rand
des Dielektrikums derart verstärkt werden, daß eine Erhöhung der lonisationsspannung
um wenigstens io% erreicht wird. Die Einlagerung einzelner oder mehrerer solcher
Zwischenschichten erfolgt vorzugsweise innerhalb der durchgehenden Isolierstoffschichten,
wodurch sich schädliche, schroffe Richtungsänderungen der metallischen Belegungen
beim Übergang von dem Innengebiet zu den Randgebieten vermeiden lassen.
-
Kräftige Verdickungen des Kondensatorrandes können erzielt werden
durch aufeinandergestapelte, vorzugsweise abgestufte Zwischenschichten, oder durch
sonstige, geeignet geformte Körper aus Isoliermaterial, welche zwischen die durchgehenden
Isolierstoftschicliten oder direkt den metallischen Belegungen anliegend, nebst
den einzelnen Zwischenschichten in die Kondensatorränder eingeschoben werden.
-
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Kondensator finit einem Dielektrikum,
das aus mehreren mit einem Isoliermittel imprägnierten Isolierstoffschichten aufgebaut
ist, wobei erfindungsgemäß zur Verstärkung des Dielektriktims der Randgebiete gegenüber
dem Innengebiet mindestens zwischen zwei durchgehenden Isolierstoffschichten innerhalb
zweier metallischer Belegungen wenigstens je eine Zwischenschicht aus Isoliermaterial
in die beiden Randgebiete des Kondensators eingebaut ist.
-
Durch die Einlagerung von metallischen Zusatzbelegungen in die veedickten
Randpartien kann das Dielektrikum dieser Randpartien in Schichten von geringerer
Dicke unterteilt werden, wodurch eine weitere Steigerung der Ionisationsspannung
erzielt werden kann. Ein Zahlenbeispiel möge das erläutern.
-
Ein Kondensator werde am Rand um den 1,4fachen Betrag, also um 400/0,
verdickt. Die Ionisationsspannung für den unverdickten Kondensator betrage U1, dann
kann an den verdickten Kondensator eine Ionisationsspannung U2 - 1 I,4 # U, .-
1,18 Ui gelegt werden. Wird nun in den verdickten Rand eine metallische Zwischenbelegung
eingeführt, so beträgt der Abstand zwischen einer durchgehenden Belegung und diesen
Zwischenbelegungen in der Randpartie das o,7fache des Abstands von zwei Belegungen
im unverdickten Kondensator. Zwischen einer durchgehenden Belegung und der Zwischenbelegung
darf dann eine Spannung U3 -1 0,7 # Ui ^' 0,84 U1 liegen, somit an den beiden durchgehenden
Belegungen und damit am Kondensator selbst eine Spannung U4 = 2 - U3 - 1,68 U1,
was einer 68%igen Erhöhung der Ionisationsspannung entspricht. Durch die Verdickung
der Randpartie um den 1,4fachen Betrag und Einlagerung der Zwischenbelegung kann
deshalb die Leistung am Kondensator um einen Faktor 2,8 vergrößert werden. Die Erfindung
macht es aber leicht möglich, durch 2fache Verstärkung des Randes und Einführung
einer metallischen Zwischenbelegung, bei gleichbleibender Kapazität Kondensatoren
zu bauen, die mit einer ungefähr 4mal höheren Leistung als die bisherigen Ausführungen
belastet sind, vorausgesetzt, daß die dielektrische Festigkeit der unverstärkten
Partien dies zuläßt, wobei bei geeigneter Schichtung der einzelnen Kondensatonvickel
nur eine Volumvergrößerung von 1 bis 2 0/0 in Kauf zu nehmen ist.
-
Die Erfindung sei nun an Hand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe
der Fig. i bis 16 erläutert. Die Fig. i bis 12 zeigen den Querschnitt durch verschiedene
Anordnungen von ungepreßten, aufeinandergestapelten Schichten, welche zur Wicklung
der Kondensatoren verwendet werden. In Fig. i wie auch in den Fig. 2 bis 12 stellen
die ausgezogenen dicken Striche mit den Bezugzeichen B die metallischen Belegungen
dar, und die strichpunktierten Geraden mit den Bezugzeichen D deuten die durchgehenden
imprägnierten Isolierstoffschichten, beispielsweise aus Papier, an. In den Fig.
1 bis 12
stellen die gestrichelten, mit den Bezugzeichen R versehenen kurzen
Stücke an beiden Rändern Zwischenschichten aus Isoliermaterial dar, die zur erfindungsgemäßen
Verdickung der Randpartien dienen.
-
Fig. i zeigt die einfachste Schichtanordnung des erfindungsgemäßen
Kondensators. Je eine einzige ZwischenschichtRl ist zwischen zweidurchgehenden Isolierstoffschichten
D, und D, innerhalb der beiden metallischen Belegungen B1 und B2 in die beiden Randpartien
des Kondensators eingebaut. Damit nach erfolgter Wicklung des Kondensators zwischen
allen
aufeinanderliegenden Belegungen die gleichen Schichtanordnungen auftreten, müssen
selbstverst;indlich, wie gezeichnet, z. B. noch je eine durchgehende Isolierstottschicht
D3 und D4 oberhalb Bi bzw. unterhalb Bz sowie eine Zwischenschicht R2 über der IsolierstoffschichtD3
eingebaut werden. Die Zahl der durchgehenden Isolierstoffschichten sowie die Zahl
der dazwischenliegenden Zwischenschichten kann natürlich beliebig vergrößert werden,
wie dies beispielsweise in den Fig. 2 bis ¢ angedeutet ist.
-
ach erfolgter Wicklung des Kondensators wird derselbe vorteilhaft
derart gepreßt, daß ein flacher «'ickel, wie in Fig. 14 gezeichnet, entsteht, wobei
die Pressung so erfolgt, daß die Schichten sowohl innen wie am Rand satt aufeinanderliegen.
Es ist aber darauf zti achten, daß bei der Pressung die durchgehendenSchichten stetig
von denlnnenpartien gegen den Rand verlaufen, so daß die metallischen Belegungen
keine Knickungen und Brüche erfahren. Aus diesem Grund werden die erfindungsgemäßen
Zwischenschichten R verschieden breit gemacht und beispielsweise so angeordnet,
wie Fig. 2 zeigt.
-
Die hig. 2 bis ,4 zeigen Anordnungen der Zwischenschichten R, welche
den stetigen Übergang der verschiedenen Schichten von den Innenpartien gegen den
Rand nach erfolgter Pressung gewährleisten. Es können dabei nach Belieben die Zwischenschichten
R zwischen allen durchgehendenIsolierstoffschichtenD liegen wie in den Fig. 2 und
3, oder es können einzelne Isolierstoffschichten D ohne Zwischenschichten R aufeinandergelegt
sein wie in Fig. 4. Nach Belieben kann dabei in diesen Anordnungen den metallischenBelegungen
eineZwischenschicht direkt, wVle in Fig. 2, oder unter Zwischenschaltung einer durchgehenden
Isolierstoffschicht, wie in Fig. 3, anliegen.
-
Ferner ist es inöglicli, einen Teil der Zwischenschichten abwechslungsweise
mit den durchgehenden Isolierstoffschichten einzulagern und einen weiteren Teil
der Zwischenschichten direkt aufeinanderliegend als Stapel irgendwo zwischen den
metallischen Belegungen einzufügen. Fig. 5, 6 und 7 zeigen derartige Schichtanordnungen.
In Fig. 5 liegen dabei die Zwischenschichtpakete den metallischen Belegungen direkt
an, in Fig.6 liegt ein Zwischenschichtpaket innerhalb der durchgehenden Isolierstottschichten,
und in Fig.7 liegt je ein Zwischenschichtpaket den metallischen Belegungen direkt
an, und ein Paket ist zwischen die durchgehenden lsolierstoftschichten eingeschoben.
Selbstverständlich lassen sich noch weitere Kombinationen durchführen.
-
Es ist auch möglich, alle Zwischenschichten in Paketen zusammenzufassen
und diese zwischen den durchgehenden lsolierstottschichten einzubauen. Fig. 8 -neigt
eine derartige Anordnung mit zwei Zwischenschichtpaketen.
-
1n der Anordnung gemäß Fig.7, 10, 11 und 12 sind die metallischen
Belegungen B seitlich aus dem Dielektrikum tierausgeführt, wodurch die Kühlung des
Kondensators verbessert wird. , Fig. o und io zeigen erfindungsgemäße Anordnungen,
wobei in den Randpartien metallische Zwischenbelegungen Z eingebaut sind. In Fig.
io sind die Zwischenbelegungen Z in gleichen Schichtniveaus galvanisch über Leitungen
außerhalb des Kondensators miteinander verbunden, um eine gleichmäßige Spannungsverteilung
über die ganze Dicke des verstärkten Dielektrikums zu gewährleisten.
-
Es ist auch möglich, die Zwischenbelegungen durch Leitungen zu verbinden,
die im Innern des Kondensators verlaufen, was aber eine spezielle Isolation dieser
Leitungen bedingt.
-
Die metallischen Zwischenbelegungen Z können natürlich auch durch
an dieser Stelle liegende Isolierstoffschichten mit aufgespritztem, aufgedrucktem
oder aufgedampftem leitendem Belag ersetzt werden.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel, dargeetellt in Fig. i i, wird die erfindungsgemäße
Verdickung teilweise dadurch erreicht, daß um die nicht aus dem Kondensator austretenden
Enden der metallischen Belegungen B isolierende Schichten U gefaltet sind, wobei
eine Staffelung der Enden dieser Schichten dazu dient, den stetigen Übergang zwischen
Innen-und Randpartien sicherzustellen. Werden die metallischen Belegungen nicht
seitlich aus dem Kondensator geführt, so werden vorteilhaft beide Enden mit Gien
gefalteten Schichten U versehen.
-
Die Zahl der Zwischenschichten und der durchgehenden Isolierstoffschichten
in den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 bis i i kann beliebig gewählt sein.
Eine Verdickung der Randgebiete von praktischer Bedeutung bedingt aber bei den in
den vorliegenden Ausführungsbeispielen zwischen zwei metallischenBelegungen beispielsweisevorgesehenen
sechs durchgehenden Isolierstoffschichten mindestens zwei, vorteilhaft aber mehr
als zwei Zwischenschichten.
-
Fig.12 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die erfindungsgemäße
Verdickung teilweise dadurch zustande kommt, daß die nicht aus dem Kondensator austretenden
Ränder der metallischen Belegung B mit einer Isoliermasse I von ungefähr tropfenförmigem
Querschnitt überzogen sind.
-
Das Dielektrikum der Randpartien läßt sich natürlich auch dadurch
verdicken, daß mindestens eine der durchgehenden Isolierstoffschichten gegen den
Rand eine zunehmende Dicke aufweist. Fig. 13 zeigt den Querschnitt einer einzelnen
solchen Isolierstoffschicht.
-
Die durchgehenden Isolierstoffschichten wie auch die Zwischenschichten
können einzeln, gruppenweise oder gesamthaft, gleich oder verschieden dick gemacht
werden, wodurch es in allen erfindungsgemäßen Kondensatoren möglich wird, sowohl
die metallischen Belegungen als auch die durchgehenden Isolierstoffschichten mit
einem Minimum an mechanischer Beanspruchung und Richtungsänderungen von dem unverstärkten
Gebiet in die verstärkten Randgebiete überzuführen.
-
Die eingelagerten Zwischenschichten werden vorzugsweise aus einem
Dielektrikum hergestellt, dessen Dielektrizitätskonstante kleiner ist als die .
der durchgehenden Isolierstoffschichten. Dadurch wird es möglich, die Feldstärke
in den Imprägniermittelschichten
in den Randgebieten zu reduzieren,
da innerhalb dieser Randgebiete die mittlere Dielektrizitätskonstante aller Isolierstoffschichten
gegenüber der Dielektrizitätskonstante des Imprägniermittels verkleinert wird.
-
In der Wahl der Dielektrizitätskonstante der verschiedenen Schichten,
welche das Dielektrikum aufhauen, ist man natürlich innerhalb des überhaupt zur
Verfügung stehenden Materials völlig frei.
-
Fig. 14 zeigt einen Kondensatorwickel nach erfolgter Pressung, und
Fig. 15 eine vorteilhafte Stapelung solcher Wickel, wodurch gezeigt ist, daß der
IZatim zur Unterbringung einer gewissen Anzahl Wickel nicht wesentlich größer ist
als bei den bis-1lerigen Kondensatoren mit durchgehend gleich dicken Wickeln: Fig.
16 zeigt eine andere Anordnung von verdickten Wickeln, wobei ein Mehrbedarf an Raum
zur Unterbringung der erfindungsgemäßen Wickel praktisch ganz dahinfällt. Diese
Anordnung verhindert zudem noch das gegenseitige Verschieben der Wickel, was ein
weiterer Vorteil der Erfinchllig ist.