DE8619418U1

DE8619418U1 - Elektrischer Kondensator

Info

Publication number: DE8619418U1
Application number: DE19868619418
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1986-07-19
Filing date: 1986-07-19
Publication date: 1987-11-19

Description

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Elektrischer Kondensator Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem nicht imprägnierten elektrischen Kondensator nach der Gattung des Hauptanspruches. Derartige Kondensatoren sind grundsätzlich bekannt. So zeigt die DE-OS 25 27 536 einen regenerierfähigen elektrischen Kondensator, der aus zwei aufgewickelten, metallisierten Kunststoffolien besteht, vorzugsweise aus zwei mit Aluminium metallisierten Polypropylenfolien, und der am Wickelende mit 10 bis 30 Endleerwindungen einer Polypropylenfolie abgeschlossen ist.

Die EP-A 122 898 zeigt einen elektrischen Kondensator, bei dem als Feuchteschutz am Wickelende ein wasserundurchlässiges Band, beispielsweise Aluminiumfolie, aufgewickelt ist.

Kondensatoren der zuvor genannten Art werden beispielsweise in Form von Rundbecher-Kondensatoren oder in kubischen Gehäuseformen mit Rundwickeln und mit einer Füllung aus flüssigen Harzen, synthetischen oder pflanzlichen ölen, flüssigen Estern oder GJykolen oder mit Füllungen aus Gasen, beispielsweise uUft oder Schwefelhexafluorid, für Wechselspannungs- oder Gleichspannun&sbelastung eingesetzt. Ein flüssiges Füllmittel, welches den Wickel umgibt, verdrängt das ursprüngliche Luftvolumen im Kondensator bis auf ein geringes Rest-Gaspolster, das zur Vermeidung eines Aufplatzens des Gehäuses infolge thermischer Ausdehnung des flüssigen Füllmittels bei erhöhten Temperaturen notwendig ist.

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Weiterhin ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 35 12 159*9 bereits Vorgeschlagen, düroh Zugäbe von Additiven in den flässigöder gasgefüllten Kondensator die für das Dielektrikum ürid/oder die Belage schädlichen Wasserreste sowie Sauerstoff oder Reaktionsprodukte zu binden· Auch durch Trocknungsvorgänge vor dem Verschließen des Gehäuses können nachteilige Folgen durch Einwirkung von Wasser und beispielsweise von Säuren vermieden oder reduziert werden« Die abschließenden Deckwindungen des Wickels bestehen dabei aus dem Material der Dielektrikumsbänder oder aus Aluminiumbändern. Sie dienen gleichzeitig der Verfestigung des Wickels und bilden einen Feuchteschutz für das Dielektrikum, in dem sie schädliche Ein" flüsse von Restwasser ausschließen, welches sich beispielsweise im Füllgas, auf den inneren Oberflächen des Kondensatorgehäuses, im flüssigen Füllmittel oder in Isolierteilen belinden kann« Hierbei Werden regelmäßig Deckwindungen verwendet aus Materialien, welche für Wassermoleküle undurchlässig oder nur schwer durchlässig sind oder es werden Schrumpfhüllen aus nicht hygroskopischen Materialien aufgebracht. So sind auch bereits Wärmeschrumpfschläuche öder Wärmeschrumpffolien aus Kunststoff als schützende und verfestigende Hüllen vorgeschlagen worden, wobei als Kunststoff insbesondere PoIy-Ithylenterephthalat oder Polyvenylchlorid verwendet wurde.

Die bekannten, beispielsweise auch für Lebensmittelverpackungen verwendeten DeckhUllenmaterialien haben den Vorteil, daß Wasseraufnahme, Wasserdampfdurchlässigkeit und Gasdurchlässigkeit, insbesondere Sauerstoffdurchlässigkeit, gering sind, und daß sie diesbezüglich eine gute Schutzwirkung ausüben. Nachteilig ist jedoch bei diesen Kunststoffumhüllungen deren Zug-Dehnungsverhalten hinsicht lich der Wickelfestigkeit. Bei Aluminiumfolie!! verursacht die elektrische Leitfähigkeit des Materials zusätzlichen Fertigungsaufwand und zusätzliche Kosten durch notwendige Isolationsmaßnahmen am Wickelende und an den Stirnseiten des Wickels. Bei Rundwickeln aus metallisierter Polypropylenfolie mit 15 Deckwindungen aus 15 .um dicker Polypropylenfolie oder Polyäthylenterephthalat-Schrumpffolie

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ist 'festgestellt worden₍ daß sich die arifängjiöh festen Deckwlndurigeri nach Lagerung bei dei" oberen Kondehsatorbetriebsteniperatür von 85 ö Und nach Teraperatürvilechseln zwischen «25 Und *85 C be= trächtlich gelockert hatten« Ursache dieser Lockerung ist die zumindest teilweise irreversible Dehnung der Deckwindungsfolien infolge der Zugbelastung bei thermischer radialer Ausdehnung des Wickels« Durch Lockerung der Deckwindungen wird auch das Wicklungsende der Dielektrikumsfolien gelockert. Als Folge hiervon können insbesondere bei gasgefüllten Kondensatoren und Wechselspannungsbelastung Ionisationsvorgänge einsetzen» die zu Durchschlagsnestern und dadurch bedingtem Kapazitätsverlust und eventuellem Ausfall des Kondensators führen. Bei flüssiggefüllten Kondensatoren erfolgt ein unerwünschtes Eindringen von FUllflUsslgkeit in das Dielektrikum.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgeraSße elektrische Kondensator weist die geschilderten Nachteile praktisch nicht mehr auf, weil Papierbänder unter Zugbelastung eine erheblich geringere Dehnung aufweisen als Kunststoffbänder, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Zwar Sind Papierbänder bei imprägnierten elektrischen Kondensatoren, bei denen sie auch das Dielektrikum bilden können, als Deckwindungen bekannt. Ihre speziellen Vorteile als Deckwindungen gegenüber Deckwindungen aus anderen Materialien sind jedoch bislang nicht erkannt worden. Insbesondere sind bislang keine Papier-Deckwindungen in Verbindung mit eine· ausschließlich aus Kunststoffbändern aufgebauten Kondensatorwickel bei bekannten Kondensatoren verwendet worden. Ihr Haupt vorteil liegt dabei, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, in der wesentlich höheren Zügbelastbärkeit gegenüber Kunststoffbändern. Ein Maß für das Zug-Dehnungsverhalten ist dabei die sogenannte Reißdehnung. Diese beträgt bei 85 C für ein 12 .um dickes Band aus Kondensatorpapier mit einer Dichte von 1₅3 /cm 2 %, während sie unter gleichen Bedingungen für ein gleich dickes Band aus Polypro-

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pylen, biaxial verstreckt, oa. 183 /t Und für eine Schrumpffolie aus Polyäthyitrsnterephthälät 29 % beträgt* Der angegebene Wert der ReißdehnUng bleibt für köndensätörpäpier auch bei einer Temperatur von 100 C erhalten, während er bei 100°C für die genannten Kunststoffe auf 200 % bzw* 36 % ansteigt. Die Dehnung der Papierdeck= windungen ist somit vernachläßigbar klein, weshalb die nachteiligen Durchschlagsnester am äußeren Wickelumfang bei Kondensatoren nach der Gattung des Hauptanspruches nicht auftreten.

Als zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wicklungsäbschlusses wurde gefunden, daß die Papierdeckwindungen im Gegensatz zu beispielsweise Polypropylendeckwindungen bei Kondensatoren mit FlÜssigf(!llung Restwasseranteile und/oder andere schädliche Moleküle einfangen, so daß diese nicht mehr in das Dielektrikum eindringen und einen Anstieg des Verlustfaktors oder Korrosion der Belagschichten Verursachen können. Daher kann bei den erfindungsgemäßen Kondensatoren auf Zusätze von Additiven, die als Wasser- oder beispielsweise Säurefänger wirken, ganz oder teilweise verzichtet werden.

Als Papierbänder werden vorzugsweise Kondensatorpapiersorten mit einer Dichte von 0,7 bis 1»35 /cm und mit einer Dicke von &bgr; bis 60 .um verwenden. Andere Papiere können benutzt werden, sofern sie eine ausreichende Reißfestigkeit und chemische Reinheit aufweisen. Eine größere Oberflächenrauhigkeit oder geringere Dichte der Papierbänder unterstutzt die Einfangwirkung, eine höhere Papierdichte läßt höhere Bandzugkräfte und somit festere, dichtere Wicklungen mit geringerem Restwassergehalt zu.

Die Papierbänder können einseitig oder beidseitig mit einem Kleber beschichtet sein, beispielsweise mit einem polymeriesierbaren Kleber oder einem Heißsiegelkleber. Hierdurch wird die Festigkeit der Wicklung weiter erhöht, die Adsorptiönseigenschaft jedoch verringert« Die Breite der Papierbänder richtet sich nach den Einsatz-

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bedingungen des Kondensators&diams; Im Normalfail soll sie gleich del* Wickeibreite oder bis zu 5 nun größer sein,- jedoch kann die Papierbandbreite ation kleiner als die Wickeibreite gewählt werden* wenn dabei eine ausreichende Wicklungsfestigkeit gewährleistet bleibt. Die Papierdeckwindungen müssen nicht in jedem Fall symmetrisch zur Mitte des Kunstoffwickeis aufgebracht werden. Beispielsweise genügt bei einem teilweise mit ausgehärtetem Gießharz vergossenen Wickel auch eine Bandage auf der unvergossenen Breite der Wickeloberfläche*

Zeichnung

Die Figur zeigt ein AusfUhrungsbeispiel dös erfindungsgemäßen Kondensators.

Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels

In der Figur ist ein erfindungsgemäßer Kondensator dargestellt mit einem Rundwickel 10, welcher auf ein festes Kernrohr 11 aus Polypropylen aufgewickelt ist. Die Kontaktierung erfolgt durch aufgeschoopte Metallbrücken 12a und 12b, welche wiederum über Anschlußdrähte 12* und 12" mit äußeren KondensatoranschlUssen 16a und 16b elektrisch leitend verbunden sind.

Der Wickel 10 ist in ein zylindrisches Bechergehäuse 13 aus Aluminium eingebaut, welches durch einen die Anschlüsse 16 tragenden Kunststoffdeckel 15 dicht verschlossen ist. Zwischen dem Wickel 10 und dem Gehäuse 13 sind Isolierstoffkappen 14a und i4b aus Kunst stoff eingefügt, welche der Isolation zwischen Wickel und Gehäuse dienen. Dia Kappe I4a gewährleistet außerdem die Zentrierung des <1 Wickels 10 im Gehäuse 13.

• Der dargestellte Kondensator ist mit einem flüssigen Füllmittel 1?

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gefüllt, ein für die Füllmittelausdehnung notwendiges Ausgleichsvolumen 18 zwischen dem Füllmittel 17 und dem Deckel 15 besteht aus Raumluft. Der erfindungsgemäße Wicklungsabschluß aus Papierband ist in Form von Deckwindungen 19 erkennbar.

Als Ausführungsbeispiele wurden selbstheilende Kondensatoren der Kapazität 80 .uF mit nicht imprägnierten Rundwickeln 10 aus zwei einseitig mit einer aufmetallisierten Zinkbelagschicht versehenen, 8 .um dicken und 125 mm breiten Polypropylenfolien hergestellt (MKP-Kondensator). Die MKP-Wickel 10 wurden mit fester Wicklung auf ein Kernrohr 11 gewickelt, wobei eine Gruppe als Vergleich in bekannter Weise mit 30 fest gewickelten Deckwindungen 19 aus 15 um

dicker Polypropylenfolie hergestellt wurde, deren Enden verschweißt k

waren. Die andere Gruppe von Kondensatoren wurde gemäß der Erfindung |

mit 8 Windungen eines 60 .um dicken Papierbandes der Dichte 0,8 &uacgr;

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g/cnr hergestellt, dessen Breite ebenfalls 125 mm betrug. Die En- ft

den waren verklebt. Beide Gruppen von Rundwickeln 10 wurden in glei- >

eher Weise in Aluminium-Rundbecher 13 mit einem Durchmesser von !

65 mm eingebaut mit einem Abschluß durch einen Deckel 15, durch den $

die beiden Kondensatoranschlüsse 16 isoliert herausgeführt waren. k

Von jeder Gruppe wurde sodann vor dem dichten Verschließen des Ge-

'i häuses 13 die Hälfte der Kondensatoren mit getrocknetem Rizinusöl gefüllt, dem 3 % Gewichtsanteile eines wasseradsorbierenden Zeoliths

beigefügt waren. Ein Luftpolster wurde als Ausgleichsvolumen 18 be- |

lassen. Die restlichen Kondensatoren beider Wickelgruppen wurden

nach einer Vakuumtrockung bei B5°C über 24 h wieder mit Raumluft gefüllt und in der gleichen Weise eingebaut und dicht verschlossen.

Nach gleichen DauerspännungsprUfungen über 2000 h an 530 V / 50 Hz-Wechselspannung mit je 6 Kondensatoren der vier Untergruppen stellten sich folgende Ergebnisse ein:

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1. Rizinusgefiillte Kondensatoren

änderung des bei 500 V / 50 Hz gemessenen dielektrischen Verlustfaktors :

1.1 Mit Papierdeckwindungen

Nahezu gleichbleibend im Streubereich 0,36 &khgr; 10 bis 0,39 x &Igr;&Ogr;"³.

1.2 Mit Polypropylendeckwindungen

Zunahme von 0,36 &khgr; 10 auf 0,52 x 10~³ im Mittel.

2. Luftgefüllte Kondensatoren Abnahme der Kapazität im Mittel:

2.1 Mit Papierdeckwindungen 4,1 %

2.2 Mit Polypropylendeckwindungen 7,3 %

Die Zunahme des dielektrischen Verlustfaktors ist bei MKP-Kondensatoren mit flüssigem Füllmittel ein Merkmal für in das Dielektrikum eindringende schädliche Stoffe, durch welche die Verlustleistung und die Eigenerwärmung des Kondensators erhöht werden. Trotz des im Vergleich mit Polypropylenfolie hohen Restwassergehalts von ca. 4 % der hygroskopischen und relativ leicht wassei-dampfdurchlässigen Papierdäckwindungen ergab sich dieses überraschend gute Ergebnis bei den Kondensatoren mit dem erfindungsgemäßen Wicklungsabschluß. Schädliche Stoffe, hier Rizinolsäure und Restwa3ser im Rizinusöl 17,

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in den aufgeschoopten Wickelkontaktbrücken 12 und auf den Aluminiumbecherwänden des Gehäuses 13» wurden von den auf den Mantel des Rundwickels 10 aufgebrachten Papier-Deekwindungen 19 rechtzeitig und in ausreichendem Maße adsorbiert.

Bei luftgefüllten MKF-Kondensatoren mit Belagschichten aus Zink oder Aluminium ist die Abnahme der Kapazität infolge von Durchschlagsnestern ein Merkmal für die Festigkeit des Wickels 10 und der Deckwindutogen 19· Eine nennenswerte Änderung des dielektrischen Verlustfaktors trat bei luftgefüllten MKP-Kondensatoren nicht auf. Bei den erfindungsgemäßen Kondensatoren wurden nur wenige, vereinzelte Durchschläge gefunden. Der mittlere Kapazitätsverlust von 4,1 % ist auf Belagflächenverlust infolge von Korrosion der Zi^Jcschichten zurückzuführen. Durch verbesserte Trocknung der Papierdeckwindungen 19 oder durch Zugabe eines wasserbindenden Trockenmittels in den Kondensatoi kann dieser Verlust weiter verringert oder vermieden werden. Bei Kondensatoren mit Polypropylendeckwindungen wurden dagegen gehäuft Durchschlagen .-ster mit zugehörigem Belagflächenverlust gefunden.

Die erfindungsgemäfie Lösung eines Wicklungsabschlusses mit Deckwindungen 19 aus Papierband ist nicht auf das beschriebene AusfUhrungsbeispiel beschränkt. Die vermiedenen Nachteile sind unabhängig vom Belagschichtmetall und vom Material der dielektrischen Kunststoffolien. Die Erfindung kann sowohl bei Belagschichten aus Zink wie auch, aus Aluminium angewendet werden, wobei als Dielektrikumfolien hauptsächlich Polypropylen- und/oder Polycarbonat-Folien verwendet werden. Als Füllgase dienen vorzugsweise Luft, SFg, Stickstoff oder Mischungen derselben. Die bevorzugten flüssigen Füllmittel sind Pflanzenöle, Ester, Harze, Polyglykole, Glyceryntriacetat oder Mischungen derselben sowie Rizinusöl, Dioctylpthalat- oder Dinonylphthalatester. Zusätze zum Füllmittel können Trocknungsmittel, Stabilisatoren oder Antioxidantien oder Zeolithe als Molekularsieb

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sein. Die erfindungsgemäßen Vorteile treten bei all diesen Kombinationen auf, soweit Restwassermengen im Füllmittel enthalten sind odei· von inneren Kondensatoroberflächen aufgenommen und transportiert werden. Auch andere söhädliehe Stoffe, beispielsweise aus der Zersetzung oder Reaktion mit Wasser, werden von den erfindungsgemäßen Deckwindungen 19 aus Papier eingefangen.

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Claims

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Ansprüche

Elektrischer Kondensator mit einem vorzugsweise metallischen Gehäuse, mit wenigstens einem Wickel, dessen festes Dielektrikum ausschließlich aus Kunststoffbändern, insbesondere aus Polypropylen, besteht, dessen Beläge durch auf Kunststoffbänder aufmetallisierte dünne Metallschichten, insbesondere aus Zink oder Aluminium, gebildet sind, und dessen Wicklungsabschluß außerhalb de? Dielektrikums aus einem bandförmigen Material besteht, und mit einem vorzugsweise gasförmigen oder flüssigen Füllmittel, welches den Wickel wenigstens teilweise umgibt, dauurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsabschluß aus Deckwindungen (19) aus Papierband besteht.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Papierband eine Dicke von 8 bis 60 .um hat.

3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Papierband eine Dichte von 0,7 bis 1,35 g/cra hat.

Jj. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Papierband eine ein- oder beidseitige Klebebeschichtung aufweist.

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