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Elektrischer Wickelkondensator mit längs- und quergereckten Kunststoffolien
als Dielektrikum Für den Aufbau von elektrischen Kondensatoren mit Kunststoffdielektrikum
werden üblicherweise sogenannte gereckte Dielektrika benutzt, das sind Kunststoffbänder,
die bei oder nach ihrer Herstellung durch einen mechanischen Zug, meist unter gleichzeitiger
Erwärmung, auf ein Mehrfaches ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden und in diesem
gedehnten Zustand erstarrt sind. Derartige gereckte Bänder sind im Gegensatz zu
nicht gereckten wesentlich biegsamer, so daß sie sich ohne Schwierigkeiten zu Wickelkondensatoren
verarbeiten lassen.
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Weiterhin erbringt der gereckte Zustand einen weiteren, zunächst nicht
vorhersehbaren Vorteil, daß nämlich nach der Herstellung des Wickelkörpers durch
Anwendung von Wärme die Bänder mindestens zum Teil entreckt werden können, wodurch
innerhalb des Wickelkörpers zunächst ein so großer Druck entsteht, daß eingeschlossene
Luftmengen aus dem Kondensatorfeld verdrängt werden. Weiterhin wird zum Teil dadurch,
zum Teil aber auch durch einen gewissen thermischen Ausgleich innerer Materialspannungen
eine hohe Kapazitätskonstanz und ein gleichmäßiger Temperaturgang der Kapazität
erreicht.
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Bei dem Aufbau von Kondensatoren verschiedener Größen unter Verwendung
verschieden starker Ausgangsstoffe zeigte sich nun, daß an den guten dielektrischen
Werten die Verschweißung der frei aufeinanderliegenden, aus den Wickelstirnseiten
herausragenden
Isolierstoffränder einen großen Anteil hat. Baut
man nämlich Kondensatoren, bei denen eine Verschweißung der überstehenden Windungsränder
nicht erfolgt, dann ist die Inkonstanz der Kapazität und auch die Schleifenbreite
des Temperaturganges untragbar groß. Es ist daher wichtig, daß bei der Wärmebehandlung
eine sichere Verschweißung der Isolierstoffränder eintritt.
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Es ist bekannt, das Zusammenschweißen dadurch zu erreichen, daß man
die dielektrischen Zwischenlagen, die Metallbelegungen, auf den Stirnseiten so weit
überragen läßt, daß ein sicheres Verschweißen erfolgt. Infolge der bei der Temperungsbehandlung
zur Entreckung der Kunststoffbänder frei werdenden Zugkräfte im Dielektrikum und
dem gleichzeitigen Erweichen derselben legen sich die überstehenden Enden benachbarter
Dielektrikumslagen aufeinander und verschweißen miteinander. Um das Verschweißen
zu erleichtern, kann im Anschluß an die Entreckungsbehandlung die Temperatur kurzzeitig
weiter erhöht werden. Das Zusammenlegen der überstehenden Ränder benachbarter Dielektrikumslagen
läßt sich leicht an dem fertigen Kondensator feststellen, da infolge des Zusammenlegens
der Folienränder eine Verminderung des Durchmessers der Randzonen des Wickels auftritt.
Da der Durchmesser im mittleren Teil des Wickels gleichzeitig erhalten bleibt, ist
dieses Zusammenlegen der Folienränder an Einschnürungen in den Randzonen des Wickels
deutlich erkennbar. Der Grad dieser Einschnürung hängt ab von der Stärke der Belegungen
im Vergleich zur Stärke der dielektrischen Zwischenlagen. Je stärker nämlich die
Belegungen sind, im Verhältnis zur Stärke der dielektrischen Zwischenlagen, um so
größer sind die durch das Zusammenlegen der Ränder der dielektrischen Zwischenlagen
zu überbrückenden Abstände.
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Solange als dielektrische Zwischenlage Bänder relativ großer Stärke,
z. B. 2o #t oder darüber benutzt wurden, war das Verhältnis Dielektrikumstärke zur
Stärke der Belegungen stets größer als i, z. B. 2 : i, da man schon zur Erzielung
hoher Raumkapazität und Materialersparnis möglichst dünne Belegungen verwendet hat,
so daß bei Kondensatoren deren Dielektrikum aus gleichzeitig längs- und wenn auch
in geringem Umfang quergereckten Bändern bestand, nur relativ kleine Einschnürungen
auftraten. Nachdem nun neuerdings auch die Herstellung dünnerer gereckter Kunststoffbänder
möglich ist, bemüht man sich aus diesen Wickelkondensatoren herzustellen, da für
viele Anwendungszwecke, bei denen nur eine geringe Durchschlagsfestigkeit gefordert
wird, dadurch ein hoher Raumgewinn ermöglicht wird. Baut man nun in der bekannten
Art Wickelkondensatoren aus derartigen dünnen dielektrischen Bändern und Metallfolien
der handelsüblichen Stärke auf, dann ergeben sich infolge der relativ großen Stärke
der Metallfolien im Verhältnis zur Stärke der dielektrischen Bänder starke Einschnürungen.
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Da der zu überbrückende Abstand durch eine Dickenzunahme der überstehenden
Ränder des Dielektrikums infolge der Entreckung vermindert wird, ist die Stärke
der Einschnürung auch von dieser Verdickung abhängig. Die Verdickung der Bänder
wiederum hängt einerseits vom Reckzustand des Dielektrikums und andererseits von
den Temperaturbedingungen beim Entrecken ab.
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Um Einschnürungen an den stirnseitigen Enden des Wickels gänzlich
zu vermeiden, wird bei einem elektrischen Wickelkondensator mit längs- und quergereckten
Kunststoffolien als Dielektrikum in einer Stärke von io #tm oder geringer und selbständigen
Metallfolien bzw. Metallisierungen der Kunststoffolien in der Größenordnung von
selbständigen Metallfolien dessen gerecktes Dielektrikum die Belegungen stirnseitig
überragt und durch eine Wärmebehandlung mindestens zum Teil entreckt wird, vorgeschlagen,
erfindungsgemäß solche Kunststoffolien zu verwenden, daß der Abstand zwischen je
zwei aus den Wickelstirnseiten herausragenden Isolierstoffwindungen im nicht entreckten
Zustand höchstens gleich der Dickenzunahme jedes der überstehenden Isolierstoffränder
infolge der Entreckung ist.
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Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Regel sind mehrere Lösungen
möglich. Man kann die Stärke der Belegungsschichten, die entweder in Form von selbständigen
Metallfolien oder auch als Metallisierungen in größerer Stärke benutzt werden können;
so bemessen, daß sie höchstens die halbe Stärke der Isolierstoffbänder besitzen.
In diesem Falle ist dann jedenfalls mit Sicherheit eine Berührung der überstehenden
freien Isolierstoffränder bei der Entreckung und damit eine Verschweißung möglich.
Bei der Benutzung von io #Lm starken oder noch schwächeren Isolierstoffolien müssen
daher 5 #tm starke oder entsprechend schwächere Belegungen benutzt werden. Eine
andere Möglichkeit besteht darin, wenn beispielsweise die notwendige geringe Stärke
der Belegungsschichten praktisch nicht herstellbar ist, die Behandlungstemperatur
des fertigen Kondensatorkörpers höher als üblich zu wählen, weil dadurch eine stärkere
Schrumpfung der gereckten Kunststoffbänder und damit auch eine größere Dickenzunahme
der freien Isolierränder eintritt. Bei Kondensatoren, zu deren Aufbau gereckte Polystyrolbänder
benutzt werden, war bisher eine Behandlungstemperatur von 9o° C üblich. Erhöht man
diese auf ioo°C, dann kann man erreichen, daß auch dann, wenn der Abstand der Isolierstoffwindungen
infolge zu starker Belegungen zu groß ist, trotzdem eine Verschweißung der freien
Isolierstoffränder möglich ist.
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Überraschenderweise hat sich ergeben, daß Kondensatoren, deren stirnseitiger
Verschluß durch Verschweißen durch eine Verdickung der Folienränder infolge des
Entreckens ermöglicht wird und eine Einschnürung an den Enden des Kondensators vermieden
wird, nicht nur eine gefälligere Form aufweisen, sondern gegenüber sonst ähnlich
aufgebauten Kondensatoren, bei denen das Verschließen der Stirnseiten durch Zusammenlegen
der Folienränder mit den sich daraus ergebenden Einschnürungen erfolgt, eine wesentlich
höhere Durchschlagsfestigkeit besitzen. Diese Tatsache läßt sich dadurch erklären,
daß bei der Entstehung von Einschnürungen die scharfkantigen Ränder der Metallfolien
während der Temperaturbehandlung in die erweichten dielektrischen Bänder einschneiden
und deren Durchschlagsfestigkeit herabsetzen.
Die Beeinträchtigung
der Durchschlagsfestigkeit wirkt sich verständlicherweise besonders stark bei sehr
dünnen dielektrischen Bändern unter io #tm aus, um so mehr, als hier auch besonders
leicht starke Einschnürungen entstehen können. Sie kann hier sogar zu einem vollständigen
Kurzschluß benachbarter gegenpoliger Belegungen führen.
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Bei der Schrumpfung der Isolierstoffbänder tritt neben der Dickenzunahme
naturgemäß gleichzeitig eine Breitenverringerung ein, das bedeutet, daß insbesondere
die überstehenden Ränder schmaler werden. Je höher die Behandlungstemperatur ist,
um so größer wird die Breitenverringerung sein. Es empfiehlt sich daher aus diesem
Grunde, die Isolierstoffränder nicht zu wenig aus dem Wickelkörper herausstehen
zu lassen, damit nicht hierdurch die gewünschte Verschweißung wieder unmöglich gemacht
wird. Es zeigte sich, daß es vorteilhaft ist, mindestens 3 mm, vorteilhafterweise
jedoch 5 mm, Überstand zu wählen.
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In der Zeichnung ist in Fig. i der Querschnitt eines Teiles eines
Wickelkörpers wiedergegeben, der noch nicht der Wärmebehandlung unterzogen worden
ist. Mit a sind die Isolierstoffbänder und mit b die Belegungen bezeichnet.
Man erkennt, daß der Abstand der freien, aus dem Wickelkörper herausragenden Isolierstoffränder
in diesem Falle durch die Stärke der Belegungen b bestimmt wird. Dieser Abstand
bzw. die Behandlungstemperatur des Wickelkörpers soll nun so gewählt sein, daß nach
der Wärmebehandlung infolge der Dickenzunahme der überstehenden Isolierstoffränder
ein Verschweißen dieser Ränder untereinander stattfindet. Dieser Zustand ist in
der Fig. 2 wiedergegeben. Die Isolierstoffbänder a sind an ihren Randteilen infolge
der Wärmebehandlung stärker und gleichzeitig schmaler geworden, berühren einander
und können, falls die Behandlungstemperatur die entsprechende Höhe aufweist, zusammenschweißen.
Sollte die eigentliche Behandlungstemperatur eine Verschweißung nicht herbeiführen,
läßt sich dies durch einen kurzzeitigen Wärmestoß durchführen. Die ursprüngliche
Formgestaltung der überstehenden Isolierstoffränder ist in der Fig.2 gestrichelt
wiedergegeben.