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Verfahren und Vorrichtung zum Isolieren der Ränder von metallisierten
Isolierstoffbändern für elektrische Kondensatoren und mit solchen Bändern hergestellter
Kondensator Bei elektrischen Kondensatoren spielt die Isolation zwischen den gegenpoligen,
elektrisch leitenden Belegungen eine ausschlaggebende Rolle. Während die notwendige
Spannungsfestigkeit im dielektrisch beanspruchten Bereich durch entsprechend ausgewählten
Werkstoff und ausreichende Dicke des Dielektrikums erreicht werden kann, erfordert
die Isolierung zwischen den gegenpoligen Belegungen auf der Oberfläche der Zwischenschicht,
d. h. der sogenannte Kriechweg, besondere Maßnahmen. Bei Kondensatoren mit selbständigen
Metallfolien, -platten od. dgl. werden dazu die dazwischen angeordneten, als Dielektrikum
dienenden Isolierstoffbänder oder -platten so viel breiter oder länger vorgesehen,
daß sie mindestens einen Rand der beiden jeweils benachbarten Ränder der gegenpoligen
Belegungen weit genug überragen oder gegebenenfalls durch Umfaltung einhüllen. Diese
Maßnahmen lassen sich bei Kondensatoren mit auf das Dielektrikum aufmetallisierten
Belegungen in den meisten Fällen nicht ohne weiteres anwenden. Das gilt insbesondere
für den sogenannten einlagigen Kondensator, d. h. wenn keine zweite metallfreie
dielektrische Schicht mit entsprechend überstehenden
Rändern vorgesehen
ist. Im allgemeinen ist ein solcher Kondensator mit zwei einseitig metallisierten
Isolierstoffbändern übereinanderliegend aufgebaut, die um eine gemeinsame Wickelachse
aufgewickelt werden. Hierbei muß nun - entsprechend den überstehenden Rändern des
Dielektrikums bei Kondensatoren mit selbständigen (selbsttragenden) Metallbelegungen
- der jeweils zwischen zwei benachbarten Rändern der gegenpoligen Metallbelegungsschichten
befindliche Rand des Dielektrikums metallfrei bzw. zusätzlich isoliert sein.
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Es ist bekannt, die Metallbelegungen (selbständig oder aufmetallisiert)
gegeneinander zu versetzen. Damit soll unter anderem der Kriechstromweg zwischen
den Rändern weit genug vergrößert und im Falle der Längsränder gegebenenfalls eine
niederohmige, um rSo° versetzte sogenannte Stirnkontaktierung, d. h. induktionsfreier
Kondensatorbelegungsanschluß, ermöglicht werden. Ebenfalls bekannt ist auch die
jeweils entsprechende Umfaltung der metallisierten dielektrischen Bänder sowohl
um die zugehörigen Ränder als auch um die Ränder der Gegenbelegung. -Obgleich diese
Art Randisolierung bei aufmetallisierten Belegungen möglich ist und in bestimmten
Fällen auch angewendet wird, muß doch das Umfalten und die damit verbundenen Schwierigkeiten,
z. B. vergrößerte Abmessungen des Kondensatorkörpers bzw. verringerte Kapazität
bei Unterbringung in ein am Gehäuse mit vorgeschriebenen (genormten) Abmessungen,
als wesentlicher Nachteil betrachtet werden. Man ist deshalb mehr und mehr dazu
übergegangen, die jeweils in Betracht kommenden Ränder der metallisierten, dielektrisch
beanspruchten Isolierstoffbänder metallfrei zu gestalten und so den Kriechstromweg
ausreichend zu vergrößern.
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Dazu gibt es grundsätzlich zwei Verfahren. So ist bekannt, bei der
Metallisierung gleichzeitig bestimmte Zonen, Ränder oder Streifen auf der Trägerunterlage
metallfrei zu lassen, d. h. entweder so abzudecken, daß auf diese Stellen überhaupt
kein Metall aufgebracht, z. B. aufgedampft, aufgestäubt, aufgespritzt od. dgl.,
werden kann, oder durch geeignete chemische oder physikalische Maßnahmen ein Haften
der auftreffenden Metallatome zu verhindern. Diese beiden Möglichkeiten sind bei
im fortlaufenden Verfahren zu metallisierenden Bändern für die in Längsrichtung
verlaufenden metallfreien Ränder ohne weiteres gegeben. Die Isolierung der in Querrichtung
verlaufenden Ränder ist jedoch auf diese Art nicht möglich. Hierzu eignet sich das
zweite, an und für sich auch für anders verlaufende Streifen, Bänder und Zonen anwendbare
Verfahren der nachträglichen Beseitigung der Metallschicht an diesen Stellen. Für
diese sogenannte Entmetallisierung sind ebenfalls verschiedene Verfahren bekannt
bzw. vorgeschlagen worden. Da es sich bei dieser Entmetallisierung im allgemeinen
um sehr dünne Metallschichten handelt, lassen sich die metallfreien Stellen durch
Erhitzung und Verdampfung des dünnen Metallauftrages erzeugen. Die dazu notwendige
Energie kann entweder unmittelbar als von außen zugeführte Wärme oder über die angrenzenden
Teile der dünnen Metallschichten als elektrische Energiezugeführt werden. So wird
in dem einen Falle vorgeschlagen, die Metallschicht mit Hilfe eines aufgesetzten,
mittelbar oder unmittelbar beheizten Stiftes oder Drahtes (aus Glas, Keramik oder
Metall) wegzubrennen. Nach einem anderen Verfahren wird die Metallschicht durch
optisch gesteuerte Hitzestrahlen längs einer bestimmten Linie weggedampft. Ein weiterer
Vorschlag geht dahin, das metallisierte Isolierstoffband finit der nichtmetallisierten
Seite über eine spannungsführende Rolle zu führen, von der über den Foliehrand zu
der am Gegenpol angeschlossenen Metallschicht Funken, sogenannte Gleitfunken, überschlagen
sollen, wodurch der Rand weggebrannt wird. Aus einer anderen Veröffentlichung sind
verschiedene Verfahren zur Beseitigung von Metallrändern von einseitig lackierten
Metallfolien bekanntgeworden. Nach dem einen, hier interessierenden Verfahren soll
die nicht isolierte Seite der Metallfolie an den einen Pol einer Spannungsquelle
gelegt werden, während der andere Pol mit je zwei Elektroden verbunden ist, die
auf den beiden Längsrändern der vorbeigeführten Metallfolie aufliegen. Durch Einhaltung
eines bestimmten Abstandes dieser Elektroden von der Metallfolie entstehen Lichtbögen,
die an den Übergangsstellen das Metall, das einen niedrigen Schmelzpunkt haben muß
(z. B. Zinn), wegschmelzen sollen, während der von der Rückseite zusätzlich gekühlte
Isolationsüberzug stehenbleiben soll.
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Allen diesen vorgenannten Verfahren haftet unter anderem der Nachteil
an, daß bei der Beseitigung der Metallschicht infolge der mechanischen Einwirkung
durch aufgesetzten Stift bzw. physikalisch-chemischen Einwirkung durch Lichtbogen
mehr oder weniger das Dielektrikum in Mitleidenschaft gezogen wird.
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Die Erfindung verwendet nun ein Verfahren zur Verbesserung der Isolation
der Ränder von metallisierten Dielektrikumbändern elektrischer Kondensatoren, wonach
die dünne Metallschicht zwar auch mit Hilfe des elektrischen Stromes ausgebrannt
wird, aber unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile allein durch Erhitzung der
Metallschicht infolge der von dem hindurchgeführten elektrischen Strom herrührenden
Jouleschen Wärme und Verdampfung an der punktförmigen Übergangsstelle zu der ständig
mit der Metallschicht in Berührung bleibenden Brennelektrode und unter Vermeidung
bzw. sofortiger Löschung eines elektrischen Lichtbogens.
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Um auf dem metallisierten Dielektrikumband beispielsweise einen von
der Metallisierung freien Streifen zu erhalten, wird der Metallschicht beiderseits
des Streifens Spannung zugeführt. Die Metallschicht ist also an der Stelle, an der
sie weggebrannt werden soll, Belastungswiderstand für die Spannungsquelle. Die Stromdichte
in der Metallschicht ist dann so hoch zu wählen, daß Metallverdampfung eintritt.
Damit das Wegbrennen nur an dieser einen Kontaktstelle erfolgen kann, müssen an
der gegenpoligen Stromzuführung möglichst
viele Teilflächen der
Metallschicht beteiligt werden. Zu diesem Zweck soll das metallisierte Isolierstoffband
während des Wegbrennens durch breitflächig auf die Metallschicht auf beiden Seiten
des wegzubrennenden Metallstreifens mit dem erforderlichen, ausreichenden Kontaktdruck
aufzusetzende Kontaktstücke eingespannt sein. Aus Gründen einer möglichst weitgehenden
Schonung der dünnen Metall- und Isolierstoffschichten wird diese Kontaktierung zweckmäßig
elastisch gestaltet. So können sowohl die Kontaktstücke als auch die den Kontaktdruck
aufnehmende Auflageplatte federnd angeordnet sein. Der sich infolge des verhältnismäßig
sehr schnellen Wegschmelzens der Metallschicht unter der Brennelektrode ein wenn
auch nur sehr kleiner Übergangs- bzw. Abreißfunke bilden könnte, sind außerdem geeignete
Maßnahmen und Mittel zur Vermeidung oder wenigstens sofortigen Löschung vorgesehen.
So kann z. B. der zu entmetallisierende Streifen zwischen den breitflächigen Kontaktstücken
durch einen angepreßten Gummistreifen in der Art abgedeckt werden, daß, ohne die
punktförmige Kontaktierung durch die Brennelektrode zu behindern, während des Wegbrennens
ein ausreichender Überdruck entsteht. Das Ausbrennen der metallfreien Streifen erfolgt
nicht gleichzeitig über die gesamte Länge, sondern entsprechend der punktförmigen
Berührung fortlaufend nacheinander. Das bedeutet, daß zur Erzeugung eines metallfreien
Streifens der metallisierte Isolierstoffträger sich an der Brennelektrode vorbeibewegen
muß, oder umgekehrt.
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Grundsätzlich kann das Ausbrennen auch nach dem neuen Verfahren an
jeder beliebigen Stelle der Metallschicht erfolgen, d. h. sowohl an Quer- oder Längsrändern
als auch in beliebigem Abstand davon. In manchen Fällen wird es sich sogar als vorteilhaft
erweisen, zur ausreichenden Vergrößerung des Kriechweges zwischen den gegenpoligen
Metallbelegungen den metallfreien Streifen nicht unmittelbar am Rand der Metallschicht
bzw. des metallisierten Isolierstoffbandes, sondern parallel in einem gewissen Abstand
davon auszubrennen.
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Zur Herstellung einer ausreichenden Isolation an den Längsrändern
von einseitig metallisierten Isolierstoffolien als Dielektrikum für elektrische
Kondensatoren braucht das gekennzeichnete Verfahren selbstverständlich nur an dem
einen Längsrand angewendet zu werden, weil an dem anderen Längsrand die Metallschicht
üblicherweise für die sogenannte Stirnkontaktierung bis an den Rand der Trägerfolie
oder -platte geführt werden muß.
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Bei einer besonders vorteilhaften Anwendung der Erfindung erfolgt
die Randisolierung gleichzeitig mit der Herstellung des Randes, also beim Durchschneiden
des metallisierten Isolierstoffbandes. An sich ist das gleichzeitige Durchschneiden
und Entmetallisieren in einem Arbeitsgang bei der Herstellung von metallfreien Rändern
beim Abtrennen von Kondensator-Teilwickeln von einem Mutterkörper oder beim Einsägen
von Schlitzen in einen aus ausbrennfähigen Belegungen gewickelten Kondensator bekannt,
wobei von den bekannten Entmetallisierungsverfahren Gebrauch gemacht wird. Bei Anwendung
des erfindungsgemäßen Entmetallisierungsverfahrens zu diesem Zweck ist die Brennelektrode
als ein- oder zweischenkliges Messer, in letzterem Falle ähnlich wie eine Schere,
ausgebildet. Damit erfolgt das Schneiden, wie vorgesehen, nacheinander, also nicht
gleichzeitig über die ganze Länge, so daß auch das Ausbrennen der Metallschicht
allmählich und nacheinander entlang der Schnittkante vor sich geht.
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Das gekennzeichnete Entmetallisierungsverfahren nach der Erfindung
wird beispielsweise an Hand der F ig. i der Zeichnung erläutert. In dieser ist eine
Vorrichtung schematisch dargestellt, durch welche das Wegbrennen gleichzeitig mit
dem Durchschneiden der Bänder erfolgt.
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Das von den Vorratsrollen zum Wickeldorn und zu dem dort zu wickelnden
Kondensatorwickel laufende metallisierte Dielektrikumband 3, z. B. Papier, wird
zweckmäßig kurz vor dem Wickel über eine Platte i geführt, die Auflagen :2 besitzt,
über die das metallisierte Papier 3 gleitet. Die Auflagen 2 sind etwas elastisch,
um beim Schneidvorgang, bei dem das Papier stillsteht, eine sichere und gleichmäßige
Spannungszuführung an die Metallschicht q. durch die Kontaktstücke 5 zu gewährleisten.
Es ist natürlich auch möglich, die Anordnung so auszubilden, daß das Papier auf
eine feste Unterlage durch federnde Kontaktstücke gedrückt wird. Wichtig ist daher
vor allen Dingen, daß an diesem Stromübergang eine genügend große Anzahl Metallteilchen
beteiligt werden, um möglichst eine Beschädigung der Metallschicht an dieser Stelle
zu vermeiden. Die Kontaktstücke müssen daher gute Oberflächenbeschaffenheit aufweisen
und mit ausreichender Kraft auf das metallisierte Papier gedrückt werden. Die Auflagefläche
soll nicht zu klein gewählt werden. Der Schnittvorgang selbst wird durch das Messer
6 vorgenommen; dabei dient die schneidende Kante selbst als gegenpoliger, punktförmiger
Stromzuführungskontakt. Die Ausbrennspannung wird der Spannungsquelle 7 entnommen
und außer den Kontaktstücken 5 dem Messer 6 zugeführt.
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Zur Lichtbogenlöschung wird der zu isolierende Streifen abgedeckt.
Im Ausführungsbeispiel geschieht dies durch zwei Gummistreifen 8, welche vor dem
Schneiden in Richtung senkrecht zur Metallschicht über die Kontaktstücke 5 hinausragen,
so daß sie beim Aufsetzen der Kontaktstücke auf den Belag einen entsprechenden Druck
ausüben können. Auf diese Weise wird nämlich die Lichtbogenlöschung erleichtert.
Das Belagmetall verdampft, and der etwa entstehende Lichtbogen wird unter dem entstehenden
Gasdruck, der sich infolge der Gummistreifen 8 nicht ausgleichen kann, so schnell
gelöscht, daß das Papier selbst nicht beschädigt wird.
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Es kann zweckmäßig sein, die Spannung zum Ausbrennen erst beim Schneiden,
z. B. durch Fingerdruck am Schneidhebel, zuzuführen.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß es zur Herstellung von Kondensatoren
ausreichenden Isolationswiderstandes nach dem gekennzeichneten Verfahren
nicht
erforderlich ist, daß der Rand selbst bereits nach dem Ausbrennen die erforderliche
Isolation aufweist. Es genügt vielmehr, daß der überwiegende Teil des aufmetallisierten,
z. B. aufgedampften Metalls entfernt wurde, da diese Stelle im fertigen Wickel bzw.
Kondensator nochmals, aber unter günstigeren und vor allen Dingen den tatsächlichen
Anforderungen entsprechenden Bedingungen ausgebrannt wird.
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Die Herstellung einer besonderen Isolation an den Querrändern ist
bei geeigneter Ausbildung des Kondensatorwickelanfanges und -endes von insgesamt
vier Enden nur ein einziges Mal notwendig, so daß also auch nur an einem einzigen
Ende das Wegbrennen vorgenommen zu werden braucht. Wickelt man nämlich bei Lage
der Metallschicht nach außen, d. h. nach der der Wickelachse abgewandten Seite,
am Anfang so, daß die innere Belegung später beginnt, so ist dort keine zusätzliche
Maßnahme zur Verbesserung der Isolation erforderlich. Am Ende wird im Gegensatz
dazu das äußere Metallpapierband über das weiter nach innen liegende hinausgezogen,
so daß es auf seine eigene vorhergehende Windung trifft. Das dadurch eingeschlossene
Ende des weiter nach innen liegenden Dielektrikumbandes ist dann dasjenige, dessen
Randisolation verbessert werden muß.
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Bei Wicklungen mit der Metallschicht nach innen, d. h. nach der der
Wickelachse zugewandten Seite, ist entsprechend zu verfahren.
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Diese Ausführungen, bei denen der Metallbelag nur an einem Anfang
oder Ende weggebrannt ist, sind in der Zeichnung in den Fig. 2 und 3 beispielsweise
schematisch veranschaulicht. Die einzelnen Bänder sind in Abständen voneinander
und ihre Stärken ebenso wie die der aufmetallisierten Schichten unmaßstäblich vergrößert
dargestellt. Außerdem sind nur wenige Windungen, und zwar je zwei gegenpolige Bänder,
in kleinem Abstand von den benachbarten Windungen gezeichnet, um eine bessere Anschaulichkeit
zu erreichen. In Wirklichkeit liegen alle Windungen eng aufeinander. Fig. 2 zeigt
eine Anordnung, bei der der aufmetallisierte Belag außen, d. h. auf der der Wickelachse
abgewandten Seite der Dielektrikumbänder aufgebracht ist. Der Metallbelag 21 liegt
auf dem Dielektrikumband 22 und der Metallbelag 23 auf dem Dielektrikumband 2q..
Die W ickelanfänge sind- derart versetzt angeordnet, daß das innere, d. h. das der
Wickelachse am nächsten liegende Dielektrikumband später beginnt als das äußere,
wodurch das innere nicht mit seiner nächsten Windung in Berührung kommt, so daß
hier dann kein unzulässiger Kriechstrom bzw. Kurzschluß zwischen den gegenpoligen
Belägen auftreten kann. Die Enden der Dielektrikumbänder sind ebenfalls versetzt
angeordnet, und zwar derart, daß das äußere ein Stück weiter als das innere gewickelt
ist und folglich mit seiner vorletzten Windung in Berührung kommt. Um einen unzulässigen
Kriechstrom bzw. Kurzschluß zwischen dem Metallbelag 23 am Ende des Dielektrikumbandes
24 mit dem Metallbelag 21 der vorletzten Windung des Dielektrikumbandes 22 zu vermeiden,
ist die Endisolation des Dielektrikumbandes 24. bei 25 durch Wegbrennen des Metallbelages
am Querrand verbessert.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 liegt der aufmetallisierte Belag innen,
d. h. auf der der Wickelachse zugewandten Seite. Der Metallbelag i i ist auf dem
Dielektrikumband 12 und der Metallbelag 13 auf dem Dielektrikumband 14 aufgebracht.
Die Wickelanfänge und -enden sind versetzt vorgesehen, und zwar derart, daß bei
den Wickelanfängen das innere, d. h. das der Wickelachse am nächsten liegende Dielektrikumband
früher beginnt als das benachbarte äußere, wodurch das innere mit seiner nächsten
Windung in Berührung kommt. Um einen unzulässigen Kriechstrom bzw. Kurzschluß zwischen
dem Metallbelag 13 am Anfang des Dielektrikumbandes 14 mit dem Metallbelag i i der
nächsten Windung des Dielektrikumbandes 12 auszuschließen, ist die Randisolation
des Dielektrikumbandes 1,4 durch Wegbrennen des Metallbelages 13 bei 15 am Querrand
verbessert. Die Wickelenden der Dielektrikumbänder sind ebenfalls versetzt ausgebildet,
und zwar derart, daß das äußere Band 14 ein Stück kürzer gewickelt ist als das innere
Band 12 und folglich mit seiner vorletzten Windung nicht in Berührung kommt, so
daß also auch hier kein unzulässiger Kriechstrom bzw. Kurzschluß zwischen dem Metallbelag
13 am Ende des Dielektrikumbandes 14 und dem Metallbelag i i des Dielektrikumbandes
12 auftreten kann. Die weggebrannten Belagstücke 25 und 15 am Ende bzw. Anfang der
Dielektrikumbänder sind ebenfalls unmaßstäblich vergrößert dargestellt, um die Anordnungen
anschaulicher zu machen.