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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator mit eingekerbten metallisierten
Filmen, dessen Beläge auf einem dielektrischen Film aus einem Polymer mit hoher
Dichte angeordnet sind. Diese Art von Kondensatoren weist vorzugsweise die Gestalt
eines Zylinders auf, wobei die dielektrischen Filme auf sich selbst aufgerollt sind, und
die Verbindungsanschlüsse sind radiale Anschlüsse am Ende des Zylinders. Bei den mit
Hochspannung arbeitenden Ausführungen machen Einschnitte in den Metallisierungen
der Beläge diese Kondensatorart im Falle eines Durchschlages des Dielektrikums unter
der Wirkung einer lokalen Entladung "selbstheilend": die den Einschnitten der
Metallisierung gemäß der Erfindung gegebene Gestalt ermöglicht des Verbessern der Merkmale
eines Kondensators.
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Es ist bei Kondensatoren mit hoher Volumenenergie, also bei unter hoher Spannung
arbeitenden Kondensatoren, bekannt, daß lokale Defekte in den als Dielektrikum
dienenden Filmen aus Polymer, z.B. Polypropylen, Polyester, Polysulfon, ... etc., den Anlaß für
lokale Entladungen geben, die die auf den Filmen aufgebrachte Metallisierung in dem
Bereich des Durchschlages partiell oxidiert oder beseitigt.
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In einem eingeschränkten Umfang sind diese Entladungen nützlich, da sie durch ein
Zerstören eines von einem Defekt betroffenen Bereichs die normale Isolierung zwischen
den Belägen wieder herstellen. Dieses Phänomen ist unter dem Namen "Selbstheilung"
bekannt.
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Bei mit einer gewissen Leistung arbeitenden Kondensatoren, die daher eine große
Kapazität aufweisen und mit einigen zehn Volt arbeiten, ist die im Kondensator
gespeicherte Energie, die bei einer lokalen Entladung freigesetzt wird, jedoch so groß, daß der
Kondensator wenigstens lokal zerstört werden kann.
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Zur Vermeidung dieser Zerstörung ist es bekannt, einen Leistungskondensator in eine
Menge kleiner Kondensatoren zu unterteilen, die untereinander über eine Schmelzsicherung
mit einem durchgehenden Metallisierungsband verbunden sind. Auf diese Weise ist
die gespeicherte Energie im gleichen Verhältnis wie die Menge unterteilt, und bei dem
Auftreten eines Defekts in dem Dielektrikum eines Elementarkondensators ist die
Entladung nicht mehr ausreichend, um den Kondensator insgesamt oder teilweise zu zerstören.
Die Schmelzsicherung wird verdampft, und der Elementarkondensator ist isoliert: die
Gesamtkapazität vermindert sich nur um den Wert der Kapazität eines
Elementarkondensators.
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Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines metallisierten Films, der zur
Herstellung solcher Kondensatoren gemäß dem Stand der Technik verwendet wird. Ein Belag
kann durchgehend sein, und der andere Belag kann in Übereinstimmung mit Fig. 1
eingekerbt sein.
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Die physische Unterstützung ist durch ein Band eines dielektrischen Films 1 gebildet,
der aus Polypropylen, Polyester, Polysulfon oder anderen Produkten mit der
gewünschten Dielektrizitätskonstanten bestehen kann. Dieser Film 1 besitzt eine Breite Lf und ist
auf einer Seite auf einer Breite Lm = Lf - 1 von einem Rand aus metallisiert: der nicht
metallisierte Randabschnitt 2 mit der Breite "1" verhindert Kurzschlüsse zwischen den
beiden Belägen, wenn die beiden Filme aufgewickelt sind (die beiden Randabschnitte 2
auf den beiden Filmen liegen auf zwei zueinander entgegengesetzten Rändern).
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Die Metallisierung enthält zwei Bereiche.
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Ein in der Figur gestrichelt begrenzter erster Bereich 3 am Rand des Films 1 ist
relativ dick: 0,02 Mikrometer. Dieses Band ist dafür vorgesehen, den Kontakt mit der
Schoopierungsmetallisierung zu gewährleisten, die auf ein Ende des Wickelkondensators
aufgespritzt wird, um dort einen axialen Ausgangsanschluß zu befestigen.
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Ein zweiter Bereich 4 erstreckt sich vom Rand des dicken Bereiches 3 bis zu dem
nicht metallisierten Abschnitt 2: er ist relativ dünn, 0,003 Mikrometer, damit er resistiver
ist.
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Die Verbindung einer dicken Metallisierung und einer dünnen Metallisierung
ermöglicht das Vereinigen von zwei Eigenschaften, die für Kondensatoren mit hoher Volumenenergie
erforderlich sind: eine gute Stromfestigkeit und eine gute Spannungsfestigkeit.
Die dicke Metallisierung am Rand 3 ermöglicht nämlich das Fließen eines starken
Stromes, während die erhöhte Resistivität der dünnen Metallisierung im Bereich 4 hohe
Spannungen unterstützt und sich gut für die Selbstheilung im Falle des Durchschlagens
eignet.
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Zur Vermeidung der vollständigen Zerstörung des Kondensators nach einem
Durchschlag oder des Verlusts eines sehr hohen Anteils der Kapazität durch Verdampfung
einer dünnen Metallisierung ist bekannt, den Kondensator in mehrere kleine
Elementarkondensatoren zu unterteilen, indem an wenigstens einem der beiden Beläge partielle
Demetallisierungen ausgeführt werden, die den Polymerfilm in trennenden Bändern oder
Zwischenräumen freilegt.
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Auf diese Weise enthält ein Elementarkondensator wenigstens einen Belag 5
zwischen zwei in der dünnen Metallisierung 4 senkrecht zu den Rändern des Films 1
ausgeführten Zwischenräumen 6. Es ist vorteilhaft, diesen Elementarkondensator mit der
dicken Metallisierung 3 über eine Schmelzsicherung 7 zu verbinden, die durch zwei zum
Rand des Films 1 parallele Zwischenräume 8 gebildet ist.
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Diese Demetallisierungen werden durch Verdampfen des Metalls mittels eines
Laserstrahls hergestellt, wobei sich dieses Verfahren als den anderen Verfahren überlegen
erwiesen hat, jedoch den Nachteil aufweist, daß der Trägerfilm 1 gewellt wird. Zu ihrer
Beseitigung muß die dicke Metallisierung nämlich mehr erhitzt werden, was in dem
Polymerfilm, der gereckt wurde, Spannungen hervorruft. Im Verlauf des Wickelns des
Kondensators klebt der gewellte Film nicht mehr perfekt auf einem anderen nicht
gewellten Film, was während des Schoopierens Nachteile hervorruft sowie eine schlechte
Bestimmung der Kapazität des teilweise Luft enthaltenden Kondensators bewirkt.
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Die von der Erfindung vorgeschlagene Lösung besteht darin, die Bestimmung der
Elementarkapazitäten auf die beiden Beläge zu übertragen und die Schmelzsicherung in
der aktiven Zone des Kondensators im wesentlichen in der Mitte der Breite des Polymer-
Films anzuordnen. Jeder der beiden Polymerfilme, die entgegengesetzt gerichtet
angebracht sind, erfordert, daß die metallisierten Bänder die gleiche Breite besitzen und daß
die Schmelzsicherungen sich - bis auf Randstreifen - in der Mitte der Breite der
Polymerfilme befinden.
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Ausführlicher dargestellt betrifft die Erfindung einen selbstheilenden Kondensator
mit hoher Volumenenergie, gebildet durch eine Wicklung von wenigstens zwei
metallisierten dielektrischen Filmen, wobei die Metallisierung jedes der Filme einen dicken
Bereich an einem ersten Rand des Films sowie einen dünnen resistiven Bereich enthält, der
vorteilhaft für Selbstheilungseffekte im Falle eines Überschlags bei einer hohen
Spannung ist, wobei der Kondensator dadurch gekennzeichnet ist, daß bei jedem der Filme
der metallisierte Abschnitt jeweils zur Hälfte in einen den dicken Bereich enthaltenden
Abschnitt mit durchgehender Metallisierung und in einen Abschnitt mit Metallisierung
unterteilt ist, die so eingekerbt ist, daß Beläge von Elementarkondensatoren gebildet sind,
wobei jeder Belag mit der durchgehenden Metallisierung über eine Schmelzsicherung
verbunden ist, die im wesentlichen in der Mitte der Breite des Films in dem Bereich der
resistiven Metallisierung gelegen ist, wobei Elementarkondensatoren auf den beiden
Hälften der beiden Filme gebildet sind, zum einen durch einen eingekerbten Belag eines
ersten Films und die durchgehende Metallisierung des zweiten Films und zum anderen
durch einen eingekerbten Belag des zweiten Films und die durchgehende Metallisierung
des ersten Films, der entgegengesetzt bezüglich des zweiten gerichtet ist.
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Die Erfindung wird besser verstanden mit und ihre Vorteile ergeben sich besser aus
der nun folgenden, ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen. In diesen zeigen:
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- Fig. 1 eine Draufsicht auf einen metallisierten Film gemäß dem Stand der Technik,
wie oben dargestellt,
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- Fig. 2 eine Draufsicht auf einen metallisierten Film gemäß der Erfindung,
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- Fig. 3 die Anbringung der entgegengesetzt gerichteten beiden Filme, um einen
Wikkelkondensator gemäß der Erfindung herzustellen, und
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- die Fig. 4 und 5 zwei Ausführungen der eingekerbten Metallisierung gemäß der
Erfindung.
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In den sich auf die Erfindung beziehenden Figuren sind die Bezugszeichen
beibehalten, solange sie keine Verwirrung mit der den Stand der Technik darstellenden Figur
hervorrufen.
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Fig. 2 zeigt einen der beiden metallisierten Filme, die zum Herstellen eines
Wickelkondensators mit hoher Volumenenergie notwendig sind.
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Mit einem metallisierten Film gemäß dem Stand der Technik hat dieser Film das
Vorhandensein eines physischen Trägers gemeinsam, der ein aus einem Polymer
bestehender dielektrischer Film 1 ist, der die Gestalt eines Bandes mit zwei zueinander
parallelen Längsrändern B1 und B2 aufweist. Er ist mit einer Metallisierung versehen, die ihn
von einem Rand bis zu einem Sicherheitsabschnitt 2 bedeckt. Dieser Abschnitt hat zur
Aufgabe, Kurzschlüsse zwischen Belägen bei dem Schoopieren der Enden des
Wickelkondensators zu verhindern. Die Metallisierung enthält auch einen dicken Bereich 3, der
das Fließen eines starken Stromes gewährleistet, sowie einen resistiven und dünnen
Bereich 4, der die Selbstheilung bei hohen Spannungen unterstützt.
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Die Neuheit besteht darin, daß die demetallisierten Zwischenräume im wesentlichen
in der Mitte nur der Metallisierung von dem Abschnitt 2 ausgehend angeordnet sind.
Eine erste Reihe von zu den Rändern des Films 1 senkrechten Zischenräumen 9 bestimmt
die Elementarkondensatoren 10. Die Länge dieser Zwischenräume 9 beträgt ungefähr die
Hälfte der Breite Lm der Metallisierung. Eine zweite Reihe von zu den Rändern des Films
1 parallelen Zwischenräumen 11 ist an den Enden der Zwischenräume 9 in der Mitte der
Metallisierung ausgeführt. Diese Zwischenräume, die eine unterbrochene Linie bilden,
bestimmen zwischen sich die Schmelzsicherungen 12. Die Zwischenräume 11 sind
bezüglich der Zwischenräume 9 vorzugsweise zentriert, dies ist jedoch nicht wesentlich.
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Ein metallisierter Film gemäß der Erfindung enthält daher ein durchgehend
metallisches Band 13, das zusammengesetzt ist aus dem dicken metallisierten Band 3 und einem
resistiven und dünnen Bereich 4 des metallisierten Bandes, sowie ein eingekerbtes
metallisiertes Band, das im Rest des metallisierten Bandes 4 eingeschnitten ist. Der die von
den Belägen 10 gebildeten Elementarkapazitäten ladende Strom durchquert die engen
und resistiven Zonen 12: wenn sich im Inneren der Fläche einer Metallisierung 10 eine
Entladung ergibt, wird die zugehörige Schmelzsicherung 12 verdampft und der
Kondensator heilt sich selbst.
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Der Vorteil dieses Aufbaus gegenüber dem Aufbau von Fig. I besteht darin, daß die
Arbeit des Demetallisierens mittels eines Laserstrahls zum Erzeugen der Zwischenräume
9 und 11 vollständig in dem Bereich der dünnen metallisierten Schicht 4 liegt: zu ihrer
Beseitigung ist nur eine geringe Energie notwendig, und der Kunststoffilm 1 wird nicht
mehr gewellt, insbesondere am Rand B1.
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Fig. 3 zeigt, wie die beiden metallisierten Filme gemäß der Erfindung zum Wickeln
eines Kondensators angeordnet sind. Da die beiden Filme identisch, jedoch
entgegengesetzt gerichtet angeordnet sind, sind die Bezugszeichen des bezüglich der Ebene der
Figur unten liegenden Films um einen "Strich" ergänzt. Zum Vereinfachen des Verstehens
der Figur ist vereinbart, daß der untere, gestrichelt dargestellte Film bezüglich des oben
liegenden Films geringfügig versetzt ist.
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Man sieht, daß die Elementarkondensatoren auf den beiden Hälften des Films zum
einen durch einen eingekerbten Belag 10 und die durchgehende Metallisierung 13' und
zum anderen durch einen Belag 10' und die durchgehende Metallisierung 13 gebildet
sind. Aufgrund der von der entgegengesetzt gerichteten Anordnung eingeführten
Symmetrie befinden sich die Zwischenräume 11 und die Schmelzsicherungen 12
vorzugsweise in der Mitte der Breite des metallisierten Abschnittes jedes PolymerFilms. Diese
Symmetrie ermöglicht, einen Kondensator mit zwei identischen Filmen zu wickeln, was
die Herstellung vereinfacht. Da außerdem die demetallisierten Zwischenräume 11 und
11' übereinanderliegen, wird der Verlust an Kapazität aufgrund der Zwischenräume
vermindert.
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Abgesehen von dem Vorteil, daß der Polymerfilm nicht mehr gewellt wird,
vermindert dieser Aufbau den auf einen Durchschlag folgenden Verlust der Kapazität um den
Faktor 2. Bei einer in Längsrichtung des Polymerfilms gemessen gleichen Länge besitzt
nämlich ein Elementarkondensator gemäß der Erfindung die Hälfte der Kapazität eines
Elementarkondensators gemäß dem Stand der Technik. Wenn unter einem Belag 10 eine
Entladung auftritt, wird die Schmelzsicherung 12 beschädigt, der von dem zum vorhergehenden
Belag entgegengesetzt gerichteten Belag 10' gebildete Elementarkondensator
ist jedoch intakt.
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Die Wahl der Resistivität der dünnen Metallisierung, der Abstand der Einkerbungen
und die Breite der Schmelzsicherungen ermöglichen ein Optimieren des Systems. Zum
Beispiel können die Verluste, die in den im Verlauf des Ladens oder Entladens eines
Elementarkondensators als Widerstnad wirkenden Schmelzsicherungen entstehen, durch
4 geteilt werden, da der die Schmelzsicherungen durchquerende Strom durch 2 geteilt ist,
was ein sehr viel genaueres Dimensionieren der Schmelzsicherung ermöglicht.
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In den Fig. 2 und 3 sind die Schmelzsicherungen 12 parallel zu den Rändern des
Films langgestreckt. Es kann von Interesse sein, sie senkrecht zu diesen Rändern
anzuordnen, wie in Fig. 4 dargestellt. Die Breite einer Schmelzsicherung 12 ist durch den
Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Enden der beiden Zwischenräume 11
bestimmt, und die Länge einer Schmelzsicherung ist durch die Länge der beiden
Zwischenräume 14 bestimmt, die ausgehend von den Enden der Zwischenräume 11 parallel
zu den Zwischenräumen 9 gezogen sind.
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Es ist vorteilhaft, Zwischenräume 11 und 14 zu ziehen, die dünn sind: dies
ermöglicht, die metallisierten Flächen 15 wiederzugewinnen, was den Kapazitätsverlust
aufgrund der partiellen Demetallisierungen vermindert.
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Der Grenzfall ist in Fig. 5 dargestellt. Wenn die Teilung der Elementarkondensatoren
gleich der Breite einer Schmelzsicherung ist, reduziert sich der Aufbau auf eine Reihe
von metallisierten Bändern, die von Zwischenräumen 9 getrennt sind. Die
Zwischenräume 14 fallen mit den Zwischenräumen 9 zusammen, und die Zwischenräume 11 besitzen
eine Länge, die gleich der Breite der Zwischenräume 9 ist. Jedes metallisierte Band
enthält einen Abschnitt 12, der als Schmelzsicherung wirkt, und einen Abschnitt 10, der als
Belag eines Elemetarkondensators wirkt.
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Die Technologie gemäß der Erfindung ist insbesondere für Kondensatoren mit sehr
hoher Volumenenergie geeignet, z.B. für Beruhigungskondensatoren mit starkem Strom
oder für Entladungskondensatoren.