用于功率电容器的电容器元件、制造 该元件的方法及包含该元件的功率电容器 【技术领域】
本发明涉及一种用于功率电容器的电容器元件，其中，此电容器元件包括多个介电材料膜以及多个金属材料电极，所述介电材料膜形成两个相邻介电层，至少两个此种电极位于两个相互隔开且并排的介电层之间，以确定不含金属材料的区域。
本发明还涉及一种用于制造此种电容器元件的方法以及一种包含此种电容器元件的功率电容器。
在本文中，功率电容器指在电压超过1kV、优选至少5kV的交流或直流应用中的电容器。背景技术
在用于交流和直流应用的功率电容器的电容器元件内，已知使用内部串联或不串联的自愈合膜。例如，从EP 0 225 822 B1和EP 0 789371 A1知道此种电容器元件，在EP 0 225 822 B1中，自愈合膜具有可变厚度的电极，而在EP 0 789 371 A1中，自愈合膜具有分段、串联地电极。在此类电容器元件的生产中使用拉长的介电材料膜，所述材料局部涂敷金属材料以形成一个或多个电极。在生产中，需要一个叠一个地压平多个、通常为两个这样的被涂敷膜并且把它们绕成卷，以便电极相互容性连接。多个电容器元件以串联和并联的形式相互耦合，并且封闭在容器内，从而制造实际上的功率电容器。为了增加功率电容器的填充比，在某些情况下，电容器元件在相互耦合和放入容器之前被压平。电容器元件的膜中的介电材料通常是聚丙烯或聚乙烯对苯二酸酯，而电极材料通常是铝、锌或这两者的合金。
自愈合特性通过选择介电膜和电极而获得，从而，在通过任何膜放电时，故障点周围的电极局部汽化，因而电隔绝故障点。如果要具有自愈合功能，电极必须是薄的，因此，电极材料通常被汽化到介电膜上以形成电极层。如果介电膜厚度小于约15微米，自愈合是最有效的，这就意味着介电膜两端的电压不允许太高。然而，通过内部串联，有可能增加电容器元件两端的电压而不增加介电膜两端的电压。
为了实现内部串联，电容器元件有两个或多个布置在两相邻膜之间的电极，其中，借助于所述膜未被涂敷的部分，所述电极相互电绝缘。当电容器元件置于电压下时，这些电极要求不同的电势，以便沿着相邻电极之间的膜的边界层产生电压梯度。如果在两相邻电极之间发生闪络，这可使电容器元件短路，导致电容器元件不能使用。如果此电容器元件中的能量相当大，此种短路还会损坏相邻的电容器元件，并对包含此电容器元件的功率电容器造成严重损坏。因此，为了获得必要的耐电强度，所述未涂敷部分的宽度必须有一定的尺寸，以便在电极之间不发生闪络。由于沿着膜纵向表面上的耐电强度明显比沿着横向的低，因此在确定尺寸时必须使用充分的安全余量。
然而，在具有不同电势的电极之间的上述高耐电强度要求与希望减小未涂敷部分面积以增加电容器元件内容积和材料的利用率是相抵触的。增加电极之间耐电强度的一般措施是用适当的浸渍流体完全或部分地浸渍电容器元件。以此方式增加的耐电强度可以用来减小未涂敷部分面积和/或增加电容器元件两端的容许电压。然而，由于存在泄漏和着火的危险并考虑到环境和制造技术等方面的因素，一般希望避免使用浸渍流体。发明内容
本发明的目的是创造一种电容器元件，它在浸渍或未浸渍状态中都比等效的浸渍或未浸渍的已知电容器元件提供更好的容积和材料利用率并且/或者承受更高的电压。
根据本发明的电容器元件的特征在于，介电材料的永久连接布置在所述区域内并且使介电层互相结合。
根据本发明的方法的特征在于，所述介电层借助介电材料的永久连接而结合在所述区域内。
根据本发明的功率电容器的特征在于，介电材料的永久连接布置在所述区域内并且使介电层互相结合。
通过本发明，在所述区域内获得提高的耐电强度。这可用来减小所述区域的尺寸，因而有助于在电容器元件中获得更好的容积和材料利用率，并因而在功率电容器中获得这样的效果。可替换地，提高的耐电强度可用于增加电容器元件两端的电压。进而，由于耐电强度提高，在某些应用中可用未浸渍的电容器元件取代浸渍的电容器元件。
根据一个实施例，所述连接由所述多个膜中的一个形成。
根据本发明的另一实施例，在所述区域内通过熔合多个所述膜而实现永久连接，这导致膜与膜之间的边界层完全或部分消失，这些边界层对耐电强度是敏感的。
根据一个实施例，本发明的功率电容器包含多个基本为圆柱形的电容器元件，所述电容器元件布置得相互靠近以便它们的轴向一致，并且所述电容器元件相互连接以便形成串联的电容器堆。在此种用于高压的功率电容器中，在电容器元件内使用内部串联的技术显然是有利的，因为可减少串联电容器元件的数量。若结合上述自愈合技术，本技术尤其有利。由于成功的自愈合特别要求薄的金属涂层并且流经所述金属的电流产生有效功率损耗(热)，因此，更薄的层导致更高的损失。一种减少所述损失而不牺牲对薄金属涂层的要求的方法是选择金属膜的形状以及电容器元件的形状，从而，金属涂层在与卷绕方向正交的方向上的尺寸减小，而卷绕的长度增加。除非使用内部串联，否则这样做的结果是：与它们的直径相比，圆柱形电容器元件要求相对较低的高度。高电压要求串联许多这样的元件，而这从成本上考虑变得有害。因此，若采用内部串联，几个串联的分电容器可自动地插入到圆柱形电容器元件中，并且从制造方面考虑具有最佳的高度-直径关系，而且具有良好的自愈合特性。附图说明
以下结合附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1简略示出用于制造内部串联电容器元件的一段带；
图2简略示出用于制造图1所示带的分带的第一实施例；
图3示出根据本发明的内部串联电容器元件中所呈现出的带的任意横截面；
图4简略示出用于制造图1所示带的分带的第二实施例；
图5简略示出用于制造图1所示带的分带的第三实施例；
图6简略示出用于制造根据本发明的内部串联电容器元件的制造设备；
图7简略示出用于制造具有两个内部串联的电容器元件的一段带；
图8简略示出用于制造图7所示带的分带的第一实施例；
图9简略示出用于制造根据本发明的具有两个内部串联的电容器元件的制造设备；
图10示出在根据本发明的具有两个内部串联的电容器元件中使用的带的两个连续匝的任意横截面；
图11示出根据本发明的功率电容器的实施例；
图12示出用于制造根据本发明的电容器元件的两个分带的另一实施例；
图13示出根据本发明的功率电容器的第二实施例；
图14示出电容器元件的替代实施例的纵向截面；
图15示出两个串联的图14所示类型的电容器元件；以及
图16简略示出用于制造具有一个内部串联的电容器元件的一段带。具体实施方式
图1简略示出用于制造功率电容器的电容器元件的带1的一段，其中，带1通过结合第一分带2和第二分带3而制造。图2中更详细地示出在一起压平之前的分带2、3的第一实施例。带1包括：由适当介电材料制成的第一和第二连续膜4、5；以及由适当金属材料制成的三个分离电极6、7、8。从图1可看到，第一和第二电极6、7封闭在两个膜4、5之间，同时，第三电极8位于带1的一侧上。两个封闭的电极6、7借助纵向区域9而电隔离，纵向区域9最初是封闭间隙的形式，此间隙在两个分带2、3结合时形成并因此由两个封闭电极6、7以及膜4、5的相对表面部分10、11确定。沿着带的纵向观察，所述三个电极可以是连续的或间断的。在后者情形中，电极在带的纵向上分成预定尺寸的段，以便两个联贯的段被一个或多个熔丝桥电连接或者被在所述带上延伸的空间分隔开。在图1所示实施例中，电极6、7、8是连续的。从图2可看到，所述第一分带2包括所述第一膜4和所述第三电极8，同时，所述第二分带3包括所述第二膜5以及所述第一和第二电极6、7。第一膜4具有两个沿纵向延伸的平行边缘12、13以及两个相互背对且在所述边缘12、13之间延伸的表面14、15。背对第二分带3的表面14局部涂敷金属材料，以便形成具有预定宽度的所述第三电极8，电极8的宽度小于膜4的宽度，从而在最靠近边缘12、13的地方得到不含金属电极材料的表面部分16、17。面向第二分带3的表面15完全不含金属电极材料。其宽度基本与第一膜4相同的第二膜5具有两个沿纵向延伸的平行边缘18、19以及相互背对且在所述边缘18、19之间延伸的两个表面20、21。面向第一分带2的表面20局部涂敷金属材料以制造分别从边缘18、19延伸的所述两个分离电极6、7。两个电极6、7具有的总预定宽度小于膜5的宽度，从而在电极6、7的两个相向内缘22、23之间获得图1中所提及的表面部分11，表面部分11不含金属电极材料。背向第一分带2的表面21完全不含金属电极材料。
金属材料优选使用丝网印刷或汽化技术以已知方式涂敷在介电膜的表面上。若采用汽化技术，就用旋转辊子在表面上涂敷油掩膜，随后使所述膜在开孔前经过，汽化金属通过此开孔而淀积到由掩膜所规定的表面上。若采用丝网印刷技术，导电电极材料就从具有适当图案的辊子直接涂敷到膜上。然而，本发明并不局限于其电极以某种其它方式被汽化或涂敷到介电膜上的电容器元件。换而言之，所述电极可包括布置在介电膜之间的金属箔(参见图16)。
图3示出在进行端接之前的带1的任意横截面，此横截面将在电容器元件中出现。电极6和8相互容性连接，电极8和7相互容性地连接并与前一连接串联，从而以已知方式产生电容器元件的内部串联。从图3的横截面显而易见，根据本发明，第一膜4和第二膜5形成两个介电层，该两个介电层在所述区域9内借助介电材料的桥形永久连接24而结合。由于两个电极6、7是连续的，因此所述永久连接24也是连续的，这可从所述横截面是在带的纵向上任意选择的事实中认识到。从横截面上看，永久连接24可全部填充最初为封闭间隙的空间，如图3所示，或者部分地填充它，以便此间隙以及两个相向表面部分10、11完全或部分地消失。这在两个分离电极6、7之间的区域9内获得提高的耐电强度。根据本发明的优选实施例，永久连接24通过熔合膜4、5的相对表面部分10、11而实现。由此获得的永久连接的耐电强度与膜4、5的耐电强度相同。根据本发明的另一实施例，永久连接借助粘合剂如适当的胶而实现，此粘合剂把膜4、5的表面部分10、11结合在一起。
图1所示的带1可通过一起压平与图2所示分带2、3不同的其它分带而制造。图4和5举例说明这些其它分带的实例。图4示出用于制造图1所示带的两个分带的第二实施例，在这，第一和第二电极6、7涂敷在膜4面向第二分带3的表面15上。图5示出用于制造图1所示带的两个分带的第三实施例，在这，第一电极6涂敷在膜4面向第二分带3的表面15上。
以下结合简略示出适当制造设备的图6，描述使用根据图3的带1来制造电容器元件的方法。所述制造设备包括：用于第一材料卷26的第一旋转轴25；用于第二材料卷28的第二旋转轴27；用于卷绕带1形成电容器元件30的旋转储存轴29；塑料焊机31形式的发热器；以及两个布置得互相靠近的导辊32。在制造电容器元件30时，一卷如图2所示的分带2放置在轴25上，一卷如图2所示的分带3放置在轴27上。分带2、3向着导辊32运动，在这，分带2、3一起被压平并且产生如图1所示的带1，于是，通过封闭第二分带3的电极6、7以及膜4、5的相向表面部分10、11而形成为所述间隙形式的所述区域9。带1经过塑料焊机31，焊机31包括加热到适当温度的有效部件33，部件33为辊子形式并且具有比区域9宽度稍小一点的预定宽度。布置塑料焊机31，使有效部件33对准区域9并沿着带1滚动。当带1经过有效部件33时，部件33局部加热膜4、5以便它们熔合在一起并完全填充所述间隙，随后，它们固化并且在区域9内产生永久连接24，如图3所示。为了替代上述用与带物理接触的有效部件产生热的器件，另外还可使用不发生接触而实现塑料焊接的发热器件，例如利用超声波或激光技术的发热器。在熔合膜4、5的过程中为了防止封闭电极6、7损坏，必须保证所供的热量局限于区域9。这优选借助冷阱(未示出)来实现。适当的冷阱形式为在紧靠着焊接器件31的有效部件33的前面或后面设置对准所述电极6、7压向带1的一个或多个冷却辊子。这些辊子结合有效部件33还可用于检查带1的缠绕张力，此张力是制造卷绕电容器元件时的重要参数。当膜4、5已经熔合在一起时，带1卷绕到储存轴29上，以使第一分带2形成内匝而第二分带3形成外匝，即，使第一膜4的表面14面向储存轴29而膜5的表面21面向电容器元件30的外部。
如果通过使用粘合剂实现永久连接，粘合剂优选在分带2、3一起压平形成带1之前，即在导辊32之前，涂敷到膜4、5中的一个或两个膜的表面部分10、11上。粘合剂优选用与分带2、3的表面部分10、11接触的器件进行涂敷。
图12还示出两个分带2、3的另一实施例，分带2、3用于生产包括图3所示带1的电容器元件。图12中所示的第一分带2与图2中所示的第一分带2相同。在另一分带3中，膜5包括两个介电材料膜部分62、63。每个膜部分62、63都在面向第一分带2的一侧上局部涂敷金属材料电极6、7。每个膜部分62、63都具有沿着纵向边缘66、67延伸的未涂敷边缘部分64、65，其中边缘66、67面向相对的膜部分62、63。从图12可看出，膜部分62、63布置得使未涂敷边缘部分64、65相互部分重叠。在用图12中的分带2、3生产电容器元件时，分带2、3卷绕到辊子上，重叠的边缘部分64、65局部受到高压力并由此而压缩，以致于边缘部分64、65延伸进并填充电极6、7之间的区域9，如图3所示。因而，边缘部分64、65互相结合并与第一分带2的膜4相结合，产生如图3所示的永久连接24。可用重叠程度来控制有效填充物材料的数量，即，重叠越多，得到的材料越多。在本文中，重要的是缠绕张力较高以便重叠的边缘部分64、65和膜4结合在一起。上述方法可结合更早一些描述的使用发热器对电极6、7之间的区域进行局部加热的方法。上述方法还可结合更早一些提及的包含粘合剂的方法。如果需要具有两个或多个内部串联的电容器元件，所述分带就优选使用多于两个膜部分。
自然，本发明可扩展到包括具有两个或多个内部串联的膜，在此情形中，制造设备优选包括用于在电容器元件所有内部串联处在所述膜之间形成永久连接的装置。
图7示出用于制造具有两个内部串联的电容器元件的带34。如图8所示，带34通过结合两个分带35、36而产生。第一分带35具有介电膜4，介电膜4在背向另一分带36的表面14上局部涂敷两个连续的电极37、38。电极37、38在分带35的纵向上延伸并且布置在表面14上，以便在电极37、38之间获得不含金属材料的纵向表面部分39并且沿着膜4的一个纵向边缘13获得不含金属材料的纵向表面部分40。从而，表面部分39被电极37、38的两个相面对的内缘56、57限制。膜4面向第二分带36的表面15完全不含金属电极材料。第二分带36具有介电膜5，介电膜5在面向第一分带35的表面20上局部涂敷两个连续的电极41、42。以与第一分带35相同的方式，电极41、42在分带36的纵向上延伸并且布置在表面20上，以便在电极41、42之间获得不含金属材料的纵向表面部分43并且沿着膜5的一个纵向边缘18获得不含金属材料的纵向表面部分44。从而，表面部分43被电极41、42的两个相面对的内缘58、59限制。膜5背向第一分带35的表面21完全不含金属电极材料。当分带35、36结合时，第一区域45以封闭间隙的形式产生，此间隙由电极41、42、表面部分43、以及膜4面向表面部分43的表面15的表面部分46封闭。
图9中示出用于制造含两个内部串联的电容器元件的制造设备。与图6所示的制造设备相似，图9中的制造设备包括：第一旋转轴25；第二旋转轴27；用于电容器元件30的旋转储存轴29；以及两个导辊32。此制造设备还包括两个分别为第一塑料焊机47和第二塑料焊机48形式的发热器件，每个焊机包括加热到适当温度的有效部件49、50。在制造电容器元件30时，图8所示的第一分带35的卷51放置在轴25上，图8所示的第二分带36的卷52放置在轴27上。与前面结合图6描述的方法一样，分带35、36引导到导辊32，在这，分带35、36一起被压平以产生带34，于是，产生图7所示的区域45。与前述方法相同，带34经过塑料焊机47的有效部件49，在带34的膜4、5之间的区域45中形成介电材料的第一永久连接53(参见图10)。带34接着卷绕到辊子上，以便带34的下侧即电极37、38位于其上的一侧与带34的先前匝，即与第二膜5的表面21接触。因而，第二区域54以封闭间隙的形式产生，此间隙由电极37、38、表面部分39以及膜5面向表面部分39的表面21的边缘部分(不可见)确定。此封闭间隙经过塑料焊机48的有效部件50，在这，膜4、5在区域54中被局部加热，以便它们熔合在一起并完全填充间隙。当膜4、5已经固化时，在由膜4、5形成的介电层之间的区域54中产生介电材料的第二永久连接55(参见图10)。由于塑料焊机48必须通过电极41向区域54供热，因此重要的是，有效的冷阱(不可见)从电极41传导出多余的热量，从而不损坏电极41。
图10示出根据以上结合图9所述方法制造的电容器元件的任意横截面。图10示出带34′、34″的两个连续层，其中，两个最上面的膜4′、5′属于一个层，而两个最下面的膜4″、5″属于另一层。在每个层中，在区域45′、45″中的介电层，即膜4′、5′；4″、5″通过永久连接53′、53″结合在一起。带34′、34″的每个层在区域54中通过永久连接55而与相邻的层结合。因而，在此实施例中，膜4″与膜5″和膜5′相邻，而膜5′与膜4″和膜4′相邻。
图16示出用于制造内部串联电容器元件的带1的替代实施例。带1包括：介电材料的第一、第二和第三连续膜91、92、93；以及金属材料的第一、第二和第三电极94、95、96。在此情况下，电容器元件是所谓的膜-箔型，即电极94、95、96包括连续的铝金属箔。第一膜91和第二膜92的宽度基本相同，第三膜93的宽度大约是前两个膜的两倍。第一和第二电极94、95的宽度比第三膜93的一半宽度略小，而第三电极96的宽度比第一膜和第二膜91、92的总宽略小。如图16所示，第一和第二电极94、95分别位于第三膜93的两侧上，两电极并排布置且相互分隔开。更具体地，第一电极94位于第三膜93的一侧上，即图16中膜93的顶侧上，并且连接到第三膜93的左半部分93′上。第二电极95位于第三膜93的另一侧上，即图16中膜93的底侧上，并且连接到第三膜93的右半部分93″上。第二膜92位于第一电极94之上。换而言之，第一电极94位于第三膜93的左半部分93′和第二膜92之间。第三电极96部分位于第二膜92之上，在这，第三电极96的左半部分96′连接到第二膜92的顶侧；第三电极96还部分位于第三膜93的右半部分93″之上，这里，第三电极96的右半部分96″连接到第三膜93的右半部分93″上。第一膜91位于第三电极96的右半部分96″之上。为了制造电容器元件，带1绕成卷，其中，第一膜91连接到第二电极95，并且第三膜93的左半部分93′连接到第三电极96的左半部分96′。结果，第二电极95由此封闭在第一膜91和第三膜93的右半部分93″之间。在卷绕电容器元件中，第三膜93的左半部分93′和第一膜91一起形成第一介电层，第二膜92和第三膜93的右半部分93″一起形成第二介电层。电极94和95布置在这些介电层之间，并且在电极94和95之间确定不含金属材料的区域97，区域97基本上填充第三膜93的中间部分98。换句话说，第三膜93的中间部分98形成介电层之间的永久连接，由此在第一和第二电极94和95之间的区域97中获得良好的电气强度。为了进一步增加电极94、95、96长边上的电气强度，这些电极可以折叠，如第一和第二电极94、95的内部长边99、100所示。可替代地，电极94、95、96的长边也可以不折叠，如第三电极96的长边101、102所示，因而，虽然耐电强度有所下降，但电容器元件得到更简单的结构。第一和第二电极的外部长边103、104设置成火焰喷涂的或以某种其它方式电连接，以形成电容器元件的连接点。优选地，上述膜-箔型电容器元件浸渍有适当的浸渍介质，这进一步提高电容器元件的电气强度。
图11示出根据本发明的功率电容器60的第一实施例，其中，功率电容器60包含多个连接在一起的上述类型的电容器元件61，这些元件61具有结合的膜。功率电容器60在其它方面用常规方式构造，具有金属容器以及瓷的或聚合物的衬套。电容器元件61一般绕成卷并辗平。
图13示出根据本发明的功率电容器60的第二实施例。功率电容器60包含多个具有结合膜的上述类型的电容器元件61，在此情形中为4个电容器元件61。电容器元件61基本为圆柱形并且一个叠一个地布置，以使它们的轴向一致。相邻的电容器元件61在它们的端面电连接，以便电容器元件61形成串联连接的堆。功率电容器60还包括基本为圆柱形的容器68，在容器68中，电容器元件61堆被封闭，以使电容器元件61与容器68的轴向一致。在所述堆端部的电容器元件分别通过容器的端部71、72而电连接到接头69、70。接头69、70形成功率电容器的接线端。容器68优选由电绝缘材料制成。
图14示出具有结合膜的上述类型电容器元件61的替代实施例的纵向截面。电容器元件61分成同心布置且具有公共轴的三个子元件73、74、75。最外面的子元件73基本为管状，并且环绕中间子元件74，在它们之间有小的间隙。中间子元件74以相似的方式环绕最里面的子元件75。换句话说，径向相邻的子元件的外部具有贯穿它的中央槽，中央槽基本为圆柱形并且毗邻内部子元件。最里面的子元件75具有贯穿它的中央槽76。各个子元件具有不同的径向厚度，具有最小厚度的是最外面的子元件。因而它们具有基本相同的电容。绝缘77布置在子元件73、74、75之间。子元件73、74、75串联连接。两个径向相邻的子元件在相同端具有一个连接点。因而，最外面的子元件73在电容器元件61的一端通过耦合器78连接到中间子元件74，而中间子元件74在电容器元件61的另一端通过耦合器79连接到最里面的子元件75。因而，电容器元件61的连接80、81在元件61的每一端都各有一个。如果子元件的数量大于3，如为5或7，那么在子元件端部的耦合点的连接就应该交替地继续。
图15举例说明图14所示类型的多个电容器元件如何串联在一起。此图示出两个这样的元件61a、61b。下部电容器元件61b在内部子元件75上端的连接81耦合到上部电容器元件61a在外部子元件73下端的连接80。绝缘82布置在电容器元件61a、61b之间，以承受在此种类型电容器中产生的电势差。
本发明可扩展到用间隙中的、例如在分段的具有相同电势的电极层之间的永久连接来覆盖结合膜，而不是用那些确定内部串联的连接来覆盖。然后，可获得基本上横向延伸到所述带的纵向方向的永久连接。如果电容器元件绕成卷以便介电膜的匝相对布置，本发明还可扩展到用永久连接来结合图7和8中的表面部分40和44，其中图7和8具有相向膜的相对表面部分。
卷形电容器元件的典型尺寸为：直径100-300mm；镗孔直径20-90mm，优选为至少30mm；并且高度为50-800mm。此种电容器元件用于大约1-15kV的电压中。例如，直径200mm、镗孔直径50mm且高度150mm的电容器元件用于大约4-10kV的电压中。因而，高达约40kV的电压可作用到4个串联的此种电容器元件的两端，如图13所示。在此情形中，电容器元件包括金属化膜，此膜优选包含聚丙烯并且具有优选在5-15微米范围内的不变厚度。电极层优选包含铝锌合金并且具有优选在5-40Ω/□范围内的表面电阻率。在此情形中，电容器元件为膜-箔型，电极层包括金属箔，优选包括铝箔，并且厚度优选在4-6微米的范围内。在某些应用中，绕成卷形的此种电容器元件在连接到其它电容器元件之前可弄平，并且放置在容器中以形成功率电容器。本发明对于浸渍的和未浸渍的电容器元件都是适用的。
本发明还适用于这样的电容器元件，其中，一个或多个电极层分段，即划分为更小的部分区域或段。