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Die
Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung mit einem Kondensator,
enthaltend einen Kondensatorwickel mit Elektrodenschichten und dazwischenliegenden
Isolierschichten.
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Kondensatoren
und Kondensatoranordnungen der eingangs genannten Art werden beispielsweise
in der Leistungselektronik zum Aufbau von Konvertersystemen verwendet.
Dabei geht insbesondere bei Konvertersystemen kleinerer bis mittlerer Leistung
der Trend zu immer höheren
Leistungsdichten und zu immer höherer
Systemintegration.
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Aus
den Druckschriften WO 02/093597 A1,
EP 1028439 A1 und US 2002/0106414 A1 sind
gekühlte
Kondensatoren bekannt.
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Des
weiteren sind Konvertersysteme bekannt, bei denen ein Kondensator
auf einer Kühlplatte
montiert ist. Zur Befestigung des Kondensators an der Kühlplatte
wird eine Spannplatte verwendet, die den Kondensator seitlich überragt,
wobei seitlich zum Kondensator Befestigungselemente angeordnet sind,
die die Spannplatte mit der Kühlplatte
verspannen und somit den Kondensator zwischen die beiden Platten
einklemmen. Eine solche Kondensatoranordnung ist z. B. aus der Druckschrift
DE 2705085 A1 bekannt.
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Die
bekannte Kondensatoranordnung hat den Nachteil, daß durch
die seitliche Anordnung der Befestigungselemente viel Platz verbraucht
wird und darüber
hinaus die Spannplatte entsprechend groß gestaltet werden muß, was hinsichtlich
des Gewichts der Kondensatorvorrichtung nachteilig ist.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kondensatoranordnung
anzugeben, bei der eine platzsparende Montage eines Kondensators ermöglicht ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kondensatoranordnung nach Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu
entnehmen.
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Es
wird eine Kondenstoranordnung mit einem Kondensator angegeben, der
einen Kondensatorwickel enthält.
Der Kondensatorwickel weist Elektrodenschichten mit dazwischenliegenden
Isolierschichten auf. Der Wickel ist mit wenigstens einer Aussparung
zur Aufnahme eines Befestigungselementes versehen. Der Wickel ist
zwischen einer Spannplatte und einer Montageplatte verspannt. Diese
Verspannung erfolgt mittels wenigstens eines Befestigungselementes,
das in der wenigstens einen Aussparung im Wickel angeordnet ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Gestaltung
der Kondensatoranordnung, bei der der Kondenstorwickel mit einer
Aussparung zur Aufnahme des Befestigungselementes versehen ist,
kann das Befestigungselement zur Verbindung der Montageplatte mit einer
Spannplatte platzsparend im Innern oder am Rand des Wickels, jedoch
immer innerhalb der geometrischen Abmessungen des Wickels angeordnet werden.
Dadurch kann zum einen erheblich Platz eingespart werden und zum
anderen kann die Spannplatte so ausgeführt werden, daß sie die
geometrischen Abmessungen des Kondensatorwickels nicht überragt,
wodurch auch beträchtlich
an Gewicht eingespart werden kann.
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In
einer Ausführungsform
des Kondensators ist die Aussparung im Wickel als ein im Innern
des Wickels verlaufendes Loch gestaltet. Dadurch wird es ermöglicht,
Befestigungselemente im Innern des Wickels anzuordnen. Beispielsweise
gelingt dadurch auch die Anordnung eines Befestigungselements im Bereich
des Zentrums des Wickels, wo durch entsprechende Ausbildung des Befestigungselements gegebenenfalls
die Möglichkeit
besteht, den Wickel mit einem einzigen Befestigungselement im Zentrum des
Wickels zu befestigen.
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In
einer anderen Ausführungsform
des Kondensators ist die Aussparung am Rand des Wickels angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Kondensators sind eine oder mehrere weitere Aussparungen vorgesehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Kondensators ist eine oder mehrere zusätzliche Aussparungen in Form
eines nicht durchgehenden Loches vorgesehen.
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Solche
zusätzliche
Aussparungen ermöglichen
die platzsparende Integration von aus der Kühlplatte hervorstehenden Elementen
ins Innere des Wickels. Alternativ kann ohne zusätzlichen Raumbedarf eine Granulatfüllung vorgesehen
werden, die beispielsweise dazu dienen kann, eindringende Feuchte zu
absorbieren. Als Granulatfüllung
kommt beispielsweise ein Molekularsiebgranulat in Betracht.
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In
einer Ausführungsform
der Kondensatoranordnung ist zwischen der Spannplatte und dem Wickel
ein Federelement angeordnet. Ein solches Federelement hat den Vorteil,
daß es
zusätzlich
den Aufbau einer Federkraft zur Verspannung des Kondensators zwischen
der Kühlplatte
und der Spannplatte bewirken kann. Dadurch kann die mechanische
Stabilität
und insbesondere die Eignung für
den Einsatz bei starken Vibrationen, beispielsweise im Automobilbereich,
verbessert werden.
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Vorteilhafterweise
kann als Federelement eine Schaumstoffmatte verwendet werden.
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Als
Befestigungselement kommen insbesondere Maschinenelemente mit einer
Spannfunktion in Betracht.
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Als
Maschinenelemente können
beispielsweise Spannschrauben zum Einsatz kommen.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
der Kondensatoranordnung schließt
die Spannplatte bündig
mit den Abmessungen des Kondensators ab. Dadurch kann erreicht werden,
daß die
Kondensatoranordnung sehr platzsparend ausgeführt ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Kondensatoranordnung sind auf der Kühlplatte elektronische Baugruppen
angeordnet. Diese elektronischen Baugruppen ermöglichen es beispielsweise,
die Kondensatoranordnung als Konvertersystem, insbesondere als Inverter
für den
Automobilbereich auf der Basis von genormten Powermodulen zu verwenden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren
näher erläutert.
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1 zeigt
eine Kondensatoranordnung in einem schematischen Querschnitt.
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2 zeigt
einen Kondensator in einem schematischen Längsschnitt.
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3 zeigt
den Kondensator aus 2 teils in einer Seitenansicht
und teils in einem Querschnitt entlang der Linie I-I.
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1 zeigt
einen Kondensatorwickel 1, der vorzugsweise ein Schichtwickel
ist aber auch ein Flach- oder in Sonderfällen ein Rundwickel sein kann,
welcher übereinanderliegende
Elektrodenschichten 2 und dazwischenliegende Isolierschichten 3 enthält. Der
Kondensatorwickel 1 kann insbesondere aus einem Stapel
von übereinanderliegenden metallisierten
Polymerschichten gebildet sein. Vorteilhafterweise ist der Kondensatorwickel
durch an sich bekannte Maßnahmen
als selbstheilender Kondensatorwickel ausgebildet. An den beiden
gegenüber liegenden
Seitenflächen
des Kondensatorwickels sind Kontaktschichten 13 vorgesehen,
die zur Kontaktierung der innenliegenden Elektrodenschichten dienen
und die den positiven (minus) und den negativen (plus) Pol des Kondensators
bilden. Die Kontaktschichten 13 können vorteilhafterweise in
Form von flammgespritzten Schoopschichten gebildet sein. Im Innern
des Kondensatorwickels 1 ist eine oder mehrere Aussparungen 41, 42 vorgesehen,
die in Form von Bohrungen in dem Kondensator gebildet sind. Die
Aussparungen 41, 42 befinden sich im aktiven Teil
des Kondensatorwickels 1. Diese Bohrungen werden nach der
Herstellung des Kondensatorwickels durch ein geeignet geformtes
Werkzeug in den Kondensatorwickel 1 eingearbeitet.
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Die
hier beschriebenen Kondensatoren sind nicht auf Schichtwickel beschränkt, sondern
können auch
Flachwickel- oder Rundwickelkondensatoren und insbesondere auch
Leistungskondensatoren sein. Darüber
hinaus wird darauf hingewiesen, daß die in 1 gezeigte
Kondensatoranordnung besonders für
Konvertersysteme bei kleinen Leistungen geeignet ist, jedoch grundsätzlich nicht
darauf begrenzt ist.
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Der
in 1 gezeigte Kondensator weist keine Umhüllung auf,
es ist jedoch jederzeit möglich, den
Kondensator mit einer Umhüllung
zu versehen. Beispielsweise ist es möglich, den Kondensator durch
Tauchlackieren, Pulverbeschichten, Umsintern, Umgießen oder
Umpressen mit einer geeigneten Umhüllung zu versehen.
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Der
Kondensatorwickel 1 ist auf der Unterseite einer Kühlplatte 8 aufgebaut.
Durch eine Spannplatte 7, die auf der der Kühlplatte 8 gegenüberliegenden
Seite des Kondensatorwickels 1 angeordnet ist und mittels
Befestigungselementen 5, die in den Aussparungen 41, 42 angeordnet
sind, ist der Kondensatorwickel 1 gegen die Kühlplatte 8 verspannt.
Bei den Befestigungselementen 5 kann es sich vorzugsweise
um Schrauben han deln, die in ein in der Kühlplatte 8 befindliches
geeignetes Gewinde eingeschraubt sind.
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Zusätzlich kann
in einer Aussparung 41 ein Molekularsiebgranulat 15 enthalten
sein. Die Granulen haben vorzugsweise eine Ausdehnung bzw. einen
Durchmesser zwischen 0,3 und 0,7 mm.
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Zur
elektrischen Isolierung zwischen dem Kondensatorwickel 1 und
der Kühlplatte 8 ist
eine Isolierung 14 vorgesehen, die beispielsweise eine mehrlagige
Polyimidfolie sein kann. Eine solche Polyimidfolie hat den Vorteil,
daß sie
den Wärmewiderstand
zwischen dem "Hotspot" des Kondensators und
der Oberfläche
der Kühlplatte
nicht nennenswert erhöht,
so daß die
Kühlplatte 8 ihrer
Kühlfunktion ohne
größere Einschränkungen
gerecht werden kann.
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Um
den insbesondere im Automobilbereich auftretenden Schwing- und mechanischen
Schockbelastungen widerstehen zu können, ist es vorteilhafterweise
vorgesehen, zwischen der Spannplatte 7 und dem Kondensatorwickel 1 ein
Federelement 9 vorzusehen. Ein solches Federelement kann
beispielsweise eine geeignet geformte Beilagscheibe für die Befestigungselemente 5 sein.
Es kommt jedoch auch in Betracht, eine dauerhaft federnde, geschlossenzellige
Kunststoffmatte ("Spring
Pad") als Federelement 9 zu
verwenden. Eine solche Kunststoffmatte wird idealerweise über die
gesamte Kontaktfläche zwischen
der Spannplatte 7 und dem Kondensatorwickel 1 ausgelegt.
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Die
vorliegend beschriebene Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer
Kühlplatte
und einer Spannplatte beschränkt.
Vielmehr sind alle möglichen
Ausgestaltungen umfaßt,
wo ein Kondensatorwickel der hier beschriebenen Art und Weise auf
eine Montageplatte montiert wird, wobei die Befestigungselemente
in den Aussparungen im Wickel verlaufen.
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Auf
der Oberseite der Kühlplatte 8 sind
weitere elektronische Baugruppen vorgesehen, beispielsweise ein
Halbleiterventilsatz 10 sowie eine Ansteuereinheit 11 ("Gate-Drive-Unit").
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Zur
Kontaktierung der elektrischen Baugruppen mit dem Kondensatorwickel
ist eine Leitung 12 vorgesehen (die in der Regel als niederinduktive Bandleitung
ausgeführt
ist), die durch ein entsprechendes Loch der Kühlplatte 8 geführt ist
oder an der geometrisch angepassten Kühlplatte vorbeiläuft.
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1 ist
des weiteren zu entnehmen, daß der
Kondensatorwickel 1 und die Spannplatte 7 im wesentlichen
dieselbe Breite b aufweisen, d.h., daß die Spannplatte 7 den
Kondensatorwickel 1 nicht wesentlich überragt, wodurch eine platzsparende
Bauweise der Kondensatoranordnung zusammen mit der Konverterbaugruppe
ermöglicht
wird.
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Bei
dem in 1 gezeigten selbstheilenden Kondensatorwickel
wird durch die Herstellung der Aussparungen 41, 42 mittels
besonders gestalteter, geeignet optimierter Werkzeuge erreicht,
daß der Kondensatorwickel
ausreichend spannungsfest ist und die Lebensdauer des gebohrten
Kondensators nicht reduziert wird.
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Darüber hinaus
ist es auch möglich,
zusätzliche
Funktionen auf einfache Art und Weise zu integrieren, wie beispielsweise
eine Durchführungskondensatorfunktion,
Hybridbauweisen usw., wobei insbesondere die Integration z.B. einer
Spule und/oder eines Widerstandes im Bereich einer Aussparung im Kondensatorwickel 1 möglich wäre.
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2 zeigt
einen weiteren Kondensatorwickel, wobei eine der Aussparungen ein
nicht durchgehendes Loch 6, also ein Sackloch ist. Mittels
eines solchen Sacklochs ist natürlich
keine Befestigung des Kondensatorwickels auf einer Montageplatte
mittels eines Befestigungselementes möglich. Jedoch kann ein solches
nicht durchgehendes Loch 6 dazu verwendet werden, aus der
Montageplatte hervorstehende Elemente platzsparend ins Innere des
Kondensatorwickels zu integrieren.
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In 2 sind
des weiteren noch weitere Aussparungen 43, 44 gezeigt,
die nicht ins Innere des Kondensatorwickels 1 integriert
sind, sondern die am Rand des Kondensators durch geeignete Werkzeuge eingearbeitet
sind. Auch die Aussparungen 43, 44 sind entweder
dazu geeignet, ein Befestigungselement im Innern der geometrischen
Abmessungen des Kondensatorwickels zu führen und somit eine platzsparende
Montage des Kondensatorwickels zu ermöglichen. Die Aussparungen 43, 44 können jedoch
auch dazu geeignet sein, aus der Montageplatte oder sonst wie hervorstehende
zusätzliche
Elemente einer Kondensatoranordnung platzsparend am Rand des Kondensatorwickels
zu integrieren und somit eine kompakte Bauweise zu fördern.
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3 zeigt,
daß die
Seitenfläche
des Kondensatorwickels aus 2 mit einer
Kontaktschicht 13 bedeckt ist. Ferner zeigt 3,
daß das
nicht durchgehende Loch 6, also das Sackloch in etwa bis zur
halben Tiefe des Kondensatorwickels reicht.
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Der
hier beschriebene Kondensator kann im Rahmen eines Konvertersystems
vorzugsweise die Funktion eines Zwischenkreiskondensators übernehmen.
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Es
sind aber auch alle weiteren Funktionen eines Kondensatorbauteils
denkbar.
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- 1
- Kondensatorwickel
- 2
- Elektrodenschicht
- 3
- Isolierschicht
- 41,
42, 43, 44, 45
- Aussparung
- 5
- Befestigungselement
- 6
- Sackloch
- 7
- Spannplatte
- 8
- Kühlplatte
- 9
- Federelement
- 10
- Halbleiterventilsatz
- 11
- Ansteuereinheit
- 12
- Leitung
- 13
- Kontaktschicht
- 14
- Isolierung
- 15
- Granulat
- 16
- hervorstehendes
Element
- b
- Breite