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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator. Insbesondere kann der Kondensator ein metallisierter Gleichstrom-Zwischenkreis-Folienkondensator sein. Der Kondensator kann ein Leistungskondensator sein.
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Bei der Konstruktion eines Zwischenkreiskondensators ist es ein Ziel, einen Kondensator mit einer niedrigen äquivalenten Serieninduktivität (ESL) bereitzustellen. In der
WO 2019 / 101 802 A1 werden Kondensatoren vorgeschlagen, bei denen die Polarität jedes Wickelelements in Bezug auf das benachbarte Wickelelement umgekehrt ist. Obwohl diese Konstruktion zu einer niedrigen ESL führt, hat sie den Nachteil, dass sie eine große Menge an Kupfer und eine hohe Anzahl von Isolierplatten zwischen den Wickelelementen erfordert.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kondensator bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen des Kondensators.
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Es wird ein Kondensator bereitgestellt, der mindestens vier in einem Stapel angeordnete Wickelelemente umfasst, wobei jedes Wickelelement eine Oberseite und eine Unterseite aufweist. Die Oberseite kann der Unterseite gegenüberliegen. Eine Wickelachse des Wickelelements kann senkrecht zur Oberseite und zur Unterseite verlaufen. Ein Wickelelement kann eine Kapazitätseinheit sein. Jedes Wickelelement des Kondensators kann die gleiche Kapazität haben. Jedes Wickelelement kann einen ersten Pol mit einer ersten Polarität, z. B. einer positiven Polarität, und einen zweiten Pol mit einer zweiten Polarität, z. B. einer negativen Polarität, aufweisen. Durch Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Pol kann Energie in dem Wickelelement gespeichert werden.
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Der Kondensator weist eine erste Stromschiene und eine zweite Stromschiene auf. Eine Stromschiene kann ein metallischer Streifen, eine metallische Stange oder ein Metallblech sein, das für die lokale Starkstromverteilung konfiguriert ist.
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In einer Stapelrichtung des Stapels von Wickelelementen ist die erste Stromschiene mit der Oberseite des ersten Wickelelements, mit der Oberseite des letzten Wickelelements und mit den Unterseiten der anderen Wickelelemente verbunden. In der Stapelrichtung des Wicklungsstapels ist die zweite Stromschiene mit der Unterseite des ersten Wickelelements, mit der Unterseite des letzten Wickelelements und mit den Oberseiten der anderen Wickelelemente verbunden.
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Dementsprechend können die Oberseiten der äußersten Wickelelemente des Stapels mit der ersten Stromschiene verbunden werden und die Unterseiten aller anderen Wickelelemente können ebenfalls mit der ersten Stromschiene verbunden werden. Die Unterseiten der äußersten Wickelelemente können mit der zweiten Stromschiene verbunden werden und die Oberseiten der anderen Wickelelemente können mit der zweiten Stromschiene verbunden werden.
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Diese Anordnung der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene ergibt einen Stapel von Wickelelementen, wobei die äußersten Wickelelemente eine entgegengesetzte Polarität im Vergleich zu den anderen Wickelelementen des Stapels aufweisen. In dem Stapel haben in jedem Paar benachbarter Wickelelemente die benachbarten Wickelelemente eine identische Polarität, mit Ausnahme des Paares, das durch das erste und das zweite Wickelelement gebildet wird, und des Paares, das durch das letzte und das vorletzte Wickelelement gebildet wird.
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Indem nur die Polaritäten der äußersten Wickelelemente invertiert werden, kann der magnetische Fluss der von den einzelnen Wickelelementen im Stapel erzeugten Magnetfelder ausreichend kompensiert werden. Dies führt zu einer niedrigen ESL des Kondensators.
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Der Kondensator eignet sich gut für Leistungsanwendungen mit Spannungen über 600 V und Schaltfrequenzen von mehr als 10 kHz. Aufgrund der Umkehrung der Polaritäten der äußersten Wickelelemente werden die von den einzelnen Wickelelementen im Stapel erzeugten Magnetfelder schwächer oder heben sich sogar gegenseitig auf. Somit kann insgesamt nur ein sehr schwaches Magnetfeld erzeugt werden, wenn eine Spannung an die Wickelelemente des Stapels angelegt wird. Dies führt zu einer geringen Induktivität der Verbindung zwischen den Wickelelementen und den Stromschienen. Daher kann die Induktivität des Kondensators sehr klein sein. Eine kleine Induktivität zwischen den Wickelelementen ist für einen Leistungskondensator wichtig, da eine hohe Induktivität zu Resonanzeffekten und hohen Verlusten aufgrund von parasitären Induktivitäten und Widerständen führen würde.
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Außerdem werden durch die Umkehrung der Polaritäten der äußersten Wickelelemente die Induktivitäten der sich überlappenden Stromschienen verringert. Dadurch wird die Induktivität des gesamten Geräts verringert.
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Da nur die äußersten Wickelelemente eine umgekehrte Polarität im Vergleich zu den jeweiligen benachbarten Wickelelementen aufweisen, müssen nur die äußersten Wickelelemente gegenüber dem benachbarten Wickelelement isoliert werden, beispielsweise durch eine Isolierplatte. Im Vergleich zu einem Referenzkondensator, bei dem jedes Windungselement eine entgegengesetzte Polarität zu seinem benachbarten Windungselement aufweist, kann die Anzahl der Isolatoren erheblich reduziert werden. Die Verringerung der Anzahl der Isolatoren führt zu einem geringeren Gewicht, zu geringeren Materialkosten und zu einem vereinfachten Herstellungsverfahren.
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Das erste Wickelelement in Stapelrichtung des Stapels und das letzte Wickelelement in Stapelrichtung des Stapels haben eine identische Polarität und die anderen Wickelelemente können eine Polarität haben, die der Polarität des ersten Wickelelements entgegengesetzt ist.
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Die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene können so angeordnet werden, dass sie sich gegenseitig überlappen. Insbesondere können die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene so angeordnet werden, dass mindestens 20 % der Fläche der ersten Stromschiene von der zweiten Stromschiene überlappt werden, vorzugsweise mindestens 50 % der Fläche der ersten Stromschiene von der zweiten Stromschiene. Vorzugsweise werden mindestens 80 % der Fläche der ersten Stromschiene von der zweiten Stromschiene überlappt. Im Bereich der Überlappung der Stromschienen kann ein dünner Isolator zwischen den Stromschienen angeordnet sein, der einen Kurzschluss zwischen den Stromschienen verhindert.
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Die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene können so konfiguriert werden, dass in den Stromschienen Ströme in entgegengesetzter Richtung fließen. Durch die Überlappung der Stromschienen wird ein Magnetfeld, das durch den in der ersten Stromschiene fließenden Strom erzeugt wird, durch ein Magnetfeld, das durch einen in der zweiten Stromschiene fließenden Strom erzeugt wird, kompensiert oder zumindest abgeschwächt. Je größer die Überlappung zwischen den Stromschienen ist, desto besser ist die Abschwächung oder Aufhebung der Magnetfelder. Die Kompensation der Magnetfelder kann zu einer niedrigen Induktivität und einer homogenen Impedanz für alle Wickelelemente führen. Die Kompensation der Magnetfelder durch die überlappenden Stromschienen und die Kompensation der Magnetfelder durch die umgekehrten Polaritäten der äußersten Wickelelemente im Stapel verringern beide die parasitäre Induktivität des Kondensators und sorgen so für einen Kondensator mit einer sehr niedrigen ESL.
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Die erste Stromschiene und die zweite Stromschiene können an einer Seitenfläche des Stapels angeordnet sein, die senkrecht zu den Oberseiten der Wickelelemente und senkrecht zu den Unterseiten der Wickelelemente verläuft. Die Seitenfläche des Stapels kann eine kleinere Fläche haben als die Oberseite des Stapels, die durch die Oberseite der Wickelelemente gebildet wird, und eine kleinere Fläche als die Unterseite des Stapels, die durch die Unterseiten der Wickelelemente gebildet wird. Durch die Anordnung der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene auf der Seitenfläche des Stapels werden die Stromschienen auf einer Fläche angeordnet, die eine relativ kleine Fläche hat, wodurch nur eine geringe Menge an Material für die Stromschienen erforderlich ist. Die Stromschienen können Kupfer aufweisen oder aus Kupfer bestehen. Durch die Reduzierung der Materialmenge für die Stromschienen können das Gewicht und die Materialkosten des Kondensators gesenkt werden.
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Eine erste Isolierplatte kann das erste Wickelelement von den anderen Wickelelementen des Stapels trennen, eine zweite Isolierplatte kann das letzte Wickelelement von den anderen Wickelelementen des Stapels trennen. Zwischen den anderen Wickelelementen des Stapels können keine Isolierplatten angeordnet sein.
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Dementsprechend können Isolierplatten nur zwischen den Paaren von Wickelelementen angeordnet werden, die eine entgegengesetzte Polarität zueinander aufweisen. Unabhängig von der Anzahl der Wickelelemente im Stapel werden nur zwei Isolierplatten benötigt, da nur die äußersten Paare benachbarter Wickelelemente aus Wickelelementen mit entgegengesetzter Polarität bestehen. Durch die Verringerung der Anzahl der Isolierplatten im Kondensator können der Materialbedarf und die Kosten für den Kondensator gesenkt werden.
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Die erste Stromschiene kann aus einem ersten und einem zweiten Teil bestehen. Der erste Teil kann mit der Oberseite des ersten Wickelelements und der Oberseite des letzten Wickelelements verbunden werden. Der zweite Teil kann mit den Unterseiten der anderen Wickelelemente verbunden werden. Die beiden Teile der ersten Stromschiene können miteinander verbunden werden, z. B. durch Laserschweißen. Die zweite Stromschiene kann nur aus einem einzigen Teil bestehen.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
- Die 1 und 2 zeigen einen Kondensator in einer perspektivischen Ansicht.
- 3 zeigt Teile eines Kondensators.
- 4 zeigt die Ergebnisse einer Simulation der ESL des in 3 dargestellten Kondensators und eines Referenzkondensators.
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Die 1 und 2 zeigen einen Kondensator in einer perspektivischen Ansicht. 1 zeigt eine Ansicht der Unterseite des Kondensators und 2 zeigt eine Ansicht der Oberseite des Kondensators.
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Der Kondensator weist mehrere Wickelelemente 1-6 auf, die in einem Stapel angeordnet sind. Jedes Wickelelement 1-6 weist eine Unterseite 1a-6a und eine Oberseite 1b-6b auf. Die Oberseite 1a-6a und die Unterseite 1b-6b liegen einander gegenüber, und eine Wickelachse des jeweiligen Wickelelements 1-6 verläuft senkrecht zu jeder der Oberseite 1a-6a und der Unterseite 1b-6b.
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Die Wickelelemente 1-6 sind in dem Stapel so angeordnet, dass jede der Oberseiten 1b-6b in dieselbe Richtung weist. Insbesondere ist eine Flächennormale jeder Oberseite 1b-6b senkrecht zur Stapelrichtung S des Stapels. Außerdem weisen die Unterseiten 1a-6a jedes Wickelelements in dieselbe Richtung, wobei die Flächennormalen der Unterseiten 1a-6a senkrecht zur Stapelrichtung und entgegengesetzt zur Flächennormalen der Oberseiten 1a-5a sind.
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In der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform weist der Kondensator sechs Wickelelemente 1-5 auf. Zur Veranschaulichung sind zwei der sechs Wickelelemente 1-6 in 2 nicht dargestellt. Der Kondensator kann auch vier oder fünf Wickelelemente oder eine beliebige andere Anzahl von Wickelelementen aufweisen, die größer als sechs ist.
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Der Kondensator weist eine erste Stromschiene 7 und eine zweite Stromschiene 8 auf.
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Die erste Stromschiene 7 und die zweite Stromschiene 8 sind an einer Seitenfläche des Stapels angeordnet. Die Seitenfläche verbindet eine Oberseite des Stapels, die von den Oberseiten 1b-6b der Wickelelemente 1-6 gebildet wird, mit einer Unterseite des Stapels, die von den Unterseiten 1a-6a der Wickelelemente 1-6 gebildet wird. Die erste Stromschiene 7 und die zweite Stromschiene 8 überlappen jeweils nur einen kleinen Teil der Oberseite des Stapels und der Unterseite des Stapels. Beispielsweise überlappen die erste Stromschiene 7 und die zweite Stromschiene 8 jeweils weniger als 10 % der Oberfläche der Oberseite des Stapels und der Unterseite des Stapels. Diese Anordnung der Stromschienen 7, 8 ermöglicht es, die Stromschienen 7, 8 mit einer kleinen Oberfläche zu konstruieren, so dass die Menge des für die Stromschienen 7, 8 verwendeten Materials moderat bleibt, was zu einem geringen Gewicht des Kondensators führt.
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Die erste Stromschiene 7 kann an einen ersten Pol eines externen Schaltkreises angeschlossen werden. Die zweite Stromschiene 8 kann an einen zweiten Pol eines externen Schaltkreises angeschlossen werden. Die erste Stromschiene 7 und die zweite Stromschiene 8 sind so ausgelegt, dass in den Stromschienen 7, 8 Ströme entgegengesetzter Polarität fließen.
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Die erste Stromschiene 7 und die zweite Stromschiene 8 umfassen jeweils einen oder mehrere Anschlüsse (nicht dargestellt). Die Stromschienen 7, 8 sind so konfiguriert, dass sie über ihre Anschlüsse an einen externen Schaltkreis angeschlossen werden können. An die Anschlüsse kann ein elektrisches Signal angelegt werden.
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Die erste Stromschiene 7 ist in Stapelrichtung S mit der Oberseite 1b des ersten Wickelelements 1 verbunden. Die erste Stromschiene 7 umfasst zwei Anschlussstifte 9, die jeweils mit der Oberseite 1b des ersten Wickelelements 1 verbunden sind.
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Die erste Stromschiene 7 ist mit der Oberseite 6b des letzten Wickelelements 6 in Stapelrichtung S verbunden. Die erste Stromschiene 7 umfasst zwei Anschlussstifte 9, die mit der Oberseite 6b des letzten Wickelelements 6 verbunden sind.
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Die erste Stromschiene 7 ist mit den Unterseiten 2a-5a aller Wickelelemente 2-5 verbunden, mit Ausnahme der Unterseite 1a des ersten Wickelelements 1 und der Unterseite 6a des letzten Wickelelements 6 in Stapelrichtung S. Die erste Stromschiene 7 ist mit jeder der Unterseiten der Wickelelemente 2-5 über zwei Anschlussstifte 9 verbunden.
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Die zweite Stromschiene 8 ist in Stapelrichtung S mit der Unterseite 1a des ersten Wickelelements 1 verbunden. Die zweite Stromschiene 8 umfasst zwei Anschlussstifte 9, die jeweils mit der Unterseite 1a des ersten Wickelelements 1 verbunden sind.
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Die zweite Stromschiene 8 ist mit der Unterseite 6a des letzten Wickelelements 6 in Stapelrichtung S verbunden. Die zweite Stromschiene 8 umfasst zwei Anschlussstifte 9, die mit der Unterseite 6a des letzten Wickelelements 6 verbunden sind.
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Die zweite Stromschiene 8 ist mit den Oberseiten 2b-5b aller Wickelelemente 2-5 verbunden, mit Ausnahme der Oberseiten 1b, 6b des ersten und des letzten Wickelelements 1, 6 in Stapelrichtung S. Für jedes der Wickelelemente 2-5, mit Ausnahme des ersten Wickelelements 1 und des letzten Wickelelements 6 in Stapelrichtung, umfasst die zweite Stromschiene 8 zwei Anschlussstifte 9, die mit der jeweiligen Oberseite 2b-5b verbunden sind.
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Dementsprechend haben das erste Wickelelement 1 und das letzte Wickelelement 6 eine Polarität, die der Polarität der anderen Wickelelemente 2-5 entgegengesetzt ist. Mit anderen Worten, die äußeren Wickelelemente 1, 6 des Stapels haben eine entgegengesetzte Polarität im Vergleich zu den anderen Wickelelementen 2-5.
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Die Polaritäten der Wickelelemente 1-6 wechseln entlang der Stapelrichtung S vom ersten Wickelelement 1 zum benachbarten nächsten Wickelelement 2 und wiederum vom zweitletzten Wickelelement 5 zum letzten Wickelelement 6. In einem mittleren Abschnitt des Stapels, der zwischen dem zweiten Wickelelement 2 und dem vorletzten Wickelelement 5 gebildet wird, wechseln die Polaritäten der Wickelelemente 2-5 nicht in Stapelrichtung S.
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Durch den Wechsel der Polaritäten der äußersten Wickelelemente 1, 6 wird der von einem Paar aus einem der äußersten Wickelelemente 1, 6 und dem jeweils benachbarten Wickelelement 2, 5 erzeugte magnetische Fluss kompensiert. Der magnetische Fluss der anderen Paare von Wickelelementen im mittleren Teil des Stapels wird nicht kompensiert. Durch den Polaritätswechsel der äußersten Wickelelemente 1, 6 und des jeweils benachbarten Wickelelements 2, 5 fließen jedoch an jedem Punkt der Stromschienen 7, 8 gegenläufige Wechselströme und damit wird die Induktivität in der „Zuleitung“ zu den Wickelelementen deutlich reduziert. Die Induktivität der einzelnen Wickelelemente 1-6 kann bereits sehr gering sein. Bei der vorliegenden Parallelschaltung der Wickelelemente 1-6 wird dieser Wert durch die Anzahl der Wickelelemente geteilt und wird somit zunehmend unbedeutend.
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Insgesamt führt dies zu einer nur sehr geringen parasitären Induktivität des Kondensators. Durch die Verringerung der parasitären Induktivitäten ist die Impedanz zwischen den Anschlüssen und den einzelnen Wickelelementen 1-6 für jede Frequenz in der Bandbreite, in der der Kondensator betrieben werden kann, homogener. Dies führt zu einer niedrigen und homogenen ESL von jedem Paar von Anschlüssen 8.
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Wie bereits erwähnt, überlappen sich die erste Stromschiene 7 und die zweite Stromschiene 8. Ein Strom, der durch die erste Stromschiene 7 fließt, erzeugt ein erstes Magnetfeld und ein Strom, der durch die zweite Stromschiene 8 fließt, erzeugt ein zweites Magnetfeld. Durch die Überlappung der beiden Stromschienen 7, 8 kompensieren sich das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld gegenseitig. Die Kompensation der Magnetfelder führt zu einer niedrigen Induktivität und homogenen Impedanz für alle Wickelelemente 1-6.
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Die Induktivität von Magnetfeldern, die von benachbarten Wickelelementen 2-5 gleicher Polarität ausgehen, wird durch die Verringerung der Induktivität in den überlappenden Stromschienen 7, 8 kompensiert. Die Kombination aus überlappenden Stromschienen 7, 8 mit entgegengesetzter Polarität und einem Stapel, bei dem die äußersten Wickelelemente 1, 6 im Vergleich zu den anderen Wickelelementen 2-5 eine entgegengesetzte Polarität haben, führt zu einer sehr guten Reduzierung des magnetischen Flusses und damit zu einer niedrigen ESL.
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Die erste Stromschiene 7 besteht aus einem ersten Teil 7a und einem zweiten Teil 7b. Jedes Teil 7a, 7b besteht aus einem Metallblech. Der erste Teil 7a der ersten Stromschiene 7 ist mit den Oberseiten 1b, 6b des ersten und des letzten Wickelelements 1, 6 verbunden. Der zweite Teil 7b der ersten Stromschiene 7 ist mit den Unterseiten 2b-5b der anderen Wickelelemente 2-5 verbunden. Der zweite Teil 7b umfasst den Anschluss der ersten Stromschiene 7. Der erste Teil 7a und der zweite Teil 7b sind dauerhaft miteinander verbunden, z. B. durch Laserschweißen.
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Zwischen der ersten Stromschiene 7 und der zweiten Stromschiene 8 ist ein Isolator angeordnet, der einen Kurzschluss zwischen den beiden Stromschienen darstellt.
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3 zeigt Teile eines Kondensators, der fünf Wickelelemente 1-3, 5, 6 umfasst. Der Kondensator in 3 unterscheidet sich von dem in den 1 und 2 gezeigten Kondensator nur durch die Anzahl der Wickelelemente. Der Einfachheit halber werden die fünf Wickelelemente mit 1-3, 5 und 6 bezeichnet, so dass das Wickelelement 4 im Vergleich zum Kondensator der 1 und 2 weggelassen wird.
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In 3 sind insbesondere die fünf Wickelelemente 1-3, 5, 6 des Stapels, eine erste Isolierplatte 10 und eine zweite Isolierplatte 11 gezeigt.
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Die erste Isolierplatte 10 ist zwischen dem ersten Wickelelement 1 und dem zweiten Wickelelement 2 in Stapelrichtung S angeordnet. Die zweite Isolierplatte 11 ist zwischen dem letzten Wickelelement 6 und dem vorletzten Wickelelement 5 in Stapelrichtung S angeordnet.
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Dementsprechend sind die Isolierplatten 10, 11 zwischen jedem Paar von Wickelelementen 1-2, 5-6 mit entgegengesetzter Polarität angeordnet. Die Isolierplatten 10, 11 sind nicht zwischen den Wickelelementen 1-3, 5 mit derselben Polarität angeordnet. Im Vergleich zu einem Kondensator, bei dem jedes Wickelelement im Vergleich zu seinem benachbarten Wickelelement eine entgegengesetzte Polarität aufweist, kann die Anzahl der Isolierplatten reduziert werden, wodurch das Gewicht und die Kosten des Kondensators verringert werden.
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Die in den 1 bis 3 gezeigten Kondensatoren benötigen nur zwei Isolierplatten 10, 11 für jeden Stapel von Wickelelementen, während bei einem Kondensator mit n Wickelelementen mit entgegengesetzten Polaritäten zwischen jedem Paar benachbarter Wickelelemente n-1 Isolierplatten für einen Stapel von n Wickelelementen erforderlich sind. Bei den in den 1 bis 3 dargestellten Kondensatoren beträgt die Anzahl der Isolierplatten immer zwei für eine beliebige Anzahl von n Wickelelementen im Stapel.
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4 zeigt die Ergebnisse einer Simulation des ESL des in 3 dargestellten Kondensators und eines Referenzkondensators. Die erste Kurve C1 zeigt die ESL für ein Paar von Anschlüssen eines Kondensators gemäß 3. Die zweite Kurve C2 zeigt die ESL ein Paar von Anschlüssen eines Referenzkondensators, bei dem alle Wickelelemente die gleiche Polarität haben. Im Vergleich zum Referenzkondensator ist die ESL um etwa 6 nH reduziert. Die Änderung der Polaritäten der äußersten Wickelelemente 1, 5 führt also zu einer deutlichen Verringerung der ESL und gleichzeitig nur zu einer mäßigen Erhöhung des Gewichts und der Kosten, da nur zwei zusätzliche Isolierplatten 10, 11 erforderlich sind. Diese Isolierplatten 10, 11 sind zwischen jedem Paar von Wickelelementen 1-2, 4-5 mit entgegengesetzter Polarität angeordnet.
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Referenznummern
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- 1
- Wickelelement
- 1a
- Unterseite
- 1b
- Oberseite
- 2
- Wickelelement
- 2a
- Unterseite
- 2b
- Oberseite
- 3
- Wickelelement
- 3a
- Unterseite
- 3b
- Oberseite
- 4
- Wickelelement
- 4a
- Unterseite
- 4b
- Oberseite
- 5
- Wickelelement
- 5a
- Unterseite
- 5b
- Oberseite
- 6
- Wickelelement
- 6a
- Unterseite
- 6b
- Oberseite
- 7
- erste Stromschiene
- 7
- erster Teil
- 7
- zweiter Teil
- 8
- zweite Stromschiene
- 9
- Anschlussstift
- 10
- erste Isolierplatte
- 11
- zweite Isolierplatte
- S
- Stapelrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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