BR112012032363B1 - Condutor elétrico dotado de um sistema de isolamento elétrico que circunda o condutor elétrico, motor elétrico com um enrolamento ou bobina e transformador com um enrolamento - Google Patents
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Abstract
condutor elétrico com isolamento elétrico circundante. a presente invenção refere-se a um condutor elétrico dotado de um sistema de isolamento elétrico que circunda o condutor (1), o isolamento compreende uma primeira camada de isolamento (2) que circunda o condutor e uma segunda camada de isolamento (3) que circunda a primeira camada de isolamento (2). a segunda camada de isolamento (3) compreende um segundo polímero e uma segunda carga na foma de óxido de cromo (cr2o3), óxido de ferro (fe2o3), ou uma mistura de óxido de cromo e óxido de ferro, em que a primeira camda de isolamento (2) compreende um primeiro polímero e uma primeira carga compreende nanopartículas dispersas.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para CONDUTOR ELÉTRICO DOTADO DE UM SISTEMA DE ISOLAMENTO ELÉTRICO QUE CIRCUNDA O CONDUTOR ELÉTRICO, MOTOR ELÉTRICO COM UM ENROLAMENTO OU BOBINA E TRANSFORMADOR COM UM ENROLAMENTO.
CAMPO DA TÉCNICA [001] A presente invenção refere-se a um condutor elétrico dotado de um sistema isolante elétrico circundante.
ANTECEDENTES [002] Condutores elétricos dotados de um isolante elétrico na forma de um verniz carregado com partículas de óxido de cromo (C2O3) ou óxido de ferro (Fe2O3) são conhecidos por fornecer excelente resistência contra descargas parciais. Estes tipos de condutores elétricos isolados são tipicamente usados em motores elétricos e são, então, chamados de fios esmaltados.
[003] O documento EP 356 929 A1, incorporado ao presente documento por referência, apresenta um exemplo de um fio esmaltado que tem um sistema de revestimento isolante compreende uma cobertura de base e uma cobertura de topo. A cobertura de topo compreende um polímero orgânico de, por exemplo, poliesteramida (PEA) e uma carga na forma de partículas de óxido de cromo ou partículas de óxido de ferro com um tamanho de partícula médio de 0,005 a 30 pm, preferencialmente 0,15 a 10 pm. A cobertura de topo é aplicada em uma cobertura de base de poliéster ou poliesterimida (PEI) que circunda o condutor. A quantidade de partículas de óxido de cromo deve ser alta o suficiente para formar uma estrutura percolada. Por esta resistividade intrínseca de 104 a 108 ohm m é alcançada na cobertura de topo, a qual protegerá eletricamente o sistema de isolamento sob descargas elétricas. Desse modo, a iniciação da erosão elétrica do revestimento isolante é evitada. Uma vez que a cobertura de topo é penetrada ou
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2/11 quebrada, a erosão elétrica procede de maneira rápida através da cobertura de base. Uma desvantagem do tipo de sistema de isolamento descrito acima é que com a exigência de aumento no revestimento isolante para suportar campos elétricos altos uma quantidade maior de óxido de cromo é desejada. Com esta quantidade maior de óxido de cromo as propriedades mecânicas do sistema de isolamento são diminuídas. Já que o fio revestido é submetido à flexão, por exemplo, durante a fabricação de motores, é necessário que o sistema de isolamento tenha excelentes propriedades mecânicas, como excelente resistência à flexão.
[004] Especialmente para motores controlados por conversores de frequência de baixa tensão existem exigências aumentadas no revestimento de isolamento de condutor para resistir a tensões disruptivas que podem dar origem a descargas parciais no sistema de isolamento do condutor e, subsequentemente, erosão elétrica possível do sistema de isolamento. Há, portanto uma necessidade de um sistema de isolamento elétrico para condutores metálicos, como fios, que têm uma resistência similar ou maior contra descargas parciais do que os sistemas de isolamento atuais.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [005] Um objetivo da invenção é fornecer um condutor elétrico isolado com alta resistência contra descargas parciais nos sistemas de isolamento elétrico. Outro objetivo da invenção é aprimorar os desempenhos mecânicos do sistema de isolamento elétrico do condutor elétrico isolado.
[006] Esses objetivos são alcançados fornecendo-se um condutor elétrico dotado de um sistema de isolamento elétrico que circunda o condutor, o sistema de isolamento compreende uma primeira camada de isolamento elétrico que circunda o condutor e uma segunda camada de isolamento elétrico que circunda a primeira camada de isola
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3/11 mento. A segunda camada de isolamento compreende um segundo polímero e uma segunda carga na forma de óxido de cromo (Cr2O3), óxido de ferro (Fe2O3), ou uma mistura de óxido de cromo e óxido de ferro, em que a primeira camada de isolamento compreende um primeiro polímero e uma primeira carga que compreende nanopartículas dispersas.
[007] As nanopartículas são preferencialmente bem dispersas no primeiro polímero, o que significa que a dispersão das nanopartículas no primeiro polímero pode ser conduzida de qualquer forma convencional, enquanto a dispersão é executada de modo que a aglomeração seja minimizada e as nanopartículas sejam substancialmente distribuídas de forma homogênea no primeiro polímero.
[008] Por meio de um sistema de isolamento que combina a primeira camada de isolamento com nanopartículas bem dispersas e a segunda camada de isolamento com carga de partículas de óxido de cromo e/ou partículas de óxido de ferro, obtém-se uma excelente blindagem e resistência do sistema de isolamento contra descargas elétricas e, assim, um maior tempo de vida útil dos condutores isolados. Acredita-se que a carga óxido de cromo e/ou óxido de ferro aumente a condutividade elétrica na camada de superfície de uma primeira camada de isolamento suficientemente para o efeito extremamente concentrado da descarga de corona para ser dissipada sobre uma grande superfície, reduzindo, assim, o efeito da descarga de corona consideravelmente.
[009] Adicionalmente, a resistência à flexão do sistema de isolamento elétrico é aprimorada, comparada aos condutores da técnica anterior que têm um sistema de isolamento de uma matriz polimérica com carga de óxido de cromo e/ou óxido de ferro . A primeira camada de isolamento elétrico compreende nanopartículas dispostas entre o condutor, e a segunda camada de isolamento elétrico é mais dúctil que
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4/11 a segunda camada de isolamento e, portanto, aprimorará a flexibilidade do sistema de isolamento elétrico inteiro.
[0010] A primeira camada de isolamento elétrico que compreende nanopartículas também pode tornar possível o uso de um teor de óxido de cromo e/ou óxido de ferro menor na segunda camada de isolamento do que em sistemas de isolamento conhecidos que compreendem óxido de cromo e/ou óxido de ferro, porque mesmo se a segunda camada de isolamento elétrico é quebrada devido às descargas parciais, a primeira camada de isolamento, isto é, a camada localizada entre o condutor e a segunda camada de isolamento, ainda proporcionará ao sistema de isolamento uma alta resistência contra descargas parciais.
[0011] De acordo com uma modalidade, a segunda carga de óxido de cromo e/ou óxido de ferro está presente em uma quantidade de 10 a 40% do volume da segunda camada de isolamento , preferencialmente, de 10 a 30% do volume da segunda camada de isolamento. Assim, é obtida uma blindagem aprimorada contra descargas parciais e também um desempenho mecânico aprimorado do sistema de isolamento inteiro.
[0012] De acordo com uma modalidade, a segunda carga tem um tamanho de partícula médio de 0,005 a 30 pm, preferencialmente, de 0,010 a 15 pm, com a máxima preferência, de 0,15 a 10 pm. É obtida, por esta modalidade, uma blindagem aprimorada adicional contra descargas parciais.
[0013] De acordo com uma modalidade, a segunda carga tem uma resistividade de 104 a 108 ohm m.
[0014] De acordo com uma modalidade, o segundo polímero é pelo menos um dos seguintes polímeros: poliésteres, poliesterimidas, poliamidaimidas, poliesteramidas, poli-imidas, poliuretanos, epóxi e poliamidas.
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5/11 [0015] De acordo com uma modalidade, a segunda camada de isolamento tem uma espessura de 5 a 50 μιτ.
[0016] De acordo com uma modalidade, o primeiro polímero é pelo menos um dos seguintes polímeros: poliésteres, poliesterimidas, poliamidaimidas, poliesteramidas, poli-imidas, poliuretanos, epóxi e poliamidas.
[0017] De acordo com uma modalidade, da invenção as nanopartículas compreendem pelo menos qualquer um dentre os seguintes: dióxido de silício (sílica, SiOs), óxido de alumínio (alumina, AI2O3), óxido de zinco (ZnO), dióxido de titânio (TiOs), titanato de bário (BaTiO3), óxido de magnésio (MgO) e argila de Montmorilonita (MMT).
[0018] De acordo com uma modalidade, as nanopartículas são enxertadas na matriz polimérica. As nanopartículas bem dispersas e ligadas quimicamente na matriz polimérica da primeira camada de isolamento resultam em uma resistência aprimorada adicional contra descargas parciais, assim como um material dúctil com excelente resistência à flexão. Mediante deformação mecânica do condutor, tal como um fio, não são formados espaços vazios entre as partículas e a matriz polimérica na camada de isolamento. A ausência de espaços vazios, em combinação com a carga de resistência à erosão, tal como , por exemplo, dióxido de silício (SiO2), resulta em baixa erosão elétrica durante as descargas parciais.
[0019] De acordo com uma modalidade, as nanopartículas na primeira camada de isolamento estão presentes em uma quantidade de 1 a 40% do volume da primeira camada. Assim, é obtida uma resistência aprimorada contra descargas parciais e também um desempenho mecânico aprimorado do sistema de isolamento inteiro.
[0020] De acordo com uma modalidade, as nanopartículas na primeira camada de isolamento têm um tamanho de partícula médio de 1 a 200 nm. Assim, é obtida uma resistência aprimorada contra descar
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6/11 gas parciais e também um desempenho mecânico aprimorado do sistema de isolamento.
[0021] De acordo com uma modalidade, a primeira camada de isolamento tem uma espessura de 20 a 120 pm.
[0022] De acordo com uma modalidade, a espessura da segunda camada de isolamento é de 10 a 25%, preferencialmente, de 15 a 20% da espessura de uma primeira camada de isolamento. Por esta razão, entre a primeira e segunda camada de isolamento, as propriedades mecânicas e resistência à flexão do sistema de isolamento são aprimoradas adicionalmente.
[0023] De acordo com uma modalidade, a segunda camada de isolamento é circundante à primeira camada de isolamento e é aplicada diretamente na primeira camada de isolamento, de modo que está em contato com a primeira camada de isolamento.
[0024] De acordo com uma modalidade, o sistema de isolamento é um sistema de isolamento esmaltado.
[0025] De acordo com uma modalidade, uma camada adicional é disposta entre a primeira camada de isolamento e a segunda camada de isolamento. A camada adicional é, por exemplo, aplicada para aprimorar a aderência entre a primeira e segunda camada. De acordo com uma modalidade da invenção, a camada adicional tem uma espessura que é mais fina que a primeira ou segunda camada de isolamento.
[0026] De acordo com uma modalidade, um motor elétrico com um enrolamento ou bobina, que compreende um condutor elétrico é fornecido de acordo com qualquer uma das concretizações. O motor é, preferencialmente, um motor elétrico de baixa tensão. De acordo com uma modalidade, o motor elétrico é um motor elétrico controlado por conversor de frequência de baixa tensão. De acordo com uma modalidade, um transformador é dotado de um enrolamento compreende um
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7/11 condutor elétrico de acordo com qualquer uma das concretizações. Como o condutor elétrico de acordo com qualquer das modalidades descritas acima demonstrou ter excelente resistência contra descargas parciais, as propriedades de um motor elétrico, transformador ou outro equipamento elétrico que compreende uma bobina ou enrolamento do condutor elétrico também será aprimorado.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0027] A invenção será explicada em maiores detalhes pela descrição das modalidades com referencia aos desenhos anexos, em que [0028] a figura 1 é um corte transversal de um condutor isolado de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção, e [0029] a figura 2 é um diagrama que mostra curvas de tempo de vida útil para quatro tipos diferentes de fios esmaltados.
DESCRIÇÃO DA MODALIDADE PREFERIDA [0030] A figura 1 mostra um corte transversal de um condutor eletricamente isolado 1 onde o condutor na forma de um fio metálico é circundado por um sistema de isolamento elétrico que compreende uma primeira camada de isolamento elétrico 2, que compreende uma matriz polimérica com nanopartículas bem dispersas de sílica. A sílica é enxertada à matriz polimérica, por exemplo, poliéster ou poliesterimida (PEI). As nanopartículas têm um tamanho de partícula médio de 1 a 200 nm.
[0031] Uma segunda camada de isolamento elétrico 3 que compreende uma matriz polimérica de carga de poliesterimida com óxido de cromo (CraOa) que tem um tamanho de partícula médio de 0,15 a 10 pm é circundante à primeira camada de isolamento.
[0032] O fio metálico de acordo com esta modalidade tem um corte transversal arredondado e é feita de cobre; no entanto, outras formas do condutor, tais como fio perfilado e outros materiais de condutores convencionais, tais como alumínio, podem também ser usados.
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8/11 [0033] O revestimento é aplicado de uma maneira convencional que deixa o fio passar várias vezes através de um banho de revestimento que compreende um verniz com carga, modelos de limpeza subsequente ou feltros, e um dispositivo de aquecimento para curar o revestimento. Para aplicar a primeira camada 2 no condutor 1 tipicamente o fio é passado através do banho de revestimento que compreende um verniz do primeiro polímero e as nanopartículas bem dispersas e, depois disso, as etapas de limpeza e aquecimento subsequentes. Isso é repetido de 8 a 12 vezes, de modo que uma espessura (t1) de 20 a 120 pm é obtida para a primeira camada de isolamento.
[0034] A segunda camada de isolamento 3 é aplicada em uma forma correspondente deixando-se o fio com a primeira camada de isolamento 1 passar através de um banho de revestimento com o verniz do segundo polímero e a segunda carga, tipicamente de óxido de cromo e, depois disso, as etapas subsequentes de limpeza e aquecimento. Isso é repetido de 2 a 3 vezes, de modo que uma espessura (t2) de 5 a 50 pm é obtida para a segunda camada.
[0035] O número de camadas de revestimento para a primeira camada de isolamento 2 e a segunda camada de isolamento 3 depende do nível de tensão no motor para o qual o fio esmaltado deve ser usado. A espessura total da camada de isolamento para um fio esmaltado geralmente é chamada de graduação de isolamento específica.
[0036] Nas modalidades de acordo com a figura 1, a primeira camada de isolamento 2 é aplicada diretamente no fio metálico revestindo-se o fio com o verniz, no entanto, também uma camada circundante intermediária pode ser disposta entre o condutor 1 e a primeira camada de isolamento 2 para aumentar a aderência entre o condutor e o sistema de isolamento.
[0037] De acordo com outra modalidade exemplificativa, uma terceira camada de isolamento (não mostrada) é disposta do lado de fora
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9/11 e circundado a segunda camada de isolamento 3. A terceira camada pode ser aplicada diretamente na segunda camada e protege mecanicamente a segunda camada de isolamento. A terceira camada de isolamento pode ser feita de um polímero não carregado, e o polímero é, preferencialmente, do mesmo tipo da segunda camada, isto é, qualquer um dos seguintes: poliésteres, poliesterimidas, poliesteramida, poliamidaimidas, poli-imidas, poliuretanos, epóxi e poliamidas.
[0038] O gráfico na figura 2 mostra curvas de tempo de vida útil de quatro fios esmaltados diferentes, com base nos revestimentos isolantes diferentes genericamente. A curva 1 relaciona-se a um fio esmaltado com revestimento de base convencional e um revestimento de topo convencional. A curva 2 relaciona-se a um fio esmaltado com revestimento de base de nanocarga e um revestimento de topo convencional. A curva 3 relaciona-se a um fio esmaltado com um revestimento de base convencional com um revestimento de topo de proteção de corona, isto é, um revestimento que compreende carga de óxido de cromo e/ou óxido de ferro. A curva 4 relaciona-se a um fio esmaltado com um revestimento de base de nanocarga e um revestimento de topo de proteção de corona. O revestimento de base de nanocarga pode ser um revestimento de acordo com a modalidade revelada em relação à figura 1. As curvas de tempo de vida útil são baseadas nas medições do tempo para quebra dos pares torcidos de fios arredondados com um diâmetro do condutor de 1,12 mm e graduação de isolamento de 2 até 50 Hz de tensão CA e em 140oC. O esforço de tensão aplicado foi superior à Tensão de Início de Descarga Parcial (PDIV) em todos os casos. As curvas de tempo de vida útil foram ajustadas em curva para dados experimentais.
[0039] A partir das curvas na figura 2, pode ser visto que o fio esmaltado com revestimento de base de nanocarga e revestimento de topo de proteção de corona, curva 4, de acordo com uma modalidade
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10/11 da invenção, claramente tem o melhor desempenho de resistência de tensão, onde o tempo de vida útil do mesmo aumenta com a diminuição do esforço de tensão relativo a outros tipos de fios.
[0040] Também foi mostrado no teste de flexão que as propriedades mecânicas do fio esmaltado são aprimoradas para um fio esmaltado com um revestimento de base de nanocarga e um revestimento de topo de proteção de corona, amostra A, comparado a um fio esmaltado com um revestimento de base convencional com um revestimento de topo de proteção de corona, amostra B. Também, um fio esmaltado com um revestimento de base de nanocarga e um revestimento de topo convencional, amostra C, foi testado. Todas as amostras são feitas de fios arredondados esmaltados com um diâmetro do condutor de 1,12 mm e graduação de isolamento 2.
[0041] O teste de flexão foi desempenhado flexionando-se as amostras por um formador de flexão de teste de 2 mm para uma bobina com várias voltas. Daí por diante, os exemplos foram envelhecidos em uma fornalha em 200oC durante 48 horas. Após o envelhecimento, a superfície das amostras foi inspecionada e foi mostrado que a Amostra A e a amostra C não tinham quebras na superfície externa da camada esmaltada, enquanto a Amostra B tinha quebras na superfície externa da camada esmaltada. Acredita-se que para a Amostra A, a primeira camada de isolamento de nanocarga disposta sob a segunda camada de isolamento distribui o esforço mecânico nas camadas de isolamento de modo que a camada esmaltada tenda menos a quebrar.
[0042] A invenção não se limita às modalidades mostradas acima, mas a pessoa versada na técnica pode, é claro, modificá-la de várias maneiras dentro do escopo da invenção conforme definido pelas concretizações. Assim, a invenção não se limita a fios condutores com um corte transversal arredondado conforme mostrado nas duas modalidades acima, porém pode ser aplicado aos condutores na forma de uma
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11/11 haste, faixa ou barra, isto é, o condutor é alongado com um corte transversal constante de múltiplos cantos ou arredondado. O condutor isolado pode ser usado em enrolamentos para motores elétricos, transformadores elétricos e outro equipamento elétrico nos quais o isolamento do condutor pode ser exposto a descargas de corona.
Claims (17)
- REIVINDICAÇÕES1. Condutor elétrico (1) dotado de um sistema de isolamento elétrico que circunda o condutor elétrico, sendo que o sistema de isolamento elétrico compreende uma primeira camada de isolamento elétrico (2) que circunda o condutor e uma segunda camada de isolamento elétrico (3) que circunda a primeira camada de isolamento elétrico (2), sendo que a segunda camada de isolamento elétrico (3) compreende um segundo polímero e uma segunda carga na forma de óxido de cromo (Cr2O3), óxido de ferro (Fe2O3), ou uma mistura de óxido de cromo e óxido de ferro, caracterizado pelo fato de que a primeira camada de isolamento elétrico (2) compreende um primeiro polímero e uma primeira carga que compreende nanopartículas dispersas.
- 2. Condutor elétrico (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda carga está presente em uma quantidade de 10 a 40% do volume da segunda camada de isolamento elétrico, preferencialmente, de 10 a 30% do volume da segunda camada de isolamento.
- 3. Condutor elétrico (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a segunda carga de isolamento tem um tamanho médio de partícula de 0,005 a 30 pm, preferencialmente, 0,010 a 15 pm, ainda mais preferencialmente 0,15 a 10 pm.
- 4. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a segunda carga de isolamento tem uma resistividade de 104 a 108 ohm m.
- 5. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o segundo polímero é pelo menos um dentre os polímeros a seguir: poliésteres, poliesterimidas, poliamidaimidas, poliesteramidas, poli-imidas, poliuretanos, epóxi e poliamidas.
- 6. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma dasPetição 870190034623, de 11/04/2019, pág. 15/212/3 reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a segunda camada de isolamento (3) tem uma espessura de 5 a 50 μιτι.
- 7. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o primeiro polímero é pelo menos um dentre os polímeros a seguir: poliésteres, poliesterimidas, poliamidaimidas, poliesteramidas, poli-imidas, poliuretanos, epóxi e poliamidas.
- 8. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as nanopartículas são quaisquer umas dentre as seguintes: dióxido de silício, óxido de alumínio, óxido de zinco, dióxido de titânio, titanato de bário, óxido de magnésio e argila de montmorilonita.
- 9. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as nanopartículas na primeira camada de isolamento elétrico (2) estão presentes em uma quantidade de 1 a 40% do volume da primeira camada.
- 10. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as nanopartículas na primeira camada de isolamento elétrico (2) têm um tamanho médio de partícula de 1 a 200 nm.
- 11. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a primeira camada de isolamento elétrico (2) tem uma espessura (t1) de 20 a 120 μιτι.
- 12. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a espessura (t2) da segunda camada de isolamento elétrico (t2) é de 10 a 25%, preferencialmente, de 15 a 20% da espessura (t1) da primeira camada de isolamento elétrico.
- 13. Condutor elétrico (1), de acordo com qualquer uma dasPetição 870190034623, de 11/04/2019, pág. 16/213/3 reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o sistema de isolamento elétrico é um sistema de isolamento esmaltado.
- 14. Condutor elétrico, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que uma camada adicional é disposta entre a primeira camada de isolamento elétrico (2) e a segunda camada de isolamento elétrico.
- 15. Motor elétrico com um enrolamento ou bobina, caracterizado pelo fato de que compreende um condutor elétrico, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 14.
- 16. Motor elétrico, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o motor elétrico é um motor elétrico controlado por conversor de frequência de baixa tensão.
- 17. Transformador com um enrolamento, caracterizado pelo fato de que compreende um condutor elétrico, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 14.
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