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Die Erfindung betrifft eine Leitereinrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Sie betrifft auch eine elektrische Maschine mit einer solchen Leitereinrichtung.
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Die Erfindung ist insbesondere für eine elektrische Maschine vorgesehen, die mit hohen Spannungen betrieben wird. Bei einer solchen elektrischen Maschine sind Maßnahmen getroffen, durch die Teilentladungen verhindert oder wenigstens vermindert werden. Insbesondere ist eine aufwendige Isolierung bereitgestellt, die so gestaltet ist, dass möglichst wenige Fehlstellen gegeben sind, die Ausgangspunkt von Teilentladungen sein könnten.
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Beispielsweise werden in elektrischen Maschinen Leiter einzeln mit einer Isolierung umgeben. Mehrere Leiter werden dann zu einem Bündel zusammengefasst.
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Das Leiterbündel wird hier mit einem Glimmerband umwickelt. Ein solches Glimmerband wird üblicher Weise dadurch hergestellt, dass Glimmerpapier mit geeigneten Mitteln zum Befestigen auf einen Träger aufgebracht wird, typischer Weise auf dem Träger festgeklebt wird.
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Das Glimmerband wird dann von einem so genannten Tränkharz durchtränkt und überzogen. Das Tränkharz besteht in der Regel aus Bisphenol-A oder Bisphenol-F. Das Tränkharz dringt in sämtliche Zwischenräume zwischen dem Glimmerband und den einzelnen Leitern ein und schafft nach seinem Aushärten einen festen Verband. Das Tränkharz wirkt zugleich isolierend.
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In elektrischen Maschinen liegen an unterschiedlichen Stellen teilweise sehr unterschiedliche Potentiale an. Um bestimmte elektrische Erscheinungen zu unterbinden, wird durch einen so genannten Glimmschutz, englisch als „corona protection” bezeichnet, für einen sanften Verlauf der Potentiale sowohl in den Leitereinrichtungen (beim so genannten Innenglimmschutz), als auch auf der Oberfläche der Leitereinrichtungen gesorgt. Im Bereich eines Blechpakets einer elektrischen Maschine wird der so genannte Außenglimmschutz bereit gestellt, der leitfähig sein soll. Die Potentiale sollen dann im Übergang vom Blechpaket zu einem freien Bereich (zu Luft) sanft abfallen, und hierfür wird ein so genannter Endenglimmschutz bereit gestellt, der typischer Weise halbleitend ist.
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In elektrischen Maschinen kann es trotz aller Maßnahmen zur Verhinderung von Fehlstellen in der Isolierung zu Teilentladungen kommen. Dies gilt, auch wenn Glimmerbänder vorgesehen sind, die gegenüber solchen Teilentladungen beständiger sind. Teilentladungen führen dazu, dass sämtliche Komponenten einer Leitereinrichtung, wie oben beschrieben, verschleißen und altern. Die gesamte Leitereinrichtung bleibt nicht mehr ausreichend mechanisch stabil oder verliert ihre elektrische Funktionsfähigkeit.
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Nanoteilchen sind Partikel, die in einer Richtung eine Länge von höchstens 100 nm aufweisen, z. B. Kugeln mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm.
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Nanoteilchen haben in letzter Zeit vielfältige Anwendungen gefunden. Die Technologie zu ihrer Herstellung ist ausreichend gut entwickelt. Es ist bekannt, Materialien mit Nanoteilchen zu vermischen, Nanoteilchen also in ein Grundmaterial einzubetten. Techniken, wie eine solche Einbettung erfolgt, sind in den letzten Jahren entwickelt worden. Es sind Produkte auf dem Markt erhältlich, in die Nanoteilchen eingebettet sind. Solche Produkte werden auch als „nanomodifiziert” bezeichnet. Beispielsweise gibt es nanomodifizierte Epoxidharze. Im Rahmen der Nanomodifizierung werden die chemisch reaktiven Oberflächen von Nanopartikeln mit vermittelnden Stoffen in Kontakt gebracht, die ihrerseits auch mit dem Grundmaterial kompatibel sind. Dadurch wird es möglich, die Nanoteilchen jeweils einzeln gut in ein solches Grundmaterial einzubetten.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Leitereinrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 dahingehend weiter zu entwickeln, dass ihre Isolierung möglichst wenige Fehlstellen aufweist, so dass sie dauerhaft beständig ist und weniger schnell durch Teilentladungen altert als bisherige Leitereinrichtungen dieser Art.
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Die Aufgabe wird durch eine Leitereinrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Im Rahmen der Erfindung wird auch eine elektrische Maschine mit zumindest einer solchen Leitereinrichtung bereitgestellt.
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Die erfindungsgemäße Leitereinrichtung ist somit dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Glimmerband Nanoteilchen enthält.
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Es ist eine Erkenntnis der Erfinder der vorliegenden Anmeldung, dass Nanoteilchen die Beständigkeit der Leitereinrichtung mit dem Glimmerband erhöhen können. Die Nanoteilchen können insbesondere dafür sorgen, dass Schwachstellen im Glimmerband nicht Ausgangspunkt von Schäden im Glimmerband werden. Solche Schwachstellen bestehen beispielsweise an den Stoßstellen einzelner Glimmerpartikel bzw. auf Grund von Porosität innerhalb des Glimmerpapiers selbst. Sie liegen an Bereichen mit verringerter Glimmerdichte vor, also an Falten, Rissen im Glimmerpapier, Lücken auf Grund der Gewebestruktur des das Glimmerpapier tragenden Trägers etc. Die Nanoteilchen füllen insbesondere kleine Lücken perfekt aus und erhöhen dort sowohl die mechanische Stabilität, als auch insbesondere die elektrische Festigkeit. Dadurch kann die Betriebsfeldstärke bei der Herstellung der Isolation erhöht werden. Es ist auch bei der Herstellung der Isolation eine erhöhte Prozesssicherheit gegeben.
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Es gibt vielfältige Möglichkeiten, wie das Glimmerband Nanoteilchen enthalten kann.
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Beispielsweise kann das Glimmerpapier selbst Nanoteilchen enthalten. Hierzu müssen bei der Herstellung des Glimmerpapiers aus einer Pulpa mit kleinsten Glimmerpartikeln dieser Pulpa Nanoteilchen zugegeben werden. Die Pulpa wird anschließend auf ein Sieb aufgebracht und trocknet aus. Die Nanoteilchen sind dann fein in dem so entstehenden Glimmerpapier verteilt.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch der Träger für das Glimmerpapier Nanoteilchen enthalten.
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Beispielsweise kann der Träger ein Glasgewebe sein, das aus Glasfasern gebildet ist. Diese Glasfasern lassen sich vor der Bildung des Glasgewebes mit einem Nanoteilchen enthaltenden Kunstharz beschichten. Durch die Nanoteilchen wird der Träger besonders elektrisch stabil und damit auch das gesamte Glimmerband. Genauso kann der Träger eine Folie oder ein Vlies sein. Eine Folie oder ein Vlies wird aus einem Polymer in einer Polymermatrix gebildet. Die Nanoteilchen können dann einfach in eine solche Polymermatrix eingebettet sein. Genauso können die Nanoteilchen auch (alternativ oder zusätzlich) in einer Oberflächenbeschichtung der Folie bzw. des Vlieses enthalten sein. Die Oberflächenbeschichtung kann in Form eines Lackes bereit gestellt sein oder durch Plasmabeschichtung aufgebracht werden.
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Schließlich können alternativ oder zusätzlich auch die Mittel, mit denen das Glimmerpapier an dem Träger befestigt wird, Nanoteilchen enthalten. Solche Mittel sind entweder als Klebharz bereit gestellt, in das dann solche Nanoteilchen eingebracht werden können, das also nanomodifiziert bereit gestellt werden kann. Alternativ erfolgt die Befestigung des Glimmerpapiers an dem Träger durch Aufbringen von einem Festharz in Pulverform, das unter Zugabe eines Verschlussharzes die Eigenschaften eines Klebstoffs erhält. Dann kann auch das Festharz und/oder das Verschlussharz Nanoteilchen enthalten, Festharz und Verschlussharz können also nanomodifiziert sein.
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Auch das Tränkharz, welches zur Stabilisierung des zumindest einen Glimmerbandes eingesetzt ist, kann Nanoteilchen enthalten.
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Bei der Herstellung eines nanomodifizierten Tränkharzes hat sich erwiesen, dass bestimmte von Bisphenol-Epozidharzen verschiedene Tränkharze eher geeignet sind, zum Beispiel ein Silikonharz und/oder auch ein cycloaliphatisches Epoxidharz.
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Schließlich kann alternativ oder zusätzlich die Glimmschutzeinrichtung der Leitereinrichtung Nanoteilchen enthalten. Falls die Glimmschutzeinrichtung aus Lack gebildet ist, kann dieser mit Nanoteilchen versetzt sein. Falls die Glimmschutzeinrichtung in Form eines Bandes bereit gestellt ist, können in dem Band Nanoteilchen enthalten sein. Ein Band wird typischer Weise dadurch erzeugt, dass Partikel, beim Außenglimmschutz Grafitpartikel, beim Endenglimmschutz Siliziumcarbidpartikel, mit einem Harz aufgeschlämmt werden, und dass dieses gefüllte Harz auf einem Gewebe- oder Vliesträger aufgebracht wird. Will man die Bänder mit Nanoteilchen versehen, bietet sich insbesondere an, gleichzeitig mit den Grafit- bzw. Siliziumcarbidpartikeln auch Nanoteilchen mit dem Harz aufzuschlämmen oder solche Nanoteilchen vorher oder nachher dem Harz zuzugeben. Genauso können die Nanoteilchen jedoch auch auf oder in dem Gewebe- oder Vliesträger vorgesehen sein. Als Band kann auch ein reines Folienmaterial oder ein Gewebe mit Nanoteilchen eingesetzt werden.
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Als Material für die Nanoteilchen bieten sich insbesondere Oxide an, zum Beispiel Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und/oder Titanoxid, es bieten sich Silikate, Sulfate, Lithopone, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder auch Ruß an. Die letzteren beiden Bestandteile sind insbesondere für die Nanopartikel in den Glimmschutzeinrichtungen geeignet, alle anderen Nanoteilchen besonders für das Glimmerband und das Tränkharz.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der die
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1 einen Ausschnitt aus einer elektrischen Maschine mit erfindungsgemäßen Leitereinrichtungen in perspektivischer Ansicht in einer den Aufbau der Leitereinrichtungen veranschaulichenden Darstellung zeigt.
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Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete elektrische Maschine weist ein Blechpaket 12 auf, in dem Nuten 14 ausgebildet sind. In den Nuten 14 sind im Ganzen mit 16 bezeichnete Leitereinrichtungen angeordnet, jeweils zwei solcher Leitereinrichtungen 16 pro Nut 14, wobei die Leitereinrichtungen 16 durch Abstützelemente 18 in der Nut bzw. aneinander abgestützt sind bzw. solche Elemente 18 eine Abdeckung bewirken, zu der noch ein gesonderte Abschluss 20 hinzukommen kann. Die Leitereinrichtungen 16 sollen Spulen bilden und treten daher auch aus den Nuten 14 heraus, in einem Bereich 22 sind diese gekrümmt.
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Jede Leitereinrichtung 16 besteht aus einer Mehrzahl (vorliegend gezeigt: 14) von im Wesentlichen rechteckigen Leitern 24. Diese Leiter 24 sind von einem Isolierband 26 umwickelt. Es sind jeweils zwei solcher Leiter 24 mit dem Isolierband 26 nebeneinander angeordnet und mehrere, vorliegend sieben, solcher Leiter 24 übereinander gestapelt. Diese Mehrzahl von Leitern 24 mit Isolierband 26 ist in ihrer Gesamtheit von Glimmerbändern 28 umwickelt. Glimmerbänder bestehen aus einem Träger, nämlich einem Glasgewebe, einer Folie, oder einem Vlies, auf dem Glimmerpapier aufgeklebt ist. Zur Stabilisierung der Anordnung ist das Glimmerpapier 28 mit den darin eingewickelten Leitern 24 von einem Tränkharz durchtränkt und durchdrungen worden, und dieses Tränkharz wurde aushärten gelassen. Das Tränkharz ist in der 1 als solches nicht erkennbar.
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Über den Glimmerbändern 28 mit dem Tränkharz befindet sich im Bereich der Nuten 14 ein so genannter Außenglimmschutz 30.
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Dieser Außenglimmschutz 30 ist elektrisch leitend, damit sich auf dem Blechpaket 12 auszubildende Potentiale über die Länge der Leiter 24 hinweg ausgleichen. Im Bereich 22 der Krümmung geht der Außenglimmschutz 30 in einen Endenglimmschutz 32 über, der weniger leitfähig ist als der Außenglimmschutz 30. Durch den Endenglimmschutz 32 wird ein Übergang vom Potential, das auf dem Blechpaket 12 herrscht, zum in der Luft herrschenden Potential geschaffen. Der Außenglimmschutz 30 kann aus Lack mit darin integrierten Rußpartikeln bestehen, also einem leitfähigem Lack, der Endenglimmschutz 32 aus einem halbleitfähigem Lack. Genauso können der Außenglimmschutz 30 und der Endenglimmschutz 32 auch in Form von leitenden bzw. halbleitenden Bändern bereit gestellt sein. Solche Bänder werden erzeugt, indem Partikel, beim Außenglimmschutz Grafitpartikel, beim Endenglimmschutz Siliziumcarbidpartikel, mit einem Harz aufgeschlämmt werden. Das Harz wird dann auf einen Gewebe- oder Vliesträger aufgebracht und das Material als Band verarbeitet.
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Der in 1 gezeigte Aufbau entspricht einem herkömmlichen Aufbau einer elektrischen Maschine 10 bzw. von Leitereinrichtungen 16 in einer solchen. Die Erfindung ist im Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass einzelnen Komponenten der Leitereinrichtungen 16 und damit der elektrischen Maschine 10 Nanoteilchen zugegeben werden. Makroskopisch sieht dann die erfindungsgemäße Leitereinrichtung 16 nach wie vor so aus wie in 1, die elektrische Maschine 10 auch genauso aus wie in 1 ausschnittsweise gezeigt.
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Wenn in einer beliebigen Komponente der Leitereinrichtung 16, ausgenommen höchstens die Leiter 24, Nanoteilchen enthalten sind, wird die Leitereinrichtung 16 alterungsbeständiger: In elektrischen Maschinen 10 treten regelmäßig an den Leitereinrichtungen 16 Teilentladungen auf. Die Nanopartikel unterbinden oder vermindern solche Teilentladungen und deren Wirkung auf die mechanische und elektrische Beständigkeit der Leitereinrichtungen 16 bzw. ihrer einzelnen Komponenten.
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Die Glimmerbänder 28 umfassen Nanopartikel. Das Glimmerpapier, das in dem Glimmerbändern enthalten ist, ist dadurch gebildet, dass einer Pulpa aus Glimmerteilchen Nanoteilchen zugesetzt werden, zum Beispiel aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Silikaten, Sulfaten, Lithoponen oder aus Aluminiumnitrid. Wenn die Pulpa sodann auf ein Sieb aufgebracht wird, um auszutrocknen und zum Papier geformt zu werden, enthält das fertige Glimmerpapier die Nanoteilchen fein verteilt auf eine solche Art und Weise, dass die Beständigkeit des Glimmerpapiers gegenüber Teilentladungen erhöht ist. Auch in oder auf dem Träger, auf dem das Glimmerpapier befestigt ist, sind Nanoteilchen enthalten. Bei einem Träger aus Glasgewebe können vor dem Weben die einzelnen Glasfasern mit Kunstharz beschichtet sein, das nanomodifiziert ist, also Nanoteilchen enthält. Man bezeichnet dies als „Schlichte”. Bei Verwendung einer Folie oder eines Vlieses als Träger können die Nanoteilchen in eine Polymermatrix, die die Folie bzw. das Vlies bildet, eingebaut werden. Genauso können sie auch in einer Oberflächenbeschichtung der Folie oder des Vlieses enthalten sein, sei diese aus Lacken gebildet oder durch Plasmabeschichtung bereit gestellt.
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Nanoteilchen sind auch in dem Klebstoff enthalten, mit dem das Glimmerpapier zur Bildung der Glimmerbänder 28 an dem Träger befestigt wird. Bei Verwendung eines Klebharzes kann dieses nanomodifiziert werden, es können ihm also Nanoteilchen zugegeben werden. Bei Verwendung einer Pulverstreu aus einem Festharz, das durch Zugabe eines Verschlussharzes zu einem Klebstoff wird, können sowohl das Pulver als auch das Verschlussharz die Nanoteilchen enthalten.
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Vorliegend soll auch das Tränkharz, das zur Stabilisierung und Befestigung der Glimmerbänder 28 dient, Nanoteilchen enthalten, um einerseits selbst gegen Teilentladungen beständiger zu sein und andererseits die Beständigkeit des Gesamtsystems gegen Teilentladungen zu erhöhen, weil das Tränkharz mit den Nanoteilchen die Glimmerbänder durchdringt und so durch die Nanoteilchen in dem Tränkharz Schwachstellen in den Glimmerbändern ausgeglichen werden.
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Vorliegend wird als Tränkharz nicht Bisphenol-A oder F verwendet, denn bei Zugabe von Nanoteilchen zu diesen Tränkharzen bleibt das System nicht stabil, die Nanoteilchen verklumpen. Verwendet wird ein cycloaliphatisches Epoxidharz oder ein Silikonharz.
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Im Falle der Verwendung eines cycloaliphatischen Epoxidharzes werden die Nanoteilchen, zum Beispiel Siliziumdioxid oder Aluminiumoxidteilchen, zunächst in Kontakt mit Stoffen gebracht, die Epoxisilangruppen enthalten. Dadurch wird die Reaktivität der Oberfläche der Nanoteilchen verringert, und gleichzeitig ermöglichen die Epoxisilangruppen eine gute Einbindung in das cycloaliphatische Epoxidharz derart, dass es nicht zu Verklumpungen einer Mehrzahl von Nanoteilchen kommt. Vielmehr bleiben die Nanoteilchen fein verteilt. Im Falle eines Silikonharzes werden die Nanoteilchen zunächst in Kontakt mit Vinylsilanen gebracht. Dadurch lagern sich die Vinylsilane an der Oberfläche an, die somit nicht mehr hoch reaktiv ist. Gleichzeitig ermöglichen es die Vinylsilane, die Nanoteilchen in das Silikonharz gut einzubetten.
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Im Falle der elektrischen Maschine 10 ist bevorzugtes Tränkharz ein cycloaliphatisches Epoxidharz. Dieses ist durch die Nanomodifikation bei höheren Spannungen und etc. besonders teilentladungsbeständig. In anderen Umgebungen, zum Beispiel Traktionsmitteln wie Lokomotiven etc., ist eine Leitereinrichtung nach Art der Leitereinrichtung 16 besser mit einem Silikonharz getränkt, denn dieses ist für die in solchen Traktionsmitteln herrschenden Temperaturen besser ausgelegt.
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Auch die Glimmschutzeinrichtungen, nämlich der Außenglimmschutz 30 und der Endenglimmschutz 32, enthalten vorliegend Nanoteilchen. Wird für die Glimmschutzeinrichtungen 30 und 32 ein Lack oder ein Harz verwendet, können diesen Nanoteilchen zugegeben sein. Werden aufgewickelte Bänder verwendet, kann wie schon bei den Glimmerbändern 28 der Träger (Glasfasermaterial, Vliese) mit Nanoteilchen in der oben beschriebenen Weise versehen sein. Da auf einen solchen Träger ein Harz aufgebracht ist, das beim Außenglimmschutz 30 Grafitpartikel und beim Endenglimmschutz 32 Siliziumcarbidpartikel enthält, können bei Herstellung der Bänder für die Glimmschutzeinrichtung 30 und 32 auch zusätzlich Nanoteilchen zugegeben werden.
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Für die Glimmschutzeinrichtungen sind die oben zur Glimmerpulpa genannten Stoffe für Nanoteilchen geeignet, insbesondere aber auch Siliziumcarbid und Ruß als Ausgangsmaterial für die Nanoteilchen.
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Durch das Vorsehen von Nanoteilchen in einer Vielzahl von Bauteilen einer Leitereinrichtung 16, nämlich in den Glimmerbändern 28, einem Tränkharz zur Befestigung bzw. Stabilisierung dieser Glimmerbänder, und in einem Außenglimmschutz 30 und in einem Endenglimmschutz 32, verhindert oder vermindert die gesamte Leitereinrichtung 16 Teilentladungen und weist zudem eine besonders hohe Beständigkeit bei Auftreten von Teilentladungen auf. Dadurch wird die Lebensdauer der Leitereinrichtung 16 und damit auch der elektrischen Maschine 10 erhöht.
