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Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Isolierung von elektrischen Leitern gegen Teilentladung im Mittel- und Hochspannungsbereich. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Isolationssystem für eine elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine wie einen Elektromotor und/oder einen Generator.
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Elektrische Maschinen, wie z.B. Motoren und Generatoren des Mittel- und Hochspannungsbereichs, weisen elektrische Leiter, eine Hauptisolation und ein Ständerblechpaket auf. Die Hauptisolation dient dem Zweck, die Leiter gegeneinander, gegen das Ständerblechpaket und gegen die Umgebung elektrisch zu isolieren. Bei Betrieb der elektrischen Maschine können sich durch elektrische Teilentladungen die so genannten „Treeing“-Kanäle in der Hauptisolation ausbilden. Als Folge der „Treeing“-Kanäle kann es zu einem elektrischen Durchschlag durch die Hauptisolation kommen. Im Niederspannungsbereich, wo Drähte und Kabel eingesetzt werden, kommt es im Betrieb nicht zwangsläufig zu elektrischen Entladungen, so dass dort keine Barriere gegen Teilentladungen erforderlich sind.
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Als „Mittel- und Hochspannungsbereich“ wird vorliegend die elektrische Energietechnik, die mit einer Hochspannung im Bereich über 700V - bis einschließlich 52kV - arbeitet, verstanden. Dadurch sind auch die Isolationssysteme, die für die schnellladefähigen Antriebssysteme der Automobilindustrie interessant sind, mitumfasst.
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Eine Barriere in Form eines Flächenisolationswerkstoffes gegen die Teilentladungen wird bislang hauptsächlich durch den Einsatz von Glimmer in der Hauptisolation erreicht, welcher eine hohe Teilentladungsbeständigkeit hat. Der Glimmer wird in Form von plättchenförmigen Glimmerpartikeln mit einer herkömmlichen Partikelgröße von mehreren 100 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern zu einem Glimmerpapier verarbeitet, welches nachfolgend auf einem Träger, wie ein Glasfasergewebe und/oder Isolierfolie, aufgesetzt und verklebt wird, so dass die Glimmerpartikel den Flächenisolationsstoff in Form von einer Glimmerbreitbahn ergeben. Aus dieser Glimmerbreitbahn wird ein Glimmerband geschnitten, das zur Herstellung der Hauptisolation um den Leiter gewickelt wird. Darauffolgend wird zur Herstellung des Isolationssystems das Elektroisolations-Glimmerwickelband mit einem flüssigen Kunstharz imprägniert und anschließend wird das Kunstharz ausgehärtet.
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Bekannt sind Isolationssysteme - wie beispielsweise das unter der Marke „Micalastic®“ bekannte System, bei dem in einem Vakuum-Druck-Imprägnierverfahren die Hauptisolation, ein Glimmerwickelband als Flächenisolationsstoff umfassend, mit einem Bisphenol-Epoxidharz imprägniert wird.
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Zur Verbesserung der Teilentladungsbeständigkeit der Hauptisolation ist der Einsatz nanoskaliger Partikel bekannt, die in dem Kunstharz vor dem Imprägnieren dispergiert werden. Durch die Anwesenheit der Partikel verkürzt sich jedoch die Topfzeit des Kunstharzes, was sich insbesondere in einer voranschreitenden Polymerisierung des Kunstharzes vor der Imprägnierung zeigt.
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Die Herstellung des Flächenisolationswerkstoffes in Form einer Glimmerbreitbahn und/oder eines Glimmerbandes ist aufwändig und teuer.
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Insbesondere werden auch für Traktionsmotoren für Nutauskleidungen aufgrund der Anforderungen bislang glimmerhaltige Laminate mit z.B. mAramid und Polyimid als Trägerfolie eingesetzt. Glimmer ist ein Naturprodukt und wird in Form von Glimmerschiefer abgebaut. Entsprechend sind die Ressourcen begrenzt, Glimmer ist je nach Abbaugebiet Qualitätsschwankungen unterlegen, nicht immer gleich gut verfügbar und die Beschaffung mit erheblichen Kosten verbunden, ganz zu schweigen von der aufwändigen Verarbeitung zur Herstellung des Glimmerbandes als Flächenisolationsstoff.
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Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Flächenisolationsstoff zum vollständigen oder teilweisen Ersatz der bekannten Glimmerpapier-haltigen Isoliermaterialien zur Verwendung bei der Herstellung eines Isolationssystems, insbesondere des die Hauptisolation darstellenden Isolationssystems einer elektrischen rotierenden Maschine wie eines Motors oder eines Generators im Mittel- oder Hochspannungsbereich, zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
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Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Isolationssystem, einen festen Isolationswerkstoff in Form eines Flächenisolationsstoffes und ein Kunstharz umfassend, wobei der Flächenisolationsstoff ein Copolymer aus einem Polyetherimid mit einem Siloxan und das Kunstharz ein Duromer ist, mit dem der Flächenisolationsstoff imprägniert und anschließend als Verguss ausgehärtet wird.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass bei Polyetherimid-Siloxan-Copolymeren ein enormes Potential als Isoliermaterial im Mittel- und Hochspannungsbereich hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Teilentladungen erkannt und nachgewiesen wurde. Insbesondere wurde auch erkannt, dass in den Copolymeren aus Polyetherimid und Siloxan wegen der weniger polaren Seitengruppen des Siloxans gegenüber dem reinen Polyetherimid als „Verunreinigung“ wirken, wodurch die Glasübergangstemperatur sinkt. Zusätzlich wirkt der Siloxananteil wie ein „Weichmacher“, der aber chemisch gebunden ist und thermisch nicht so hohe Temperaturen wie das reine Polyetherimid aushalten kann, aber dennoch für höhere Temperaturbeanspruchungen geeignet ist. Polyetherimid-Siloxan-Copolymere können durch geeignete Extrusionsverfahren flächig als Folie hergestellt werden, die ihrerseits eine ausreichende Elastizität aufweisen, um - in geschnittener Form - als Wickelbänder für Wickelband-Hauptisolationen eingesetzt zu werden.
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Die Bewertung der Teilentladungsresistenz erfolgt via Oberflächenprofilometer über die Ermittlung des spezifischen Erosionsvolumens nach der elektrischen Alterung. Diese wird in Anlehnung an die IEC 60343 durchgeführt. Der Versuchsaufbau sowie Testbedingungen können in der Veröffentlichung: n. Müller; S.Lang; R.Moos: „Influence of ambient conditions on electrical partial discharge resistance of epoxy anhydride based polymers using IEC 60343 method“. Transactionson Dielectrics and Elektrical Insulation 2019.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Polyetherimid-Siloxan-Copolymer ein Block-Copolymer.
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Der Anteil an Siloxan im Copolymer liegt im Bereich von 0,1Gew% bis 90Gew%, insbesondere bei 10Gew% bis 60Gew% und insbesondere bei 20Gew% bis 40Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Copolymers.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der atomare Anteil an Silizium-Atomen im Copolymer bei 1 bis 25 %, insbesondere bei 5 bis 15 %.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Polyetherimid-Siloxan-Copolymer ein Block-Copolymer der allgemeinen Formel (I)
wobei
- - R1-6 gleich oder ungleich sind und ausgewählt aus der Gruppe der
- ◯ substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Monocyclen mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen,
- ◯ substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Polycyclen mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen,
- ◯ substituierten oder unsubstituierten, gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen,
- ◯ substituierten oder unsubstituierten, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen;
- - V steht für eine 4-Valenzen habende Linkergruppe, ausgewählt aus der Gruppe der
- ◯ substituierten oder unsubstituierten, gesättigten, ungesättigten oder aromatischen Monocyclen und Polycyclen mit 5 bis 50 Kohlenstoffatomen,
- ◯ substituierten oder unsubstituierten, gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen,
- ◯ substituierten oder unsubstituierten, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 30 Kohlenstoffatomen,
- ◯ sowie beliebig kombinierten Linkergruppen, die zumindest eine der vorgenannten Gruppen umfassen;
- - g beträgt 1 bis 30 und
- - d beträgt 2 bis 20.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können in dem Copolymer ein oder mehrere Additive enthalten sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Metalloxid (e), wie z.B. TiO2, Fe2O3 und/oder MnFe2O4 und/oder elektrisch nichtleitfähige Kohlenstoff basierte Füllstoffe, wie z.B. Industrieruß als Additive eingesetzt werden.
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Als „Siloxan“ wird vorliegend grundsätzlich eine Verbindung mit zumindest einer -Si-O-Si-Einheit verstanden, insbesondere solche, die im Polymer ein Si-O-Si-Rückgrat wie es in Siliconen üblich ist, bilden. Beispielsweise sind ein Polydialkylsiloxan, wie das Polydimethylsiloxan, oder Polydiarylsiloxan, wie das Polydiphenylsiloxan einfache Formen eines Siloxans. Natürlich gibt es auch gemischte Formen von Siloxanen wie beispielsweise ein Polyarylalkylsiloxan.
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Als Polyetherimid oder „PEI“ wird ein thermoplastischer Kunststoff bezeichnet, der vielfältig einsetzbar ist, weil er hochtemperaturbeständig ist, als flammwidrig eingestuft, weil er geringe Rauchentwicklung zeigt, wenn er dennoch mal brennt. PEI hat hohe Festigkeit, auch hohe elektrisch Durchschlagsfestigkeit, geringes Gewicht und ist gegen UV-Licht und Gammastrahlen beständig. Insbesondere ist PEI als „ULTEM®“ handelsüblich.
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Als Imprägnierharz wird ein Duromer eingesetzt. Dabei kann beispielsweise Polyester, Formaldehyd, Epoxid, Novolak, Silikon, Polyesterimid, Polyurethan sowie beliebige Mischungen, Blends und Copolymere der vorgenannten Verbindungen eingesetzt werden. Imprägnierharze für Nutauskleidungen und/oder Wickelbandisolationen sind allgemein, unter anderem aus den oben genannten Patentschriften, bekannt. Die festen Isolationsstoffe werden mit diesen Imprägnierharzen imprägniert und das Harz dann ausgehärtet damit das Isolationssystem fertiggestellt ist.
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Unter dem Handelsnamen „Siltem™“ ist ein Polyetherimid-Siloxan-Copolymer erhältlich, dass hier schon erfolgreich eingesetzt und getestet wurde. Das Siltem ist ein amorphes thermoplastischen Polyetherimid-Siloxan-Copolymer und kombiniert die Temperaturbeständigkeit des PEI mit der Flexibilität eines Silicon-Elastomers.
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Die 1 und 2 zeigen die Oberfläche zweier Prüfkörper mit Isolationssystemen, jeweils einen festen Flächenisolationsstoff imprägniert mit einem Kunstharz, das nach erfolgter Imprägnierung ausgehärtet wurde, dargestellt. Beide Figuren zeigen den Prüfkörper nach der elektrischen Alterung. In 1 ist die Erosion des mit reinem Polyetherimids hergestellten Isolationssystems und in 2 die Erosion des mit dem erfindungsgemäßen Polyetherimid-Siloxan-Copolymer als festem Flächenisolationsstoff hergestellten Isolationssystem unter den gleichen Bedingungen dargestellt.
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Die definierten Standardprüfbedingungen für die elektrische Alterung nach IEC 60343 sind:
- Spannung: 10 kV
- Atmosphäre: Luft 50%RH
- Temperatur: Raumtemperatur ca. 23°C
- Testdauer: 100 Stunden
- Durchfluss: 1000 1*h-1
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Unterhalb der 1 befindet sich die Legende, wobei erkennbar ist, dass bei der 1, dem Isolationssystem mit reinem PEI, unter den unten genannten Bedingungen sich ein Kreis um den mittig angeordneten Leiter herum mit einer durch Teilentladungen verursachten Erosionstiefe von bis zu 80 µm bildet, wohingegen unter den gleichen Bedingungen der Prüfkörper der 2, mit dem bis auf den festen Isolationswerkstoff identisch hergestellten Isolationssystem, das das erfindungsgemäße Copolymer als festen Isolationswerkstoff umfasst, im getesteten Fall das Handelsprodukt Siltem® und/oder Ultem® STM 1600 als PEI-Siloxan-Copolymer, auch eine kreisrunde Alterung, aber lediglich mit einer Erosionstiefe zwischen -1µm und -8µm zeigt.
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Die vorliegende Erfindung bringt nach diesen Tests einen Quantensprung in der Isolationstechnik, da hier erstmals auf das aufwändig herzustellende und kostspielige glimmerhaltige Isoliermaterial verzichtet werden kann.
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Es zeigt sich, dass das Copolymer gegenüber dem reinen Polyetherimid einen enormen Anstieg, ja eine nahezu vollständige Teilentladungsresistenz bewirkt.
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Aufgrund der festgestellten Teilentladungsresistenz eignet sich das hier erstmals als Glimmer-Ersatz vorgestellte Polyetherimid-Siloxan-Copolymer als Flächenisolierstoff, sowohl für Wickelband-Isolationen als auch für flächige, beispielsweise Nutauskleidungs-Isolationen, besonders im Einsatz von Motoren, sowohl für die Traktion als auch als Antriebsmotor, aber auch für Generatoren wie z.B. einem Windkraftgenerator. Durch seine hervorragenden Dehnungseigenschaften erweitert es das Designspektrum von -beispielsweise - Traktionsmotoren.
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Damit ist es ein erreichbares Ziel, sowohl die mAramidenthaltenden Nutauskleidungen, ebenso wie die Polyimidenthaltenden Isolierbänder mit dem erfindungsgemäßen Flächenisolationsstoff aus Polyetherimid-Siloxan-Copolymer herzustellen, ohne bei der Leistungsdichte der Motoren oder Generatoren Abstriche machen zu müssen. Vor allem ist es möglich, in beiden Isolationssystemen das Glimmerpapier und/oder Glimmerband, die jeweils Glimmer auf einem Träger, wie beispielsweise Glasgewebe, und zur Verbindung der Glimmerplättchen einen Bandkleber - mindestens - umfassen, durch das Polyetherimid-Siloxan-Copolymer, das unter anderem durch Flächen-Extrusion verarbeitet werden kann, zu ersetzen.
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Eine beispielsweise durch Flächen-Extrusion hergestellte Polyetherimid-Siloxan-Folie isoliert beispielsweise die Spulen und/oder die Drähte der Wicklung eines Elektromotors. Diese Spulen werden anschließend in die Nuten eines Blechpakets eingelegt und anschließend mit einem Imprägnierharz, wie beispielsweise einem Polyesterimid und/oder einem Silikon imprägniert.
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Ein Isolationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst beispielsweise Laminat mit einer oder mehreren Folien aus Polyetherimid-Siloxan-Copolymer, beispielsweise auch zu Laminaten mit Trägern und/oder Schutzfolien verarbeitet - z.B. mit mAramid oder Polyimid als Trägerfolie verbunden.
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Als „Folie“ wird vorliegend eine flächige Schicht aus einem Material verstanden. Die Folie ist eine Schicht und kein Schichtstapel.
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Ein „Laminat“ hingegen ist in der Regel ein Schichtstapel, eine oder mehrere Folien umfassend. Dabei können die Schichten vollflächig - also alle Schichten Folien - oder teilflächig also zumindest eine Schicht mit beispielsweise einer Gitter- und/oder statistisch verteilten Fasern und/oder Netzstruktur aufeinanderliegen. Es kann zur Laminatbildung auch die Verbindung einer Folie mit einem Gewebe oder einem Gelege, beispielsweise einem Glasfasergelege, ausreichen.
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Als „Laminat“ wird vorliegend eine Stapelung und/oder ein Verbund zumindest zweier Schichten oder Folien, also beispielsweise zumindest einer Träger- und/oder Schutzfolie, z.B. aus mAramid oder Polyimid, mit zumindest einer Folie aus dem Polyetherimid-Siloxan-Copolymer, verstanden.
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Insbesondere bei Nutauskleidungen, wie sie beispielsweise in Elektromotoren, Windgeneratoren etc. vorkommen, können die einfachen Folien aus Polyetherimid-Siloxan-Copolymer als Flächenisolationsstoff reißen, deshalb ist es besser, hier Laminate mit relativ reißfesten Folien für den Einsatz des Polyetherimid-Siloxan-Copolymers als Isolation zu verwenden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform werden die Laminate beispielsweise zu Bändern geschnitten und in Isolationssystemen eingesetzt.
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So kann eine Isolation einer Nut für einen Elektromotor in ihrer gesamten Länge auch und/oder zusätzlich durch einen Flächenisolationsstoff aus Polyetherimid-Siloxan-Copolymer in großer Foliendicke und/oder als Laminat verarbeitet, also z.B. im Verbund mit z.B. mAramid Folien und/oder Polyimid Folien, als Nutauskleidung geschützt werden.
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Anschließend wird die Wicklung in die Nuten eingelegt und wiederum die gesamte Wicklung mit einem Imprägnierharz wie Polyesterimid oder Silikon imprägniert.
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Bei der Herstellung des Flächenisolierstoffes als Wickelband wird insbesondere eine Bandfolie in einer Dicke im Bereich von 20µm bis 300µm, insbesondere von 25µm bis 200µm und ganz bevorzugt im Bereich von 30µm bis 170µm, zu dem hier genannten Zweck hergestellt. Aus der Bandfolie wird dann ein Wickelband, zur Herstellung des festen Anteils einer Wickelbandisolation, hergestellt, dass anschließend mit Imprägnierharz imprägniert wird.
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Bei der Herstellung des Flächenisolationsstoff, beispielsweise zur Nutauskleidung, wird insbesondere eine Folie in einer Dicke im Bereich von 12,5µm bis 500µm, insbesondere von 25µm bis 450µm und ganz bevorzugt im Bereich von 50µm bis 300µm, zu dem hier genannten Zweck hergestellt. Aus der Folie wird dann ein Flächenisolationsstoff, beispielsweise durch Laminieren mehrerer Folien, Papiere oder Folien aus anderen Materialien, wie mAramid-Folien oder Polyimid-Folien, zur Herstellung des festen Anteils eines Nutisolationssystems, hergestellt, dass anschließend mit Imprägnierharz imprägniert wird.
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Weitere Vorteile der Verwendung eines Polyetherimid-Siloxan-Copolymers als Flächenisolationsstoff sind beispielsweise, dass
- - das gesamte Isolationssystem deutlich günstiger hergestellt werden kann als mit Glimmer basiertem Flächenisolationsstoff,
- - der Flächenisolationsstoff ist thermisch von ca. 150°C bis 200°C belastbar,
- - das Polyetherimid-Siloxan-Copolymer ist dank seines Siloxan-Anteils auch flexibel, so dass es als Wickelband einsetzbar ist,
- - elektrisch hält es - wie Tests gezeigt haben - dauerhaft die benötigte Feldstärke, denn, - wie vorliegend herausgefunden wurde - wenn bei elektrischen Feldstärken von bis zu maximal 15kV/mm (!) elektrische Entladungen auf ein Siloxan oder einen SiO2-Nanopartikel treffen, bildet sich eine verglaste Schutzschicht, die die Lebensdauer einer damit isolierten elektrischen rotierenden Maschine signifikant erhöht. Die so gebildete, verglaste Schicht kann gut mittels REM detektiert werden, außerdem ist eine Elementaranalyse mittels EDX möglich, um das Silizium im Copolymer zu detektieren und
- - es ist Teilentladungsresistent, wie 2 der vorliegenden Beschreibung zeigt, was zu einer deutlichen Erhöhung der elektrischen Lebensdauer führt.
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Durch die Erfindung wird erstmals ein Ersatz für den herkömmlich verwendeten Glimmer als Barrierewerkstoff in einem Isolationssystem wie der Hauptisolation von elektrischen rotierenden Maschinen wie Motoren und/oder Generatoren zur Verfügung gestellt. Der Ersatz basiert auf einem Polyetherimid-Siloxan-Copolymer, dass flächig, beispielsweise über Flächen-Extrusion, verarbeitbar ist. Dabei werden Folien hergestellt, die in Folienform oder auch als Laminat verarbeitet, als flächige Isolationsstoffe oder als Bänder geschnitten, in Isolationssystemen einsetzbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2763142 A1 [0006]
- DE 102011083228 A [0006]
