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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Isolationssystem zum
Gebrauch bei Wicklungen einer dynamoelektrischen Maschine. Im Besonderen bezieht
sie sich auf eine Isolation mit inneren und äußeren Schichten, die unterschiedliche
Dielektrizitätskonstanten
haben, um eine vorteilhaftere Spannungsverteilung innerhalb des
Dielektrikums zu erzeugen.
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Hintergrund der Erfindung
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Isolationssysteme
für große dynamoelektrische
Wechselstrom-Maschinen werden laufend neu entwickelt, um die Spannungen
zu erhöhen,
bei denen diese Maschinen betrieben werden, während gleichzeitig die Dicke
des Isoliermaterials minimiert wird.
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Bei
solchen Isolationssystemen ist es üblich, Glimmer in einer Vielfalt
von Formen von großen
Flocken, die auf einem Stützmaterial
dispergiert sind, bis zu dem als Glimmerpapier bekannten Produkt
einzusetzen. Während
die geringe Zugfestigkeit von Glimmerpapier sich nicht selbst zum
Einsatz in solchen Isolationssystemen anbietet, hat Glimmerpapier
eine hervorragende Coronadurchbruchs-Beständigkeit, die
der Corona-Entladung entgegenwirkt, die in Hochspannungs-Wicklungen
auftritt, die die Lebensdauer der Isolation verkürzen. Um die geringe Zugfestigkeit
des Glimmerpapiers zu kompensieren, wird das Glimmerpapier an Glasfasern
gebunden, die auch das Ablösen
von Glimmerflocken vom Glimmerbend während eines Bewickelns verhindern.
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Kürzlich wurde
ein coronabeständiges
Polyimid und Verbund-Isolationsband in den Isolationssystemen eingesetzt.
Dieses Band hat außergewöhnliche
Isolationsqualitäten
und eine gute Coronaentladungs-Beständigkeit. Dieser Film kann
unabhängig
oder als ein Stützmaterial
auf einem Glimmerpapier-Glasfaser-Verbundband benutzt werden. Die Hinzufügung der
verbesserten coronabeständigen Bandisolation
ergibt ein Isolationssystem, das gegenüber Standardsystemen elektrisch
verbessert ist.
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WO-A-99/17425
offenbart eine Isolationsanordnung für einen Leiter, der von einer
ersten Isolationsschicht umgeben ist, die ihrerseis von einer zweiten
Isolationsschicht umgeben ist, die eine Dielektrizitätskonstante
aufweist, die geringer ist als die Dielektrizitätskonstante der ersten Isolationsschicht.
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Die
Größe und das
Profil des lokalen elektrischen Feldes innerhalb der Grundierungs-
bzw. Erdwand-Isolation wurde bisher jedoch bei der Entwicklung von
Isolationssystemen und Bändern
für die Grundierungswand
nicht in Betracht gezogen. Dieses in der Grundierungswand-Isolation
als ein Resultat der an den Leiter gelegten hohen Spannung erzeugte
elektrische Feld hat eine direkte Auswirkung auf die Lebensdauer
der Isolation. Da verschiedene Initiativen existieren, die Dicke
der Grundierungswand-Isolation zu verringern, sollte klar sein,
dass die Wirkung des elektrischen Feldes, wie es über die Grundierungswand
verteilt ist, auch eine Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit
des Isolationssystems und die Lebensdauer des Grundierungswand-Isolationssystems
hat. Es besteht daher ein Bedarf, ein Grundierungswand- bzw. Erdwand-Isolationssystem
zum Gebrauch bei Wicklungen für
dynamoelektrische Maschinen zu entwickeln, das die Auswirkungen
des in der Erdwand-Isolation als ein Resultat des Spannungsunterschiedes über die
Isolation erzeugten lokalisierten elektrischen Feldes in Betracht
zieht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden ein Wicklungselement, wie in Anspruch 1 spezifiziert, und
eine Erdwand-Isolation, wie in Anspruch 6 spezifiziert, bereitgestellt.
Diese umfassen ein Isolationssystem, das zu einer abgestuften oder
scharfen Zunahme des elektrischen Feldes führt, wie es vom Inneren der
Isolation benachbart dem Leiterstab oder den leitenden Elementen
zur äußeren Armierung oder
der geerdeten Armierung dieser Isolation verteilt ist.
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Es
sollte klar sein, dass der Begriff "abgestufte Zunahme" des elektrischen Feldes sich auf eine
signifikante Änderung
des Profils des elektrischen Feldes über einen Querschnitt der Erdwand-Isolation bezieht.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt das Profil des elektrischen Feldes über einen "flachen" Querschnitt eine
Zunahme in Form einer scharfen Stufe über einen Teil des Querschnittes, verglichen
mit einem flachen Profil des elektrischen Feldes in der Vergangenheit.
Hinsichtlich eines Eckabschnittes der Isolation nimmt das Profil
des elektrischen Feldes, weg von den Leitern, graduell ab und zeigt
wieder eine Zunahme in Form einer scharfen Stufe über einen
Teil des Querschnittes der Ecke.
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Um
den vorhergehenden Aspekt der abgestuften Änderung im Profil des elektrischen
Feldes der Isolation der vorliegenden Erfindung zu bewerkstelligen,
wird ein Isolationssystem bereitgestellt, das einen Leiter einer
dynamoelektrischen Maschine aufweist, der mit Isolationsschichten
isoliert ist. Die Isolation hat eine erste innere Isolationsschicht
und eine zweite Isolationsschicht, die mit Bezug auf die erste innere
Schicht außerhalb
liegt. Sowohl die erste als auch die zweite Isolationsschicht haben
eine vorbestimmte Dicke, um für
die richtigen Isolations-Charakteristika zu sorgen, die für die Isolation
selbst erforderlich sind. Die Dielektrizitätskonstante der ersten inneren
Isolationsschicht ist jedoch derart ausgewählt, dass sie größer ist
als die der zweiten Isolationsschicht, sodass das elektrische Feld
in der zweiten Isolationsschicht an dem Übergang zwischen der ersten
inneren und der zweiten Isolationsschicht scharf zunimmt.
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Es
wurde festgestellt, dass durch eine relativ höhere Dielektrizitätskonstante
der inneren Schicht das elektrische Feld benachbart dem Leiter eine
verringerte Größe aufweist.
Während
das über
die Isolation verteilte elektrische Gesamtfeld nicht geringer zu sein
braucht, sollte klar sein, dass die Größe irgendwelcher scharfen Änderungen
des elektrischen Feldes in der isolierenden Schicht benachbart dem
Leiter vermindert sind. Es ist eine beträchtliche Unternehmung, weil
die Isolation für
die schwächsten
Bereiche der Isolation entworfen und entwickelt ist, die an den
Ecken der Isolation benachbart den Leitern auftreten, wo in der
Vergangenheit die höchsten
Werte des elektrischen Feldes festgestellt wurden. Durch Vermindern
dieser Stärke
des elektrischen Feldes sind die Anforderungen hinsichtlich der
Isolationsdicke vermindert, was die Dicke der Isolation minimiert, während die
von den Leitern getragenen Spannungen oder die Isolations-Lebensdauer
nicht beeinträchtigt
werden. Es sollte klar sein, dass es gemäß der vorliegenden Erfindung
vorgesehen ist, dass diese Leiter Spannungen in der Größenordnung
von 4 kV und mehr tragen.
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Es
wird auch vorgesehen, dass in alternativen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung die Isolation mehr als zwei Isolationsschichten umfassen
kann, die in aufeinander folgenden Schichten übereinander gelegt sind, wobei
jede folgende Schicht eine Dielektrizitätskonstante hat, die geringer ist
als die der vohergehenden Isolationsschicht.
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Eine
bevorzugte Anwendung des Isolationssystems der vorliegenden Erfindung
ist die als eine Erdwand-Isolation für Leiter in der Wicklung einer
dynamoelektrischen Maschine, die Spannungen von 4 kV und mehr trägt. Bei
Anwendungen, bei denen die Spannung in der Größenordnung von 13,8 kV ist, liegt
die Dicke der Erdwand-Isolation in der Größenordnung von 3,2 mm.
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Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Erdwand-Isolation zum
Einsatz auf einem Leiter einer dynamoelektrischen Maschine bereitgestellt,
der ein abgestuftes Profil des elektrischen Feldes über die
Erdwand-Isolation aufweist. Die Erdwand-Isolation umfasst eine erste
innere Isolationsschicht und eine zweite äußere Isolationsschicht. Die
erste innere Isolationsschicht wird auf den Leiter aufgebracht und
sie hat eine erste vorbestimmte Dicke und eine erste vorbestimmte
Dielektrizitätskonstante.
Die zweite äußere Isolationsschicht
wird auf die erste innere Isolationsschicht aufgebracht und bildet
einen Übergang
damit. Die zweite äußere Isolationsschicht
hat eine zweite vorbestimmte Dicke und eine zweite vorbestimmte
Dielektrizitätskonstante,
wobei die zweite vorbestimmte Dielektrizitätskonstante geringer als die
erste vorbestimmte Dielektrizitätskonstante
der ersten inneren Isolationsschicht ist, was eine abgestufte Zunahme im
elektrischen Feld in der Erdwand-Isolation an dem Übergang
von der ersten inneren zur zweiten äußeren Isolationsschicht erzeugt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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Für ein besseres
Verstehen der Natur und der Aufgaben der vorliegenden Erfindung
wird auf die beigefügte,
diagrammartige Zeichnung Bezug genommen, in der zeigen:
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1 den
Querschnitt eines typischen Statorstabes für eine große dielektrische Wechselstrommaschine,
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2 den
Querschnitt einer typischen Statorspule für eine große dynamoelektrische Wechselstrommaschine,
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3A ein
Isolationssystem für
den Statorstab der 1A unter Benutzung
des Isolationssystems dieser Erfindung,
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3B zeigt
ein Isolationssystem für
eine Statorspule von 1B unter Benutzung
des Isolationssystems dieser Erfindung.
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4 ist
eine vereinfachte Teilansicht des Leiters von 3A,
die die Stelle der Ecke und der flachen Querschnitte für die Profile
des elektrischen Feldes nach 5 zeigt,
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6 ist
eine graphische Darstellung des Profils des elektrischen Feldes
der Erdwand-Isolation des
Statorstabes von 1 und
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6 ist
eine graphische Darstellung des Profiles des elektrischen Feldes
der Erdwand-Isolation
des Statorstabes der 3A und 4.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 zeigt
einen Querschnitt eines typischen Statorstabes 10 für eine große dynamoelektrische
Wechselstrommaschine. Stab 10 ist aus einer großen Anzahl
isolierender Leiter, wie 12, zusammengesetzt, die voneinander durch
die Strangisolation 14 isoliert sind.
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Die
Leiter 12 sind zu einer Gruppe geformt, nachdem die Strangisolation 14 aufgebracht
worden ist, um die erforderliche Isolation zu liefern. Die obere und
untere Oberfläche
der Leitergruppe sind mit einem isolierenden Material 13 gefüllt, das
allgemein als ein Transpositons-Füllstoff bezeichnet wird. Die Gruppe
der isolierten Leiter 12 wird als Nächstes mit einem Erdband-Isolationsmaterial 16 umwickelt.
Die Anzahl der Schichten des isolierenden Bandes, das die Isolation
ausmacht, kann von 7 bis 16 Schichten einer Glimmerband-Isolation
ausmachen, die in halb überlappter
oder gewickelter Weise aufgebracht ist, was von der Höhe der Betriebsspannung
abhängt, der
die Leiter 12 ausgesetzt sind.
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Für Hochspannungs-Anwendungen,
d.h., für Spannungen
oberhalb 4.000 Volt und vorzugsweise 13,8 kV, wäre die bevorzugte Erdwand-Isolation Schichten
aus einem Verbund-Glimmerband, umfassend ein gegen Coronaentladung
beständiges
Polyimid, das mit einem Glimmerpapierband verbunden ist. Dieses
Band ergibt eine gute Isolationsschicht und wegen seiner coronabeständigen Eigenschaften erhält man eine
lange Lebensdauer wegen der Beständigkeit
gegen Coronaentladung. Die Glimmerpapier-Verbundmaterialien und
-Bänder,
die in diesen Hybridsystemen eingesetzt sind, enthalten einen hohen
Prozentsatz an halb gehärtetem
Harz (harzreich), das ein coronabeständiges Material enthalten kann,
aber nicht braucht. Der umwickelte Stab wird, in einem Autoklaven
oder einer Presse, erhitzt und gepresst, um das Harz temporär zu verflüssigen,
um irgendwelche eingeschlossene Luft zu evakuieren und Hohlräume zu beseitigen.
Wärme und
Druck auf den Stab werden während
der Behandlung aufrecht erhalten, sodass das in der Isolation enthaltene
Harz geliert und das Isolationssystem verbindet. Die Oberfläche des
gehärteten
Stabes kann dann mit geeigneten Materialien überzogen werden, um sicherzustellen,
dass die gesamte freigelegte Oberfläche des Stabes während des
Maschinenbetriebes eine Äquipotential-Oberfläche bildet.
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Der
mit dem wie oben beschriebenen Band hergestellte gehärtete Stab
arbeitet akzeptabel innerhalb der Entwurfs-Parameter der Maschine
für eine vorbestimmte
Zeitdauer.
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2 zeigt
den Querschnitt einer typischen Spule 10b. In diesem Falle
sind Stränge 12b aus Kupfer
(sechs sind gezeigt) gruppiert, obwohl die Stränge 12 durch die Anwesenheit
der Strangisolation 14b voneinander getrennt sind, wobei
die zu der Windung gruppierten sechs Stränge von anderen Windungen der
Spule 10b durch die Windungsisolation 15b voneinander
isoliert sein müssen.
Die Windungspackung wird schließlich
mit Erdwand-Isolation 16b bedeckt.
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3A zeigt
den Querschnitt eines Statorstabes, der gemäß den Lehren dieser Erfindung
isoliert ist. Das Leiterbündel
ist aus einzelnen Leitern 22 zusammengesetzt, die durch
Strangisolation 24, ähnlich
wie in 1A gezeigt, getrennt sind.
Das Leiterbündel
wird dann mit mehreren Schichten von Verbundband bewickelt. Jede
Schicht des Verbundbandes umfasst eine erste innere Schicht 26 aus
Isolationsband und eine zweite Isolationsschicht 28 aus Band.
Diese Schichten 26, 28 aus Band haben jeweils
eine vorbestimmte Dicke und unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten.
Im Besonderen ist die Dielektrizitätskonstante der ersten inneren
Schicht größer als
die Dielektrizitätskonstante
der äußersten Schicht.
Es sollte klar sein, dass zusätzliche
dritte oder vierte Schichten von Band mit verringerter Dielektrizitätskonstanten
in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
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Es
sollte klar sein, dass diese inneren und äußeren Isolationsschichten Schichten
halb überlappten
Bandes aus einem Verbundmaterial, wie Glimmerpapier auf einem Glasband-Träger, zusammengesetzt
sein können,
um Schicht 28 zu bilden. Ein geeignetes Harz-Imprägnierungsmittel
ist in dem Glimmerpapier vorhanden. Dieses Standardband hat eine
ausgezeichnete Fähigkeit,
Spannung zu widerstehen.
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Die
Erdwand-Isolation mit den Schichten 26 und 28 kann
einem Druckhärten
oder einem Autoklaven-Härtungsverfahren
unterworfen werden, um irgendwelche Hohlräume in den Isolationsschichten 26 und 28 zu
beseitigen und das Harz-Imprägnierungsmittel
zur Gelbildung zu bringen.
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Geeignete
Oberflächen-Überzüge können auf
die äußere Oberfläche der
Isolationsschicht 28 vor oder nach der Härtung aufgebracht
werden.
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3B zeigt
die Erdwand-Verbundisolation, wie sie auf Spule 20 aufgebracht
ist, die aus drei Windungen zusammengesetzt ist. In diesem Falle
sind die Kupferleiter 22b von Strangisolation 24b umgeben.
Die Windungsisolation 25 ist auf jede Windung und die anfängliche
Schicht der Erdwand-Isolation 26b aufgebracht,
die die gleichen Bestandteile wie Schicht 26 in 3A enthält. Schließlich wird
die Schicht der äußeren Erdwand-Isolation 28b aufgebracht.
Mit Ausnahme der Anwesenheit der Windungs-Isolation 25b sind
die Isolationssysteme der 3A und 3B sehr ähnlich.
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In 4 ist
eine vereinfachte Zeichnung des Leiters 25 gezeigt, der
die innere Erdwand-Isolationsschicht 26 und die zweite äußere Erdwand-Isolationsschicht 28 aufweist,
die als erste und zweite Schicht 26, 28 bezeichnet
sind. Die erste Schicht 26 hat eine Dielektrizitätskonstante,
die so ausgewählt ist,
dass sie größer ist
als die der zweiten Schicht 28. Bei ausgeführten Tests
wurde eine Dielektrizitätskonstante
von 6,5 für
die innere Schicht der Bandisolation 26 benutzt. Die Dielektrizitätskonstante
der zweiten, mehr äußeren Isolationsschicht 28 wurde
zu 4,2 ausgewählt.
Die vorbestimmte Dicke der Schichten betrug 0,096 Zoll oder etwas
weniger als 2,5 mm. Die Profile des elektrischen Feldes wurden an
der bei 40 gezeigten Ecke und am flachen Teil bei 42 bestimmt. Das
Resultat der Messungen für 4 ist
in der graphischen Darstellung der 6 gezeigt.
Bevor die graphische Darstellung der 6 erläutert wird,
soll jedoch Bezug genommen werden auf die graphische Darstelung
der 5, die sich auf die in 1 gezeigte
Isolation bezieht.
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In 5 ist
gezeigt, dass das Profil des elektrischen Feldes an der Ecke 40 sich
in einer gekrümmten
Kurve vermindert, die durch Kurve 55 gegeben ist und die
bei etwa 4.200 V/mm beginnt und dass dieses graduell bis zu der
Dicke von 3 mm für dieses
Leiter-Isolationsmaterial abnimmt. Am flachen Teil ist das elektrische
Potenzialfeld bei etwa 2.600 V/mm stabil. Dies wird durch Kurve 50 gezeigt.
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Die
in 1 gezeigte Isolation hat ihren schwächsten Teil
an der Ecke benachbart dem Leiter, wo das elektrische Feld am größten ist
und folglich die Isolation ihren schwächsten Punkt hat. In 6 ist
die graphische Darstellung für
den Leiter der 3A gezeigt und mit der graphischen
Darstellung von 5 verglichen, die in 6 ebenfalls
gezeigt ist. Die Dicke der beiden Isolationssysteme 26 und 28 ist
gezeigt. In der graphischen Darstellung beträgt die maximale Größe 65 des
elektrischen Feldes 4.000 V/mm, verglichen mit etwa 4.200 V/mm in 5.
Das Profil des elektrischen Feldes vermindert sich jedoch graduell
entlang einer Kurve bis zu der scharfen Stufe 68, wo die
zweite Isolationsschicht an dem Übergang
zwischen den Schichten 26 und 28 gebildet ist. Danach
nimmt das elektrische Feld wieder in einer gekrümmten Neigung ab. Hinsichtlich
des Profiles des elektrischen Feldes über das flache Stück 42,
die Verteilungsschicht, ist dies bei 60 gezeigt und kann mit dem
Profil 50 verglichen werden. Folglich ist die Verteilung
des elektrischen Feldes benachbart dem Leiter geringer sowohl für die flachen
als auch gekrümmten
Abschnitte 42 und 40 und es gibt eine Zunahme
in Form einer scharfen Stufe bei 68 und dann ist sie größer als
für die
Kurven 60 bzw. 55. Die vorliegende Erfindung sorgt
jedoch für
eine Verringerung der maximalen Größe des elektrischen Feldes, der
die Erdwand-Isolation widerstehen muss.
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Es
sollte klar sein, dass das Profil des elektrischen Feldes, wie es
in 6 gezeigt ist, das für eine Wicklung von Statorstäben ist,
und dass dieses Profil des elektrischen Feldes mit einer Stufenfunktion über den Übergang
der ersten zur zweiten Isolationsschicht für Statorspulen vorhanden wäre, und
dass sich dieses Muster durch die Zugabe aufeinander folgender Isolationsschichten
mit geringeren Dielektrizitätskonstanten
in jeder aufeinander folgenden Schicht wiederholen kann.
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Weiter
sollte klar sein, dass die Dicke des Isolationssystems, das in 6 benutzt
wurde, gegenüber
der, die nach dem Stande der Technik von 5 benutzt
wurde, deutlich vermindert ist. Diese Verminderung der Isolation
führt zu
Kostenersparnissen beim Material.
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In
den 3A und 3B sind
aufeinander folgende Isolationsschichten 80 und 82 gestrichelt über der
Schicht 28 in 3A und der Schicht 28b in 3B gezeigt.
Diese nachfolgenden Schichten 80, 82, wenn sie benutzt
werden, haben abnehmende Dielektrizitätskonstanten für jede Schicht,
die weiter weg von der Windungsisolation 24 oder den Erdwand-Isolationsschichten 26, 28 aufgebracht
ist.
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Es
ist weiter vorgesehen, dass die in der vorliegenden Erfindung eingesetzten
inneren und äußeren Isolationsschichten
zwei Bänder
aufweisen können,
die aus unterschiedlichen Glimmerarten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten
hergestellt sind, was von der Auswahl des Glimmers für das Glimmerpapierband
abhängt.
Die für
diese Bänder ausgewählten Glimmerpapiere
würden
derart sein, dass der Unterschied in den Dielektrizitätskonstanten,
der dem Glimmer selbst innewohnt, zur resultierenden Gesamt-Dielektrizitätskonstanten
jedes Bandes beitragen wird. In dieser Weise könnten mehrere Bänder unterschiedlicher
Dielektrizitätskonstanten auf
der Grundlage einer einzelnen Grundband-Konstruktion und -Chemie
benutzt werden. Die üblichste Form
des Glimmers ist Muscovit, der eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von
6 bis 8 aufweist. Eine andere Form von Glimmer ist Phlogopit mit
einer Dielektrizitätskonstanten
im Bereich von 5 bis 6. Es gibt viele verschiedene Arten von Glimmer-Paarungen, aus
denen die vorteilhaften Materialpaarungen ausgewählt werden können. Der
Glimmer kann aus den Folgenden ausgewählt werden: Anandit, Annit,
Biotit, Ephesit, Bityt, Bormuscovit, Celadonit, Chernikhit, Clintonit,
Ephesit, Ferriannit, Glauconit, Hendricksit, Kinoshitalit, Lepidolith,
Masutomilit, Muscovit, Nanpingit, Paragonit, Phlogopit, Polylithionit,
Preiswerkit, Roscoelit, Siderophillit, Natriumphlogopit, Taeniolit, Vermiculit,
Wonesit und Zinnwaldit.
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Es
sollte klar sein, dass alternative Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung für
den Fachmann in Anbetracht der obigen Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
dieser Erfindung leicht zugänglich
sind. Während
die bevorzugte Ausführungsform
sich auf die Erdwand-Isolation
bezeiht, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die
Windungsisolation 24 von 3A, die Leiter 22 umgibt,
die erste innere Isolationsschicht und die zweite äußere Isolationsschicht
umfassen kann, die Erdwand-Isolationsschicht 26 umfassen kann,
solange die zweite Schicht 26 eine geringere Dielektrizitätskonstante
als die Schicht 24 aufweist. Der Umfang der vorliegenden
Erfindung sollte daher nicht auf die Lehren der bevorzugten Ausführungsformen
sonder nur auf den Umfang der folgenden Ansprüche beschränkt sein.