DE102022004616A1 - Stator for an axial flow machine and axial flow machine - Google Patents

Stator for an axial flow machine and axial flow machine Download PDF

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DE102022004616A1
DE102022004616A1 DE102022004616.4A DE102022004616A DE102022004616A1 DE 102022004616 A1 DE102022004616 A1 DE 102022004616A1 DE 102022004616 A DE102022004616 A DE 102022004616A DE 102022004616 A1 DE102022004616 A1 DE 102022004616A1
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axial flow
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Tim Ziegler
Cornelius Hentrich
Mike Fuchslocher
Markus Hiller
Reiner Heigl
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Mercedes Benz Group AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (10) für eine Axialflussmaschine, mit einem ringförmigen Kern (12), welcher auf einer seiner axialen Stirnseiten (S1, S2) Ausnehmungen (16) aufweist, welche in radialer Richtung des Stators (10) nach innen und außen hin offen sind, und mit wenigstens einer an dem Kern (12) gehaltenen Wicklung (20), welche durch mehrere, separat voneinander ausgebildete Leiter (22) gebildet ist, wobei der jeweilige Leiter (22) an sich in einer senkrecht zur axialen Richtung des Stators (10) verlaufenden Ebene betrachtet eine stern- oder blumenförmige, in Umfangsrichtung (24) des Stators (10) offene Struktur mit genau drei in radialer Richtung des Stators (10) nach innen verlaufenden, ersten Windungen (W1) und genau zwei in radialer Richtung des Stators (10) nach außen verlaufenden, zweiten Windungen (W2) bildet, wobei die Leiter (22) in Umfangsrichtung (24) des Stators (10) versetzt zueinander in den Ausnehmungen (16) angeordnet sind.

Figure DE102022004616A1_0000
The invention relates to a stator (10) for an axial flow machine, with an annular core (12) which has recesses (16) on one of its axial end faces (S1, S2) which are open inwards and outwards in the radial direction of the stator (10), and with at least one winding (20) held on the core (12) which is formed by several conductors (22) formed separately from one another, wherein the respective conductor (22) viewed in a plane running perpendicular to the axial direction of the stator (10) forms a star-shaped or flower-shaped structure open in the circumferential direction (24) of the stator (10) with exactly three first turns (W1) running inwards in the radial direction of the stator (10) and exactly two second turns (W2) running outwards in the radial direction of the stator (10), wherein the conductors (22) are arranged offset from one another in the recesses (16) in the circumferential direction (24) of the stator (10). are.
Figure DE102022004616A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine Axialflussmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine Axialflussmaschine mit wenigstens einem solchen Stator.The invention relates to a stator for an axial flow machine according to the preamble of patent claim 1. Furthermore, the invention relates to an axial flow machine with at least one such stator.

Ein solcher Stator für eine Axialflussmaschine ist beispielsweise bereits der DE 10 2021 124 995 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Stator weist einen ringförmigen Kern auf, welcher auf wenigstens einer seiner axialen Stirnseiten Ausnehmungen aufweist. Die Ausnehmungen sind in radialer Richtung des Stators nach innen und nach außen hin offen. Der Stator umfasst außerdem wenigstens eine an dem Kern gehaltene Wicklung, welche durch mehrere, separat voneinander ausgebildete Leiter gebildet ist.Such a stator for an axial flow machine is, for example, already the EN 10 2021 124 995 A1 as known. The stator has an annular core which has recesses on at least one of its axial end faces. The recesses are open inwards and outwards in the radial direction of the stator. The stator also comprises at least one winding held on the core, which is formed by several conductors formed separately from one another.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stator für eine Axialflussmaschine und eine Axialflussmaschine mit wenigstens einem solchen Stator zu schaffen, sodass eine besonders einfache Herstellung des Stators und somit der Axialflussmaschine realisiert werden kann.The object of the present invention is to provide a stator for an axial flow machine and an axial flow machine with at least one such stator, so that a particularly simple manufacture of the stator and thus of the axial flow machine can be realized.

Diese Aufgabe wird durch einen Stator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Axialflussmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a stator having the features of patent claim 1 and by an axial flow machine having the features of patent claim 4. Advantageous embodiments with expedient further developments of the invention are specified in the remaining claims.

Um einen Stator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders einfache und somit zeit- und kostengünstige Herstellung des Stators und somit der Axialflussmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der jeweilige Leiter an sich, das heißt für sich alleine betrachtet, in einer senkrecht zur axialen Richtung des Stators und somit des ringförmigen Kerns verlaufenden Ebene betrachtet eine sternförmige oder blumenförmige, das heißt eine sternförmige oder blumenblütenförmige, in Umfangsrichtung des Stators und somit des ringförmigen Kerns offene Struktur mit genau drei in radialer Richtung des Stators nach innen verlaufenden, ersten Windungen und genau zwei in radialer Richtung des Stators nach außen verlaufenden, zweiten Windungen bildet. Die jeweils als ein Festkörper ausgebildeten Leiter sind in Umfangsrichtung des Rotors versetzt zueinander und derart in den beispielsweise als Nuten ausgebildeten und/oder geradlinig verlaufenden Ausnehmungen angeordnet, dass in radialer Richtung des Stators verlaufende, erste Längenbereiche wenigstens eines ersten der Leiter in ersten der Ausnehmungen angeordnet sind, wobei in Umfangsrichtung des Stators zwischen jeweils zwei benachbarten ersten Längenbereichen des wenigstens einen ersten Leiters wenigstens oder zwei zweite der Ausnehmungen angeordnet und frei von dem wenigstens einen ersten Leiter sind. Mit anderen Worten ist der erste Leiter nicht in den zweiten Ausnehmungen angeordnet, sondern der erste Leiter überspringt oder übergreift die zweiten Ausnehmungen. Außerdem ist es vorgesehen, dass in radialer Richtung des Stators verlaufende, zweite Längenbereiche wenigstens eines in Umfangsrichtung des Rotors versetzt zu dem wenigstens einen ersten Leiter angeordneten, zweiten der Leiter jeweils in einer der zweiten Ausnehmungen angeordnet sind, wobei in Umfangsrichtung des Stators zwischen jeweils zwei benachbarten zweiten Längenbereichen des wenigstens einen zweiten Leiters wenigstens oder genau eine der ersten Ausnehmungen angeordnet und frei von dem wenigstens einen zweiten Leiter ist. Dies bedeutet, dass der zweite Leiter die wenigstens oder genau eine der ersten Ausnehmungen überspringt oder übergreift, mithin nicht in der wenigstens oder genau einen der ersten Ausnehmungen angeordnet ist. Außerdem ist es vorgesehen, dass in Umfangsrichtung des Stators zwischen den jeweils zwei benachbarten zweiten Längenbereichen des wenigstens einen zweiten Leiters wenigstens oder genau eine andere der zweiten Ausnehmungen angeordnet und frei von dem wenigstens einen zweiten Leiter ist, sodass der zweite Leiter auch die andere der zweiten Ausnehmungen überspringt oder übergreift, mithin nicht in der anderen der zweiten Ausnehmungen angeordnet ist.In order to further develop a stator of the type specified in the preamble of claim 1 in such a way that a particularly simple and thus time- and cost-effective manufacture of the stator and thus of the axial flux machine can be realized, it is provided according to the invention that the respective conductor in itself, that is to say considered on its own, in a plane running perpendicular to the axial direction of the stator and thus of the annular core forms a star-shaped or flower-shaped, that is to say a star-shaped or flower-shaped structure open in the circumferential direction of the stator and thus of the annular core with exactly three first turns running inwards in the radial direction of the stator and exactly two second turns running outwards in the radial direction of the stator. The conductors, each designed as a solid body, are offset from one another in the circumferential direction of the rotor and are arranged in the recesses, which are designed as grooves and/or run in a straight line, for example, in such a way that first length regions of at least one first of the conductors running in the radial direction of the stator are arranged in first of the recesses, with at least two second recesses being arranged in the circumferential direction of the stator between each two adjacent first length regions of the at least one first conductor and being free of the at least one first conductor. In other words, the first conductor is not arranged in the second recesses, but rather the first conductor skips or overlaps the second recesses. In addition, it is provided that second length regions of at least one second of the conductors running in the radial direction of the stator, offset from the at least one first conductor, are each arranged in one of the second recesses, with at least one or exactly one of the first recesses being arranged in the circumferential direction of the stator between each two adjacent second length regions of the at least one second conductor and being free of the at least one second conductor. This means that the second conductor jumps over or overlaps at least one or exactly one of the first recesses, and is therefore not arranged in at least one or exactly one of the first recesses. It is also provided that in the circumferential direction of the stator, between the two adjacent second length regions of the at least one second conductor, at least one or exactly another of the second recesses is arranged and is free of the at least one second conductor, so that the second conductor also jumps over or overlaps the other of the second recesses, and is therefore not arranged in the other of the second recesses.

Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der auch als Träger bezeichnete Kern, insbesondere vollständig, durch, insbesondere genau, ein spiralförmig gewickeltes und einfach auch als Band gezeichnetes Blechband gebildet ist. Vorzugsweise ist das Blechband einstückig ausgebildet, mithin aus einem einzigen Stück gebildet. Im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen des Stators wird beispielsweise das Blechband um eine insbesondere gedachte Wickelachse gewickelt und dadurch zu dem Kern aufgewickelt. Hierdurch werden jeweilige Schichten oder Lagen des Blechbands in radialer Richtung des Stators und somit des Kerns aufeinander angeordnet, wobei die Schichten beziehungsweise Lagen des Blechbands vorzugsweise einstückig miteinander ausgebildet, mithin aus einem einzigen Stück gebildet sind. Um dabei beispielsweise ein unerwünschtes Abwickeln des Blechbands zu vermeiden, sind beispielsweise jeweilige Enden des Blechbands mit dem übrigen Blechband, insbesondere mit einer jeweiligen der Lagen verbunden, insbesondere stoffschlüssig verbunden, ganz insbesondere verschweißt. Hierdurch kann eine besonders einfache und somit zeit- und kostengünstige Herstellung des Stators und somit der Axialflussmaschine insgesamt dargestellt werden.It has also been shown to be particularly advantageous if the core, also referred to as the carrier, is formed, in particular completely, by, in particular precisely, a spirally wound sheet metal strip, also simply referred to as a strip. The sheet metal strip is preferably designed in one piece, thus made from a single piece. As part of a method for producing the stator, for example, the sheet metal strip is wound around an imaginary winding axis and thus wound up to form the core. As a result, respective layers or plies of the sheet metal strip are arranged on top of one another in the radial direction of the stator and thus of the core, wherein the layers or plies of the sheet metal strip are preferably designed in one piece with one another, thus made from a single piece. In order to avoid, for example, undesired unwinding of the sheet metal strip, for example, respective ends of the sheet metal strip are connected to the rest of the sheet metal strip, in particular to one of the layers, in particular bonded, in particular welded. This allows a particularly simple and therefore time- and cost-effective production of the stator and thus of the axial flow machine as a whole.

Zur Erfindung gehört auch eine Axialflussmaschine, mithin eine als Axialflussmaschine ausgebildete und auch als Axialflussmotor bezeichnete, elektrische Maschine, wobei die Axialflussmaschine gemäß der Erfindung wenigstens einen erfindungsgemäßen Stator aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stators sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine anzusehen und umgekehrt.The invention also includes an axial flux machine, i.e. an electrical machine designed as an axial flux machine and also referred to as an axial flux motor, wherein the axial flux machine according to the invention has at least one stator according to the invention. Advantages and advantageous embodiments of the stator according to the invention are to be regarded as advantages and advantageous embodiments of the axial flux machine according to the invention and vice versa.

Die vorigen und folgenden Ausführungen zu dem Stator können ohne Weiteres auf einen Rotor einer Axialflussmaschine beziehungsweise zu der zuvor genannten Axialflussmaschine übertragen werden und umgekehrt. Die Axialflussmaschine weist beispielsweise in einem vollständig hergestellten Zustand den Stator und den Rotor auf, welcher beispielsweise mittels des Stators antreibbar und dadurch um eine Maschinendrehachse relativ zu dem Stator drehbar ist. Ganz vorzugsweise ist die Axialflussmaschine eine Hochvolt-Komponente, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- oder Nennspannung, vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt.The previous and following statements on the stator can be easily transferred to a rotor of an axial flow machine or to the axial flow machine mentioned above and vice versa. The axial flow machine has, for example, in a fully manufactured state, the stator and the rotor, which can be driven by means of the stator and can therefore be rotated about a machine axis of rotation relative to the stator. The axial flow machine is very preferably a high-voltage component whose electrical voltage, in particular electrical operating or nominal voltage, is preferably greater than 50 volts, in particular greater than 60 volts, and very preferably amounts to several hundred volts.

Insbesondere ist es denkbar, ein einfach auch als Fahrzeug bezeichnetes und vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug mit der Axialflussmaschine auszustatten, sodass das Kraftfahrzeug, welches in seinem vollständig hergestellten Zustand die Axialflussmaschine aufweist, mittels der Axialflussmaschine, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. Somit ist das Kraftfahrzeug vorzugsweise ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, insbesondere ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV).In particular, it is conceivable to equip a motor vehicle, also referred to simply as a vehicle and preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car, with the axial flow machine, so that the motor vehicle, which in its fully manufactured state has the axial flow machine, can be driven by means of the axial flow machine, in particular purely electrically. The motor vehicle is therefore preferably a hybrid vehicle or an electric vehicle, in particular a battery-electric vehicle (BEV).

Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde. Für elektrische Antriebe für beispielsweise als Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge, insbesondere batterieelektrische Fahrzeuge, ausgebildete Fahrzeuge, dominieren heutzutage Radialflussmaschinen (RFM).The invention is based in particular on the following findings and considerations. Radial flux machines (RFM) dominate today for electric drives for vehicles designed, for example, as hybrid vehicles or electric vehicles, in particular battery-electric vehicles.

Neuartige Axialflussmaschinen (AFM) versprechen unter Anderem Vorteile bei der Leistungsfähigkeit, dem Bauraum beziehungsweise der Anordnung von Bauteilen und Gewicht. Bei bisher bekannten AFM-Konzepten stehen vor allem Statorkonzepte mit konzentrierter Wicklung im Vordergrund, deren großtechnische Umsetzung aber große technologische Herausforderungen bei der Herstellung der Blechpakete, der Wicklungen sowie deren Zusammenbau entgegenstehen. Die kompakte Bauweise stellt einen Nachteil für eine erforderliche Kühlung des Systems dar. Des Weiteren zeigen AFM mit konzentrierten Wicklungen Nachteile bezüglich ihres Geräuschverhaltens, was auch als NVH-Verhalten bezeichnet wird. Der erfindungsgemäße Stator stellt eine Lösung für eine Weiterentwicklung für eine Axialflussmaschine und deren weitergehenden Anwendung im Automobilbau dar. Bekannt sind Statoren in einem sogenannten Einzelzahn-Design, insbesondere mit einer konzentrierten Wicklung. Nachteile hier können das Geräuschverhalten sowie eine sehr aufwändige Herstellung der Statorblechpakete sein, da eine Laminierrichtung radial verlaufen sollte. Ein weiterer Nachteil kann ein Fügen der Einzelzähne ohne metallische Kontaktierung sein, das heißt aufwändiges Kleben mit Kunststoffteilen. Kunststoffteile begrenzen die Betriebstemperatur beziehungsweise Dauerbelastbarkeit. Weitere Nachteile können in der Montage und dem Zusammenbau liegen, die sehr aufwändig und kostenintensiv sein können. Montagetoleranzen können auch nachteilhaft sein. Bekannt ist auch die Verwendung von Einzelzähnen mit Hochkantwicklung. Dabei entstehende Nachteile können sein: Designfreiheit begrenzt wegen minimaler Biegeradien, starke Beanspruchung der Drahtisolation in Eckbereichen (ausdünnen beim Biegen), aufwändiges Biegen mit Zugkraftüberlagerung; zudem entstehen aufgrund des großen Querschnitts erhöhte Verluste (Proximity-Effekt). Bekannt sind auch verteilte, parallele Wicklungen, welche beispielsweise kontinuierlich gewunden sind. Nachteile hier können sein: schwer zu automatisieren, da große Drahtlänge.New types of axial flow machines (AFM) promise advantages in terms of performance, installation space, arrangement of components and weight, among other things. Previously known AFM concepts focus primarily on stator concepts with concentrated windings, but their large-scale implementation is hampered by major technological challenges in the manufacture of the laminated cores, the windings and their assembly. The compact design is a disadvantage for the required cooling of the system. Furthermore, AFM with concentrated windings show disadvantages in terms of their noise behavior, which is also referred to as NVH behavior. The stator according to the invention represents a solution for further development of an axial flow machine and its further application in automotive engineering. Stators in a so-called single-tooth design are known, in particular with a concentrated winding. Disadvantages here can be the noise behavior and the very complex manufacture of the stator laminated cores, since a lamination direction should run radially. Another disadvantage can be joining the individual teeth without metallic contact, i.e. complex gluing to plastic parts. Plastic parts limit the operating temperature or the long-term load capacity. Other disadvantages can be assembly and installation, which can be very complex and costly. Assembly tolerances can also be disadvantageous. The use of individual teeth with edgewise winding is also known. The resulting disadvantages can be: limited design freedom due to minimal bending radii, heavy stress on the wire insulation in corner areas (thinning when bending), complex bending with superimposed tensile force; in addition, increased losses occur due to the large cross-section (proximity effect). Distributed, parallel windings are also known, which are continuously wound, for example. Disadvantages here can be: difficult to automate due to long wire lengths.

Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können durch die Erfindung vermieden werden. Bei der Erfindung ist der auch als Statorpaket bezeichnete Kern ringförmig ausgebildet und somit ein Ringkern, welcher vorzugsweise aus dem genannten, insbesondere kontinuierlich, gewickelten Blechband gebildet sein kann. Somit ist der Kern insbesondere ein Blechpaket. Die beispielsweise als Nuten ausgebildeten Ausnehmungen werden beispielsweise bevor das Blechband zu dem Kern gewickelt, dass es aufgewickelt wird in dem Blechband vor dessen Wickeln, insbesondere inkrementell, eingebracht, beispielsweise durch Scher- oder Laserschneiden. Die Wicklung ist beispielsweise aus den mehreren, stern- oder blumenförmig gebogenen Leitern gebildet, welche beispielsweise jeweilige Drahtspulen bilden. Der jeweilige Leiter ist beispielsweise als ein Flachdraht oder als eine Litze ausgebildet. In Umfangsrichtung des Stators betrachtet weisen die Leiter beziehungsweise Drahtspulen eine solche Weite auf, sodass der jeweilige Leiter die jeweiligen, zwischen den benachbarten, radialen Längenbereichen angeordneten Ausnehmungen übergreift. Die jeweiligen, in radialer Richtung verlaufenden Längenbereiche werden auch als radiale Stege bezeichnet. Insbesondere verlaufen die jeweiligen Längenbereiche geradlinig und dabei in radialer Richtung des Stators. Beispielsweise erfolgt in den auch als Nuten bezeichneten oder als Nuten ausgebildeten Ausnehmungen, welche beispielsweise auch als Statornuten bezeichnet werden, ein Aufstapeln von Wicklungslagen, welche beispielsweise durch die Leiter gebildet sind. Ein vorteilhafter Sprung zwischen den auch als Nutlagen bezeichneten Wicklungslagen wird beispielsweise durch ein Ineinanderstecken oder Verweben, insbesondere der Leiter, erreicht. Eine einfache Form einer Anordnung der Nutlagen ist beispielsweise ein Stapel von einzelnen Wicklungsmatten, wie beispielsweise durch die Leiter gebildet sind, wodurch beispielsweise Phasen u, v und w gebildet werden können. Ein vorteilhaftes Verweben der sternförmigen Drahtspule erfolgt vorteilhafterweise in einem spiralisierten Zustand, das heißt jeweilige Anfänge und jeweilige Enden, insbesondere jeweilige Drahtanfänge und jeweilige Drahtenden der Leiter werden beispielsweise jeweils axial auseinandergezogen, und die beispielsweise Drahtstern- oder Drahtblumen-bildenden Leiter werden ineinander verdreht und dabei beispielsweise schrittweise über- und/oder untereinandergelegt. Danach erfolgt beispielsweise ein gemeinsames Zusammenfahren der beispielsweise als Drahtsterne ausgebildeten oder Drahtsterne bildenden Leiter in eine Schachtlehre, aus der dann ein Montieren in den Kern (Statorpaket) erfolgt.The aforementioned problems and disadvantages can be avoided by the invention. In the invention, the core, also referred to as the stator package, is ring-shaped and thus a ring core, which can preferably be formed from the aforementioned, in particular continuously wound sheet metal strip. Thus, the core is in particular a sheet metal package. The recesses, for example designed as grooves, are introduced into the sheet metal strip before it is wound, in particular incrementally, for example by shearing or laser cutting, for example before the sheet metal strip is wound into the core so that it is wound up. The winding is formed, for example, from the several star- or flower-shaped bent conductors, which form, for example, respective wire coils. The respective conductor is designed, for example, as a flat wire or as a strand. Viewed in the circumferential direction of the stator, the conductors or wire coils have such a width that the respective conductor overlaps the respective recesses arranged between the adjacent radial length regions. The respective length regions running in the radial direction are also referred to as radial webs. In particular, the respective lengths areas in a straight line and in the radial direction of the stator. For example, in the recesses also referred to as slots or designed as slots, which are also referred to as stator slots, winding layers are stacked, which are formed, for example, by the conductors. An advantageous jump between the winding layers, also referred to as slot layers, is achieved, for example, by inserting or weaving them into one another, in particular the conductors. A simple form of an arrangement of the slot layers is, for example, a stack of individual winding mats, such as those formed by the conductors, whereby phases u, v and w can be formed, for example. An advantageous weaving of the star-shaped wire coil advantageously takes place in a spiralized state, i.e. respective starts and respective ends, in particular respective wire starts and respective wire ends of the conductors, are each pulled apart axially, for example, and the conductors forming, for example, a wire star or wire flower are twisted into one another and, for example, placed step by step over and/or under one another. This is followed by a joint movement of the conductors, which are designed as wire stars or form wire stars, into a shaft jig, from which they are then mounted into the core (stator package).

Die Ausnehmungen sind hierfür in radialer Richtung nach innen hin und somit zu einem Luftspalt der Axialflussmaschine offen. Vorteilhafterweise wird zuerst ein Nutisolationspapier eingelegt und dann die Wicklungsmatte axial eingefügt und komprimiert. Optional können Polschuhe nachträglich auf Zähne gefügt werden, wodurch die Wicklung axial fixiert werden kann. Abschließend wird beispielsweise ein den Kern und die Wicklung umfassender Statorzusammenbau, insbesondere mit einem Harz imprägniert. Durch die Erfindung können zumindest die folgenden Vorteile realisiert werden:

  • - einzeln gebogene Wicklungslagen, vorteilhaft automatisierbar, stapelbar, lagerbar
  • - Kern als Ringkernblechpaket, vorteilhaft automatisierbar, Backlackbeziehungsweise MO- oder GO-Material wählbar (keine Sinterbauteile), Kostenpotenzial
  • - die Wicklung kann durch unterschiedliche Grundformgebungsverfahren dargestellt werden: Drahtbiegen: 3D-Druck und/oder thermisches Fügen (Schweißen/Löten) von Einzelelementen
  • - Direktkühlung im Statorblech integrierbar, höhere Leistung, höhere Leistungsfähigkeit, dauerlastfähig
For this purpose, the recesses are open in the radial direction inwards and thus to an air gap of the axial flow machine. Advantageously, a slot insulation paper is first inserted and then the winding mat is inserted axially and compressed. Pole shoes can optionally be subsequently attached to teeth, whereby the winding can be axially fixed. Finally, for example, a stator assembly comprising the core and the winding is impregnated, in particular with a resin. The invention can achieve at least the following advantages:
  • - individually bent winding layers, advantageously automatable, stackable, storable
  • - Core as toroidal core sheet package, advantageously automatable, baking varnish or MO or GO material selectable (no sintered components), cost potential
  • - the winding can be represented by different basic forming processes: Wire bending: 3D printing and/or thermal joining (welding/soldering) of individual elements
  • - Direct cooling can be integrated into the stator sheet, higher performance, higher efficiency, capable of continuous load

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.

Die Zeichnung zeigt in:

  • 1 eine schematische Perspektivansicht eines Stators für eine Axialflussmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs;
  • 2 eine schematische Vorderansicht des Stators;
  • 3 ausschnittsweise eine weitere schematische Vorderansicht des Stators;
  • 4 eine schematische Vorderansicht eines Leiters des Stators;
  • 5 schematische Vorderansichten des Stators
  • 6 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Axialflussmaschine;
  • 7 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht der Axialflussmaschine
  • 8 ausschnittsweise schematische Schnittansichten der Axialflussmaschine; und
  • 9 eine schematische Perspektivansicht des Stators.
The drawing shows in:
  • 1 a schematic perspective view of a stator for an axial flux machine, in particular of a motor vehicle;
  • 2 a schematic front view of the stator;
  • 3 another schematic front view of the stator;
  • 4 a schematic front view of a conductor of the stator;
  • 5 schematic front views of the stator
  • 6 a schematic sectional view of the axial flow machine;
  • 7 another schematic sectional view of the axial flow machine
  • 8th partial schematic sectional views of the axial flow machine; and
  • 9 a schematic perspective view of the stator.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical or functionally identical elements are provided with identical reference symbols.

1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht einen Stator 10 für eine Axialflussmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass die Axialflussmaschine in ihrem vollständig hergestellten Zustand in den Stator 10 und beispielsweise auch einen Rotor aufweist, welcher beispielsweise mittels des Stators 10 antreibbar und dadurch um eine Maschinendrehachse relativ zu dem Stator drehbar ist. Beispielsweise kann die Axialflussmaschine über ihren Rotor Antriebsdrehmomente bereitstellen, mittels welchen das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. Insbesondere können die vorigen und folgenden Ausführungen zu dem Stator 10 ohne weiteres auch auf den Rotor übertragen werden und umgekehrt. Beispielsweise ist der Stator 10 ein Doppelstator, oder der Stator 10 ist Bestandteil eines Doppelstators der Axialflussmaschine. Somit ist es denkbar, dass der genannte Rotor der Axialflussmaschine ein Doppelrotor der Axialflussmaschine ist, oder der genannte Rotor ist ein Bestandteil eines Doppelrotors der Axialflussmaschine. 1 shows a schematic perspective view of a stator 10 for an axial flow machine, in particular of a motor vehicle. This means that the axial flow machine in its fully manufactured state has the stator 10 and, for example, also a rotor, which can be driven, for example, by means of the stator 10 and can thus be rotated about a machine axis of rotation relative to the stator. For example, the axial flow machine can provide drive torques via its rotor, by means of which the motor vehicle can be driven, in particular purely electrically. In particular, the previous and following statements on the stator 10 can also be easily transferred to the rotor and vice versa. For example, the stator 10 is a double stator, or the stator 10 is part of a double stator of the axial flow machine. Thus, it is It is conceivable that the said rotor of the axial flow machine is a double rotor of the axial flow machine, or that the said rotor is a component of a double rotor of the axial flow machine.

Der Stator 10 weist einen ringförmigen Kern 12 auf, welcher auch als Träger oder Statorträger bezeichnet wird. Der Kern 12 ist ein Blechpaket, welches, insbesondere vollständig, durch, insbesondere genau, ein spiralförmig gewickeltes Blechband gebildet ist. Dies bedeutet, dass bei einem Verfahren zum Herstellen des Stators 10 das Blechband um eine insbesondere gedachte Wickelachse gewickelt und dadurch zu dem Kern 12 aufgewickelt wird, wobei die gedachte Wickelachse beispielsweise in axialer Richtung des Stators 10 und somit der Axialflussmaschine verläuft, mithin mit der axialen Richtung des Stators 10 zusammenfällt. Es ist erkennbar, dass der Kern 12 an sich eine, insbesondere zentrale, Durchgangsöffnung 14 aufweist. Der Kern 12 weist auf einer seiner axialen Stirnseiten S1 und S2 Ausnehmungen 16 auf, welche vorwiegend als Nuten ausgebildet sind und auch als Statornuten bezeichnet werden. Aus 1 ist erkennbar, dass bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel der Kern 12 die Ausnehmungen 16 (Nuten) auf der axialen Stirnseite S1 aufweist. Die jeweilige Ausnehmung 16 verläuft gradlinig und in radialer Richtung des Stators 10 und somit der Axialflussmaschine. Die jeweilige Ausnehmung 16 ist in eine parallel zur Axialrichtung des Stators 10 verlaufende und in 1 durch einen Pfeil 18 veranschaulichte Richtung offen. Außerdem ist die jeweilige Ausnehmung 16 in radialer Richtung des Stators 10 nach innen und somit zu der Durchgangsöffnung 14 hin sowie nach außen hin offen, insbesondere bei alleiniger Betrachtung des Kerns 12.The stator 10 has an annular core 12, which is also referred to as a carrier or stator carrier. The core 12 is a laminated core which is formed, in particular completely, by, in particular precisely, a spirally wound sheet metal strip. This means that in a method for producing the stator 10, the sheet metal strip is wound around a particularly imaginary winding axis and is thereby wound up to form the core 12, wherein the imaginary winding axis runs, for example, in the axial direction of the stator 10 and thus of the axial flux machine, and thus coincides with the axial direction of the stator 10. It can be seen that the core 12 itself has a, in particular central, through-opening 14. The core 12 has recesses 16 on one of its axial end faces S1 and S2, which are mainly designed as grooves and are also referred to as stator grooves. 1 It can be seen that in the embodiment shown in the figures, the core 12 has the recesses 16 (grooves) on the axial end face S1. The respective recess 16 runs straight and in the radial direction of the stator 10 and thus of the axial flow machine. The respective recess 16 is in a direction parallel to the axial direction of the stator 10 and in 1 by an arrow 18. In addition, the respective recess 16 is open in the radial direction of the stator 10 inwards and thus towards the through opening 14 as well as outwards, in particular when considering the core 12 alone.

In Zusammenschau mit 2 ist erkennbar, dass der Stator 10 außerdem wenigstens eine Wicklung 20 aufweist, welche separat von dem Kern 12 ausgebildet und an dem Kern 12 gehalten und somit durch den Kern 12 getragen ist. Besonders gut in Zusammenschau mit 3 und 4 ist erkennbar, dass die Wicklung 20 durch mehrere, separat voneinander ausgebildete und jeweils als Festkörper ausgebildete Leiter 22 gebildet ist. Dabei ist einer der Leiter 22 in 3 und 4 gezeigt.In conjunction with 2 it can be seen that the stator 10 also has at least one winding 20, which is formed separately from the core 12 and held on the core 12 and thus supported by the core 12. Particularly good in conjunction with 3 and 4 It can be seen that the winding 20 is formed by several conductors 22 which are formed separately from one another and are each formed as a solid body. One of the conductors 22 is in 3 and 4 shown.

Um nun eine besonders einfache und somit zeit- und kostengünstige Herstellung des Stators 10 und somit der Axialflussmaschine insgesamt realisieren zu können, ist, wie in 3 und 4 am Beispiel des dort gezeigten Leiters 22 erkennbar ist, der jeweilige, einstückig ausgebildete Leiter 22 an sich in einer senkrecht zur axialen Richtung des Stators 10 verlaufenden und beispielsweise mit der Bildebene von 2, 3 und 4 zusammenfallende Ebene betrachtet eine blumenförmige, das heißt eine blumenblütenförmige und vorliegend blumenförmig gebogene, in Umfangsrichtung des Stators 10 offene Struktur mit genau drei in radialer Richtung des Stators 10 nach innen verlaufenden, ersten Windungen W1 und genau zwei in radialer Richtung des Stators 10 nach außen verlaufenden, zweiten Windungen W2. Die Umfangsrichtung des Stators 10 verläuft um die axiale Richtung des Stators 10, dessen axiale Richtung senkrecht zur Bildebene von 3 und 4 verläuft. Außerdem ist die Umfangsrichtung durch einen Pfeil 24 veranschaulicht.In order to be able to realize a particularly simple and thus time- and cost-effective production of the stator 10 and thus of the axial flow machine as a whole, as in 3 and 4 As can be seen from the example of the conductor 22 shown there, the respective integrally formed conductor 22 is in itself in a direction perpendicular to the axial direction of the stator 10 and, for example, with the image plane of 2 , 3 and 4 coincident plane considers a flower-shaped structure, that is to say a flower-shaped and in this case flower-shaped curved structure, open in the circumferential direction of the stator 10 with exactly three first windings W1 running inwards in the radial direction of the stator 10 and exactly two second windings W2 running outwards in the radial direction of the stator 10. The circumferential direction of the stator 10 runs around the axial direction of the stator 10, the axial direction of which is perpendicular to the image plane of 3 and 4 In addition, the circumferential direction is illustrated by an arrow 24.

Aus 1 bis 4 ist erkennbar, dass die Leiter 22 in Umfangsrichtung des Stators 10 versetzt zueinander und derart in den Ausnehmungen 16 angeordnet sind, dass in radialer Richtung des Stators 10, dessen radiale Richtung senkrecht zur axialen Richtung des Stators 10 verläuft, verlaufende, erste Längenbereiche L1 wenigstens eines ersten der Leiter 22 in ersten der Ausnehmungen 16 angeordnet sind. Es ist erkennbar, dass der jeweilige Leiter 22 genau sechs geradlinig und dabei in radialer Richtung des Stators 10 verlaufende Längenbereiche aufweist, nämlich bezogen auf den wenigstens einen ersten der Leiter 22, die zuvor genannten Längenbereiche L1. Die Längenbereiche werden auch als radiale Stege bezeichnet. In Umfangsrichtung des Stators 10 sind zwischen jeweils zwei benachbarten ersten Längenbereichen L1 des wenigstens einen ersten Leiters 22 vorliegend genau zwei zweite der Ausnehmungen 16 angeordnet, wobei die zwei zweiten Ausnehmungen 16 frei von dem wenigstens einen ersten Leiter 22 sind. Dies bedeutet, dass der wenigstens eine erste Leiter 22 beispielsweise in 3 gezeigt ist. Des Weiteren ist es vorgesehen, dass in radialer Richtung des Stators 10 verlaufende, zweite Längenbereich L2 wenigstens eines in Umfangsrichtung des Stators 10 versetzt zu dem wenigstens einen ersten Leiter angeordneten, zweiten der Leiter 22 jeweils in einer der zweiten Ausnehmungen 16 angeordnet sind, wobei der wenigstens eine zweite Leiter in 4 gezeigt ist. Des Weiteren ist es vorgesehen, dass in Umfangsrichtung des Stators 10 zwischen jeweils zwei benachbarten zweiten Längenbereichen L2 des wenigstens einen zweiten Leiters 22 vorliegend genau eine der ersten Ausnehmungen angeordnet und frei von dem wenigstens einen zweiten Leiter ist, wobei in Umfangsrichtung des Stators 10 zwischen den jeweils zwei benachbarten zweiten Längenbereichen L2 des wenigstens einen zweiten Leiters vorliegend genau eine andere der zweiten Ausnehmungen angeordnet und frei von dem wenigstens einen zweiten Leiter 22 ist.Out of 1 to 4 it can be seen that the conductors 22 are offset from one another in the circumferential direction of the stator 10 and are arranged in the recesses 16 in such a way that first length ranges L1 of at least one first of the conductors 22, which run in the radial direction of the stator 10, the radial direction of which runs perpendicular to the axial direction of the stator 10, are arranged in the first of the recesses 16. It can be seen that the respective conductor 22 has exactly six length ranges which run in a straight line and in the radial direction of the stator 10, namely the previously mentioned length ranges L1 in relation to the at least one first of the conductors 22. The length ranges are also referred to as radial webs. In the circumferential direction of the stator 10, between each two adjacent first length ranges L1 of the at least one first conductor 22, in the present case exactly two second of the recesses 16 are arranged, wherein the two second recesses 16 are free of the at least one first conductor 22. This means that the at least one first conductor 22, for example, in 3 is shown. Furthermore, it is provided that the second length region L2 of at least one of the conductors 22, which extends in the radial direction of the stator 10 and is offset from the at least one first conductor in the circumferential direction of the stator 10, is each arranged in one of the second recesses 16, wherein the at least one second conductor is arranged in 4 is shown. Furthermore, it is provided that in the circumferential direction of the stator 10 between each two adjacent second length regions L2 of the at least one second conductor 22, in the present case, exactly one of the first recesses is arranged and is free of the at least one second conductor, wherein in the circumferential direction of the stator 10 between each two adjacent second length regions L2 of the at least one second conductor, in the present case, exactly another of the second recesses is arranged and is free of the at least one second conductor 22.

Der jeweilige Leiter 22 ist beispielsweise ein Flachdraht, sodass der jeweilige Leiter 22 einen beispielsweise außenumfangsseitigen, rechteckigen Querschnitt aufweist. Ferner kann der jeweilige Leiter 22 eine Litze sein, dessen Querschnitt insbesondere außenumfangsseitig rund, insbesondere kreisrund, sein kann. Somit kann die Wicklung 20 als eine Flachdrahtwicklung ausgebildet sein.The respective conductor 22 is, for example, a flat wire, so that the respective conductor 22 has, for example, a rectangular cross-section on the outer circumference. Furthermore, the respective conductor 22 can be a stranded wire, the cross-section of which can be round, in particular circular, on the outer circumference. The winding 20 can thus be designed as a flat wire winding.

Aus 5 ist erkennbar, dass die Wicklung 20 und/oder der jeweilige Leiter 22 optional mit einem S-Schlag aufweisen kann. Beispielsweise sind die mehreren Leiter 22 in den Statornuten in axialer Richtung des Stators 10 aufeinander angeordnet, sodass der Leiter 22 beispielsweise Lagen oder Wicklungslagen oder Matten oder Wicklungsmatten bilden. Vorgesehen sein kann eine Verflechtung der Wicklungslagen oder Wicklungsmatten insbesondere in einem vorteilhafterweise spiralförmig gestrecktem beziehungsweise eingedrehten Zustand, insbesondere Leiter 22. Es ist denkbar, dass Polschuhe nachträglich axial gefügt werden können. Darstellbar ist ein komprimierbares Stapeln in den Statornuten. Ein liegendes Träufeln und dadurch Imprägnieren des Kerns 12 und/oder der Wicklung 20, insbesondere mit Harz, ist möglich. Alternativ oder zusätzlich ist ein schöpfendes Imprägnieren denkbar. Eine Verbinderfunktion durch Verlängern und Winden von auch als Drahtenden bezeichneten Enden der Leiter 22 ist einfach darstellbar.Out of 5 it can be seen that the winding 20 and/or the respective conductor 22 can optionally have an S-bevel. For example, the multiple conductors 22 are arranged on top of one another in the stator slots in the axial direction of the stator 10, so that the conductor 22 forms, for example, layers or winding layers or mats or winding mats. An interweaving of the winding layers or winding mats can be provided, in particular in an advantageously spiral-shaped stretched or twisted state, in particular conductor 22. It is conceivable that pole shoes can be joined axially afterwards. A compressible stacking in the stator slots can be represented. A horizontal dripping and thus impregnation of the core 12 and/or the winding 20, in particular with resin, is possible. Alternatively or additionally, a scooping impregnation is conceivable. A connector function by extending and winding ends of the conductors 22, also referred to as wire ends, can be easily represented.

In 6 sind zwei der Polschuhe ausschnittsweise dargestellt und mit 28 bezeichnet. Auch in 6 ausschnittsweise erkennbar ist die beispielsweise als Wellenwicklung ausgebildete Wicklung 20. In 6 ist auch der als Statorblechpaket ausgebildete Kern 12 dargestellt.In 6 Two of the pole shoes are shown in detail and labelled 28. Also in 6 The winding 20, which is designed as a wave winding, can be seen in detail. 6 The core 12 designed as a stator laminated core is also shown.

In 7 ist erkennbar, dass die Polschuhe 28 beispielsweise in eine Matte 30 zumindest teilweise eingebettet sein können, wobei die Matte 30 aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildet ist. 8 zeigt jeweils ausschnittsweise Schnittansichten der Axialflussmaschine. Schließlich ist in 9 der Stator 10 in einer schematischen Perspektivansicht gezeigt.In 7 It can be seen that the pole shoes 28 can be at least partially embedded in a mat 30, for example, wherein the mat 30 is formed from a carbon fiber reinforced plastic (CFRP). 8th shows partial sectional views of the axial flow machine. Finally, in 9 the stator 10 is shown in a schematic perspective view.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
Statorstator
1212
Kerncore
1414
DurchgangsöffnungPassage opening
1616
AusnehmungRecess
1818
PfeilArrow
2020
WicklungWinding
2222
LeiterDirector
2424
PfeilArrow
2626
DachschrägeSloped roof
2828
PolschuhPole shoe
3030
Mattemat
L1L1
erster Längenbereichfirst length range
L2L2
zweiter Längenbereichsecond length range
S1S1
axiale Stirnseiteaxial face
S2S2
axiale Stirnseiteaxial face
W1W1
erste Windungfirst turn
W2W2
zweite Windungsecond turn

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102021124995 A1 [0002]DE 102021124995 A1 [0002]

Claims (4)

Stator (10) für eine Axialflussmaschine, mit einem ringförmigen Kern (12), welcher auf wenigstens einer seiner axialen Stirnseiten (S1, S2) Ausnehmungen (16) aufweist, welche in radialer Richtung des Stators (10) nach innen und außen hin offen sind, und mit wenigstens einer an dem Kern (12) gehaltenen Wicklung (20), welche durch mehrere, separat voneinander ausgebildete Leiter (22) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Leiter (22) an sich in einer senkrecht zur axialen Richtung des Stators (10) verlaufenden Ebene betrachtet eine stern- oder blumenförmige, in Umfangsrichtung (24) des Stators (10) offene Struktur mit genau drei in radialer Richtung des Stators (10) nach innen verlaufenden, ersten Windungen (W1) und genau zwei in radialer Richtung des Stators (10) nach außen verlaufenden, zweiten Windungen (W2) bildet, wobei die Leiter (22) in Umfangsrichtung (24) des Stators (10) versetzt zueinander und derart in den Ausnehmungen (16) angeordnet sind, dass: - in radialer Richtung des Stators (10) verlaufende, erste Längenbereiche (L1) wenigstens eines ersten der Leiter (22) in ersten der Ausnehmungen (16) angeordnet sind, wobei in Umfangsrichtung (24) des Stators (10) zwischen jeweils zwei benachbarten ersten Längenbereichen (L1) des wenigstens einen ersten Leiters (22) wenigstens oder genau zwei zweite der Ausnehmungen (16) angeordnet und frei von dem wenigstens einen ersten Leiter (22) sind; und - in radialer Richtung des Stators (10) verlaufende, zweite Längenbereiche (L2) wenigstens eines in Umfangsrichtung (24) des Stators (10) versetzt zu dem wenigstens einen ersten Leiter (22) angeordneten, zweiten der Leiter (22) jeweils in einer der zweiten Ausnehmungen (16) angeordnet sind, wobei in Umfangsrichtung (24) des Stators (10) zwischen jeweils zwei benachbarten zweiten Längenbereichen (L2) des wenigstens einen zweiten Leiters (22) wenigstens oder genau eine der ersten Ausnehmungen (16) angeordnet und frei von dem wenigstens einen zweiten Leiter (22) ist, und wobei in Umfangsrichtung (24) des Stators (10) zwischen den jeweils zwei benachbarten zweiten Längenbereichen (L2) des wenigstens einen zweiten Leiters (22) wenigstens oder genau eine andere der zweiten Ausnehmungen (16) angeordnet und frei von dem wenigstens einen zweiten Leiter (22) ist.Stator (10) for an axial flow machine, with an annular core (12) which has recesses (16) on at least one of its axial end faces (S1, S2) which are open inwards and outwards in the radial direction of the stator (10), and with at least one winding (20) held on the core (12) which is formed by several conductors (22) formed separately from one another, characterized in that the respective conductor (22) as viewed in a plane running perpendicular to the axial direction of the stator (10) forms a star-shaped or flower-shaped structure which is open in the circumferential direction (24) of the stator (10) with exactly three first turns (W1) running inwards in the radial direction of the stator (10) and exactly two second turns (W2) running outwards in the radial direction of the stator (10), wherein the conductors (22) are offset from one another in the circumferential direction (24) of the stator (10) and in the recesses in such a way (16) are arranged such that: - first length regions (L1) of at least one first of the conductors (22), which run in the radial direction of the stator (10), are arranged in first of the recesses (16), wherein in the circumferential direction (24) of the stator (10) between each two adjacent first length regions (L1) of the at least one first conductor (22), at least or exactly two second of the recesses (16) are arranged and are free of the at least one first conductor (22); and - second length regions (L2) of at least one second conductor (22) arranged in the circumferential direction (24) of the stator (10) offset from the at least one first conductor (22) are each arranged in one of the second recesses (16), wherein in the circumferential direction (24) of the stator (10) between each two adjacent second length regions (L2) of the at least one second conductor (22) at least or exactly one of the first recesses (16) is arranged and free of the at least one second conductor (22), and wherein in the circumferential direction (24) of the stator (10) between each two adjacent second length regions (L2) of the at least one second conductor (22) at least or exactly one other of the second recesses (16) is arranged and free of the at least one second conductor (22). Stator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (12) durch ein spiralförmig gewickeltes Blechband gebildet ist.Stator (10) after Claim 1 , characterized in that the core (12) is formed by a spirally wound sheet metal strip. Stator (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (22) ineinander gesteckt und/oder miteinander verwebt sind.Stator (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the conductors (22) are inserted into one another and/or woven together. Axialflussmaschine, mit wenigstens einem Stator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Axial flux machine, with at least one stator (10) according to one of the preceding claims.
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