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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, mit einem Statorkern, der mehrere Statornuten umfasst, die parallel zu einer Statorachse in einer axialen Richtung verlaufend angeordnet sind und einer in den Statornuten angeordneten Stabwicklung, die aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist, wobei die Leitersegmente in den Statornuten in mehreren Ebenen angeordnet sind, die verschiedenen Abständen von der Statorachse entsprechen.
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Derartige Stabwicklungen für einen Stator werden auch als Formteilwicklungen bezeichnet und sind aus mehreren vorgefertigten Leitersegmenten gebildet, die zur Bildung der Stabwicklung in die Statornuten eingebracht und dann an ihren Enden miteinander verbunden werden. Verbunden bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung elektrisch kontaktiert. Die Leitersegmente werden dazu typischerweise zu Teilsträngen verbunden, die einen geschlossenen Umlauf um den Stator bilden. Die miteinander verbundenen Enden der Leitersegmente bilden einen so genannten Wickelkopf.
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In den Statornuten eines solchen Stators sind in der Regel jeweils mehrere Leitersegmente angeordnet, die verschiedene Abstände von der Statorachse aufweisen, d.h. in radialer Richtung in Ebenen geschichtet sind.
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Sind Leitersegmente in benachbarten Statornuten mit der gleichen elektrischen Phase kontaktiert, wird also ein Pol des Stators durch mehrere nebeneinander liegende Leitersegmenten gebildet, so kommt es durch den drehenden Rotor der elektrischen Maschine zu in die Leitersegmente induzierten Spannungen mit jeweils verschobener Phase, was zu nachteiligen großen Ringströmen in den Teilsträngen und damit zu Verlusten führt. Weiterhin sind Teilstränge in verschiedenen Ebenen durchaus unterschiedlichen elektromagnetischen Bedingungen ausgesetzt. Beispielsweise sind solche Ebenen, die näher an der Statorachse liegen, dem Streufeld des Rotors der elektrischen Maschine stärker ausgesetzt als Ebenen, die weiter entfernt von der Statorachse liegen. Ferner unterscheiden sich die Induktivitäten der Leitersegmente in einer Ebene, die näher an der Statorachse liegt, von den Induktivitäten in Ebenen, die weiter entfernt von der Statorachse liegen.
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Um Ringströme zu vermeiden, können die benachbarten Teilstränge beim Verbinden der Leitersegmente im Wickelkopf in ihrer Reihenfolge getauscht werden, der Fachmann spricht von transponieren. Über einen Umlauf der Teilstränge hinweg können so durch die Lage der Teilstränge hervorgerufene Unterschiede ausgeglichen werden. Die benachbarten Statornuten, deren Leitersegmente gemeinsam einen Pol bilden, werden als Lochgruppe bezeichnet.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, einen Stator für eine elektrische Maschine mit reduzierten Verlusten anzugeben, der Teilstränge aufweist, welche in einer Lochgruppe mit einer beliebigen Zahl von Statornuten so angeordnet sind, dass Ringströme vermieden und die unterschiedlichen Eigenschaften der Ebenen ausgeglichen werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, - mit einem Statorkern, der mehrere Statornuten umfasst, die parallel zu einer Statorachse in einer axialen Richtung verlaufend in einer Umfangsrichtung des Stators gleichmäßig zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand in Umfangsrichtung zwischen den Mitten zweier direkt benachbarter Statornuten einem Nutenabstand entspricht, wobei die Leitersegmente in den Statornuten in E > 1 Ebenen angeordnet sind, welche verschiedenen Abständen von der Statorachse entsprechen, wobei der Abstand in radialer Richtung zwischen den Mitten zweier direkt benachbarter Ebenen einem Ebenenabstand entspricht, und mit einer in den Statornuten angeordneten Stabwicklung, die aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist, wobei die Stabwicklung zum Betrieb mit P > 1 elektrischen Phasen und SP ≥ 2*P Statorpolen verschaltet ist, wobei der Stator N > 1 Statornuten pro Statorpol aufweist, so dass für jeden Statorpol eine Lochgruppe mit einer ersten Nutposition, einer letzten Nutposition und ggf. dazwischen liegenden Nutpositionen gebildet ist, wobei die Leitersegmente der Lochgruppe eines mit einer ersten Phase verbundenen ersten Statorpols durch Spangen mit Leitersegmenten eines zweiten Statorpols verbunden sind, wobei die Spangen jeweils eine Spangenweite entlang der Umfangsrichtung aufweisen, wobei erste Spangen eine erste Spangenweite aufweisen und zweite Spangen eine von der ersten Spangenweite verschiedene zweite Spangenweite aufweisen, wobei die ersten Spangen in axialer Richtung bis zu einer ersten Scheitelebene ausgedehnt sind und die zweiten Spangen in axialer Richtung bis zu einer zweiten Scheitelebene ausgedehnt sind, wobei die erste Scheitelebene von der zweiten Scheitelebene verschieden ist, wobei die Spangen jeweils einen radialen Vorschub entlang der radialen Richtung aufweisen, wobei erste Spangen einen erste radialen Vorschub aufweisen und die zweiten Spangen einen von dem ersten radialen Vorschub verschiedenen zweiten radialen Vorschub aufweisen.
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Die Verschaltung ermöglicht es, durch unterschiedlich lange Spangen Teilstränge mit beliebig vielen Leitersegmenten zu transponieren. Die Längenunterschiede der Spangen werden üblicherweise Pitch genannt und sind ein Vielfaches des Nutenabstandes. Wird an einem Teilstrang keine Transponierung durchgeführt, so weisen alle Spangen des nichttransponierten Teilstrangs die Spangenweite P*N*Nutenabstand auf. Weiterhin wird ein Durchtauschen der Ebenen der Teilstränge beim Transponieren ermöglicht. Damit können, beispielweise über einen Umlauf, durch die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der verschiedenen Ebenen eingebrachte unterschiedliche elektrische Verhältnisse in den Teilsträngen ausgeglichen werden.
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Denkbar ist, dass die Leitersegmente durch Verschweißen an einer zweiten Stirnseite des Stators verbunden sind, wobei die erste Seite nicht die zweite Seite ist.
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Denkbar ist, dass dabei das Transponieren der Teilstränge durch Vertauschung der Reihenfolge Teilstränge in Umfangsrichtung um eine Statornut oder um mehr als eine Statornut realisiert ist. Denkbar ist auch, dass das Durchtauschen der Ebenen der Teilstränge durch Vertauschung der Reihenfolge Teilstränge in radialer Richtung um eine Ebene oder um mehr als eine Ebene realisiert ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste radiale Vorschub zur Statorachse hin angeordnet ist und der zweite radiale Vorschub von der Statorachse weg angeordnet ist oder der erste radiale Vorschub von der Statorachse weg angeordnet ist und der zweite radiale Vorschub zu der Statorachse hin angeordnet ist. Der durch den radialen Vorschub vorgenommene Wechsel der Ebenen kann dabei mehr als eine Ebene umfassen. Beispielsweise können die ersten Spangen für einen Wechsel um einen Ebenenabstand oder ein ungerades Vielfaches des Ebenenabstandes angeordnet sein, während die zweiten Spangen für einen Wechsel um zwei Ebenenabstände oder ein gerades Vielfaches des Ebenenabstandes angeordnet sind. Denkbar ist auch, dass die ersten Spangen von Ebenen an ungeraden Stellen einer von der Statorachse aus gesehenen Reihenfolge der Ebenen zum Wechsel zu geraden Stellen konfiguriert sind. Denkbar ist dazu, dass die zweiten Spangen zum Wechsel von geraden zu ungeraden Stellen konfiguriert sind.
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Denkbar ist, dass die Spangenweite mindestens der ((P-1)*N+1)-fachen Nutenabstand und höchstens (N-1+N*P)-fache Nutenabstand ist, wobei die Summe der Spangenweiten der Spangen der (N2*P)-fache Nutenabstand ist
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Spangenweite kleiner ist als der (N*P)-fache Nutenabstand, wobei die zweite Spangenweite größer ist als der (N*P)-fache Nutenabstand, wobei die zweite Scheitelebene die erste Scheitelebene in axialer Richtung überragt. Dies ermöglicht ein geschicktes Führen der Spangen am ersten Wickelkopf. Durch die unterschiedlichen Höhen behindern sich die Spangen nicht gegenseitig beim Wechsel der Ebenen. Denkbar ist, dass durch die Scheitelebene mit der größten Ausdehnung in axialer Richtung die Ausdehnung des ersten Wickelkopfes in axialer Richtung bestimmt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator x ≥ 1 zweite Spangen und y ≥ 1 erste Spangen aufweist, wobei E ganzzahlig durch x teilbar ist, wobei das Leitersegment an einer ersten Ebene des ersten Statorpols mit einer zweiten Spange mit einem Leitersegment des zweiten Statorpols verbunden ist, wobei, falls x größer als 1 ist, die nächst höhere Ebene jeder E/x-ten Ebene mit der zweiten Spange mit einem Leitersegment des zweiten Statorpols verbunden ist, wobei alle Leitersegmente des ersten Statorpols, welche nicht mit einer zweiten Spange verbunden sind, jeweils mit einer ersten Spange mit einem Leitersegment des zweiten Statorpols verbunden sind, wobei der zweite radiale Vorschub der ((E/x)-1)-fache Ebenenabstand zur Statorachse hin ist, wobei der erste radiale Vorschub der einfache Ebenenabstand von der Statorachse weg ist oder wobei der zweite radiale Vorschub der ((E/x)-1)-fache Ebenenabstand von der Statorachse weg ist, wobei der erste radiale Vorschub der einfache Ebenenabstand zur Statorachse hin ist. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine Verschränkung von Gruppen von Wechseln von Ebenen, also eine Kombination von mehreren Ebenenwechseln. Es kann beispielsweise ein zweiter Ebenenwechsel eines begonnen werden, während ein erster Ebenenwechsel noch nicht abgeschlossen ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass N ganzzahlig durch x teilbar ist, wobei das Leitersegment an der ersten Nutposition des ersten Statorpols mit einer zweiten Spange mit einem Leitersegment des zweiten Statorpols verbunden ist, wobei, falls x größer als 1 ist, die nächst höhere Nutposition jeder N/x-ten Nutposition mit einer zweiten Spange mit einem Leitersegment des zweiten Statorpols verbunden ist, wobei alle Leitersegmente des ersten Statorpols, welche nicht mit einer zweiten Spange verbunden sind, jeweils mit einer ersten Spange mit einem Leitersegment des zweiten Statorpols verbunden sind, wobei die zweite Spangenweite der (N*P+(N/x)-1)-fache Nutenabstand ist, wobei die erste Spangenweite kleiner ist als die zweite Spangenweite. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine Verschränkung der Lochuntergruppen, also eine Kombination der Transponierungen der Teilstränge und es kann beispielsweise eine zweite Transponierung eines Teilstrangs begonnen werden, während eine erste Transponierung eines anderen Teilstrangs noch nicht abgeschlossen ist. Dazu ist denkbar, dass die erste Spangenweite der (N*P-1)-fache Nutenabstand ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweiten Spangen einen an dem Leitersegment einer Statornut des ersten Statorpols angeordneten ersten Teil, einen an dem Leitersegment einer Statornut des zweiten Statorpols angeordneten dritten Teil und einen zwischen dem ersten Teil und dem dritten Teil angeordneten zweiten Teil aufweisen, wobei der zweite Teil eine Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei die Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen orthogonal zur axialen Richtung angeordnet ist. Dadurch, dass die zweiten Spangen die Haupterstreckungsrichtung orthogonal zur axialen Richtung aufweist, sind diese abgeflacht und benötigt nur sehr wenig Bauraum.
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Denkbar ist, dass der zweite Teil bogenförmig ist, wobei ein am ersten Teil angeordneter erster Bereich des zweiten Teils und ein am dritten Teil angeordneter dritter Bereich des zweiten Teils einen größeren Bogenradius aufweisen als ein zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich angeordneter zweiter Bereich des zweiten Teils. Denkbar ist, dass der Bogenradius kontinuierlich variiert ist, so dass sich in einem Scheitelpunkt der zweiten Spangen, also im in axialer Richtung am weitesten von den Leitersegmenten entfernten Bereich, die zweiten Spangen nur wenig gebogen sind. Durch die Variation des Bogenradius kann so in vorteilhafter Weise die Höhe des Wickelkopfes eingestellt werden.
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Vorstellbar ist weiterhin, dass der zweite Teil mit einer Biegung am ersten Teil angeordnet ist und mit einer weiteren Biegung am dritten Teil angeordnet ist, wobei ein mittlerer Bereich zwischen der Biegung und der weiteren Biegung im Wesentlichen gerade und orthogonal zur axialen Richtung angeordnet ist. Die zweiten Spangen weisen also jeweils zwischen der Biegung und der weiteren Biegung einen im Wesentlichen flachen Bereich orthogonal zur axialen Richtung auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweiten Spangen jeweils mit einem Eingangsanschluss oder mit einem Ausgangsanschluss verbunden sind. Dies ermöglicht ein vorteilhaft einfaches Anschließen des Stators an eine Leistungselektronik.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem vorstehend beschriebenen Stator.
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Bei der elektrischen Maschine, die bevorzugt als Elektromotor ausgebildet ist, können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator beschrieben worden sind.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch ein Leitersegment einer Stabwicklung in einer Seitenansicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 illustriert schematisch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 illustriert schematisch einen Bereich des Statorkerns des Stators aus 3 in einer Schnittdarstellung.
- 5 (a), (b) und (c) illustrieren schematisch jeweils einen Bereich des ersten Wickelkopfes eines Stators gemäß dem Stand der Technik beziehungsweise gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Leitersegments 1 gezeigt, dass zur Bildung einer Stabwicklung 10 (siehe 2 und 3) verwendet werden kann. Das Leitersegment 1 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und ist U-förmig ausgebildet. Aufgrund ihrer Form werden derartige Leitersegmente 1 auch als Hairpins (engl. für Haarnadeln) bezeichnet. Das Leitersegment 1 ist bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium oder einer Kupfer-Aluminium-Legierung ausgebildet, wodurch gute elektrische Eigenschaften ermöglicht werden.
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U-förmige Leitersegmente 1, wie das in 1 gezeigte, lassen sich bei der Herstellung eines Stators 9 (siehe 2 und 3) einer elektrischen Maschine von einer ersten Stirnseite 15 (siehe 2 und 3) des Statorkerns 3 (siehe 2 und 3) in die Statornuten 4 (siehe 3) einschieben. Nach dem Einbringen des Leitersegments 1 in die Statornuten 4 können die an der ersten Stirnseite 15 des Statorkerns 3 herausstehenden offenen Enden der Leitersegmente 1, umgebogen werden, um diesem mit einem weiteren Leitersegment 1 zu verbinden. Durch das Verbinden einer Vielzahl derartiger Leitersegmente 1 wird eine Stabwicklung 10 des Stators 9 gebildet.
Gemäß einer Abwandlung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels kann das Leitersegment 1 V-förmig ausgebildet sein. Weiter alternativ ist es möglich, dass eine Vielzahl gerader Leitersegmente 1 verwendet wird oder eine Kombination gerader Leitersegmente 1 mit U-förmigen und/oder V-förmigen Leitersegmenten 2.
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Eine perspektivische Darstellung des Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt. Der Stator 9 ist für eine Innenläufermaschine geeignet und umfasst einen hohlzylindrischen Statorkern 3 mit einer Statorachse S, der Umfangsrichtung U und einer Vielzahl an in einer parallel zur Statorachse S gleichmäßig angeordneten, axialen Richtung A verlaufenden Statornuten 4. Die Statornuten 4 haben, von Mitte zu Mitte gemessen, in Umfangsrichtung den Nutenabstand NA. Insofern ist die axiale Richtung A die Nutlängsrichtung und die Richtung der Nuttiefe wird als radiale Richtung bezeichnet. Der Statorkern 3 ist bevorzugt als Blechpaket ausgebildet. In den Statornuten 4 ist eine Wicklung vorgesehen, die als Stabwicklung 10 aus vorgefertigten Leitersegmenten 1 (siehe 1) ausgebildet ist. Die Leitersegmente 1 sind mit ihren freien Enden jeweils derart in die Statornuten 4 eingebracht, dass ein die freien Enden verbindender geschlossener Verbindungsbereich an der ersten Stirnseite 15 des Statorkerns 3 angeordnet ist. Dieser geschlossene Verbindungsbereich steht auf der ersten Stirnseite 15 aus den Statornuten 4 hervor und bildet einen ersten Wickelkopf 5. Auf einer der ersten Stirnseite 15 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 16 stehen die freien Enden aus den Statornuten 4 hervor und bilden einen zweiten Wickelkopf 6.
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3 zeigt den in 2 gezeigten Stator 9 in Seitenansicht. Neben den ebenfalls in 2 gezeigten Details sind erste Spangen 51 und zweite Spangen 50 zu erkennen. Mittels der zweiten Spangen 50 und der ersten Spangen 51 werden Teilstränge beim Übergang zwischen Statornuten 4 transponiert (siehe 5 bis 7).
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Wie der Darstellung in 4 entnommen werden kann, bilden jeweils mehrere, hier drei, in Umfangsrichtung U benachbarte Statornuten 4 eine Lochgruppe L, d.h. eine Gruppe von Statornuten 4 eines Pols derselben Phase. In den Statornuten 4 sind in radialer Richtung R nebeneinander auf acht Ebenen Leitersegmente 1 angeordnet. Die Mitten der Ebenen haben in radialer Richtung R den Ebenenabstand EA zueinander.
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In den 5 (a) bis (c) ist schematisch jeweils ein Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß dem Stand der Technik beziehungsweise gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der besseren Übersicht halber sind nur zu einer Phase zugehörige Spangen gezeigt. 5 (a) zeigt einen Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß dem Stand der Technik mit Blickrichtung in axialer Richtung A. Die ersten Spangen 51 und die zweiten Spangen 50 wechseln Ebenen in radialer Richtung R. Dabei geschieht der Wechsel der Ebenen bei den gezeigten ersten Spangen 51 und zweiten Spangen 50 in gleicher Richtung und um jeweils gleich viele Ebenen.
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5 (b) zeigt einen Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Blickrichtung in axialer Richtung A. Die zweite Spange wechselt die Ebene entlang der radialen Richtung R um den zweiten radialen Vorschub 2RV (in der Zeichnung nach oben). Die ersten Spangen 51 wechseln die Ebene entgegen der Richtung des Wechsels der zweiten Spange um den ersten radialen Vorschub 1RV (in der Zeichnung nach unten). 5 (c) zeigt einen Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Blickrichtung in radialer Richtung R. Die zweite Spange 50 mit der zweiten Spangenweite 2SW weist einen ersten Teil 50', einen zweiten Teil 50" und einen dritten Teil 50"' auf. Zwischen dem ersten Teil 50' und dem zweiten Teil 50" sowie zwischen dem zweiten Teil 50" und dem dritten Teil 50'" sind jeweils eine Biegung angeordnet. Der zweite Teil 50" ist im Wesentlichen gerade und weist eine Haupterstreckungsrichtung H auf, welche orthogonal zur axialen Richtung A angeordnet ist. Zusammen mit den ersten Spangen 51 jeweils mit der ersten Spangenweite 1SW werden im hier gezeigten Beispiel drei Teilstränge transponiert. Die zweite Spange 50 erstreckt sich in axialer Richtung A bis zur zweiten Scheitelebene SE2, die ersten Spangen erstrecken sich in axialer Richtung A bis zur ersten Scheitelebene SE1. Die zweite Scheitelebene SE2 überragt die erste Scheitelebene. Somit ergibt sich im Wickelkopf vorteilhaft ausreichend Platz für unterschiedliche Ebenenwechsel der ersten Spangen 51 und der zweiten Spange 50.