Dass genau hier seit jeher der Fokus liegt, ist kein Zufall. Die Erfindung der ersten und die kontinuierliche Entwicklung neuer und optimierter Wickeltechnologien gehört zur DNA von FAULHABER. Dabei steht die schräg gewickelte Drahtführung der allerersten Wicklung auch als Symbol für das Logo des Unternehmens. Die Wickeltechnik ist damit nicht nur ein konstruktives Detail, sondern Herzstück und Identität der FAULHABER-Antriebstechnologie.
Ein Rückblick: Die Entstehung der FAULHABER Wicklung
In den 1950er-Jahren tüftelt Dr. Fritz Faulhaber an einem Projekt in seiner Feinmechanik-Werkstatt. Es geht um die Entwicklung einer innovativen Kamera für den renommierten Auftraggeber Voigtländer. Dr. Faulhaber spielt mit dem Gedanken, für den Filmtransport einen Elektromotor zu verwenden – und er beschließt, seine Idee zu verfolgen und nach einer Lösung zu suchen.
Das Hauptproblem: Die meisten Gleichstrom-Elektromotoren besitzen eine Wicklung, die um T-förmige Zähne des Rotors gewickelt ist, was diesen Motoren den Namen T-Anker-Motor eingebracht hat. Die Zähne führen dazu, dass der Rotor gegenüber den Permanentmagneten bestimmte Vorzugsstellungen einnimmt und sich dann ein sogenanntes Rastmoment äußert. Bei niedriger Versorgungsspannung kann es passieren, dass der Motor gar nicht erst anläuft oder während des Betriebs stehen bleibt. Selbst bei ausreichender Spannung für einen Bewegungsimpuls bewirkt das Rastmoment eine ungleichmäßige Drehung und verhindert eine konstante Winkelgeschwindigkeit.
Schließlich ist für Dr. Faulhaber klar: Der Eisenkern muss weg. Er will eine freitragende Korb- bzw. Glockenankerwicklung herstellen und zwar ohne damals übliche störende Wickelköpfe oder platzraubende Spulenträger. 1958 gelingt ihm der Durchbruch mit der Einreichung der Patentanmeldung für einen „Elektromotor mit einer eisenlosen Spule mit freitragender Schrägwicklung“. Das Patent wird 1965 erteilt und eine neue Motorwicklung erobert den Markt.
Gut gewickelt ist die halbe Miete
Die freitragende, diagonale Rotorwicklung verfügt über ein äußerst geringes Trägheitsmoment, das besonders schnelle Reaktionszeiten und eine hohe Dynamik ermöglicht. Keine Rastmomente, keine Eisenverluste und sehr präzise Regelbarkeit erhöhen den Wirkungsgrad und machen die Erfindung perfekt. Der Erfolgskurs nimmt seinen Lauf.
Die Weiterentwicklung der Wickeltechnik schreitet kontinuierlich voran und eröffnet immer neue Möglichkeiten auch in der Miniaturisierung von Antriebssystemen. Ein eindrucksvolles Beispiel dafür ist die kleinste Wicklung für einen sehr filigranen Motor: Bei einem Außendurchmesser von nur 1,9 mm misst die Wicklung dafür gerade einmal 1,4 mm. Auch beim Durchmesser der eingesetzten Kupferdrähte werden neue Maßstäbe gesetzt: Heute können extrem feine Drähte – dünner als ein menschliches Haar –mit höchster Präzision verarbeitet werden, was trotz minimaler Abmessungen leistungsfähige, zuverlässige Wicklungen ermöglicht.
In den folgenden Jahren nach Entwicklung der ersten Glockenankerspule erweiterten Linear-, Stift-, Segment- sowie genutete Kupferwicklungen kontinuierlich das technologische Portfolio. Diese Vielfalt ist kein Selbstzweck: Antriebslösungen werden zunehmend dort gefordert, wo der verfügbare Bauraum immer kleiner wird, gleichzeitig jedoch mehr Leistung, Dynamik und Effizienz benötigt werden. Die Wickeltechnik rückt damit noch stärker in den Fokus – als entscheidender Hebel für Optimierungen und gezielte Neuentwicklungen.
Ein Beispiel dafür sind die bürstenlosen BXT‑Flachmotoren mit Außenläufer-Technologie, deren leistungsstarkes Innenleben auf einer präzisen elektromagnetischen Auslegung von Stator und Rotor basiert. Mit 14 starken NdFeB-Einzelmagneten‑ auf dem Rotor und 12 Zähnen auf dem Stator treffen bewährte Konzepte auf eine innovative Wickeltechnik. Ein außergewöhnlich hoher Kupferfüllfaktor im Wicklungsbereich sorgt für maximale Leistungsdichte, während der Platzbedarf durch eine optimierte Drahtführung auf ein Minimum reduziert wird.
Auch bei den bürstenlosen Motoren der BP4-Familie ist die Wicklung der Schlüssel zur Performance. Die Segment-Wicklung mit überlappend ineinandergesteckten, einzeln gewickelten Segmenten ermöglicht es, besonders viel Kupfer in der Spule unterzubringen. Das Ergebnis ist eine hohe Wicklungssymmetrie mit minimalen Verlusten – und damit ein entsprechend hoher Wirkungsgrad.
Welche zentrale Rolle die Wicklung darüber hinaus für Stabilität und Zuverlässigkeit spielt, zeigt das Beispiel der BX4-Motoren: Hier wird die Wicklung umspritzt, um ihre Form dauerhaft zu sichern und auch unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen höchste Stabilität zu gewährleisten.
Das über Jahrzehnte aufgebaute Know-how und die kontinuierlich weiterentwickelte Vielfalt an Wickeltechnologien haben sich am Markt etabliert und bilden die Grundlage für die Antriebstechnologien, mit denen FAULHABER die Trends von heute und morgen mitgestaltet. So wie jüngst für die neue Baureihe der SXR-/GXR-Motoren, die über eine hexagonal angelegte Wicklung verfügen – inklusive optimierter Prozesse und High-Perfomance.
Das Leistungsgeheimnis im Inneren
Armin Mannsdörfer, Teamleiter Wickeltechnik und Dr. Roland Keller, Teamleiter Elektrische Konstruktion sind seit vielen Jahren bei FAULHABER, haben bereits zahlreiche Projekte betreut und Motoren zu ihrem optimalen, kupfernen Herzstück verholfen. Die beiden Experten geben exklusiven Einblick in die Entwicklung der Wicklung der DC-Motoren SXR/GXR und erläutern, an welche Besonderheiten gedacht wurde und wie die innovative Wicklung Leistung und Vielseitigkeit dieser Motoren-Familie beeinflusst.
Armin Mannsdörfer
Welche Rolle spielt die Wickelgeometrie für Parameter wie Drehmoment, Drehzahlverhalten und thermisches Management?
Die freitragende Wicklung ermöglicht einen rastmomentfreien und effizienten Betrieb. Die thermische Entwärmung der Wicklung ist bauartbedingt zwar herausfordernd, durch die gewählte Versteifung kann die Wicklung die auftretenden Temperaturen jedoch auch bei großer Last und höheren Drehzahlen gut verkraften.
Welche Herausforderungen mussten bei der Entwicklung und Industrialisierung der hexagonalen Wicklung gelöst werden?
Die hohe Varianz an verschiedenen Wicklungsauslegungen, in Verbindung mit der relativ dickwandigen Wicklung, stellt hohe Anforderungen an die Prozesstechnik. Hierfür wurden neue Technologien entwickelt und umgesetzt, die auch zum Patent angemeldet wurden. Was neu ist, ist die Auslegung der Wicklung mit einem hohen Kupferfüllfaktor und einer relativ hohen Wandstärke. Die Prozesstechnik muss zudem so ausgelegt sein, dass eine hohe Varianz an Motorgrößen und Spannungstypen möglich ist. Das, was wir dafür auf die Beine gestellt haben, ist zwar aufwändiger als bisher übliche Techniken, aber ermöglicht eben die Herstellung der hochperformanten Wicklungen in großer Vielfalt und erzielt zusätzlich eine hohe Genauigkeit der Wicklungseigenschaften.
Dr. Roland Keller
Was macht die neue hexagonale Wicklung der SXR- und GXR-Motoren technisch besonders?
Der gerade Innenbereich erhöht die Drehmomentkonstante. Bei korrekter Bemessung verbessert dies die Kennliniensteigung, was für den Anwender wiederum einen besseren Wirkungsgrad bedeutet. Gleichzeitig führt ein besserer Wirkungsgrad dazu, dass das zulässige Dauerdrehmoment eines Motors größer wird.
In welchen Anwendungen profitieren Kunden besonders stark von dieser neuen Wicklungstechnologie?
Weil die SXR/GXR-Motoren im Vergleich zu anderen marktüblichen Motoren eine bessere Kennliniensteigung besitzen und somit ein höheres Drehmoment ermöglichen, können beim Einsatz von SXR/GXR Motoren Volumen und/oder Masse in der Anwendung gespart werden. Auch wenn das mögliche Dauerdrehmoment nicht voll ausgeschöpft wird, bieten sich dem Anwender Vorteile. Haben zwei Motoren dieselbe Reibung, dann liefert der Motor den besseren Wirkungsgrad, dessen Kennliniensteigung besser ist. Ein Sachverhalt, den Fachleute besonders zu schätzen wissen.