Le fait que l’accent ait toujours été mis précisément sur cet aspect n’est pas le fruit du hasard. L’invention de la première technologie d’enroulement et le développement continu de nouvelles solutions optimisées sont dans les gênes de FAULHABER. Le guidage oblique des fils du tout premier enroulement est d’ailleurs devenu le logo de l’entreprise. La technologie d’enroulement n’est pas seulement un détail de conception, mais aussi le cœur même et l’identité de la technologie d’entraînement FAULHABER.
Petit retour en arrière : les origines de l’enroulement FAULHABER
Dans les années 1950, Fritz Faulhaber travaille sur un projet dans son atelier de mécanique de précision. Il s’agit de développer un appareil photo innovant pour le compte du prestigieux client Voigtländer. Faulhaber envisage d’utiliser un moteur électrique pour transporter le film. Il décide de poursuivre cette idée et recherche une solution adaptée.
Le principal problème : la plupart des moteurs électriques à courant continu possèdent un bobinage enroulé autour de dents en forme de T du rotor, ce qui leur vaut l’appellation de moteurs à armature en T. Ces dents amènent le rotor à adopter certaines positions préférentielles par rapport aux aimants permanents, ce qui se traduit par une réluctance. À basse tension d’alimentation, il peut arriver que le moteur ne démarre pas du tout ou qu’il s’arrête en cours de fonctionnement. Même lorsque la tension est suffisante pour générer une impulsion de mouvement, la réluctance provoque une rotation irrégulière et empêche d’obtenir une vitesse angulaire constante.
Finalement, pour Fritz Faulhaber, une chose devient évidente : le noyau en fer doit disparaître. Il décide de fabriquer un enroulement autoportant à armature de type panier ou en cloche, sans têtes d’enroulement gênantes ni supports de bobine encombrants. En 1958, il réalise une avancée décisive avec un « moteur électrique doté d’une bobine sans fer avec enroulement oblique autoportant » pour lequel il dépose une demande de brevet, brevet qui lui est accordé en 1965. Un nouvel enroulement de moteur conquiert le marché.
Avec un bobinage maîtrisé, le plus dur est fait
L’enroulement diagonal autoportant du rotor présente une inertie extrêmement faible, ce qui permet d’obtenir des temps de réponse particulièrement courts et une dynamique élevée. L’absence de réluctance et de pertes fer et la très grande précision de régulation améliorent le rendement et perfectionnent l’invention. Le succès ne tarde pas à s’imposer.
Le développement de la technologie d’enroulement progresse en continu et ouvre sans cesse de nouvelles possibilités, notamment dans la miniaturisation des systèmes d’entraînement. Un exemple impressionnant en est le plus petit enroulement destiné à un moteur extrêmement fin : avec un diamètre extérieur de seulement 1,9 mm, l’enroulement ne mesure que 1,4 mm. Le diamètre des fils de cuivre utilisés établit également de nouveaux standards : aujourd’hui, des fils extrêmement fins, plus fins qu’un cheveu humain, peuvent être fabriqués avec une précision maximale, des enroulements performants et fiables deviennent réalisables malgré des dimensions minimales.
Dans les années qui ont suivi le développement de la première bobine à armature en cloche, des enroulements linéaires, à broche, segmentés et en cuivre à encoches sont continuellement venus enrichir le portefeuille technologique. Cette diversité n’est pas une fin en soi : les solutions d’entraînement sont de plus en plus demandées dans des espaces d’installation toujours plus réduits, tout en nécessitant davantage de puissance, de dynamique et d’efficacité. La technologie d’enroulement s’impose ainsi plus que jamais comme un levier clé d’optimisation et d’innovations ciblées.
Un exemple en est fourni par les moteurs plats sans balais à technologie à rotor externe BXT, dont l’architecture interne performante repose sur une conception électromagnétique précise du stator et du rotor. Avec 14 puissants aimants individuels en NdFeB sur le rotor et 12 dents sur le stator, des concepts éprouvés se conjuguent à une technologie d’enroulement innovante. Un facteur de remplissage en cuivre exceptionnellement élevé dans le bobinage garantit une densité de puissance maximale, tandis que l’encombrement est réduit au minimum grâce à une gestion optimisée du cheminement des fils.
Dans les moteurs sans balais BP4 également, l’enroulement est la clé de la performance. L’enroulement segmenté, composé de segments bobinés individuellement et imbriqués avec chevauchement, permet d’intégrer une quantité particulièrement élevée de cuivre dans la bobine. Le résultat est une grande symétrie d’enroulement avec des pertes minimales, et donc un rendement élevé.
Le rôle central de l’enroulement en matière de stabilité et de fiabilité est illustré par l’exemple des moteurs BX4 dont l’enroulement est surmoulé afin de préserver durablement sa forme et de garantir une stabilité maximale, même dans des conditions de fonctionnement exigeantes.
Le savoir-faire acquis au fil des décennies et la diversité de technologies d’enroulement en constante évolution se sont imposés sur le marché et constituent la base des technologies d’entraînement avec lesquelles FAULHABER contribue à façonner les tendances d’aujourd’hui et de demain. Ainsi, la nouvelle série de moteurs SXR/GXR dotée d’un enroulement à configuration hexagonale profite de procédés optimisés et de performances de haut niveau.
Le secret de la performance au cœur du moteur
Armin Mannsdörfer, chef de l’équipe Technologie d’enroulement, et Roland Keller, chef de l’équipe Conception électrique, travaillent chez FAULHABER depuis des années. Ils ont déjà accompagné de nombreux projets et aidé à optimiser le cœur de cuivre des moteurs. Les experts offrent un aperçu exclusif du développement de l’enroulement des moteurs C.C. SXR/GXR et expliquent les spécificités prises en compte ainsi que l’influence de cette technologie d’enroulement innovante sur les performances et la polyvalence de cette famille de moteurs.
Armin Mannsdörfer
Dans quelle mesure la géométrie de l’enroulement influence-t-elle des paramètres tels que le couple, le comportement en vitesse et la gestion thermique ?
L’enroulement autoportant permet un fonctionnement sans réluctance et efficace. La dissipation thermique de l’enroulement constitue, par sa conception, un défi, mais grâce au renforcement choisi, l’enroulement supporte bien les températures générées, même sous forte charge et à des vitesses élevées.
Quels défis ont dû être relevés lors du développement et de l’industrialisation du bobinage hexagonal ?
La grande diversité des configurations d’enroulement, associée à une épaisseur de paroi relativement importante, impose des exigences élevées en matière de procédés. De nouvelles technologies ont été développées et mises en œuvre à cet effet, technologies qui ont fait l’objet de dépôts de brevets. La nouveauté réside dans la conception de l’enroulement qui se caractérise par un facteur de remplissage en cuivre élevé et une paroi relativement épaisse. Les procédés doivent en outre être conçus de manière à permettre une grande variété de tailles de moteurs et de types de tension. Les solutions que nous avons mises en place sont certes plus complexes que les techniques habituelles jusqu’alors, mais elles permettent aussi la fabrication d’enroulements haute performance dans une grande diversité, tout en garantissant une précision élevée des caractéristiques d’enroulement.
Dr. Roland Keller
Qu’est-ce qui rend le nouveau bobinage hexagonal des moteurs SXR et GXR techniquement particulier ?
La zone intérieure droite augmente la constante de couple. Lorsqu’elle est correctement dimensionnée, cela améliore la pente de la courbe caractéristique, ce qui à son tour se traduit pour l’utilisateur par un meilleur rendement. En même temps, un rendement plus élevé permet d’augmenter le couple continu admissible du moteur.
Dans quelles applications les clients bénéficient-ils particulièrement de cette nouvelle technologie d’enroulement ?
Grâce à une pente de courbe caractéristique plus favorable que celle des autres moteurs du marché, les moteurs SXR/GXR offrent un couple plus élevé. Leur utilisation permet ainsi de réduire le volume et/ou le poids au sein de l’application. Même lorsque le couple continu maximal n’est pas exploité, l’utilisateur en tire des avantages : à conditions de frottement identiques, le moteur présentant la meilleure pente de caractéristique offre également le meilleur rendement, un aspect particulièrement apprécié des spécialistes sur le terrain.