Il fatto che l'attenzione sia sempre stata rivolta proprio a questo componente non è casuale. L'invenzione della prima tecnologia d'avvolgimento e lo sviluppo continuo di soluzioni nuove e ottimizzate fanno parte del DNA di FAULHABER. La configurazione obliqua del primo avvolgimento è diventata anche l'elemento distintivo del logo aziendale. La tecnologia di avvolgimento non è soltanto un dettaglio progettuale, bensì il cuore stesso e l'identità della tecnica di azionamento FAULHABER.
Un tuffo nel passato: le origini dell'avvolgimento FAULHABER
Negli anni '50 Fritz Faulhaber lavora assiduamente a un progetto nella sua officina di meccanica di precisione: sta sviluppando una macchina fotografica innovativa per conto del prestigioso cliente Voigtländer. Faulhaber accarezza l'idea di impiegare un motore elettrico per far avanzare la pellicola e decide di approfondire questa intuizione per cercare una soluzione adeguata.
Il problema principale è che la maggior parte dei motori elettrici in corrente continua dell'epoca presenta un avvolgimento montato attorno a denti del rotore a forma di T, da qui l'appellativo di «motori con armatura a T». Questi denti inducono il rotore ad assumere posizioni preferenziali rispetto al magnete permanente, generando il cosiddetto cogging. A basse tensioni di alimentazione, può accadere che il motore non si avvii affatto o che, durante il funzionamento, si arresti. Anche quando la tensione è sufficiente a fornire un impulso di avviamento, il cogging provoca una rotazione irregolare impedendo di mantenere una velocità angolare costante.
Alla fine, per Fritz Faulhaber una cosa diventa evidente: il nucleo di ferro deve sparire. Decide allora di realizzare un avvolgimento autoportante con armatura a cestello o a campana, eliminando le fastidiose sporgenze sull'avvolgimento e gli ingombranti supporti della bobina. La vera svolta arriva nel 1958 con la messa a punto di un «motore elettrico dotato di una bobina senza ferro con avvolgimento obliquo autoportante» per il quale deposita domanda di brevetto, poi concessa nel 1965. Nasce così un nuovo avvolgimento per motori, destinato a conquistare il mercato.
Con un buon avvolgimento si è già a metà dell'opera
L'avvolgimento diagonale autoportante del rotore presenta un'inerzia estremamente ridotta, che consente tempi di risposta particolarmente rapidi e un'elevata dinamica. L'assenza di cogging e di perdite di ferro, unita a una precisione di controllo estremamente elevata, permette di accrescere l'efficienza e perfezionare l'invenzione. Il successo non tarda ad arrivare.
Lo sviluppo della tecnologia di avvolgimento procede senza sosta e apre continuamente nuove possibilità, anche nel campo della miniaturizzazione dei sistemi di azionamento. Un esempio impressionante è il più piccolo avvolgimento destinato a un motore estremamente sottile: con un diametro esterno di 1,9 mm, l'avvolgimento misura appena 1,4 mm. Anche il diametro dei fili di rame utilizzati stabilisce nuovi standard: oggi è possibile produrre fili sottilissimi (più piccoli di un capello umano) con la massima precisione, che permettono di realizzare avvolgimenti performanti e affidabili nonostante le dimensioni così ridotte.
Negli anni successivi allo sviluppo della prima bobina ad armatura a campana, il portafoglio tecnologico si amplia progressivamente con avvolgimenti in rame lineari, a perno, a segmento e scanalati. Questa varietà non è fine a sé stessa: le soluzioni di azionamento sono sempre più richieste in applicazioni in cui lo spazio di installazione disponibile si riduce costantemente, mentre crescono allo stesso tempo le esigenze in termini di potenza, dinamica ed efficienza. La tecnica di avvolgimento assume quindi un'importanza ancora maggiore, come leva decisiva per l'ottimizzazione e per nuovi sviluppi mirati.
Un esempio in tal senso sono i motori brushless piatti della serie BXT con tecnologia a rotore esterno, la cui architettura interna ad alte prestazioni si basa su una precisa progettazione elettromagnetica di statore e rotore. Con 14 potenti magneti singoli in NdFeB sul rotore e 12 denti sullo statore, design collaudati si combinano con una tecnologia di avvolgimento innovativa. Un fattore di riempimento in rame eccezionalmente elevato nell'avvolgimento garantisce la massima densità di potenza, mentre l'ingombro viene ridotto al minimo grazie a un instradamento ottimale dei fili.
Anche nei motori brushless della serie BP4, l'avvolgimento è la chiave delle prestazioni. L'avvolgimento a segmenti, composto da segmenti avvolti singolarmente, sovrapposti e innestati fra loro, consente di alloggiare nella bobina una quantità particolarmente elevata di rame. Il risultato è un'elevata simmetria dell'avvolgimento con perdite minime e, di conseguenza, un rendimento molto elevato.
Il ruolo centrale dell'avvolgimento in termini di stabilità e affidabilità emerge chiaramente nell'esempio dei motori BX4. In questo caso l'avvolgimento viene sovrastampato per preservarne in modo durevole la forma e garantire la massima stabilità anche in condizioni operative esigenti.
Il know-how maturato nella sua storia decennale e la gamma di tecnologie di avvolgimento costantemente ottimizzata si sono affermati sul mercato e costituiscono la base delle tecniche di azionamento con cui FAULHABER contribuisce a plasmare le tendenze di attuali e future. Lo dimostra, per esempio, la nuova serie di motori SXR/GXR con avvolgimento esagonale, che si avvale di processi ottimizzati e prestazioni elevate.
Il segreto delle prestazioni è all'interno
Armin Mannsdörfer, responsabile del team Tecnologie di avvolgimento, e Roland Keller, responsabile del team Progettazione elettrica, lavorano in FAULHABER da molti anni. Hanno seguito numerosi progetti e hanno contribuito a ottimizzare il cuore in rame dei motori. I due esperti ci aprono uno scorcio esclusivo sullo sviluppo dell'avvolgimento dei motori DC delle serie SXR/GXR, illustrando le specificità prese in considerazione e quanto questa tecnologia di avvolgimento innovativa abbia influenzato le prestazioni e la versatilità di questa famiglia di motori.
Armin Mannsdörfer
Quanto conta la geometria dell'avvolgimento rispetto a parametri come coppia, comportamento in velocità e gestione termica?
L'avvolgimento autoportante consente un funzionamento efficiente e privo di cogging. Il raffreddamento dell'avvolgimento rappresenta, per via della progettazione, una sfida, ma grazie al rinforzo scelto riesce a sopportare bene le temperature in gioco, anche i caso di carichi elevati e alte velocità.
Quali sfide avete affrontato durante lo sviluppo e l'industrializzazione dell'avvolgimento esagonale?
L'ampia varietà di design di avvolgimento, unita a uno spessore relativamente elevato della parete dell'avvolgimento, impone requisiti stringenti in termini di tecnologia di processo. Per questo motivo sono state sviluppate e implementate nuove tecnologie, per le quali sono stati depositati dei brevetti. L'elemento di novità risiede nel design dell'avvolgimento, caratterizzato da un alto fattore di riempimento in rame e da una parete relativamente spessa. La tecnologia di processo deve inoltre essere concepita in modo da consentire una grande varietà di formati dei motori e di tipi di tensioni. Le soluzioni adottate sono senz'altro più complesse rispetto alle tecniche tradizionali, ma permettono di produrre avvolgimenti ad alte prestazioni in un'ampia gamma di varianti, garantendo al contempo un'elevata precisione delle caratteristiche dell'avvolgimento.
Dr. Roland Keller
Cosa rende speciale, dal punto di vista tecnico, il nuovo avvolgimento esagonale dei motori SXR e GXR?
Il tratto rettilineo interno aumenta la costante di coppia. Se dimensionato correttamente, migliora la pendenza della curva caratteristica, il che a sua volta si traduce in un rendimento superiore per l'utente. Allo stesso tempo, un rendimento migliore fa sì che aumenti il valore della coppia continua ammissibile del motore.
In quali applicazioni i clienti beneficiano particolarmente di questa nuova tecnologia di avvolgimento?
Grazie a una pendenza della curva caratteristica migliore rispetto ad altri motori sul mercato, i motori SXR/GXR consentono di ottenere una coppia più elevata. Il loro impiego permette quindi di ridurre il volume e/o la massa dell'applicazione. Anche quando la coppia continua possibile non viene sfruttata appieno, l'utente ne trae comunque dei vantaggi. Se due motori hanno lo stesso attrito, il motore con la pendenza migliore della curva caratteristica offrirà anche il miglior rendimento: un aspetto particolarmente apprezzato dagli specialisti del settore.