De focus lag bij FAULHABER vanaf het begin op deze component, en dat is geen toeval. De uitvinding van de eerste wikkelingstechnologie en de doorlopende ontwikkeling en optimalisatie van nieuwe wikkelingstechnologieën vormen de basis van het bedrijfs-DNA. De schuine bedrading van de eerste wikkeling is als symbool verwerkt in het bedrijfslogo. Wikkelingstechnologie is dus niet zomaar een aspect van de motorconstructie, maar het kloppende hart van de FAULHABER aandrijftechniek.
Een blik in het verleden: de oorsprong van de FAULHABER wikkeling
In de jaren 50 werkte Dr. Fritz Faulhaber aan een project in zijn werkplaats voor precisiemechanica. Hij ontwikkelde een innovatieve camera voor een prestigieuze klant: Voigtländer. Dr. Faulhaber speelde met het idee om een elektromotor te gebruiken om de film te transporteren, en hij besloot om op zoek te gaan naar een oplossing.
Het probleem: de meeste DC-elektromotoren hebben een wikkeling om T-vormige rotortanden. Vandaar ook de naam T-armatuur-motoren. Door de tanden neemt de rotor de voorkeursposities aan ten opzichte van de permanente magneet, en zo ontstaat het zogenoemde koppelrimpel. Bij een lage voedingsspanning start de motor niet of beweegt zich misschien helemaal niet, en bij het bedrijf kan hij tot stilstand komen. Zelfs bij een spanning die voldoende is om een bewegingsimpuls te genereren, veroorzaakt het koppelrimpel een ongelijkmatige draaiing en voorkomt het dat de motor met een constante hoeksnelheid draait.
Uiteindelijk realiseerde Dr. Faulhaber zich dat de ijzeren kern in de weg zat. Hij besloot om een zelfdragende "mandwikkeling" te maken: het klokankermodel. Zonder storende overhang van de wikkeling, en zonder ruimteverslindende ondersteuning voor de spoel. In 1958 bereikte hij een doorbraak en diende een patentaanvraag in voor een "elektromotor met een ijzerloze kern en zelfdragende schuine wikkeling". In 1965 werd het patent verleend. De nieuwe motorwikkeling veroverde de markt.
Goed gewikkeld is het halve werk
De zelfdragende, diagonale rotorspoel heeft een bijzonder lage inertie, zodat extreem snelle responstijden en hoge dynamiek mogelijk zijn. De motor werkt zonder koppelrimpels en ijzerverliezen en is extreem goed aanstuurbaar, wat het rendement verhoogt en de uitvinding perfect maakt. Faulhaber was op weg naar succes.
Het bedrijf blijft de wikkelingstechnologie continu ontwikkelen en optimaliseren, wat bijvoorbeeld nieuwe mogelijkheden creëert voor de miniaturisatie van aandrijfsystemen. Een indrukwekkend voorbeeld: de minuscule wikkeling van een delicate motor met een buitendiameter van slechts 1,9 mm. De wikkeling is 1,4 mm. Ook de diameter van het gebruikte koperdraad is revolutionair: inmiddels kunnen er met hoge nauwkeurigheid bijzonder dunne draden worden gemaakt, dunner dan een menselijke haar. Ondanks het kleine formaat zijn hierdoor krachtige en betrouwbare wikkelingen mogelijk.
In de jaren na de ontwikkeling van de eerste klokankermotor groeide het technische portfolio met lineaire wikkelingen, pinwikkelingen, segmentwikkelingen, en koperwikkelingen met uitsparingen. Die veelzijdigheid was geen doel op zich: er is steeds meer vraag naar compacte aandrijfoplossingen voor toepassingen met weinig ruimte, die tegelijkertijd ook steeds meer performance, dynamiek en rendement vereisen. De wikkelingstechnologie krijgt daarom veel aandacht, want vooruitgang op dit gebied werkt als hefboom voor de motoroptimalisatie en gerichte nieuwe ontwikkelingen.
Een goed voorbeeld zijn de platte, borstelloze BXT-motoren met externe rotortechnologie. De krachtige werkingsprincipes zijn gebaseerd op het precieze elektromagnetische ontwerp van de stator en rotor. Met 14 sterke NdFeB enkele magneten op de rotor en 12 tanden op de stator komen bewezen concepten samen met een innovatieve wikkelingstechnologie. De uitzonderlijk hoge kopervulfactor in de wikkeling zorgt voor maximale vermogensdichtheid, en dankzij de optimale bedrading neemt de motor zo min mogelijk ruimte in.
Ook bij de borstelloze BP4-motoren is de wikkeling de sleutel voor performance. De segmentwikkeling met overlappende, geneste en individueel gewikkelde segmenten betekent dat de spoel uitzonderlijk veel koper bevat. En dat zorgt voor een hoge wikkelingssymmetrie met minimale verliezen, en dus een hoog rendement.
Bij de BX4-motoren is ook goed te zien wat voor centrale rol de wikkeling speelt voor de stabiliteit en betrouwbaarheid. De wikkeling is in deze motoren gefixeerd om de vorm te behouden, en biedt zo maximale stabiliteit ook onder zware omstandigheden.
In tientallen jaren heeft FAULHABER extreem veel deskundigheid opgebouwd, en zich met een continu geoptimaliseerd aanbod aan wikkelingstechnologieën op de markt gevestigd. Deze kracht vormt de basis van de aandrijftechniek waarmee het bedrijf de trends van nu en later vormgeeft – onlangs weer met de nieuwe serie SXR- en GXR-motoren met een zeshoekige wikkeling. Ook hier weer: geoptimaliseerde processen, en uitstekende prestaties.
Het geheim zit van binnen
Armin Mannsdörfer, Team Leader voor wikkelingstechnologie, en Dr. Roland Keller, Team Leader voor elektrisch ontwerp, werken beide al vele jaren bij FAULHABER. Ze hebben talloze projecten begeleid en het koperen hart van de motoren steeds weer geoptimaliseerd. De twee experts geven een exclusief inzicht in de ontwikkeling van de wikkelingen van de DC-motoren van de SXR- en GXR-serie. Ze leggen uit welke speciale functies het team heeft bedacht, en wat voor uitwerking de innovatieve wikkeling heeft op de performance en veelzijdigheid van de nieuwe motorfamilie.
Armin Mannsdörfer
Welke rol speelt de geometrie van de wikkeling voor parameters als koppel, toerentalgedrag en thermisch beheer?
De zelfdragende wikkeling ondersteunt een efficiënt motorbedrijf zonder restkoppel. Het ontwerp maakt het lastig om de spoel te koelen, maar dankzij de gebruikte versterking kan de koppeling de hogere temperaturen goed aan, zelfs onder zware belastingen en bij hoge toerentallen.
Welke uitdagingen moest het team te boven komen bij de ontwikkeling en industrialisering van de zeshoekige wikkeling?
We hebben veel verschillende wikkelingsontwerpen en een relatief dikwandige wikkeling. Dat vraagt veel van de verwerkingstechnologie. We hebben hiervoor nieuwe technologieën ontwikkeld en geïmplementeerd, waarvoor we ook patenten geregistreerd hebben. Nieuw is het ontwerp van de wikkeling met een hoge kopervulfactor en een relatief hoge wanddikte. Het ontwerp van de verwerkingstechnologie moest ook een breed palet aan motorformaten en spanningstypen aankunnen. De technologie die we hiervoor hebben ontwikkeld is complexer dan zijn voorgangers, maar we kunnen er krachtige wikkelingen mee produceren, in allerlei uitvoeringen. En we kunnen ook de karakteristieken van die wikkelingen bijzonder nauwkeurig bepalen.
Dr. Roland Keller
Wat maakt de nieuwe zeshoekige wikkelingen van de SXR- en GXR-motoren technisch gezien zo bijzonder?
Het rechte binnenwerk verhoogt de koppelconstante. Als de dimensies kloppen, verbetert dit de curve van de motorkarakteristiek, en dat betekent een beter rendement voor de gebruiker. Tegelijkertijd verhoogt het ook het toegestane continukoppel van een motor.
In wat voor toepassingen profiteren klanten het meeste van deze nieuwe wikkelingstechnologie?
De curve van de motorkarakteristiek is bij de SXR- en GXR-motoren beter dan bij vergelijkbare motoren op de markt. Ze ondersteunen een hoger koppel, en zo kunnen ontwikkelaars volume en/of gewicht sparen in hun toepassing. Zelfs als het haalbare continukoppel niet volledig wordt benut, bieden deze motoren nog steeds voordelen voor de gebruiker. Als twee motoren dezelfde wrijving hebben, zal de motor met de betere karakteristiek het betere rendement leveren. Deskundigen hechten hier veel waarde aan.