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Was sind Schrittmotoren, welche Typen gibt es und wie funktionieren sie?

Antriebe für anspruchsvolle Positionieraufgaben
Was sind Schrittmotoren, welche Typen gibt es und wie funktionieren sie?

Bei anspruchsvollen Positionieraufgaben, in denen eine hohe Genauigkeit benötigt wird, kommen in der Regel Schrittmotoren zum Einsatz. Denn sie ermöglichen einen einfachen und präzisen Positionierbetrieb. Der Name hat seinen Ursprung in seiner Funktionsweise, da der Schrittmotor durch ein elektromagnetisches Feld angetrieben wird. Dieses dreht den Rotor um einen kleinen Winkel – Schritt – oder sein Vielfaches. Schrittmotoren finden Anwendung in der Automation. Sie werden aber auch häufig in der Robotik, im Maschinen- und Anlagenbau sowie der optischen Messtechnik eingesetzt.


Inhaltsverzeichnis
1. Was ist ein Schrittmotor?
2. Wie funktionieren Schrittmotoren?
3. Welche Vorteile und Nachteile haben Schrittmotoren?
4. Welche Schrittmotoren-Typen gibt es?
5. Reluktanzschrittmotor
6. Permanentmagnetschrittmotor
7. Hybridschrittmotor
8. Scheibenmagnet-Schrittmotoren
9. Für welche Applikationen werden Schrittmotoren genutzt?
10. In welchen Branchen werden Schrittmotoren eingesetzt?
11. Welche Normen gelten für Schrittmotoren?
12. Gültige europäische Richtlinien

Was ist ein Schrittmotor?

Ein Schrittmotor besteht aus einem feststehenden Stator und einem darin drehenden Rotor. Das Drehmoment, welches den Rotor antreibt, entsteht durch unterschiedlich ausgerichtete Magnetfelder im Stator und Rotor. Der Rotor dreht sich immer so, dass sich der größtmögliche magnetische Fluss ausbildet. Im Gegensatz zu anderen Motoren befinden sich beim Schrittmotor nur im Stator Spulen. Die Drehbewegung entsteht also durch gezieltes Ein- und Ausschalten einzelner Wicklungen. So lässt sich auf einfachste Weise Drehsinn und Drehzahl des Motors steuern. Um die Position des Rotors zu bestimmen, genügt es, ausgehend von einer Ausgangslage die Schritte im beziehungsweise gegen den Uhrzeigersinn zu zählen und mit dem Schrittwinkel zu multiplizieren.

Wie funktionieren Schrittmotoren?

Ein Schrittmotor ist ein einfacher zweiphasiger, bürstenloser Synchronmotor, der einen segmentierten, magnetisierten Rotor und einen Stator enthält, der aus einer vorgeschriebenen Anzahl von elektromagnetischen Spulen besteht. Wenn die Spulen erregt werden, erzeugen sie einen Nord- und einen Südpol, die den segmentierten, magnetisierten Rotor drücken beziehungsweise ziehen, wodurch er in eine Drehbewegung versetzt wird. Schrittmotoren bestehen aus zwei Wicklungen (2 Phasen), die mit Gleichstrom versorgt werden. Wenn der Strom in einer Wicklung umgekehrt wird, wird die Motorwelle um einen Schritt bewegt. Durch die Umkehr der Stromrichtung in jeder Wicklung werden die Position und die Geschwindigkeit des Motors mühelos und präzise gesteuert, sodass sich der Schrittmotor für viele verschiedene Motion Control-Anwendungen eignet. Die Schrittgröße wird von den Eigenschaften des Motordesigns bestimmt. Schrittmotoren werden anhand des Haltemoments und des entsprechenden Nennstroms ausgewählt. Der Haltemoment gibt das maximale externe Drehmoment an, das auf einen Motor (erregt mit Nennstrom) angewandt wird, ohne eine kontinuierliche Drehung zu verursachen. An dem Punkt, an dem der Motor beginnt, sich zu drehen, wird das verfügbare Drehmoment als Außertrittfallmoment bezeichnet. Die Spulen eines Schrittmotors können in unipolarer oder bipolarer Anordnung konfiguriert werden. Da einfache Schrittmotor-Ansteuerelektroniken eingesetzt werden können, um die Spulen zur Drehung der Motorwelle zu bestromen, stellen unipolare Konfigurationen die einfachste Steuerungsart dar. Eine bipolare Anordnung erfordert einen anspruchsvolleren Antrieb, um die Wicklungen richtig zur Motorsteuerung zu sequenzieren, was auch zusätzliche Leistungsvorteile bietet, wie zum Beispiel ein höheres Haltemoment.

Schrittantriebe sind in einer Vielzahl von Spannungs- und Stromstärken erhältlich. Die Leistung eines Motors hängt in hohem Maße von dem Strom und der Spannung ab, die der Antrieb liefert. Im Zusammenhang mit Schrittmotoren werden häufig die Begriffe Vollschritt, Halbschritt und Mikroschritt verwendet. Ein 1,8° Schrittmotor hat bei einer vollständigen 360° Umdrehung beispielsweise 200 einzelne Positionen. Da 360° geteilt durch 200 gleich 1,8° ist, wird die Motorwelle jedes Mal, wenn der Motor den Befehl erhält, einen Schritt auszuführen (Vollschritt), um 1,8° bewegt. Mit dem Begriff „Halbschritt“ ist eine 0,9° Schrittweite gemeint. Hierzu wirken abwechselnd positiver Strom, kein Strom und negativer Strom durch eine Ansteuerungstechnologie auf jede einzelne Wicklung ein. Der Begriff „Mikroschritt“ bezieht sich auf eine ausgeklügeltere Steuerungsart, die über das einfache Umschalten von Strom zwischen den Motorwicklungen hinausgeht, um die Menge des Stroms zu steuern, der zu den einzelnen Wicklungen geleitet wird. Ein großer Vorteil des Mikroschrittes ist die Reduzierung der Resonanzamplitude, die auftritt, wenn der Motor mit seiner Eigenfrequenz arbeitet. Durch die Mikroschrittmethode kann die Welle an anderen Stellen als 1,8° (Vollschritt) oder 0,9° (Halbschritt) platziert werden. Die Mikroschrittpositionen befinden sich zwischen den beiden Schritten während der Rotordrehung. Die häufigsten Mikroschrittinkremente sind 1/5, 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 und 1/250 eines Vollschritts.

Welche Vorteile und Nachteile haben Schrittmotoren?

Zu den grundlegenden Vorteilen eines Schrittmotors gehören die hohe Genauigkeit, einfache Kontrolle der Rotorposition und der Drehgeschwindigkeit des Rotors. Dies kann bei einer relativ unkomplizierten Bauform und bei niedrigen Kosten einer fertigen Lösung erreicht werden. Das Drehmoment des Motors ist sehr hoch bei einer geringen Drehgeschwindigkeit. In der Bauform des Motors gibt es keine Bürsten, was zu einer hohen mechanischen Beständigkeit und einer größeren Zuverlässigkeit beiträgt. Eine andere wichtige Eigenschaft ist die einfache Motorsteuerung: schneller Start dank dem hohen Drehmoment, einfacher Stopp dank dem hohen Haltemoment und der Möglichkeit, die Drehrichtung schnell zu ändern. Bei vielen Anwendungen ist auch die einfache Gestaltung der Start-Stopp-Kennlinie von großer Bedeutung.

Einer der wesentlichen Nachteile eines Schrittmotors ist dessen Energiebedarf. Für diesen Motor ist die Stromversorgung sowohl bei einer Bewegung, als auch beim Stillstand erforderlich. Das Drehmoment des Motors ist bei einer relativ geringen Drehgeschwindigkeit am höchsten und sinkt bei einer höheren Drehgeschwindigkeit. Wie bereits erwähnt, ist das Drehmoment stark mit der Stromstärke in den Spulen verbunden, die wiederum von deren Impedanz abhängig ist, die sich zusammen mit der steigenden Umschaltfrequenz erhöht. Aus diesem Grund kann bei Einhaltung des Drehmoments und der Fähigkeit des Motors, die vorgegebene Belastung zu „meistern“, keine hohe Drehgeschwindigkeit erreicht werden. Ist das Drehmoment nicht ausreichend, kommt es zu den sogenannten Schrittverlusten. Daher ist für die zuverlässige Motorsteuerung der Rückkopplungsmechanismus erforderlich, der zum Beispiel aufgrund eines Encoders oder eines anderen Sensors ausgeführt werden kann. Dadurch kann sich der Motorkontroller „versichern“, dass die vorgegebene Anzahl von Schritten ausgeführt wurde.

Welche Schrittmotoren-Typen gibt es?

Es gibt drei Grundtypen von Schrittmotoren: Reluktanzschrittmotor, Permanentmagnetschrittmotor und Hybridschrittmotor. Weitere Bauformen sind zum Beispiel der Scheibenmagnet-Schrittmotor, welcher sich vor allem durch hohe Drehzahlen und hohe Leistungsdichte auszeichnet und der Linearmotor.

Reluktanzschrittmotor

Beim Reluktanzschrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Bei diesem Material verschwindet nach dem Ausschalten des Statorstromes das Magnetfeld. Bei eingeschaltetem Strom fließt der magnetische Fluss durch den Weicheisenkern des Rotors. Die Drehbewegung des Rotors kommt zustande, weil vom gezahnten Stator (feststehendes, unbewegliches Teil des Motors) der nächstliegende Zahn des Rotors angezogen wird, da sich so der magnetische Widerstand verringert. Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom.

Permanentmagnetschrittmotor

Beim Permanentmagnetschrittmotor besteht der Stator aus Weicheisen und der Rotor aus Dauermagneten, die abwechselnd einen Nord- und einen Südpol aufweisen. Mit dem Stator-Magnetfeld richtet man den dauermagnetischen Rotor so aus, dass eine Drehbewegung entsteht. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt. Ein Vorteil gegenüber dem Reluktanz-Schrittmotor ist sein größeres Drehmoment. Der größere Induktionshub (inneres Magnetfeld von -Bmax nach +Bmax) ergibt höhere magnetische Kräfte, was ein größeres Drehmoment zur Folge hat. Im Prinzip ist der PM-Schrittmotor ein Synchronmotor, bei dem durch die Erhöhung der Polpaarzahl die Auflösung gesteigert wurde.

Hybridschrittmotor

Hybridschrittmotoren vereinigen die Eigenschaften von Reluktanz- und Permanentmagnetschrittmotoren in sich. Hybridschrittmotoren besitzen einen Stator mit mehrfach gezahnten Statorpolen und einen Permanentmagnetrotor. Standardmäßige Hybridschrittmotoren besitzen 200 Rotorzähne und bewegen sich in Schrittwinkeln zu je 1,8°. Hybridschrittmotoren werden aufgrund ihres hohen statischen und dynamischen Drehmoments und ihrer sehr hohen Schrittgeschwindigkeit in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel in PC-Laufwerken, Druckern/Plottern und in CD-Abspielgeräten. Zu den Einsatzgebieten für Hybridschrittmotoren in Industrie und Forschung gehören Roboter, Werkzeug- und Handhabungsmaschinen, automatische Drahtschneide- und Drahtbondmaschinen sowie Fluidsteuerungssysteme.

Scheibenmagnet-Schrittmotoren

Scheibenmagnet-Schrittmotoren sind fortschrittliche Mikroschrittmotoren, die eine dynamischere Motorleistung, eine feinere Schrittauflösung und eine höhere Beschleunigung bieten als andere Schrittmotor-Typen. Der dünne Scheibenmagnet ermöglicht feinere Schrittauflösungen pro gegebener Baugröße, höhere Beschleunigung und eine höhere Spitzendrehzahl als konventionelle Schrittmotoren. Scheibenmagnetmotoren sind besonders geeignet für Anwendungen, welche die Präzision eines Schrittmotors sowie die Drehzahl und Beschleunigung eines bürstenlosen DC-Motors benötigen. Ein geschlossener Regelkreis liefert einen kostengünstigen Vorteil gegenüber einer Servolösung.

Für welche Applikationen werden Schrittmotoren genutzt?

Schrittmotoren werden in vielen verschiedenen Geräten eingesetzt, die eine präzise Bewegungskontrolle und genaue Positionierung erfordern. Daher werden die Schrittmotoren vorwiegend in Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Bewegungskontrolle erfordern, sowie in Positionierungsgeräten, denn mit einem Computer und einem Treiber lässt sich das entsprechende Gerät und die Software schnell und einfach ausführen. Sie werden auch in biomedizinischen Geräten, Computerlaufwerken, Druckern, Scannern, intelligenten Beleuchtungssystemen, für die Steuerung von Kameraobjektiven, die Positionierung von Regelungselementen in Verbrennungsmotoren, in der Robotik, in 3D-Scannern und 3D-Druckern, in XY-Plottern, in CNC-Maschinen sowie in anderen Geräten eingesetzt.

In welchen Branchen werden Schrittmotoren eingesetzt?

  • Agrartechnik
  • Automobiltechnik
  • Feinmechanik
  • Forschung
  • Gebäudeautomatisierung
  • Luft- und Raumfahrt
  • Maschinen- und Anlagenbau (z.B. 3D-Druck)
  • Medizin- und Labortechnik
  • Optische Messtechnik
  • Robotik
  • Tiefbohrtechnik, Offshore

Welche Normen gelten für Schrittmotoren?

  • DIN 42021-1 – Schrittmotoren; Anbaumaße, Typenschild, elektrische Anschlüsse
  • DIN 42021-2 – Schrittmotoren; Begriffe, Formelzeichen, Einheiten und Kennlinien
  • EN 60034-1 – Drehende elektrische Maschinen, Teil 1: Bemessung und Betriebsverhalten

NEMA-Norm ICS 16-2001 „Motion/Position Control Motors, Controls and Feedback Devices“

Gültige europäische Richtlinien

  • EMV-Richtlinie 89/336/EWG
  • Niederspannungsrichtlinie 73/23/EWG
  • Maschinenrichtlinie 98/37/EG

Aktuelle Meldungen zum Themenfeld der elektrischen Antriebstechnik (Elektromotoren) finden sich hier:
https://kem.industrie.de/elektromotoren/

Quellen:

https://www.kollmorgen.com/de-de/blogs/_blog-in-motion/articles/wie-funktioniert-ein-schrittmotor/

https://www.omega.de/prodinfo/schrittmotoren.html

https://wiki.bu.ost.ch/infoportal/_media/hardware/sysp/bauteile/schrittmotor_kurz_erklaert_d.pdf

https://www.reichelt.de/reicheltpedia/index.php/Schrittmotor#Bauformen

https://www.faulhaber.com/de/produkte/schrittmotoren/

https://www.faulhaber.com/de/support/technischer-support/motoren/tutorials/schrittmotoren-tutorial-mikroschrittbetrieb/

http://www.goetz-automation.de/Schrittmotor/PermanentmagnetSM.htm

https://www.portescap.com/de-de/produkte/schrittmotoren/why-a-disc-magnet-motor

https://rn-wissen.de/wiki/index.php/Schrittmotoren#Prinzip_der_Schrittmotoren

https://www.tme.eu/de/news/library-articles/page/41861/Schrittmotor-Arten-und-Anwendungsbeispiele-der-Schrittmotoren/

https://download.beckhoff.com/download/document/Application_Notes/DK9221–0210–0014.pdf

https://harmonicdrive.de/de/glossar/schrittmotor

https://www.jat-gmbh.de/motoren/schrittmotor-kaufen/

https://www.phytron.de/maerkte/?gclid=EAIaIQobChMI6KKykt-58QIVj-myCh3v8wUmEAAYASACEgLkm_D_BwE

http://www.schrittmotor-blog.de/nema-schrittmotor-was-ist-das-eigentlich/

https://www.beuth.de/de/norm/din-42021–2/572007

https://download.br-automation.com/BRP44400000000000000142734/MASMOT-GER.pdf?px-hash=495a3a58fadf27d870c547ff304e9264&px-time=1624864494

https://www.orientalmotor.de/Products/Stepper_motors/?gclid=EAIaIQobChMIi7zV5Z288QIVyOvtCh3HNAfwEAMYASAAEgLoePD_BwE

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