Was ist ein Schrittmotor?

Ein Schrittmotor ist ein elektromechanisches Gerät, das elektrische Energie in mechanische Leistung umwandelt. Gleichzeitig ist ein Schrittmotor ein bürstenloser Synchronmotor, der eine vollständige Drehung in eine große Anzahl von Schritten unterteilen kann. Die Welle oder Spindel eines Schrittmotors dreht sich in diskreten Schritten, wenn elektrische Steuerimpulse in der richtigen Reihenfolge an den Motor angelegt werden. Die Position des Motors kann ohne Rückkopplungsmechanismus präzise gesteuert werden, sofern der Motor für die Anwendung dimensioniert ist.

1. Der Aufbau von Schrittmotoren

Schrittmotoren bestehen im Allgemeinen aus einem vorderen und einem hinteren Enddeckel, Lagern, einer zentralen Welle, einem Rotorkern, einem Statorkern, einer Statorbaugruppe, gewellten Unterlegscheiben, Schrauben und anderen Komponenten.

2. Typen von schrittmotoren

Es gibt drei grundlegende Typen von Schrittmotoren, Reaktiver Rotor: Reluktanz-Schrittmotor (VR), Aktiver Rotor: Permanenterregter Schrittmotor (PM), Kombination von VR und PM: Hybrid-Schrittmotor (HY).

Reluktanz-Schrittmotoren

Reluktanz-Schrittmotoren sind die einfachste Art von Schrittmotoren und bestehen aus einem mehrzahnigen Rotor aus Weicheisen und einem gewickelten Stator. Wenn Gleichstrom an die Statorwicklung angelegt wird, werden beide Pole magnetisiert. Wenn die Rotorzähne von den erregten Statorpolen angezogen werden, entsteht eine Rotation. Da die Magnete von Reluktanz-Schrittmotoren kleiner und leichter sind als die von Permanenterregter-Schrittmotoren, sind sie schneller. Je kleiner die Fläche zwischen dem Rotor und dem Statorrad eines Reluktanz-Schrittmotors ist, desto geringer ist der Verlust an Magnetkraft.

Bei dieser Art von Schrittmotor ist die Auflösung gering und das Drehmoment niedrig, obwohl die Konstruktion einfach und leicht zu steuern ist.

Permanenterregte Schrittmotoren

Permanentmagnete sind in die Motorstruktur eines Permanenterregter Schrittmotors integriert. Die Änderung der Rotorposition wird durch eine Änderung der Stromrichtung in der Wicklung verursacht, wodurch sich die Magnetpole ändern. Bei entsprechender Änderung der Strömungsrichtung dreht sich der Rotor um 90°. Ein solcher einstufiger Motor ist zwar für einige Anwendungen zweckmäßig, aber er wäre sehr groß und ungenau. Daher haben die meisten bestehenden Permanenterregte Schrittmotoren mehr Rotorpole und mehrere Magnete auf dem Rotor, um die Anzahl der Schritte und die Positioniergenauigkeit zu erhöhen.

Die magnetisierten Pole des Rotors sorgen für eine größere Flussstärke, so dass Permanenterregte Schrittmotoren ein besseres Drehmomentverhalten aufweisen als Reluktanz-Schrittmotoren. Die einfache Konstruktion führt zu einem preisgünstigen Motor mit einer relativ geringen Auflösung.

Hybrid-Schrittmotoren

Hybridschrittmotoren sind eine der am häufigsten verwendeten Schrittmotortypen in der Industrie. Hybrid-Schrittmotoren vereinen die Vorteile von Schrittmotoren mit variabler Reluktanz und Permanentmagnet-Schrittmotoren, weshalb sie auch teurer sind. Hybrid-Schrittmotoren bieten eine bessere Leistung in Bezug auf Schrittauflösung, Drehmoment und Geschwindigkeit.

Der Rotor eines Hybridschrittmotors besteht aus Permanentmagneten. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Typen sind die Magnete jedoch nicht radial montiert, sondern axial magnetisiert. Der Rotor besteht in der Regel aus zwei gegenüberliegenden magnetisierten Ringen, die auf der Motorwelle sitzen. Jeder Ring ist mit Nuten versehen, die die Rotorzähne bilden.

Die Anzahl der Vollschritte pro Umdrehung lässt sich anhand der folgenden Formel berechnen:

SPR = NR x Ø
wobei SPR = Anzahl der Schritte pro Umdrehung
NR = Gesamtzähnezahl des Rotors (Gesamtzähnezahl der beiden Joche)
Ø = Anzahl der Motorphasen
oder: NR = SPR/Ø

3. Typen der Verdrahtung

Eine weitere Klassifikation von Schrittmotoren basiert auf der Art der Wicklung des Zweiphasenmotors. Nach dieser Klassifizierung werden Schrittmotoren in unipolare und bipolare Motoren unterteilt.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass unipolare Motoren mit einer Polarität des Stroms (Spannung) arbeiten, während bipolare Motoren mit zwei Polaritäten arbeiten, so dass die Richtung des Stromflusses in der Wicklung variabel ist. Diese Anschlussmethode ermöglicht die Verwendung einer einzigen Polarität des Stroms (der Spannung). Bipolare Motoren haben ein höheres Drehmoment als unipolare Motoren, aber sie sind auch komplexer zu steuern.

4. Vorteile von Schrittmotoren

Positionierung - Da sich Schrittmotoren in präzisen, wiederholbaren Schritten bewegen, eignen sie sich gut für Anwendungen, bei denen eine genaue Positionierung erforderlich ist.
Drehzahlregelung - Präzise Bewegungsschritte ermöglichen eine hervorragende Drehzahlregelung.
Drehmoment bei niedriger Drehzahl  - Schrittmotoren haben ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen.

5. Nachteile von Schrittmotoren

Geringer Wirkungsgrad - Im Vergleich zu Gleichstrommotoren verbrauchen sie mehr Strom. Daher neigen sie dazu, sehr heiß zu laufen.
Geringes Drehmoment bei hohen Drehzahlen - Das Drehmoment des Motors fällt bei abnehmender Drehzahl schnell ab.
Keine Rückkopplung - Rückkopplung wird nicht verwendet, um mögliche Fehlschritte zu spezifizieren.
Hohe Vibrations- und Geräuschentwicklung - Bei sehr hohen Drehzahlen ist der Betrieb dieses Motors nicht einfach.
Möglicher Verlust der Synchronisation - Ursache sind Faktoren wie unerwartete Laständerungen.
Geringes Verhältnis von Drehmoment zu Trägheit
Erfordert einen Antriebskreislauf

6. Wofür werden Schrittmotoren verwendet?

Schrittmotoren sind daher eine gute Wahl für Anwendungen, bei denen niedrige Geschwindigkeiten und hohe Präzision erforderlich sind. Einige dieser alltäglichen Anwendungen sind im Folgenden aufgeführt.

Schrittmotoren für 3D Drucker

Schrittmotoren sind in gängigen 3D-Druckern fast immer enthalten. Die Verwendung von Schrittmotoren in 3D-Druckern ermöglicht eine hochpräzise Bewegung und Positionierung, ohne dass Geber und andere zusätzliche Software oder Sensoren erforderlich sind, und das zu geringen Kosten. Schrittmotoren können auf ein bekanntes Intervall bewegt und dann in dieser Position gehalten werden. Sie sind ein idealer Motor, um Objekte in wiederholbare Positionen zu bringen.

Abhängig von der Type des Druckers werden sie in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. So werden beispielsweise Schrittmotoren verwendet, um die X-, Y- und Z-Achsen eines Extruders oder einer Bauplattform einzeln zu bewegen. Die Extruderbaugruppe verfügt außerdem über einen Schrittmotor, der das Filament in den Extruder zieht und die Zufuhr eines konsistenten, gleichmäßigen Materials in die Maschine während des gesamten Druckvorgangs steuert.

Es gibt Schrittmotoren in verschiedenen Größen. Die am häufigsten in 3D Druckern verwendeten Größen sind NEMA 14, NEMA 17, NEMA 23 und NEMA 24.

Schrittmotoren für CNC

Schrittmotoren sind eine Alternative zu Servomotoren und können die meisten Typen von CNC-Maschinen antreiben. Aufgrund ihres geringen Platzbedarfs und ihrer einfachen Konstruktion sind Schrittmotoren ideal für kleinere Anwendungen wie CNC-Fräsmaschinen. Schrittmotoren kosten bei gleicher Leistung weniger als Servomotoren, aber moderne Versionen von Schrittmotoren haben oft die gleichen Funktionen. Da es keine Geber gibt, sind Schrittmotoren einfacher zu verstehen und zu betreiben, und Schrittmotoren sind außerdem bürstenlos und einfach zu warten.

Schrittmotoren können typischerweise Vorschubgeschwindigkeiten von 50 bis 1,000 Zoll pro Minute liefern, während Servomotoren über 2,500 Zoll pro Minute erreichen können. Wenn Sie eine sehr hohe Genauigkeit und hohe Produktionsgeschwindigkeiten benötigen, sind Servomotoren die bessere Wahl.

Für Anwendungen, die keine ultrahohe Genauigkeit erfordern, und für die meisten CNC-Fräsmaschinen, die weniger als 25,000 $ kosten, ist es sinnvoller, einen Schrittmotor einem Servomotor vorzuziehen. Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis sind ebenfalls eine Überlegung wert, da sie Fehler durch verpasste Schritte gut verhindern und eine gute Wahl sein können, wenn Sie eine budgetfreundliche Lösung für teure Werkstücke benötigen.

Schrittmotoren für Raspberry Pi, Arduino, MicroPython (z.B. pyboard, Wipy, ESP32, ESP8266 und MicroBit)

Schrittmotoren sind ein weit verbreitetes Peripheriegerät, das Einplatinencomputern wie dem Raspberry Pi usw. hinzugefügt wird, damit Hobbyisten sich grundlegende Programmierkenntnisse aneignen können. Nachdem man gelernt hat, kleine, preiswerte Schrittmotoren zu bedienen und zu steuern, ist es oft ein logischer nächster Schritt, den Ein/Aus-Zyklus von LEDs und anderen einfachen Schaltern oder Buzzern zu steuern.

Für solche Anwendungen gibt es auf der STEPPERONLINE viele Schrittmotortypen, angefangen bei sehr preiswerten 5V-Versionen, die einfach an die Anschlüsse auf der Hauptplatine des Raspberry Pi angeschlossen werden können.

Schrittmotoren für die Robotik

Schrittmotoren können zur Bewegungssteuerung, als Aktuatoren zur Aktivierung von Robotergelenken und zur Beschleunigung von Nutzlasten auf die erforderliche Drehzahl eingesetzt werden.

Schrittmotoren für Kameras

Schrittmotoren werden in vielen Bereichen des Kamerafilms eingesetzt, häufig für den Autofokus und den Zoom von Kameras. Dank der gleichmäßigen und hochpräzisen Antriebsfähigkeit der Schrittmotoren werden Fehler bei der Erkennung minimiert und eine genaue und gleichmäßige Fokussierung in Kombination mit der neuesten Live-Action-Filmtechnik ermöglicht.

Schrittmotoren für Heimwerker

Schrittmotoren finden auch in der Hausautomatisierung zahlreiche Anwendungen. Zu den üblichen Anwendungen von Schrittmotoren gehören der Betrieb von Jalousien für Klimaanlagen, das Öffnen oder Schließen von Rohrventilen und der Antrieb motorisierter Vorhänge.

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