Schrittmotoren erklärt: Typen, Aufbau, Funktionsweise und Anwendungen

Schrittmotoren – Typen, Konstruktion, Funktionsweise und Anwendungen

Die Entwicklung dedizierter Schrittmotortreiber und digitaler Steuerungstechnologien für die Anbindung an PC-basierte Systeme hat zur breiten Akzeptanz von Schrittmotoren geführt. Sie sind die ideale Wahl für Automatisierungssysteme, die präzise Drehzahl- oder Positioniersteuerung – oder beides – erfordern.

Während viele Industriemotoren für präzise Positionierung oder Drehzahlregelung eine geschlossene Rückführschleife benötigen, arbeitet ein Schrittmotor im offenen Regelkreis. Das senkt die Gesamtkosten und vereinfacht das Maschinendesign im Vergleich zu Servosystemen. Lassen Sie uns Schrittmotoren und ihre Typen näher betrachten.

Was ist ein Schrittmotor?

Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser elektromechanischer Wandler, der eine Folge elektrischer Impulse an seinen Erregungswicklungen in eine präzise, schrittweise mechanische Wellenrotation umsetzt. Die Welle dreht sich pro Impuls um einen festen Winkel – linear oder winklig. Ein Impuls ergibt eine Schrittbewegung.

Bei einer Impulsfolge dreht sich der Motor um einen bestimmten Winkel. Der Winkel pro Impuls heißt Schrittwinkel (in Grad). Die Anzahl der Eingangsimpulse bestimmt den Schrittwinkel und damit die Wellenposition – gesteuert durch Impulszahl ohne Rückführsensor. Das macht Schrittmotoren ideal für offene Regelkreise mit präziser Positionshaltung.

Je kleiner der Schrittwinkel, desto mehr Schritte pro Umdrehung und desto höher die Positioniergenauigkeit. Schrittwinkel reichen von 90° bis 0,72°; gängige Werte: 1,8°, 2,5°, 7,5°, 15°.

Die Drehrichtung hängt von der Impulsfolge am Stator ab. Die Drehzahl ist proportional zur Impulsfrequenz. Bei niedriger Frequenz schrittweise Rotation, bei hoher Frequenz kontinuierliche Rotation durch Trägheit.

Wie alle Elektromotoren haben Schrittmotoren Stator und Rotor. Der Rotor ist der bewegliche Teil ohne Wicklungen, Bürsten, Kommutator – meist als Variable-Reluktanz- oder Permanentmagnet-Rotor ausgeführt. Der Stator hat mehrpolige, mehrphasige Wicklungen (meist 3 oder 4 Phasen) für den gewünschten Winkelversatz pro Impuls.

Anders als andere Motoren arbeitet er mit programmierten diskreten Steuerimpulsen, die über eine elektronische Ansteuerung an die Statorwicklungen angelegt werden. Rotation entsteht durch magnetische Wechselwirkung zwischen den Polen sequenziell erregter Statorwicklungen und Rotorpolen.

Es gibt viele Schrittmotortypen in diversen Größen, Schrittzahlen, Bauformen, Wicklungsarten, Getrieben und elektrischen Eigenschaften. Durch ihre diskrete Arbeitsweise eignen sie sich hervorragend für digitale Steuergeräte wie Computer.

Wegen präziser Steuerung von Geschwindigkeit, Rotation, Richtung und Winkelposition finden sie Einsatz in industriellen Prozessleitsystemen, CNC-Maschinen, Robotik, Fertigungsautomatisierung und Messtechnik.

Typen von Schrittmotoren

Drei grundlegende Kategorien von Schrittmotoren:

• Permanentmagnet-Schrittmotor
• Variable-Reluktanz-Schrittmotor
• Hybrid-Schrittmotor

In allen Typen befinden sich Erregungswicklungen im Stator; die Anzahl der Wicklungen entspricht der Phasenzahl. Eine Gleichspannung erregt die Wicklungen; jeder Wicklungsanschluss wird über einen Halbleiterschalter mit der Quelle verbunden. Je nach Motortyp unterscheidet sich der Rotor: Weicheisenrotor mit Salienzpolen, zylindrischer Permanentmagnetrotor oder Permanentmagnet mit Weicheisenzähnen.

Variable-Reluktanz-Schrittmotor

Der Grundtyp mit langer Geschichte – am einfachsten zu verstehen. Die Winkelposition des Rotors hängt von der Reluktanz des magnetischen Kreises zwischen Statorpolen (Zähnen) und Rotorzähnen ab.

Aufbau

Besteht aus bewickeltem Stator und Weicheisen-Mehrzahnrotor. Stator: Siliziumstahlblechpaket mit Wicklungen, meist 3-phasig verteilt auf Polpaare. Polzahl = gerades Vielfaches der Phasenzahl. Beispiel: 12 gleichmäßig verteilte hervorstehende Pole, jeder mit Erregerwicklung. Drei Phasen werden über Halbleiterschalter aus einer Gleichstromquelle gespeist.

Rotor: Keine Wicklungen, Salienzpol-Typ aus genuteten Stahllaminierungen. Rotorzähne gleich breit wie Statorzähne. Stator- und Rotorpolzahl unterscheiden sich – ermöglicht Selbststart und bidirektionale Rotation.

Beziehung Rotorpolzahl (Nr) zu Statorpolzahl (Ns) bei 3 Phasen (q=3): Nr = Ns ± (Ns/q). Bei Ns=12: Nr = 12 ± 4 = 16 oder 8.

Funktionsweise

Das Prinzip: Der Rotor richtet sich in einer Position aus, in der der magnetische Kreis minimalen Reluktanz aufweist. Wird eine Wicklung erregt, baut sie ein Magnetfeld mit eigenen Polen auf. Durch Remanenz bewegt sich der Rotor in die Minimalreluktanz-Position – ein Rotorpolpaar richtet sich am erregten Statorpolpaar aus.

In dieser Position hält die magnetische Kraft die Welle gegen Verschiebung in beide Richtungen.

Beispiel: 3-phasig, 6 Statorpole, 4 Rotorzähne. Phase A-A' erregt → Wicklung wird Magnet, ein Zahn Nord, anderer Süd. Stator-Magnetachse liegt entlang dieser Pole. Rotorzahn entgegengesetzter Polarität wird angezogen → Rotor justiert auf Minimalreluktanz, Rotorachse deckt sich mit Statorachse.

Phase B-B' erregt (A-A' aus) → Statorachse verschiebt → Rotor dreht 30° im Uhrzeigersinn. Phase C-C' erregt → weitere 30°. Durch sequenzielle Erregung bewegt sich der Rotor schrittweise. Schrittwinkel = 360° / (Nr × q) = 360° / (4 × 3) = 30°.

Schrittwinkel verkleinert sich durch mehr Pole oder mehrphasige Wicklungen, Multistack-Anordnungen oder Getriebe.

Permanentmagnet-Schrittmotor

Der häufigste Typ, auch Dosenmotor (can-stack/tin-can) genannt. Hauptvorteil: niedrige Herstellungskosten. Typisch 48–24 Schritte pro Umdrehung.

Aufbau

Stator: mehrpolig, ähnlich Variable-Reluktanz-Typ. Genuteter Umfang mit Statorspulen, 2–4 Phasen. Anschlüsse über Halbleiterschalter an Gleichspannung.

Rotor: Permanentmagnetmaterial (Ferrit), zylindrisch oder Salienzpol, meist glatt zylindrisch. Gerade Anzahl Permanentmagnetpole mit abwechselnder Nord-Süd-Polarität.

Funktionsweise

Prinzip: Ungleiche Pole ziehen an, gleiche stoßen ab. Erregte Statorwicklungen erzeugen Magnetfeld mit Nord/Süd-Polen. Durch Anziehung/Abstoßung zwischen Rotor- und Statorpolen bewegt sich der Rotor in die pulsgesteuerte Position.

Beispiel: 2-phasig, 2 Permanentmagnet-Rotorpole. Phase A positiv ggü. A' → Statorpole Nord/Süd. Rotor richtet sich aus. Umschaltung auf Phase B → weitere 90° Drehung. Phase A negativ → weitere 90°. Phase B negativ → weitere 90°. Phase A positiv → Originalposition (360°). Schrittwinkel = 360° / (2 × 2) = 90°.

Schrittweite verringert sich durch gleichzeitiges Erregen zweier Phasen oder Sequenz 1-Phasen-AN / 2-Phasen-AN mit korrekter Polarität.

Hybrid-Schrittmotor

Der beliebteste Typ – bessere Leistung als Permanentmagnetmotoren bei Schrittauflösung, Haltemoment und Geschwindigkeit. Teurer als PM-Motoren. Vereint Vorteile von Variable-Reluktanz- und Permanentmagnetmotoren. Einsatz bei sehr kleinen Schrittwinkeln (1,5°, 1,8°, 2,5°).

Aufbau

Stator wie bei PM- oder Reluktanzmotoren. Spulen auf abwechselnden Polen, verschiedene Phasen pro Pol (meist zwei Spulen pro Pol – Bifilarwicklung).

Rotor: Permanentmagnet, axial magnetisiert → Nord/Süd-Polpaar. Jeder Pol mit gleichmäßig verteilten Weicheisenzähnen. Zwei Sektionen pro Pol, gegeneinander um halbe Zahnteilung versetzt.

Funktionsweise

Ähnlich PM-Motor. Beispiel: 2-phasig, 4-polig, 6-zähniger Rotor. Phase A-A' erregt, B-B' nicht → Rotor richtet sich aus: Südpol des Rotors zum Nordpol des Stators, Nordpol zum Südpol.

Phase B-B' erregt (oberer Pol Nord, unterer Süd) → Rotor richtet gegen den Uhrzeigersinn aus. Entgegengesetzte Erregung → im Uhrzeigersinn. Durch Impulsfolge dreht der Motor in gewünschter Richtung. Bei jeder Erregung rastet der Rotor ein; auch ohne Erregung hält die Raststellung durch Permanentmagnet. Schrittwinkel = 360° / (2 × 6) = 30°. In der Praxis mehr Rotorpoly für höhere Winkelauflösung.

Unipolare und bipolare Schrittmotoren

Die genannten Typen können unipolar oder bipolar sein – abhängig von Wicklungsanordnung.

Unipolar: Zwei Wicklungen pro Phase. Stromrichtung durch die Wicklungen ändert die Drehrichtung. Strom fließt in einer Spule in die eine, in der anderen in entgegengesetzter Richtung. Pro Phase führt nur eine Spule zu einem Zeitpunkt Strom. Drehrichtung wird durch Umschalten der Spulenanschlüsse gesteuert.

Bipolar: Eine Wicklung pro Phase. Drehrichtung durch Stromumkehr in der Wicklung. Erfordert komplexere Ansteuerung für Stromumkehr.

Schrittbetriebsarten (Stepping Modes)

Typische Schrittaktion: Motor durchläuft Gleichgewichtspositionen als Reaktion auf Stromimpulse. Durch Ändern der Erregungssequenz der Statorwicklungen lassen sich verschiedene Schrittarten realisieren:

1. Wave Step (Einkasen-Ansteuerung)
2. Full Step (Vollschritt)
3. Half Step (Halbschritt)
4. Microstepping (Mikroschritt)

Wave Step Mode

Einfachste Mode: Nur eine Wicklung zu einem Zeitpunkt erregt. Jede Spule einer Phase wird abwechselnd an die Versorgung angeschlossen. Maximale Schrittweite, einfachste und häufigste Ansteuerung, aber geringeres Drehmoment (nur Teil der Gesamtwicklung aktiv).

Full Step Mode

Zwei Statorphasen gleichzeitig erregt. Rotor erfährt Drehmoment von beiden Phasen → Gleichgewichtsposition zwischen zwei benachbarten Wave-Step-Positionen. Besseres Haltemoment als Wave Step.

Half Step Mode

Kombination aus Wave und Full Step. Abwechselnd Einphasen- und Zweiphasenerregung (1-Phase AN, 2-Phasen AN, …). Schrittwinkel halbiert sich gegenüber Full Step. Höchstes Drehmoment und Stabilität aller Modi.

Microstepping Mode

Jeder Motorschritt wird in viele kleine Schritte unterteilt (bis hunderte) → höhere Positionierauflösung. Ströme durch Wicklungen werden kontinuierlich variiert. Zwei Phasen gleichzeitig erregt, aber mit ungleichen Strömen.

Beispiel: Strom Phase 1 konstant, Strom Phase 2 schrittweise bis Maximum erhöht (positiv oder negativ). Dann Phase 1 schrittweise auf null reduziert. Ergebnis: sehr kleine Schrittgrößen.

Alle Schrittmodi bei jedem Motortyp möglich. Stromrichtung in den Wicklungen variiert je nach Motortyp und Uni-/Bipolarität.

Vorteile von Schrittmotoren

• Im Stillstand volles Drehmoment, unabhängig von Bewegung oder Positionsänderung.
• Gutes Ansprechverhalten beim Starten, Stoppen, Umkehren.
• Keine Bürsten → hohe Zuverlässigkeit, Lebensdauer hängt von Lagern ab.
• Drehwinkel proportional zu Eingangssignalen.
• Einfache, kostengünstige Steuerung durch offenen Regelkreis bei digitalen Eingangssignalen.
• Drehzahl proportional zur Impulsfrequenz → breiter Drehzahlbereich.
• Bei gekoppelter Last synchrone Rotation bei niedriger Drehzahl möglich.
• Exakte Positionierung und Wiederholbarkeit: 3–5 % Genauigkeit pro Schritt, Fehler nicht kumulativ.
• Sicher, kostengünstig (vs. Servomotoren), hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl, hohe Zuverlässigkeit, einfache Konstruktion, für jede Umgebung geeignet.

Nachteile von Schrittmotoren

• Geringer Wirkungsgrad.
• Geringe Genauigkeit (im Vergleich zu geschlossenen Systemen).
• Drehmoment fällt mit steigender Drehzahl schnell ab.
• Offener Regelkreis → keine Rückmeldung über versäumte Schritte.
• Geringes Drehmoment-Trägheits-Verhältnis → langsame Beschleunigung von Lasten.
• Geräuschentwicklung.

Anwendungen von Schrittmotoren

• Automatisierte Fertigungsanlagen, Kfz-Messinstrumente, Industriemaschinen (Verpacken, Etikettieren, Füllen, Schneiden).
• Sicherheitstechnik: Überwachungskameras.
• Medizintechnik: Probenhandling, digitale Dentalfotografie, Respiratoren, Flüssigkeitspumpen, Blutanlagegeräte, Medizinscanner.
• Unterhaltungselektronik: Bildscanner, Kopierer, Drucker, Digitalkameras (Autofokus/Zoom).
• Aufzüge, Förderbänder, Spurwechsler.