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Schrittmotor

Schrittmotor - Definition und Funktionsweise

Der Schrittmotor gehört der Gruppe der Synchronmotoren an und verfügt über ein drehbares Motorelement mit Welle, den Rotor, und ein nicht rotierendes Motorelement, den sogenannten Stator. Während der Rotor als Permanentmagnet fungiert, besteht der Stator aus Magnetspulen, die versetzt angeordnet sind und so ein magnetisches Feld erzeugen. Besagtes stellt die Basis für die Positionierungsfähigkeiten des Motors dar und macht den Unterschied zu den verwandten Servomotoren deutlich. Während Letztere unterschiedliche Sensoren zur Positionsmessung und anschließenden Rückmeldung nutzen, kommt der Schrittmotor, gelegentlich auch Stepper genannt, prinzipiell ohne diese aus.

Als bürstenloser Synchronmotor ist es die grundlegende Aufgabe und Funktion des Schrittmotors, elektrische Impulse in mechanische Bewegung umzuwandeln. Der drehbare Rotor wird in diesem Zusammenhang schrittweise bewegt, wobei die Anzahl an Schritten beziehungsweise Positionen pro Umdrehung definierbar ist. Demnach bestimmt die Schrittmenge eines jeden Schrittmotors über die Winkeländerung pro Schritt. Wird eine Umdrehung, entsprechend 360°, beispielsweise in 200 Schritte unterteilt, so bewegt sich der Rotor bei jedem Schritt gleichbleibend um exakt 1,8° – der in der Praxis meistverwendete Schrittwinkel beim Einsatz von Schrittmotoren. Die durchweg regelmäßige Positionsänderung ist enorm bedeutend und macht den Motor zu dem, was er ist. Sie ist der Grund dafür, dass kein Rückführsignal notwendig ist und die aktuelle Ausrichtung stattdessen anhand der gegebenen Impulse gemessen werden kann.

Um den Rotor beziehungsweise die Welle in Bewegung zu setzen, genügt es nicht, wie am Beispiel von Gleichstrommotoren eine konstante Spannung anzulegen. Im Gegenteil – die einzelnen Magnetspulen des Schrittmotors werden gezielt mit Spannung versorgt und zwischenzeitlich ausgesetzt (unipolar) oder abwechselnd umgepolt (bipolar). Vielseitige Motorsteuerungen ermöglichen die Bedienung von unipolaren als auch bipolaren Modellen.

Einsatz von Positionsgebern

Während der Schrittmotor nach Definition über keine spezielle Sensortechnik zur Positionsregelung verfügt, werden in der Praxis häufig Positionsgeber montiert. Diese messen die exakte Rotorlage und verhelfen der Ansteuerung bei einer möglichen Fehlstellung zur direkten Korrektur. An Relevanz hat besagtes Verfahren in der Vergangenheit durch die Problematik des Schrittverlusts gewonnen. Hierbei wird der Schrittmotor – beispielsweise durch ein externes Lastmoment – überlastet, sodass der Rotor teils mehrere Schritte überspringt und seine tatsächliche Position nicht mehr nachvollziehbar ist. Es kommt daher zu ungenauen Positionierungen des Rotors. Ist jedoch ein Positionsgeber vorhanden, kann dieser die Fehlstellung exakt aufzeichnen und der Regeleinheit die Grundlage zur Korrektur schaffen. Grundsätzlich ist es ratsam, Schrittmotoren nicht dauerhaft oberhalb ihrer Lastgrenze zu betreiben.

Baugrößen und -formen von Schrittmotoren

Neben der oftmals durch Branchenverbände genormten Baugröße ist es zudem die Bauform, welche sich von Motor zu Motor unterscheiden kann. Zwar werden in der Regel drei Bauformen – Permanentmagnetschrittmotor, Reluktanzschrittmotor und Hybridschrittmotor – aufgeführt, doch nur ein bestimmter Bautyp dominiert den Markt und wird heute in nahezu allen Anwendungen genutzt: der Hybridschrittmotor. Als Hybride vereint dieser diverse Vorteile und positive Merkmale der weiteren Bauformen in sich. So übernimmt er den Permanentmagneten des Permanentmagnetmotors als Rotor und kombiniert ihn mit weichmagnetischen Zahnscheiben, die zwei Pole darstellen. Dadurch werden wichtige Eigenschaften wie kleine Schrittwinkel, hohes Drehmoment und Selbsthaltemoment sichergestellt.

Anwendungsbereiche des Schrittmotors

Grundsätzlich wird der Schrittmotor eingesetzt, wenn Gegenstände – beispielsweise im Rahmen von automatisierten Prozessen – präzise platziert und ausgerichtet werden müssen. Infolgedessen findet er vor allem in den Bereichen der Robotik und Feinmechanik Verwendung. Dass die sogenannten Stepper auch äußerst zuverlässige Antriebskomponenten sind, zeigt darüber hinaus ihr Einsatz in der Raum- und Luftfahrt. Denn um auf der Internationalen Raumstation, kurz ISS, einen Wasserkreislauf zu ermöglichen, werden bei der Steuerung von Ventilen speziell angefertigte Getriebe der Harmonic Drive AG genutzt. Als wesentliche Basis des Antriebs dient dabei ein Schrittmotor, welcher sich durch unkomplizierte Steuerungsmöglichkeiten auszeichnet.

Schrittmotoren im Alltag

Die Anwendungsgebiete von Schrittmotoren erstrecken sich jedoch nicht nur über weite Teile des industriellen Sektors – auch in privaten, teils alltäglichen Anwendungen kommen sie zum Einsatz. So übernimmt der Motor unter anderem die Positionierung der Lasereinheit innerhalb von optischen CD-, DVD-, Blu-ray- und Brenner-Laufwerken. In Druckgeräten wie dem handelsüblichen Tintenstrahldrucker ist es die Aufgabe des Schrittmotors, den Druckkopf exakt anzuordnen. Nicht zuletzt macht eine Vielzahl von Menschen täglich im eigenen PKW Gebrauch von ihm. Hier sorgt besagter Motor für die Steuerung des Kraftstoffflusses, wenn sich das Kraftfahrzeug im Leerlaufbetrieb befindet, und ermöglicht das Verstellen von unter anderem Sitz und Spiegel.

Die Verbreitung des Schrittmotors wird durch andauernde Bestrebungen in Technik und Forschung stark begünstigt. Hier haben sich Aspekte wie die Miniaturisierung von unterschiedlichsten Bauteilen, Computersteuerung und Kostenreduzierung von Tendenzen zu wahrlichen Trends entwickelt. Schrittmotoren erfüllen diese Kriterien etwa aufgrund geringer Wartungskosten, variabler Baugrößen und definierter Steuerung.

Alle Komponenten sind optimal aufeinander abgestimmt und zu einer Komplettlösung mit höchster Positioniergenauigkeit und maximaler Leistung auf kleinstem Raum vereint.