Schrittmotoren

In vielen industriellen Anwendungen reicht eine einfache Drehbewegung nicht aus – es braucht eine Steuerung, die Positionen exakt anfahren und halten kann. Genau hier kommen Schrittmotoren ins Spiel. Sie wandeln elektrische Impulse in präzise mechanische Schritte um und ermöglichen so eine zuverlässige und wiederholbare Bewegung ohne komplizierte Rückführungssysteme.

Was sind Schrittmotoren?

Ein Schrittmotor ist ein zweiphasiger, bürstenloser Synchronmotor, der elektrische Impulse direkt in präzise mechanische Bewegungen umwandelt. Im Gegensatz zu Gleichstrommotoren, die eine kontinuierliche Drehbewegung erzeugen, bewegt sich ein Schrittmotor in exakt definierten, kontrollierbaren Schritten. Der Rotor dreht sich jeweils um einen festgelegten Winkel, sobald ein elektrischer Impuls an die Spulen des Stators angelegt wird.

Durch das gezielte Ansteuern der Spulen entstehen Magnetfelder, die den Rotor Schritt für Schritt weiterbewegen. So entsteht eine hochpräzise, schrittweise Drehbewegung, die sich ohne komplizierte Rückführungselektronik steuern lässt.

Je nach Bauart des Motors können pro Umdrehung zwischen 24 und 200 Schritte erfolgen. Im Mikroschrittbetrieb lassen sich noch kleinere Schrittwinkel realisieren, wodurch die Bewegung besonders gleichmäßig und feinstufig ausgeführt wird. 

Abgrenzung zu Gleichstrommotoren

Während Gleichstrommotoren mit kontinuierlicher Rotation arbeiten und meist nur zwei Anschlüsse haben, verfügen Schrittmotoren über vier, sechs oder acht Anschlüsse, je nach Wicklungsanordnung. Dadurch sind sie in der Lage, ihre Bewegung exakt zu steuern. Im Gegensatz zu Gleichstrommotoren benötigen sie jedoch eine externe Taktung, um ihre Position und Geschwindigkeit zu regeln.

Wann ist ein Schrittmotor die bessere Wahl?

• Wenn eine hohe Positioniergenauigkeit ohne aufwendige Sensorik benötigt wird.
• Wenn der Motor sein volles Drehmoment im Stillstand halten muss, z. B. in CNC-Fräsen.
• Wenn eine einfache Steuerung ohne komplexe Regelkreise gefragt ist.

Welche Schrittmotor-Typen gibt es? 

Schrittmotoren unterscheiden sich nicht nur in ihrer Funktionsweise, sondern auch in ihrer Bauweise. Die grundlegendste Unterscheidung betrifft die Wicklungsanordnung:

• Bipolare Schrittmotoren besitzen zwei unabhängige Spulen und benötigen eine Umpolung der Stromrichtung. Sie bieten ein höheres Drehmoment und sind die bevorzugte Wahl für CNC-Maschinen, Werkzeugmaschinen und Robotik.
• Unipolare Schrittmotoren besitzen eine Mittelanzapfung in den Wicklungen. Dadurch kann jede Spule einzeln angesteuert werden, was die Steuerung vereinfacht, jedoch mit einem niedrigeren Drehmoment einhergeht. Sie sind daher besonders geeignet für Anwendungen mit geringeren Drehmomentanforderungen, wie in Drucker oder einfache Automatisierungssysteme.

Neben diesen Bauformen gibt es spezialisierte Schrittmotoren für bestimmte Anwendungen:

• Beim Reluktanz-Schrittmotor besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern, der sich im Magnetfeld des Stators ausrichtet. Sobald ein Strom durch die Wicklungen fließt, wird der Rotor von der nächsten Zahnstellung des Stators angezogen. 
• Der Permanentmagnet-Schrittmotor besitzt einen Rotor aus Dauermagneten, die sich durch das Stator-Magnetfeld ausrichten. Dadurch wird eine gleichmäßige Drehbewegung erzeugt, ähnlich wie bei einem klassischen Elektromotor – jedoch mit einer schrittweisen Steuerung.
• Der Hybridschrittmotor kombiniert die Vorteile von Permanentmagnet- und Reluktanz-Schrittmotoren. Er besitzt einen magnetisierten Rotor, der zusätzlich mit gezahnten Polschuhen versehen ist. Dadurch verbessert sich die Schrittgenauigkeit und das Drehmoment. Hybridschrittmotoren sind häufig die bevorzugte Wahl CNC-Maschinen, Werkzeugmaschinen und hochpräzise Automatisierungsprozesse.
• In speziellen Fällen, wie in der Raumfahrt oder der Medizintechnik, kommen auch Einphasenmotoren, sogenannte Lavet-Schrittmotoren, zum Einsatz. Sie besitzen nur eine Spule im Stator. Ursprünglich für Quarzuhren entwickelt sorgen sie für eine einfache, aber präzise Bewegung unter Aufwendung minimaler elektrischer Leistung. 

Wo werden Schrittmotoren eingesetzt?

Schrittmotoren sind überall dort gefragt, wo Bewegungen mit hoher Genauigkeit gesteuert werden müssen. In CNC-Fräsen, Dreh- und Laserschneidmaschinen steuern sie Achsbewegungen für exakte Materialbearbeitung. In der Automatisierungstechnik sorgen sie für präzise Positionierungen in Bestückungsrobotern, Dosiersystemen und Pick-and-Place-Anwendungen. Auch in der Medizintechnik und Luft- und Raumfahrt spielen sie eine entscheidende Rolle, etwa in Laborrobotern oder bei der Ventilsteuerung auf der ISS. 

Warum Schrittmotoren? Die wichtigsten Vorteile

• Exakte Steuerung ohne zusätzliche Sensorik
• Hohes Haltemoment
• Einfache Steuerbarkeit
• Lange Lebensdauer
• Energieeffizient

Hersteller von Schrittmotoren

• Festo
• Berger Lahr
• Schneider Electric

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