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Schrittmotor

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Schrittmotoren sind seit Anfang der 60er Jahre bekannt. Sie sind heutzutage nicht mehr wegzudenken und werden als Antriebe in Uhren und anderen Zeigerinstrumenten, in Druckern und Plottern, in Werkzeugmaschinen, in Jalousien und Rolltoren und in Robotern eingesetzt. In den Anfangszeiten der Entwicklung der Festplatte wurden Schrittmotoren zur Ansteuerung der Schreib-/Lese-Köpfe verwendet.


Der große Vorteil eines Schrittmotors gegenüber einem Elektromotor ist, dass mit einem Schrittmotor verschiedene Positionen exakt angefahren werden können.

Hybrid Schrittmotor mit seriellem Interface


Funktionsprinzip

Ein Schrittmotor besitzt mehrere Spulenkerne, die nacheinander bestromt werden. Diese Spulenkerne ergeben die Schritte, die ein Schrittmotor pro Umdrehung zurücklegen muss. Er folgt exakt dem außen angelegten Feld und zeigt damit ein ähnliches Verhalten wie ein Synchronmotor, besitzt aber eine deutlich höhere Anzahl an Spulenkernen (Polpaarzahl). Aufgrund der hohen Polpaarzahl bewegt sich der Rotor eines Schrittmotors mit jedem von außen vorgegebenen Schritt nur mit einem geringen Winkelversatz vorwärts. Üblich sind Polpaarzahlen von über 100, damit sind es im Halbschrittverfahren 400 Schritte je Vollumdrehung. Positioniergenauigkeiten von unter 0,1 Grad sind leicht erreichbar.


Ansteuerungstechnik

Bipolarer Schrittmotor

Unterschieden werden zwei Arten von Ansteuerungstechniken:

  • Der unipolare Betrieb:
    Veraltetes Modell mit Mittelabgriff (ein Schalter) an den Spulen. Wegen der geringen Spulenströme besitzen diese nur ein kleines Drehmoment und es ist nur eine geringe Drehzahl möglich.
  • Der bipolare Betrieb:
    Hierbei werden die Spulen beidseitig (zwei Schalter) umgepolt.


Um einen ruckelfreien Betrieb eines Schrittmotors zu gewährleisten, wird der Strom nicht einfach ein- oder ausgeschaltet, sondern stufenweise erhöht und gesenkt. Es ergeben sich dadurch zwei gestufte Sinus-Funktionen. Durch das Verhältnis der beiden Amplituden zueinander ergeben sich Schritte zwischen den Vollschritten. Dieses nennt man Mikroschrittbetrieb.


Bauformen

Es gibt zwei verschiedene Bauformen von Schrittmotoren. Den Reluktanz- und den Permanentmagnetschrittmotor. Beide Bauformen werden in einem Hybridschrittmotor vereint.

  • Bei dem 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.
  • Bei dem 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.
Hybrid Schrittmotor


Da der Reluktanzschrittmotor keine Permanentmagnete enthält, hat er im Gegensatz zum Permanentmagnetschrittmotor auch kein Rastmoment bei ausgeschaltetem Strom. Beim Permanentmagnetschrittmotor ist die Anzahl der Pole (und damit die Auflösung) begrenzt.


Der Hybridschrittmotor vereint die Eigenschaften beider Bauformen, indem auf den Permanentmagneten noch ein gezahnter Weicheisenkranz eingefügt wird. Nahezu alle heute erhältlichen Schrittmotoren sind Hybridmotoren.


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