Klare Positionierung: Schrittmotoren von FAULHABER

Beim Schrittmotor (engl. stepper motor) bewegt sich der Rotor auf seiner Kreisbahn in mehreren Einzelschritten. Durch gezieltes Zu- und Abschalten der Statorwicklungen kann er in bestimmte Positionen gesteuert werden. Diese Arbeitsweise unterscheidet ihn prinzipiell von herkömmlichen Elektromotoren mit durchgängiger Rotation.

Beim Abschalten der Stromzufuhr bleibt der Rotor in der letzten Schrittposition stehen, seine Magnete liefern ein stromloses Haltemoment. Das ist besonders in vielen batteriegetriebenen Anwendungen ein Vorteil. Da die Motorsteuerung die vollzogenen Schritte mitzählt, erfüllt sie auch die Funktion eines Drehgebers (Encoders). Ein zusätzlicher Encoder ist für den Betrieb grundsätzlich nicht nötig.

Wie sind Schrittmotoren von FAULHABER aufgebaut?

Die Schrittmotoren von FAULHABER sind durchweg zweiphasig ausgeführt und als Permanentmagnet- oder Magnetscheibenmotoren konzipiert. Bei letzteren sind bis zu 25 Polpaare wie Pizzastücke auf der Magnetscheibe des Rotors angeordnet. Die Wicklungen des ein- oder zweiteiligen Stators sind senkrecht zur Magnetscheibe ausgerichtet. Beim Permanentmagnetmotor besteht der Rotor aus einer Kunststoffhülse, die mehrere kleine Permanentmagnete enthält. Die Wicklungen sind in einem zweigeteilten Stator untergebracht. Der Rotor läuft zwischen den Statorhälften.

Unabhängig von ihrer Anzahl und Anordnung werden die Statorwicklungen abwechselnd in zwei Phasen unter Spannung gesetzt. Mit jeder Phase bewegt sich der Rotor jeweils um ein Magnetpolsegment weiter. Beide Schrittmotor-Varianten haben eine Reihe von bauartbedingten Stärken, sowohl im Vergleich zu herkömmlichen Gleichstrommotoren als auch gegenüber den Hybrid-Schrittmotoren, die in großer Zahl in elektronischen Massenprodukten eingesetzt werden.

Herkömmliche Schrittmotor-Technologien sind in der Regel für eine von mehreren Kenngrößen wie Drehzahl, Drehmoment oder Präzision optimiert. Die Schrittmotoren von FAULHABER weisen dagegen in mehreren Kategorien gleichzeitig Spitzenwerte auf. Bei der Positionsgenauigkeit erreichen sie absolute Höchstwerte. So kann etwa die maximale Abweichung der Position beim Einsatz eines FAULHABER-Schrittmotors mit einer Spindel weniger als zwei Mikrometer betragen. Wie alle Motoren von FAULHABER zeichnen sich auch die Stepper durch höchste Leistung bei kleinstem Volumen aus.

Für sicherheitsrelevante Anwendungen können die Motoren mit einem zusätzlichen Encoder kombiniert werden. Da die Motorsteuerung bereits Positionsdaten ausgibt, wird die Positionsüberwachung mit dem Zusatzgerät redundant. Die Absicherung mit einem Encoder wird besonders häufig in den Bereichen Labordiagnostik, Laser und technische Mikroskopie, Medizintechnik und Zahnmedizin sowie in der Halbleiterindustrie eingesetzt.

Wie funktioniert ein Schrittmotor von FAULHABER?

Die Magnete des Schrittmotors – ob als einzelne kleine Magnete oder als Polpaare auf einer Scheibe platziert – sind Teil des Rotors. Der Stator besteht aus zwei oder mehreren Wicklungen, die kreisförmig angeordnet sind. Die Wicklungen sind jeweils einer von zwei Phasen zugeordnet, die abwechselnd unter Spannung gesetzt werden. Wenn die Phasen nacheinander unter Spannung gesetzt werden, erzeugt die wechselnde Anziehung und Abstoßung der dabei entstehenden Magnetfelder die schrittweise Kreisbewegung des Rotors.

Die Abfolge in der Stromzufuhr wird von der Steuerung geregelt. Jeder Stromimpuls erzeugt eine Teilrotation der Welle um einen bestimmten Winkel. Werden die Phasen vollständig zu- und abgeschaltet, richtet sich der Rotor am Magnetfeld der stromführenden Phase aus und vollzieht einen ganzen Schritt mit diesem Winkel. Eine volle Drehung ist erst vollzogen, wenn die maximale Anzahl der Einzelschritte absolviert und die Ausgangsposition wieder erreicht ist.

Beim einfachen Zu- und Abschalten der Phasen bewegt sich der Rotor in ganzen Schritten. Die Stromzufuhr kann aber ihrerseits in kleinere Schritte unterteilt werden, sodass statt eines vollständigen Spannungswechsels von Phase zu Phase ein Auf- und Abschwellen der Stromstärke an den Wicklungen herbeigeführt wird. Die Stromzufuhr folgt dabei einer abgestuften Sinuskurve. Der Rotor bewegt sich dann in Teil- oder Mikroschritten zwischen den Phasen. Der Mikroschrittbetrieb steigert die Laufruhe des Motors und erlaubt eine besonders hohe Positioniergenauigkeit.

Der Rotor reagiert mit minimaler Verzögerung auf die Veränderungen der Magnetfelder. Die Schrittmotoren erreichen ihre volle Leistung praktisch sofort nach dem Einschalten. Damit sind sie besonders gut für Anwendungen geeignet, die häufige und schnelle Richtungswechsel erfordern.

Schrittmotoren besitzen spezifische Stärken und bieten mit diesen für bestimmte Anwendungen die optimale Lösung. Im Vergleich zu anderen Motortechnologien weisen sie neben einem hohen Drehmoment eine besonders große Positioniergenauigkeit, höchste Beschleunigungswerte und die Fähigkeit zu sehr schnellem Richtungswechsel auf. Sie können ohne Encoder, ohne Bremse sowie auch als Direktantrieb ohne Getriebe eingesetzt werden und erlauben damit ausgesprochen kompakte Lösungen.

Grundlegende Parameter für die Auswahl eines Schrittmotors:

• Bewegungsprofil der Anwendung
• Reibmoment und Massenträgheit
• Erforderliche Auflösung
• Verfügbarer Platz
• Verfügbare Versorgungsspannung

Weitere Kriterien bei der Motorauswahl sind die Lage und Art der Montagepunkte sowie der Wellendurchmesser. Die äußeren Bedingungen des Einsatzes sind ebenfalls zu berücksichtigen. Bei widrigen Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub, Unterdruck oder extremen Temperaturen kann eine bestimmte Schutzart, Vakuumtauglichkeit oder ein besonders großer Temperaturbereich gefordert sein.

FAULHABER verfügt über ein einzigartig breites Spektrum von Schrittmotoren. Unter den zahlreichen Produktvarianten findet sich praktisch immer der optimale Antrieb für die allermeisten Anwendungen. Darüber hinaus steht ein umfangreiches Angebot an Peripheriegeräten und Zubehör zur Verfügung, mit dem die branchenweit größte Auswahl an maßgeschneiderten Kombinationsmöglichkeiten entsteht.

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Weitere Informationen zu Schrittmotoren erhalten Sie in unseren Webinaren und Tutorials: