Een heldere positionering: stappenmotoren van FAULHABER

Bij stappenmotoren beweegt de rotor in meerdere afzonderlijke stappen langs zijn circulaire pad. Door de statorwikkelingen gericht in en uit te schakelen, kan de rotor naar verschillende posities worden verplaatst. Dit werkingsprincipe is anders dan dat van conventionele elektromotoren, die continu draaien.

Als de voedingsspanning wordt uitgeschakeld, blijft de motor staan in zijn meest recente positie. De magneet levert zonder spanning een statisch koppel. Dit is vooral een voordeel in veel toepassingen op batterijen. De motorcontroller telt de afgeronde stappen en werkt zo ook als een encoder. Over het algemeen vereisen stappenmotoren hierdoor geen losse encoder.

Hoe ziet het ontwerp van de stappenmotoren van FAULHABER eruit?

De stappenmotoren van FAULHABER zijn allemaal tweefase-motoren, die zijn opgebouwd als permanente of schijfmagneetmotoren. Bij de schijfmagneetmotoren worden tot 25 poolparen als pizzastukken over de schijfmagneet van de rotor verdeeld. De wikkelingen van de één- of tweedelige stator worden loodrecht ten opzichte van de schijfmagneet geplaatst. In permanente magneetmotoren bestaat de rotor uit een kunststof huls, die meerdere kleine permanente magneten bevat. De wikkelingen zijn ondergebracht in een tweedelige stator. De rotor draait tussen de twee helften van de stator.

Ongeacht het aantal wikkelingen en hun configuratie, worden de wikkelingen van de stator wisselend in twee fasen onder spanning gezet. Bij iedere fase verplaatst de rotor zich met één magneetpoolsegment. Het ontwerp van stappenmotoren heeft diverse sterke punten in vergelijking met conventionele DC-motoren en hybride stappenmotoren, die veel worden toegepast in elektronische massaproducten.

Conventionele technologie voor stappenmotoren wordt over het algemeen geoptimaliseerd voor één specifiek kenmerk, zoals toerental, koppel of precisie. De stappenmotoren van FAULHABER leveren echter topprestaties voor meerdere kenmerken tegelijk. Voor de nauwkeurigheid van de positionering behalen ze absolute topscores. De maximale afwijking in de positionering van een FAULHABER-stappenmotor met spindel kan bijvoorbeeld minder dan twee micron bedragen. Net als alle motoren van FAULHABER worden ook de stappenmotoren gekenmerkt door maximaal vermogen in een minimaal formaat.

Voor veiligheidsrelevante toepassingen kunnen de motoren worden voorzien van een extra encoder. Omdat de motorcontroller al positioneringsgegevens uitgeeft, is de bewaking met deze aanvullende apparatuur redundant. Deze inzet van encoders als back-up wordt vooral gebruikt in diagnostische laboratoria, lastertechnologie, technische microscopie, medische technologie en tandheelkundige technologie. Ook in de halfgeleiderindustrie zijn redundante encoders niet ongebruikelijk.

Hoe werkt een stappenmotor van FAULHABER?

De magneten van de stappenmotor – gepositioneerd als individuele kleine magneten of als poolparen op een schijf – maken onderdeel uit van de rotor. De stator bestaat uit twee of meer wikkelingen, die in een cirkel zijn geplaatst. De wikkelingen worden ieder toegewezen aan één van de twee fases die wisselend worden gevoed. Als de fases na elkaar worden gevoed, genereert dit magnetische velden die afwisselend aantrekken en afstoten. Deze krachten drijven de stapsgewijze cirkelvormige beweging van de rotor aan.

De aanvoer van de voedingsspanning wordt bepaald door de controller. Iedere stroompuls genereert een gedeeltelijke rotatie van de as, ter grootte van een bepaalde hoek. Als de fases volledig in- en uitgeschakeld zijn, past de rotor zichzelf aan het magnetische veld van de fase onder stroom aan en voert een volledige stap uit met deze hoek. Voor een volledige omwenteling moet het maximale aantal individuele stappen worden uitgevoerd, totdat de rotor zich weer in de uitgangspositie bevindt.

Door de fases simpelweg in- en uit te schakelen, beweegt de rotor in gehele stappen. De voedingsspanning hoeft echter niet van fase tot fase volledig te wisselen. Ook een opdeling in kleinere stappen is mogelijk, zodat de spanning op de wikkelingen een sinusgolf volgt. De rotor beweegt dan tussen de stappen in substappen of microstappen. In microstapbedrijf werkt de motor stiller en is een bijzonder hoge nauwkeurigheid bij de positionering haalbaar.

De rotor reageert met een minimale vertraging op de wijzigingen in de magnetische velden. Stappenmotoren bereiken hun volledige vermogen vrijwel direct na het inschakelen. Dit maakt ze bij uitstek geschikt voor toepassingen die veelvoudige, snelle richtingswissels vereisen.

Stappenmotoren hebben specifieke sterke punten, waardoor ze een optimale keus zijn voor specifieke toepassingen. In vergelijking met andere motortechnologieën onderscheiden stappenmotoren zich met een hoog koppel, hoge nauwkeurigheid voor de positionering, hoge acceleratiewaarden en de mogelijkheid om razendsnel van richting te wisselen. Ze kunnen zonder encoder en zonder rem worden gebruikt en werken ook als directe aandrijving zonder tandwielkasten. Dat maakt deze motoren bijzonder compact.

Basisparameters om een stappenmotor te selecteren:

• Toerentalprofiel van de toepassing
• Wrijvingskoppel en traagheid
• Vereiste resolutie
• Beschikbare ruimte
• Beschikbare voeding

Andere criteria die van belang zijn bij de keuze van een motor zijn de locatie en het soort bevestigingspunten, en de asdiameter. Ook de omstandigheden voor het beoogd gebruik zijn relevant. Zware omgevingsomstandigheden, zoals vocht, stof, negatieve druk of extreme temperaturen, kunnen vragen om een bepaalde beschermingsklasse, vacuümcompatibiliteit, of een extra groot temperatuurbereik.

FAULHABER biedt een uniek breed portfolio met stappenmotoren. Met de vele productvarianten is voor vrijwel iedere toepassing de optimale aandrijving te vinden. Daarnaast is er een uitgebreid aanbod aan randapparatuur en toebehoren, voor de grootste selectie van de markt voor combinatie-opties op maat.

Met de Drive Calculator kunt u snel berekenen welke stappenmotor het beste aansluit bij uw vereisten. We kunnen ook aandrijvingen op maat produceren, die worden geconfigureerd voor een specifieke toepassing.

Meer informatie over stappenmotoren vind je in onze webinars en tutorials: