Schrittmotoren und Stepper

Bereits um 1850 gab es vor den eigentlichen Schrittmotoren den sogenannten Sperrklinkenantrieb, welcher für die Telegrafie eingesetzt wurde. Aber erst rund 70 Jahre später folgte Frank W. Woods, der maßgeblich an der weiteren Entwicklung der Schrittmotoren beteiligt war. 1918 meldete er nämlich das Patent für einen Schrittmotor mit fünf Statorspulen an, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Polung eine Schritt-Bewegung erzeugten. 
Das Innovative: Die Möglichkeit, den Antrieb in verschiedene Drehrichtungen zu steuern. Auf diesem Prinzip basierend wurde der Schrittmotor in den darauffolgenden Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt und in den 1930er Jahren zur Steuerung von Geschütztürmen und Kanonen auf Schiffen eingesetzt.

Erst in den 1960er Jahren ersetzten Dauermagnet-Schrittmotoren mit großem Winkel dann diese Motortypen. Durch die Weiterentwicklung der Elektronik sanken die Kosten der Controller für diese Antriebe und sie wurden gleichzeitig leistungsfähiger. Ab den 2000ern konnten Schrittmotoren dadurch zunehmend für Anwendungen in der Industrie eingesetzt werden, für die sie bisher zu teuer waren.

Bei einem Schrittmotor handelt es sich um einen elektronisch angesteuerten Motor, dessen Rotor durch ein elektromagnetisches Feld von Statorspulen um einen Winkel gedreht wird. 
Sie arbeiten damit also ganz anders als Gleichstrommotoren, die in der Regel nur zwei Anschlüsse besitzen. Da Schrittmotoren mit vier, sechs oder acht Anschlüssen kommen, reicht es nicht aus, irgendwo Spannung anzulegen, damit sich der Motor dreht. Und auch wenn das Funktionsprinzip von Schrittmotoren nicht sehr kompliziert ist – für einen reibungslosen Ablauf setzen sie eine präzise Fertigung sowie einen hohen Aufwand bei der Steuerelektronik voraus. 

Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von Schrittmotoren unterscheiden: der unipolare und der bipolare Schrittmotor. Unipolare Modelle verfügen über zwei Spulen sowie einen Mittelabgriff, welcher mit einer Spannung auskommt. Demgegenüber steht der bipolare Schrittmotor mit vier Spulen, der die Spannungen kontinuierlich umpolt. 

Für einfache Anwendungsfälle kann die Weiterschaltungszeit über die Ansteuerelektronik fest vorgegeben werden. Bei komplexeren Vorgängen lässt sich die Rotorbewegung mithilfe eines Rotorlagesensors oder Gebersystems oder durch das Messen der Spulenströme überwachen und bei Bedarf nachjustieren. Ein kurzzeitiges Umpolen der Spannungen ermöglicht dabei auch ein schnelles Bremsen.

Bei Schrittmotoren muss zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Aufbau unterschieden werden. Mechanisch betrachtet bestehen Schrittmotoren aus einem magnetisierten Basiskonstrukt und einem Spulensystem, über welches bei Stromfluss eine Bewegung entsteht. Mit diesem Aufbau können für jede Umdrehung mehrere Schrittpositionen geschaffen werden, in welche der Motor einrasten kann. Hierbei werden drei Bauformen unterschieden:

• Permanentmagnet-Schrittmotor: Der Rotor ist ein Permanentmagnet, der durch die Statorwicklungen angetrieben wird. Vorteil dieser Bauform ist sein hohes Drehmoment, allerdings hat der Permanentmagnet-Schrittmotor einen relativ großen Schrittwinkel.
  
• Reluktanzschrittmotor: Sein Rotor besteht aus Weicheisen, welches beim Stromfluss magnetisch wird. Diese Motoren überzeugen zwar mit einem günstigen Preis, es sind aber nur kleinere Schrittwinkel möglich. 
• Hybridschrittmotor: Hier wird ein Permanentmagnet mit zwei gezahnten Weicheisenkränzen als Rotor eingesetzt. Seine Vorteile sind ein kleiner Schrittwinkel und ein höheres Drehmoment als beim Reluktanzschrittmotor. 

Betrachtet man den elektrischen Aufbau der Synchronmotoren genauer, erkennt man, dass durch das Anlegen von Spannungen an die Wicklungen ein Drehfeld erzeugt wird. Diesem folgt der Motor nun. Damit die Bewegung kontinuierlich weitergeführt werden kann, muss der Motor allerdings hinter dem Feld hergeführt werden. Auch aus elektrischer Sicht werden die Schrittmotoren unterteilt:

• Unipolar: Jede Erregerwicklung besitzt einen Mittelgriff und das Magnetfeld wird in nur eine Richtung erzeugt.
  
• Bipolar: Die Stromrichtung zur Umpolung wird fortlaufend geändert, wodurch die gesamte Wicklung mit Strom versorgt wird.
  

Heutzutage sind Schrittmotoren mit einem bipolaren Aufbau üblicher.

Schrittmotoren bieten einige Vorteile und sind deshalb in der Industrie beliebt:

• Sehr zuverlässig: Schrittmotoren haben keine Kontaktbürsten. Ihre Lebensdauer hängt damit direkt von der Lebensdauer des Lagers ab.
  
• Hervorragende Reaktionsgeschwindigkeit auf Starten, Stoppen oder Rückwärtsfahren.
  
• Hohe Genauigkeit: Bewegungen lassen sich präzise positionieren und wiederholen. Gute Schrittmotoren haben damit eine Genauigkeit von 3-5 %.
  
• Großer Drehzahlbereich kann realisiert werden. 
  

Des Weiteren bietet ghv Schrittmotoren von MOONS‘ an, die zusätzliche Vorteile versprechen. Die integrierten Lösungen bei ghv sparen Platz, reduzieren den Verkabelungsaufwand und sorgen somit für eine Kostenersparnis. Daneben bieten sie verschiedene Ansteuerungsmöglichkeiten, was die Bedienung deutlich flexibler macht. Die Motoren der SWM und der TXM Serie überzeugen mit den gleichen Vorteilen, verfügen aber zusätzlich über eine hohe Schutzart für raue Anwendungsumgebungen.

Generell werden Schrittmotoren in der Elektrotechnik sowie Feinmechanik benötigt und dort als hochpräzise Stellelemente eingesetzt. Man findet sie also überall dort, wo exakte Positionierungen notwendig sind wie z.B. in CD-Playern, Festplatten, Scannern oder Plottern. Typischerweise werden sie auch in Druckern, insbesondere Matrixdruckern, sowie in höherwertigen Kraftfahrzeugen bei der Heizungs- und Klimaanlage eingesetzt. Auch bei den Schrittmotoren im ghv-Sortiment finden Sie daher passende Motoren für unterschiedlichste Anwendungsbereiche von einfachen Positionierungsaufgaben über Uhren Montagemaschinen, Dispenser, Transfersysteme, Handling, Linearaktatoren bis hin zur Verwendung in Etikettendruckern.