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Antriebstechnik - Elektromotoren

Schrittmotoren

Auszug aus
Rainer Hagl

Elektrische Antriebstechnik

07/2015, 289 Seiten, € 23,99
ISBN: 978-3-446-44409-6
Seite 100-101

Antriebe mit Schrittmotoren werden für kostengünstige Positionieraufgaben im Bereich niedriger Leistung mit geringen bis mittleren Anforderungen an die Positioniergenauigkeit eingesetzt.

Die Grenze der mit Schrittmotoren erreichbaren Positioniergenauigkeit liegt bei ca. 0,1°. Schrittmotoren werden für Drehmomente bis typisch 2 Nm und Drehzahlen bis ca. 2000 min−1 , angeboten. Die Einsatzgebiete von Schrittmotoren sind sehr vielfältig. Hierzu zählen z.B.:

  • Bürogeräte (Drucker, Scanner...)
  • Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (Ventilsteuerung, Klappensteuerung...)
  • Kraftfahrzeuge (Spiegelverstellung, Sitzverstellung...)
  • Automatisierungstechnik für einfache Positionieraufgaben
  • Unterhaltungsindustrie (Spielautomaten, Beleuchtung...)

Schrittmotoren können im Gegensatz zu anderen Motoren für Positionieraufgaben eingesetzt werden, ohne dass hierfür eine Positionsmessung und Positionsregelung erforderlich ist.

Aufbau und Eigenschaften

Der Rotor eines Schrittmotors hat keine Wicklungen, wodurch der Motor wartungsfrei ist. Im Stator sind mindestens zwei Wicklungsstränge untergebracht (Bild 5.1). Die Wicklungen der Stränge wechseln sich meist am Umfang ab und sind gleichmäßig verteilt. Sie sind so angeordnet, dass örtlich engbegrenzte Pole, sogenannte ausgeprägte Pole, entstehen. Durch geeignete Wahl der zeitlichen Reihenfolge des Ein-, Aus- oder Umschaltens einzelner Wicklungsstränge entsteht ein quasi sprungförmig umlaufendes Magnetfeld. Der Rotor folgt aufgrund seiner Trägheit mit zeitlicher Verzögerung der geänderten Orientierung des Magnetfeldes und stellt sich auf die neue Orientierung ein.

Bild 5.1 Prinzipieller Aufbau Schrittmotor (2-phasig)

Im eingeschwungenen Zustand gibt es eine begrenzte Anzahl an Winkelpositionen, auf die sich der Rotor ausrichtet. Diese sind bereits durch den konstruktiven Aufbau des Motors festgelegt und werden Vorzugspositionen genannt. Durch die charakteristische Eigenschaft von Schrittmotoren, dass sich bei diesen der Rotor auf Vorzugspositionen ausrichtet, eignen sie sich für einen positionsgesteuerten Betrieb. Eine Vorgabe von Pulsen, welche Positionsschritten entsprechen, und eines Richtungssignales durch eine überlagerte Steuerungselektronik ist zur Bewegungssteuerung bereits ausreichend. Bei jedem Puls (Takt) wird der Rotor um einen definierten Winkelschritt in der einen oder anderen Richtung „weitergeschaltet“, wovon der Name des Motors abgeleitet ist. Die Vorzugspositionen werden zeitlich nacheinander angefahren bzw. „überfahren“. Die Umsetzung der Signale der überlagerten Steuerung (Takt und Richtung) in Schaltsignale für die Leistungsschalter der Wicklungen erfolgt in einem Logikteil.

Unterscheidungsmerkmale bei Schrittmotoren

Schrittmotoren gibt es mit verschiedener Phasenzahl. Die größte Verbreitung haben 2-phasige Systeme. Die Frequenz, mit der von einer Winkelposition auf die nächste Winkelposition weitergeschaltet wird, nennt sich Schrittfrequenz. Sie ist durch elektrische und mechanische Zusammenhänge begrenzt.

Ein kurzzeitig zu hohes Lastdrehmoment oder die Vorgabe zu hoher Motorbeschleunigungen führt bei Schrittmotoren allerdings zu bleibenden Positionsfehlern. Aufgrund der offenen Steuerkette werden Positionsfehler von der Bewegungssteuerung nicht erkannt (Schrittverlust). Wird an den Schrittmotor ein Positionsmessgerät angebaut und die Position geregelt, so sorgt der Regler dafür, dass es zu keinem bleibenden Positionsfehler kommt. Allerdings steigen dadurch die Kosten für den Antrieb. Sind die geforderten Drehmomente und Drehzahlen vergleichsweise klein und ist für die Antriebsaufgabe ohnehin ein positionsgeregelter Antrieb erforderlich, kann ein Schrittmotorantrieb preisgünstiger sein als ein Servoantrieb.

Bei Schrittmotoren werden drei Grundbauarten unterschieden:

  • Wechselpolschrittmotor
  • Reluktanzschrittmotor
  • Hybridschrittmotor

Die wichtigsten elektrischen Unterscheidungsmerkmale bei Schrittmotoren sind:

  • Vollschritt-, Halbschritt- oder Mikroschrittbetrieb
  • Bipolare oder unipolare Ansteuerung
  • Spannungs- oder Strombetrieb

Die letzten beiden Punkte werden hier nicht behandelt. Informationen zu diesen Punkten finden sich in [14]. Zunächst werden am Beispiel eines Wechselpolschrittmotors wichtige Kenngrößen von Schrittmotoren erläutert.

Auszug aus
Rainer Hagl

Elektrische Antriebstechnik

07/2015, 289 Seiten, € 23,99
ISBN: 978-3-446-44409-6
Seite 100-101
Literaturhinweis

[14] Hans-Dieter Stölting, Eberhard Kallenbach: Handbuch elektrische Kleinantriebe , Carl Hanser Verlag,München 2011. ISBN 978-3-446-42392-3

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