Geheimnisse des Schrittmotors: Typen, Funktionsprinzip und warum ein guter Motortreiber entscheidend ist

Wenn Sie jemals einen 3D-Drucker gesehen haben, der Schicht für Schicht ein Objekt aufbaut, oder einen Roboterarm, der sich mit fantastischer Präzision bewegt, dann war wahrscheinlich ein Schrittmotor beteiligt. A Schrittmotor ist eine besondere Art von Elektromotor. Er zeichnet sich dadurch aus, dass er sich in kleinen, präzisen Schritten bewegt. Das macht den Schrittmotor ideal für Arbeiten, bei denen die Dinge an einer ganz bestimmten Stelle sein müssen. Stellen Sie sich den Schrittmotor wie einen Motor vor, der seine eigenen Schritte zählen kann!

In diesem Beitrag werden wir uns das Funktionsprinzip eines Schrittmotors ansehen, d. h. wie genau er seine Aufgabe erfüllt. Außerdem werden wir uns die verschiedenen Arten von Schrittmotoren ansehen, denen Sie begegnen könnten. Außerdem werden wir erörtern, warum ein guter Motortreiber für jede Art von Schrittmotor so wichtig ist. Dies ist Ihre freundliche Einführung in Schrittmotoren. Am Ende werden Sie diese brillanten Werkzeuge viel besser verstehen, und vielleicht fühlen Sie sich sogar bereit, einen Schrittmotor in Ihren eigenen Projekten zu verwenden. Dieser Artikel ist lesenswert, weil er das Verständnis des Schrittmotors einfach und klar macht.

Was ist ein Schrittmotor wirklich?

Was macht diesen Stepper so besonders? Nun, ein Schrittmotor ist ein bürstenloser Elektromotor, der digitale Impulse direkt in kleine, gleichwertige mechanische Bewegungen umwandelt. Stellen Sie sich jeden Impuls als einen Befehl vor, der die Motorwelle anweist, sich ein wenig zu drehen. Der Schrittmotor ist eine Art Synchronmotor. Das heißt, der Rotor (der Teil, der sich dreht) bewegt sich synchron mit dem Magnetfeld, das vom Stator (dem Teil, der stillsteht) erzeugt wird. Diese Konstruktion ist entscheidend für die Funktionsweise eines Schrittmotors.

Dieser Motortyp ist fantastisch, weil er keinen Sensor benötigt, um seine Position zu erkennen. Die Position des Schrittmotors wird einfach durch Zählen der an ihn gesendeten Impulse ermittelt. Wenn man einem Schrittmotor also sagt, er soll 50 Schritte gehen, wird er auch genau 50 Schritte gehen. Das macht den Schrittmotor sehr zuverlässig für Aufgaben, die eine sorgfältige Kontrolle erfordern. Diese einzigartige Fähigkeit macht den Schrittmotor zu einem Favoriten in vielen Geräten. Diese einfache Einführung in Schrittmotoren zeigt, warum sie so wertvoll sind. Der Schrittmotor ist ein elektrisches Gerät, das sehr nützlich ist.

Wie funktioniert eigentlich ein Schrittmotor?

Lassen Sie uns nun das Funktionsprinzip des Schrittmotors näher betrachten. Es dreht sich alles um Magnete! Im Inneren eines Schrittmotors befinden sich mehrere Spulen. Diese Spulen sind Teil des Stators. Wenn Strom durch eine Spule fließt, erzeugt sie ein elektromagnetisches Feld. Der Rotor, der Teil, der sich dreht, ist mit Zähnen oder Permanentmagneten versehen. Der Motor funktioniert nach dem Prinzip, dass diese Magnetfelder den Rotor anziehen und abstoßen. Ein Schrittmotor dreht sich nicht gleichmäßig wie einige andere Motoren.

Die Motorsteuerung sendet Stromimpulse an verschiedene Spulen in einer bestimmten Reihenfolge. Jeder Impuls erregt einen Satz von Spulen. Dadurch entsteht ein elektromagnetisches Feld, das den Rotor in eine ganz neue Position zieht. Dann erregt der nächste Impuls einen anderen Satz von Spulen, und der Rotor bewegt sich wieder zum nächsten Schritt. Diese schrittweise Bewegung ist der Grund für den Namen des Schrittmotors. Der Schrittmotor wandelt diese elektrischen Impulse direkt in präzise Rotationsschritte der Schrittmotorwelle um. Das ist ein geniales System, das dem Schrittmotor eine großartige Kontrolle verleiht.

Warum ist ein Schrittmotor so effizient bei der Bewegung zu einer bestimmten Position?

Sie fragen sich vielleicht: "Warum ist ein Schrittmotor so effizient beim Erreichen einer bestimmten Position?" Das liegt an der Art, wie er konstruiert und gesteuert wird. Jeder Impuls, der an den Schrittmotor gesendet wird, bewirkt, dass er sich um einen festen Winkel dreht. Dieser Winkel wird als Schritt bezeichnet. Die Anzahl der Schritte, die ein Schrittmotor bei einer vollständigen Umdrehung (360 Grad) macht, wird als Schritte pro Umdrehung bezeichnet. Ein Schrittmotor kann zum Beispiel 200 Schritte pro Umdrehung haben. Das bedeutet, dass jeder Schritt die Motorwelle um 1,8 Grad dreht.

Da jeder Schritt ein bekannter, fester Wert ist, kann der Schrittmotor durch einfaches Zählen dieser Schritte eine sehr genaue Position anfahren. Es gibt keine Unsicherheiten. Wenn sich Ihr Schrittmotor um 90 Grad drehen muss und er 200 Schritte pro Umdrehung hat (1,8 Grad pro Schritt), sendet die Motorsteuerung 50 Impulse (90 / 1,8 = 50). Diese Präzision, für die keine komplizierten Rückkopplungssysteme erforderlich sind, ist ein wichtiger Grund dafür, dass Schrittmotoren in Geräten wie 3D-Druckern und CNC-Fräsen eingesetzt werden. Der Schrittmotor liefert diese Präzision konstant. Das macht den Schrittmotor zu einer zuverlässigen Wahl.

Was sind die wichtigsten Typen von Schrittmotoren, die ich kennen sollte?

Die drei gebräuchlichsten Typen von Schrittmotoren sind: der Permanentmagnet-Schrittmotor, der Schrittmotor mit variabler Reluktanz und der Hybrid-Schrittmotor. Jeder Schrittmotortyp hat seine eigene Arbeitsweise und seine eigenen Stärken.

Die Kenntnis dieser Typen hilft Ihnen, den idealen Schrittmotor für Ihr Projekt auszuwählen. Einige Schrittmotoren bieten beispielsweise eine höhere Geschwindigkeit, während andere eine höhere Leistung, das sogenannte hohe Drehmoment, bieten. Die Wahl des Schrittmotors hängt davon ab, was Sie mit ihm machen wollen. Wir werden uns jeden dieser Schrittmotortypen genauer ansehen. Dieses Verständnis ist für die Arbeit mit einem Schrittmotor unerlässlich.

Können Sie mir mehr über den Permanentmagnet-Schrittmotor erzählen?

Lassen Sie uns über den Permanentmagnet-Schrittmotor sprechen, der oft als PM-Schrittmotor bezeichnet wird. Wie der Name schon sagt, verwendet dieser Schrittmotor einen Dauermagneten in seinem Rotor. Der Rotor ist der Teil des Motors, der sich dreht. Der Stator, der Teil, der stillsteht, ist mit Drahtspulen versehen, die die Motorwicklungen darstellen. Wenn Strom durch diese Spulen fließt, erzeugen sie ein elektromagnetisches Feld. Dieses elektromagnetische Feld steht in Wechselwirkung mit dem Permanentmagnetrotor.

Der Permanentmagnet-Schrittmotor funktioniert, weil der Permanentmagnet auf dem Rotor vom elektromagnetischen Feld der Statorspulen angezogen oder weggeschoben wird. Indem der Schrittmotor den Strom nacheinander auf verschiedene Spulen schaltet, dreht sich der Permanentmagnetrotor Schritt für Schritt. Diese PM-Schrittmotoren sind im Allgemeinen preiswert und bieten ein gutes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Der Permanentmagnet-Schrittmotor ist ein weit verbreiteter Schrittmotor. Ein Dauermagnet ist für diesen Schrittmotor entscheidend.

Was ist das Besondere an einem Schrittmotor mit variabler Reluktanz?

Als nächstes kommt der Schrittmotor mit variabler Reluktanz oder VR-Schrittmotor (VR steht für Variable Reluktanz). Dieser Schrittmotortyp unterscheidet sich ein wenig vom Permanentmagnet-Schrittmotor. Der Rotor eines Schrittmotors mit variabler Reluktanz besteht aus einem Weicheisenmaterial mit Zähnen. Er hat keine Dauermagneten. Die "Reluktanz" bedeutet, dass das Magnetfeld bevorzugt durch Materialien geht, die den Magnetismus leicht leiten, wie die Eisenrotorzähne.

Das Funktionsprinzip eines Schrittmotors mit variabler Reluktanz besteht darin, dass die Statorspulen ein elektromagnetisches Feld erzeugen. Die Rotorzähne werden dann in Richtung der erregten Statorpole gezogen, um den Weg der geringsten magnetischen Reluktanz zu finden. Indem verschiedene Spulensätze nacheinander erregt werden, zieht der Schrittmotor den Rotor von einem Schritt zum nächsten. VR-Schrittmotoren können sehr kleine Schrittwinkel erreichen, haben aber in der Regel ein geringeres Drehmoment im Vergleich zu einem Permanentmagnet-Schrittmotor oder einem Hybrid-Schrittmotor. Der variable Reluktanzschrittmotor ist ein weiterer wichtiger Schrittmotor.

Wie integriert ein Hybrid-Schrittmotor Funktionen?

Der Hybrid-Schrittmotor ist ein beliebter Schrittmotortyp. Wie der Name schon sagt, kombiniert ein Hybridschrittmotor die besten Eigenschaften des Permanentmagnet-Schrittmotors und des Schrittmotors mit variabler Reluktanz. Er verwendet sowohl einen Permanentmagneten als auch einen gezahnten Rotor. Der Rotor eines Hybridschrittmotors besteht in der Regel aus einem Dauermagnetkern mit zwei gezahnten Eisenschalen (oder Endkappen) an jedem Ende. Die Zähne auf diesen Schalen sind gegeneinander versetzt.

Dank dieses intelligenten Designs kann der Hybridschrittmotor kleine Schrittwinkel, hohe Präzision und ein großes Drehmoment erreichen. Der Permanentmagnet sorgt für ein konstantes Magnetfeld, während die gezahnte Struktur den Rotor präzise führt. Der Hybrid-Schrittmotor bietet folgende Vorteile Dauermagnet und variablem Reluktanzprinzip. Viele Schrittmotoren, die in gängigen Anwendungen eingesetzt werden, die Präzision erfordern, wie z. B. in der Robotik und bei CNC-Geräten, sind Hybrid-Schrittmotoren. Dieser Schrittmotor ist sehr vielseitig. Der Schrittmotor ist eine ausgezeichnete Option.

Was macht ein Schrittmotor-Treiber für meinen Schrittmacher?

Sie haben also Ihren Schrittmotor, aber wie bringen Sie ihn in Bewegung? Hier kommt der Motortreiber ins Spiel, insbesondere ein Schrittmotortreiber. Ein Schrittmotortreiber ist ein elektronischer Schaltkreis, der Steuersignale - in der Regel von einem Mikrocontroller (z. B. einem Arduino) - aufnimmt und in die Energie umwandelt, die erforderlich ist, um die Spulen des Schrittmotors zu erregen. Sie können einen Schrittmotor nicht einfach direkt an eine Batterie oder einen einfachen Schalter anschließen; er benötigt diesen speziellen Treiber.

Der Schrittmotortreiber hat die komplizierte Aufgabe, die richtige Strommenge in der richtigen Reihenfolge an die richtigen Spulen zu schicken. Diese Sequenz sorgt dafür, dass sich der Schrittmotor Schritt für Schritt dreht. Eine gute Schrittmotorsteuerung ist für eine reibungslose und genaue Bewegung des Schrittmotors unerlässlich. Der Motortreiber kann auch Dinge wie die Motordrehzahl und den Strom zu den Motorwicklungen steuern, was sich auf das Drehmoment auswirkt. Ohne einen geeigneten Schrittmotortreiber wird Ihr Schrittmotor nicht richtig oder überhaupt nicht funktionieren. Dieser Schrittmotortreiber ist für den Schrittmotor unerlässlich.

Wo kann ich einen verwendeten Schrittmotor finden?

Sie werden überrascht sein, wie viele Einsatzmöglichkeiten Schrittmotoren haben. Ihre Fähigkeit, eine präzise Positionssteuerung zu ermöglichen, macht sie unglaublich wertvoll. Eine der häufigsten Anwendungen von Schrittmotoren ist der Einsatz in 3D-Druckern. Der Schrittmotor bewegt den Druckkopf und die Bauplattform mit großer Genauigkeit. Aus diesem Grund können 3D-Drucke so detailliert sein. Ein weiterer wichtiger Bereich für Schrittmotoren sind CNC-Maschinen, die Materialien auf der Grundlage digitaler Entwürfe schneiden oder formen.

Darüber hinaus werden Schrittmotoren häufig in der Robotik für präzise Gelenkbewegungen eingesetzt. Schrittmotoren finden sich auch in Bürogeräten wie Druckern, Scannern und Fotokopierern, die Papier und Druckköpfe bewegen. Selbst in medizinischen Geräten wie automatischen Medikamentenspendern oder Diagnosegeräten spielen Schrittmotoren aufgrund ihrer Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle. Auch in der Automobilindustrie werden sie eingesetzt, etwa zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl des Motors oder zum Verstellen der Außenspiegel. Die Vielfalt der Anwendungen zeigt, wie nützlich dieser Schrittmotor ist. Der Schrittmotor ist wirklich überall!

Ist ein Schrittmotor wie ein normaler Gleichstrommotor?

Sie sind beide Arten von Elektromotoren, aber sie funktionieren sehr unterschiedlich und werden für verschiedene Zwecke eingesetzt. Ein einfacher Gleichstrommotor dreht sich in der Regel kontinuierlich, wenn Strom angelegt wird. Die Geschwindigkeit wird durch Änderung der Spannung und die Richtung durch Änderung der Polarität gesteuert. Ein Gleichstrommotor eignet sich hervorragend für Dinge wie Ventilatoren oder Spielzeugautos, bei denen eine kontinuierliche Drehung erforderlich ist.

Ein Schrittmotor hingegen bewegt sich in diskreten Schritten. Hier geht es um die präzise Steuerung der Motorposition und des Drehwinkels. Ein Schrittmotor ist ein bürstenloses Gerät, im Gegensatz zu vielen einfachen Gleichstrommotoren, die über Bürsten verfügen. Während einige fortschrittliche Gleichstrommotorsysteme eine präzise Steuerung mit Rückkopplungssensoren erreichen können, geschieht dies bei einem Schrittmotor auf natürliche Weise. Wenn Sie also genau wissen müssen, um wie viel sich Ihre Motorwelle gedreht hat, oder wenn Sie eine ganz bestimmte Stelle anfahren müssen, ist ein Schrittmotor in der Regel die bessere Wahl als ein Standard-Gleichstrommotor. Diese Motortypen erfüllen unterschiedliche Anforderungen. Der Schrittmotor zeichnet sich durch seine Präzision aus.

Schnelle FAQ zu Schrittmotoren