FUNKTIONSWEISE EINES SCHRITTMOTORS

Der Schrittmotor arbeitet wie eine elektrische Maschine und wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um, die er über eine Welle abgibt. Mit Hilfe einer sehr realistischen 3D-Animation werden unter anderem die konstruktiven Besonderheiten eines Schrittmotors beschrieben, wie der versetzt angeordnete verzahnte Rotor. Er ermöglicht es, ein sehr hohes Drehmoment zu erreichen sowie eine konstante Geschwindigkeit zu halten oder eine bestimmte Position sehr genau und ohne zusätzliche Rückführung anzufahren.

Diese Animation erklärt, aus welchen Bestandteilen ein Schrittmotor aufgebaut ist. Zuerst sieht man den Permanentmagnetkern des Rotors. Auf diesem werden die weichmagnetischen verzahnten Dynamobleche angebracht, um die Welle und die Kugellager zu montieren.

Danach wird der Stator gezeigt, er besteht ebenfalls aus weichmagnetischen, gegeneinander isolierten Blechen. Darin sitzt der Spulenkörper aus Kunststoff, der mit Kupferdraht umwickelt ist. Diese Wicklungen werden mit den Anschlussleitungen des Motors verbunden.

Im letzten Schritt werden der Rotor und der Stator zusammengefügt und mit den vorderen und hinteren Lagerschalen fixiert. Die Wellscheiben sorgen für eine federnde Aufhängung des Rotors in axialer Richtung und dienen außerdem zum Ausgleich von Toleranzen.

Auf die einzelnen Bauteile wird später noch einmal im Detail eingegangen.

Die bei einem Standardmotor aus Aluminium-Druckguss hergestellten Endkappen erfüllen eine wichtige Funktion bei einem Schrittmotor: Über sie wird einerseits die Motorwelle sehr genau zum Motorgehäuse ausgerichtet, um einen möglichst präzisen Gesamtrundlauf zu erreichen. Andererseits richten sie aber auch den Rotor gegenüber dem Stator aus und ermöglichen so einen Luftspalt von nur 0.05 mm zwischen den beiden Teilen.

Der Rotor hat in seinem Kern einen Permanentmagneten sitzen und bildet somit den magnetischen Gegenpol zum Elektromagneten im Stator. Durch die zusätzliche Verzahnung in Kombination mit dem geringen Luftspalt zwischen Rotor und Stator lässt sich eine hohe Positionsgenauigkeit sowie ein hohes Drehmoment erreichen. Die Verzahnung erfolgt über Weichmetallbleche, die zu einem Rotorkörper gestanzt werden.

Im Stator befindet sich ein Kunststoffkörper mit 8 Polschuhen, auf die die Spulen des Elektromagneten aufgewickelt werden. Hierfür wird ein temperaturbeständiger Hochleistungskunststoff eingesetzt, damit der Motor die Isolationsklasse F (= 130 Grad Celsius) erreicht.

Die Kupferlackdrähte des Stators sind in verschiedenen Stärken erhältlich und unterscheiden sich im Widerstand und in der Induktivität. Je nachdem, ob ein schnell oder langsam drehender Motor gewünscht wird, kommen unterschiedlich Drähte zum Einsatz.

Die Litzen des Motors werden entweder direkt mit dem Kupferlackdraht der Wicklungen verlötet oder über eine Platine verschaltet, die in die hintere Lagerschale integriert ist. Die Motorwicklungen können seriell oder parallel verdrahtet werden. Dadurch ändern sich der Widerstand sowie die Induktivität und damit auch das Motorverhalten. Parallel verdrahtete Motoren eignen sich besonders für einen dynamischen Betrieb.

Hybridschrittmotoren werden ausschließlich mit Kugellagern hergestellt. Sie sind das einzige bewegliche Element des Motors und bestimmen dessen Lebensdauer. Mechanisch richtig ausgelegte Systeme erreichen eine Lebensdauer > 20.000 h, wenn die maximal zulässigen axialen und radialen Kräfte nicht dauerhaft überschritten werden. Bei harschen Umgebungsbedingungen müssen speziell geschützte Kugellager verwendet werden.

Der im Rotor verbaute Permanentmagnet wird aus besonders starken Seltenerdmetallen hergestellt. Er bildet in Kombination mit den weichmetallischen Rotorblechen eine magnetische Einheit und gleichzeitig den magnetischen Gegenpol zum Elektromagneten im Stator.

Der Stator des Schrittmotors besteht ebenso wie der Rotor aus gestanzten, gegeneinander elektrisch isolierten Weichmetallblechen. Er verfügt über acht gegenüber liegende Polschuhe mit Verzahnung am Ende. Durch die geometrische Anordnung von Rotor-und Statorverzahnung kommt es bei einer Bestromung des Elektromagneten im Stator zu einer Drehbewegung.

Die Welle ist der Teil des Schrittmotors, der die Bewegungsenergie weitergibt. Sie wird aus elektrisch nicht magnetischem Edelstahl mit sehr hoher Präzision gefertigt. Für Motoren, an die ein Encoder oder eine Bremse angebaut werden soll, wird die Welle verlängert und aus dem hinteren Lagersitz wieder hinausgeführt. Auch Hohlwellen können verbaut werden.

Mit Hilfe der Wellscheiben werden die Federn der Motorwelle vorgespannt. Dadurch lassen sich die Lebenserwartung der Kugellager erhöhen und fertigungsbedingte Toleranzen ausgleichen. Über spezielle Lagerschalen ist es möglich, die Motorwelle definiert vorzuspannen, um beispielsweise ein geringes Axialspiel zu erreichen.