Schrittmotoren sind eine beliebte Wahl für Ingenieure und Konstrukteure, die eine präzise, wiederholbare Bewegungssteuerung benötigen. Sie werden in der Robotik, medizinischen Geräten, CNC-Maschinen, 3D-Druckern und anderen Systemen eingesetzt, die präzise Bewegungen erfordern.

Dieser Artikel behandelt vier Haupttypen von Schrittmotoren – Hybrid-, Permanentmagnet-, Reluktanz- und Synchronmotoren – und erklärt ihre Funktionsweise, ihre Vor- und Nachteile sowie ihre idealen Einsatzmöglichkeiten.

Schrittmotoren verstehen

Bei Schrittmotoren, einem bürstenlosen Gleichstrommotor, wird eine Umdrehung in mehrere gleich große Schritte unterteilt. Der Rotor bewegt sich in einzelnen Schritten, da die Statorwicklungen im elektromagnetischen Betrieb in einer vorgegebenen Reihenfolge erregt werden. Diese Eigenschaft ermöglicht offene Regelkreise, die in vielen Anwendungsfällen komplexe Rückkopplungsmechanismen überflüssig machen.

Schrittmotoren werden nach Rotor- und Statorkonstruktion, Ansteuerungsmethoden und Leistungsmerkmalen klassifiziert. Wir betrachten die vier Haupttypen im Detail.

1. Hybrid-Schrittmotor

Hybrid-Schrittmotoren vereinen die konstruktiven Vorteile von Schrittmotoren mit variabler Reluktanz (VR) und Permanentmagnet (PM) und bieten verbesserte Leistung hinsichtlich Präzision, Drehmoment und Schrittauflösung. Damit sind sie der beliebteste Schrittmotortyp in industriellen und gewerblichen Anwendungen.

Rotor und Stator von Hybrid-Schrittmotoren sind verzahnt, und der Rotor ist mit einem Permanentmagneten ausgestattet. Diese Konstruktion ermöglicht eine präzise Steuerung der Schrittwinkel – typischerweise 1,8°, wobei auch kleinere Winkel wie 0,9° üblich sind.

Vorteile	Nachteile
Hohe Präzision und feine Schrittauflösung	Höhere Kosten als PM- oder VR-Motoren
Geeignet für Open-Loop-Steuerungssysteme	Erzeugt Wärme bei hohen Geschwindigkeiten
Hohes Verhältnis von Drehmoment zu Trägheit	Komplexere Ansteuerschaltungen erforderlich
Geringes Rastmoment im unbestromten Zustand	Begrenztes Drehmoment bei sehr hohen Geschwindigkeiten

 

Anwendungen:

• CNC-Maschinen
• Robotik
• 3D-Drucker
• Überwachungskameras
• Automatisierte optische Inspektionssysteme (AOI)

2. Permanentmagnet-Schrittmotor (PM)

PM-Schrittmotoren verfügen nicht über die Zahnstruktur von Hybrid-Schrittmotoren, sondern verwenden Permanentmagnete im Rotor. Ihre Schrittwinkel von 7,5° bis 15° sind oft größer. Sie sind günstiger und bieten trotz ihrer geringeren Präzision ein höheres Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen als Hybridmotoren.

PM-Motoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, in denen hohe Präzision nicht erforderlich ist, aber Einfachheit und Kosteneffizienz gefragt sind.

Vorteile	Nachteile
Wirtschaftliches und einfaches Design	Geringere Präzision als Hybrid-Schrittmotoren
Hohes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten	Größerer Schrittwinkel begrenzt Feinbewegung
Einfach zu steuern	Nicht geeignet für Anwendungen mit hoher Präzision
Zuverlässig bei niedrigen Geschwindigkeiten	Laut im Betrieb

 

Anwendungen:

• Klimaanlagen (zur Klappensteuerung)
• Kamera-Schwenk-/Neigesysteme
• Kfz-Messgeräte
• Einsteigerdrucker
• Haushaltsgeräte

3. Schrittmotor mit variabler Reluktanz (VR)

VR-Schrittmotoren verwenden keine Permanentmagnete. Sie nutzen stattdessen das Prinzip der magnetischen Reluktanz. Der Weicheisenrotor bewegt sich beim Einschalten der Statorpole zum Ort des geringsten Widerstands. Diese Motoren bieten eine schnelle Schrittreaktion und eignen sich ideal für Anwendungen mit hohen Drehzahlen und geringem Drehmoment.

Ihr Schrittwinkel kann recht klein sein (z. B. 1,2°), und sie werden häufig in Systemen eingesetzt, bei denen leichte und einfache Strukturen im Vordergrund stehen.

Vorteile	Nachteile
Einfache Konstruktion	Sehr geringes Drehmoment im Vergleich zu anderen Typen
Schnelle Reaktion auf Eingangssignale	Erfordert externe Treiberlogik
Günstig in der Herstellung	Geringes Haltemoment
Hervorragend bei hohen Schrittfrequenzen	Ungeeignet für Systeme mit hoher Last

 

Anwendungen:

• Armaturenbretter
• Schreibmaschinen
• Frühe Plotter
• Industrielle Messinstrumente
• Einfache Regelventile

4. Synchroner Schrittmotor

Synchron-Schrittmotoren sind eine Untergruppe der Schrittmotoren, die die Rotorposition an das rotierende Magnetfeld gekoppelt halten und so eine präzise Synchronisation mit den Eingangsimpulsen ermöglichen. Sie werden manchmal als eine breitere Kategorie betrachtet, unter die auch Schrittmotoren fallen. In diesem Zusammenhang beziehen wir uns jedoch speziell auf Synchronmotoren mit Schrittcharakteristik, die in Steuerungssystemen eingesetzt werden, die eine exakte Positionierung erfordern.

Im Gegensatz zu Induktionsmotoren drehen sich Synchron-Schrittmotoren mit einer konstanten, von der Netzfrequenz abhängigen Drehzahl und werden häufig dort eingesetzt, wo es auf Takt- und Drehzahlpräzision ankommt.

Vorteile	Nachteile
Präzise Geschwindigkeits- und Positionsregelung	Benötigt Synchronisationsschaltung
Geringer Wartungsaufwand durch fehlende Bürsten	Komplexer zu steuern als einfacher Schrittmotor
Hoher Wirkungsgrad und konstante Geschwindigkeit	Schlechte Leistung bei Lastschwankungen
Leiser Betrieb bei konstanter Geschwindigkeit	Erfordert Feedback oder Startausrichtung

 

Anwendungen:

• Uhren und Zeitschaltuhren
• Synchronförderer
• Filmprojektoren
• Servopositioniersysteme
• Stromzähler

Schrittmotortypen: Ein direkter Vergleich

Merkmal	Hybrider Schrittmotor	PM-Schrittmotor	VR-Schrittmotor	Synchron-Schrittmotor
Rotorbauart	Verzahnt + Magnet	Permanentmagnet	Weicheisenkern	Magnetisierter Synchronrotor
Typischer Schrittwinkel	0,9°–1,8°	7,5°–15°	1,2°–15°	Variabel
Drehmoment (niedrige Geschwindigkeit)	Hoch	Mittel–hoch	Niedrig	Mittel
Drehmoment (hohe Geschwindigkeit)	Mittel	Niedrig	Sehr niedrig	Mittel
Präzision	Sehr hoch	Mittel	Niedrig	Hoch
Kosten	Hoch	Niedrig	Niedrig	Mittel
Steuerungskomplexität	Hoch	Niedrig	Mittel	Hoch
Eignung für Anwendungsfälle	Industrie/Medizin	Verbrauchsgeräte	Leichtgeräte	Zeitgesteuerte Mechanismen

 

Die Wahl des richtigen Schrittmotors für Ihre Anwendung

Die Wahl des optimalen Schrittmotortyps erfordert die Kenntnis der Projektanforderungen hinsichtlich Drehmoment, Präzision, Kosten, Steuerungskomplexität und Anwendungsumgebung.

Für hohe Präzision und industrielle Leistung
Wählen Sie Hybrid-Schrittmotoren. Sie eignen sich ideal für CNC-, 3D-Druck- und Robotikanwendungen, bei denen Präzision und Drehmoment entscheidend sind.

Für kostengünstige und einfache Steuerungsanforderungen
Verwenden Sie Permanentmagnet-Schrittmotoren. Diese eignen sich gut für Haushaltsgeräte und Fahrzeuginstrumente mit geringerem Bewegungsbedarf.

Für leichte, schnelle Schrittanwendungen
Erwägen Sie Schrittmotoren mit variabler Reluktanz. Sie eignen sich für Anwendungen mit geringer Last, bei denen schnelles Ansprechverhalten wichtiger ist als Drehmoment.

Für präzises Timing und Synchronisation
Wählen Sie Synchron-Schrittmotoren. Anwendungen mit Filmtransport, Stromzählern oder Förderbändern profitieren von der konstanten Geschwindigkeit und Synchronisation.

Integration mit Steuerungen und Treibern

Schrittmotoren selbst sind zwar unverzichtbar, ihre wahre Leistung entfaltet sich jedoch erst durch die Integration mit den richtigen Treiberschaltungen und Controllern. Mikroschritttreiber, Impulsgeneratoren und Encoder können die Leistung insbesondere bei Hybrid- und Synchronmotoranwendungen steigern. Systeme mit offenem Regelkreis sind häufiger anzutreffen, doch Schrittmotorsysteme mit geschlossenem Regelkreis (auch Hybridservos genannt) erfreuen sich zunehmender Beliebtheit bei Anwendungen, die sowohl Genauigkeit als auch Fehlerkorrektur erfordern.

Aktuelle Trends in der Schrittmotortechnologie

Fortschritte in der Treibertechnologie, wie z. B. digitale Signalverarbeitung (DSP) und Mikroschrittalgorithmen, haben die Leistungsfähigkeit von Schrittmotoren, insbesondere von Hybridtypen, verbessert. Der Trend zur Miniaturisierung hat PM-Schrittmotoren auch zur Standardwahl für eingebettete Elektronik in Konsumgütern gemacht. Darüber hinaus eröffnet die Integration in IoT- und drahtlose Steuerungssysteme neue Möglichkeiten für Schrittmotoren in der intelligenten Fertigung und Automatisierung.

Abschließende Gedanken

Schrittmotoren entwickeln sich im Einklang mit den Anforderungen moderner Technik weiter. Ob Sie ein kompaktes Verbrauchergerät oder eine industrielle Automatisierungslösung entwickeln – das Verständnis der unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Schrittmotortypen gewährleistet einen effizienten, zuverlässigen und präzisen Betrieb Ihrer Anwendung.