Schrittmotor (NEMA 24): Erklärung, Funktionsweise und Anwendung

Präzise Positionierung ohne externe/extra Sensorik: Wie geht das? Und was bedeutet eigentlich NEMA?

Hier erhalten Sie Antworten auf diese und weitere Fragen rund um Schrittmotoren –  einsteigerfreundlich erklärt und klar strukturiert. Informieren Sie sich jetzt über Grundlagen, Vorteile, typische Einsatzbereiche und den Integrierten Schrittmotor NEMA24 von item.

Schrittmotor auf einen Blick:

• Funktionsprinzip: Wandelt elektrische Impulse in präzise mechanische Schritte um. Eine Positionierung ohne Sensor (Open‑Loop) ist möglich. Der Integrierte Schrittmotor NEMA24 von item verfügt für mehr Kontrolle dennoch über Closed-Loop.
• Eigenschaften: Hohes Haltemoment, bürstenlose Konstruktion, typische Schrittwinkel 1,8°. Es sind unipolare und bipolare Varianten verfügbar.
• Einsatzbereiche: Ideal für präzise, wiederholgenaue Bewegungen in 3D‑Druckern, CNC‑Maschinen, Scannern, Robotern, Medizintechnik und Verpackungsautomaten.
• Vorteile: Hohe Genauigkeit, einfache Ansteuerung, geringe Kosten, robuste Bauweise, sehr gutes Start‑Stopp‑Verhalten und stark bei niedrigen Drehzahlen.
• Vergleich: Synchron-Servomotoren für hochdynamische Bewegungen; Schrittmotoren für kostengünstige, präzise Positionierung im niedrigen Drehzahlbereich.
• NEMA 24: Definiert die Flanschgröße (60 × 60 mm); kein Qualitäts- oder Leistungsmerkmal, sondern ein etablierter Standard.
• Integrierter Schrittmotor NEMA24 von item: Lösung mit integrierter Steuerung, einfacher Konfiguration, getriebeloser Bauweise und attraktiver Gesamtkostenstruktur. Ansonsten besteht eine Gesamtlösung aus Motor, Drehgeber, Encoder, SPS, Bremswiederstand und der kompletten Verkabelung.

Erklärung: Was ist ein Schrittmotor?

Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser Elektromotor, mit dem elektrische Impulse in präzise mechanische Einzelschritte (Winkelbewegungen) umgewandelt werden. Es handelt sich um eine Art Steuermotor, der eine Positionierung ohne Sensor durchführen kann. Alternative Bezeichnungen sind „Impulsmotor“ oder „Steppermotor“.

Da sich der Rotor genau um einen festgelegten Winkel pro Impuls dreht, ermöglicht ein Schrittmotor eine präzise Positionierung und Drehzahlsteuerung ohne Rückführsensor (Open-Loop).

Die Positionierung eines Schrittmotors lässt sich mit geringen Kosten und einer einfachen Steuerung erreichen. Daher werden Schrittmotoren zunehmend in Lösungen eingebaut, die eine relativ einfache und kostengünstige Positionierung erfordern: Dazu gehören beispielsweise Anwendungen im Bereich Karakuri/Low Cost Automation.

Eigenschaften und Funktionsweise von Schrittmotoren

• Schrittweise Drehbewegungen: Anstelle einer kontinuierlichen Rotation führt der Rotor kleine, einzelne Schritte aus. Üblicherweise sind 200 Schritte pro Umdrehung einzeln ansteuerbar, was einem Schrittwinkel von 1,8 Grad entspricht.
• Sensor nicht notwendig: Die exakte Position des Rotors ist durch die Anzahl der gesendeten Impulse definiert.
• Hohes Haltemoment: Der Schrittmotor hält im Stillstand seine Position fest.
• Bürstenlose Konstruktion: Lange Lebensdauer, geringer Wartungsbedarf und keine Reibungsverluste (energieffizienter Betrieb).
• Unterscheidung zwischen unipolar und bipolar: Man differenziert zwischen unipolaren Schrittmotoren, die eine einfachere Ansteuerung und 5 bis 6 Anschlüsse haben, und bipolaren Motoren, die mit 4 Anschlüssen ein höheres Drehmoment erzeugen.

Wie funktioniert ein Schrittmotor (einfach erklärt)?

Ein Schrittmotor wandelt elektrische Impulse in kleine Drehbewegungen (= Schritte) um. Er setzt sich aus einem festen äußeren Teil (= Stator) mit Elektromagneten und einem drehbaren Kern (= Rotor) zusammen. Der Rotor ist häufig magnetisch. Durch jeden Impuls wird der Rotor um einen festen Winkel weitergedreht, was mit dem Sekundenzeiger einer Uhr vergleichbar ist.

Die Stärke von Schrittmotoren liegt in der einfachen Steuerung ohne teure Regelsysteme und der Fähigkeit, auch im Stillstand ein hohes Drehmoment zu halten. Dadurch eignen sie sich für kostengünstige Automatisierungslösungen.

Wie wird ein Schrittmotor gesteuert?

Schrittmotoren werden über eine Steuerung (meist Mikrocontroller) und einen Leistungstreiber angesteuert, die digitale Pulse in präzise Drehbewegungen umsetzen. Der Treiber liefert den benötigten Spulenstrom, wobei Schrittzahl und Frequenz die Position, Geschwindigkeit und Richtung bestimmen. Beliebte Methoden sind Voll-, Halb- oder Mikroschrittbetrieb.

Was kann man mit einem Schrittmotor machen?

Ein Schrittmotor ermöglicht durch seine exakte, schrittweise Drehung eine Positionierung ohne Positionsfeedback. Er wird überall dort eingesetzt, wo präzise Positionierung und Steuerung erforderlich sind. Beispielsweise zur exakten Bewegung von Bauteilen in:

• 3D-Druckern
• CNC-Maschinen
• Scannern
• Robotern

Ein weiterer typischer Anwendungsbereich sind wiederholgenaue Aufgaben ohne komplexes Feedback. Beispiele hierfür finden sich in:

• der Medizintechnik (Infusionspumpen, Analysegeräte),
• der Automatisierungstechnik (Verpackungsmaschinen, Förderbänder) und
• dem Kfz-Bereich (Heizungs- und Klimaklappen)

Grundsätzlich eignen sich Schrittmotoren für Anwendungen, die einen einfachen, kostengünstigen Antrieb mit hohem Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen benötigen.

Was sind die Vorteile von Schrittmotoren?

Schrittmotoren bieten eine präzise Positionierung und hohe Wiederholgenauigkeit ohne Encoder, da die Bewegung in kleinen Schritten erfolgt. Dies macht sie ideal für 3D-Drucker und CNC-Maschinen. Wenn doch ein Encoder vorhanden ist, erhöht sich die Präzision noch einmal. Dafür ist der Integrierte Schrittmotor NEMA24 von item ein anschauliches Beispiel.

Zu den Hauptvorteilen von Schrittmotoren zählen:

• Hohe Genauigkeit: Sie ermöglichen eine präzise Positionierung und Wiederholbarkeit.
• Kein Encoder notwendig: Durch das Zählen der Schritte lässt sich die Position steuern (Open-Loop). Dies spart Kosten.
• Hohes Haltemoment: Schrittmotoren bieten im Stillstand ein hohes Drehmoment, damit Positionen sicher gehalten werden.
• Leichte Ansteuerung: Sie lassen sich mit digitalen Impulsen von Microcontrollern ansteuern.
• Zuverlässigkeit und wartungsarm: Dank der bürstenlosen Konstruktion sind Schrittmotoren robust und benötigen nur wenige Wartungen.
• Erstklassiges Start-Stopp-Verhalten: Für Anwendungen mit abrupten Richtungswechseln oder häufiges Starten und Stoppen sind sie optimal.
• Hohes Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit: Die Stärken von Schrittmotoren zeigen sich besonders bei niedrigen Drehzahlen.

Was ist der Unterschied zwischen Synchron-Servomotor und Schrittmotor?

Synchron-Servomotoren sind besser für schnelle, dynamische Aufgaben mit Rückmeldung (Closed-Loop). Zudem weisen sie eine höhere Leistungsdichte und bessere Energieeffizienz auf. Schrittmotoren hingegen eignen sich optimal für präzise, konstante Bewegungen ohne Rückmeldung (Open-Loop). Gleichzeitig sind sie effizienter und liefern bei niedrigen Drehzahlen höhere Drehmomente, während Synchron-Servomotoren schneller beschleunigen, aber teurer sind.

Die Wahl hängt von Anwendung, Kosten und Leistungsanforderungen ab:

• Synchron-Servomotoren für hohe Dynamik (z. B. 6-Achs-Roboter)
• Schrittmotoren für einfache Positionierung (z. B. 3D-Drucker)

Für was steht NEMA?

NEMA ist eine Abkürzung und steht für „National Electrical Manufacturers Association“. Es handelt sich um den größten US-amerikanischen Handelsverband für die Hersteller von Elektrogeräten. In NEMA-Normen werden die Standards für Motoren, elektrische Gehäuse und Steckverbindungen definiert.

Was ist ein Schrittmotor NEMA 24?

Ein NEMA-24-Schrittmotor ist ein Schrittmotor mit einer Flanschplatte der Größe 2,4 x 2,4 Zoll beziehungsweise 60 x 60 mm.

Was ist der Integrierte Schrittmotor NEMA24 von item?

Der Integrierte Schrittmotor NEMA24 von item kombiniert eine kompakte Bauweise mit hohem Drehmoment und präziser Kontrolle der Motorwelle. Er hat eine integrierte Steuerung und ist einfach zu installieren. Eine übergeordnete SPS wird nicht benötigt. Zusätzlich ist er problemlos auch von Laien schnell und sicher zu konfigurieren. Er kommt ohne Getriebe aus und ist bei der Betrachtung des Gesamtsystems (Motor, Steuerung, Verkabelung etc.) kostengünstig.