SCHRITTMOTOR-THEORIE

Motoren wandeln elektrische in mechanische Energie um. Bei einem  Schrittmotor werden elektrische Impulse in spezifische Drehbewegungen umgewandelt. Aufgrund der Präzision und Wiederholbarkeit der von jedem Impuls erzeugten Bewegung  sind Schrittmotoren so hervorragend für Positionierungsapplikationen geeignet.  Dauermagnet-Schrittmotoren bestehen aus einem Dauermagnet- Rotor, Spulenwickungen sowie magnetisch leitfähigen Statoren. Bei Erregen einer Spulenwicklung wird ein elektromagnetisches Feld mit einem Nord- und Südpol erzeugt (siehe Abbildung 1). Der Rotor nimmt das von dem Stator erzeugte magnetische Feld an und richtet sich an diesem aus. Dieses Magnetfeld kann verändert werden, indem die Statorwicklungen sequentiell erregt werden, wodurch die Drehbewegung erzeugt wird.     In Abbildung 2 wird eine typische Schrittsequenz für einen Zweiphasenmotor dargestellt.  Zunächst wird Phase A eines Zweiphasen-Stators erregt. Auf diese Weise wird der Rotor in der gezeigten Position arretiert, da sich ungleiche Pole anziehen. Wird Phase A ein- und Phase B ausgeschaltet, dreht sich der Rotor um 90° im Uhrzeigersinn. In Schritt 3 wird Phase B aus- und Phase A eingeschaltet, jedoch die Polarität von Schritt 1 umgekehrt, was eine weitere Drehung um 90° bewirkt. In Schritt 4 wird Phase A aus- und Phase B eingeschaltet und die Polarität von Schritt 2 umgekehrt. Bei Wiederholung dieser Sequenz dreht sich der Rotor im Uhrzeigersinn in 90°-Schritten.         Die in Abbildung 2 dargestellte Sequenz wird als „One Phase On" bezeichnet. Die am häufigsten verwendete Betriebsart ist „Two Phase On", bei der beide Phasen stets eingeschaltet sind. Wie in Abbildung 3 gezeigt, wird jedoch jeweils nur eine Phase umgeschaltet. Bei einer zweiphasigen Schrittfolge richtet sich der Rotor selbst zwischen dem „durchschnittlichen" magnetischen Nord- und Südpol aus. Da beide Phasen stets eingeschaltet sind, wird mit dieser Methode ein um 41,4 % höheres Drehmoment als mit einer einphasigen Schrittfolge erzielt, die Stromaufnahme ist jedoch doppelt so hoch. In beiden Fällen handelt es sich um einen Vollschritt-Betrieb.

Halbschritt

Fügt man zwischen zwei Zuständen jeweils einen Aus-Zustand ein, dann erhält man Zwischenschritte mit dem halben Schrittwinkel. Diese Betriebsart heißt Halbschritt („Half Step"). So bewegt sich z.B. ein 90°-Schrittmotor bei jedem Halbschritt um 45° (siehe Abbildung 4). Hierbei entsteht jedoch - je nach Schrittrate - normalerweise ein Drehmomentverlust zwischen 15 %  und 30 % im Vergleich zu einer zweisphasigen Sequenz. Da eine der beiden Wicklungen beim Halbschritt keinen Strom führt, wird weniger elektromagnetische Kraft auf den Rotor übertragen, wodurch weniger Drehmoment entsteht.

Bipolare Wicklung

Bei der zweiphasigen Schrittsequenz wird eine „bipolare Spulenwicklung" verwendet. Hierbei besteht jede Phase aus einer einzigen Wicklung. Durch eine Umkehr in den Wicklungen wird die elektromagnetische Polarität umgekehrt. Die Ausgabephase einer typischen zweiphasigen bipolaren Endstufe wird in dem elektrischen Schaltschema und der Schaltsequenz in Abbildung 5 dargestellt. Wie gezeigt, wird bei der Umschaltung einfach der Stromfluss durch die Wicklung und hierdurch die Polarität dieser Phase umgekehrt.

Figure 5

BipolarStep Q2-Q3 Q1-Q4 Q6-Q7 Q5-Q8 1 AN AUS AN AUS 2 AUS AN AN AUS 3 AUS AN AUS AN 4 AN AUS AUS AN 1 AN AUS AN AUS

Unipolare Wicklung

Die unipolare Wicklung besteht aus zwei Wicklungen auf einem Pol, der so verbunden ist, dass bei Erregung einer Wicklung ein Nordpol und bei Erregung der anderen Wicklung ein Südpol entsteht. Die Bezeichnung unipolare Wicklung ist darauf zurückzuführen, dass die elektrische Polarität, d.h. der Stromfluss, von der Endstufe zu der Spule nicht umgekehrt wird. Die Schrittsequenz ist in Abbildung 6 dargestellt.  In der Vergangenheit wurde diese Schaltung aus Kostengründen verwendet da weniger elektronische Bauteile in der Endstufe nötig sind. Bei Neuentwicklungen wird diese Schaltungsvariante nur noch selten gewählt. Im Gegensatz zu einer bipolaren Wicklung ist das zur Verfügung stehende Drehmoment um 30 % geringer, was darauf zurückzuführen ist, dass nur die Hälfte der Spule bestromt wird.   Figure 6   Unipolar Step Q1 Q2 Q3 Q4 1 AN AUS AN AUS 2 AUS AN AN AUS 3 AUS AN AUS AN 4 AN AUS AUS AN 1 AN AUS AN AUS Schrittwinkel beim Permanentmagnetmotor (Klauenpolschrittmotor) Für kleinere Schrittwinkel sind mehr Pole auf dem Rotor und Stator erforderlich. Die Anzahl der Pohlpaare sind auf Rotor und Strator gleich. Ein Rotor eines 7,5°-Motors hat 12 Polpaare, und jedes Ständerteil (Stanz-Biege-Teil) hat 12 Zähne. Der Motor hat zwei Ringspulen mit je zwei Ständerteilen.  Daraus ergeben sich 48 Pole im Abstand von 7,5°. In Abbildung 7 sind die 4 Ständerteile eines 7,5° Motors in einer Schnittansicht dargestellt.  Je nach Anzahl der Schrittimpulse ergibt sich daher ein Drehwinkel, der ein Vielfaches von 7.5° entspricht. So können z.B. sechs Schritte eines 7,5° Schrittmotors eine 45°-Bewegung erzeugen. Abbildung 7. Teilansicht der Pol- platten eines Motors mit 7,5° Schrittwinkel.   Präzision Die Präzision für Permanentmagnetmotoren (Engl. „Can-Stack" oder „Tin-Can Motor") liegt bei 6-7 % pro Schritt (nicht kumulierend). Ein 7,5° Schrittmotor befindet sich innerhalb von 0,5° von der theoretischen Position für jeden Schritt, und zwar unabhängig davon, wie viele Schritte gemacht werden. Die Inkrementfehler sind nicht kumulierend, da die mechanische Auslegung des Motors eine 360°-Bewegung für jede volle Umdrehung vorgibt. Die physikalische Position der Polplatten und das magnetische Muster des Rotors resultieren in einem wiederholbaren Muster aufgrund der 360°-Umdrehung (ohne Last).   Resonanz Schrittmotoren weisen aufgrund ihrer Bauart eine Resonanzfrequenz auf.  Im Resonanzbereich kann sich das Motorengeräusch hörbar verändern, und gleichzeitig können  Vibrationen auftreten. Der Resonanzpunkt schwankt je nach Applikation und Last, tritt jedoch normalerweise zwischen 70 und 120 Schritten pro Sekunde auf. In gravierenden Fällen kann der Motor bei der Resonanzfrequenz Schritte verlieren. Durch Änderung der Schrittrate können zahlreiche resonanzbedingte Probleme vermieden werden, wie z.B. u.a. durch Halb- oder Mikroschritte.  Nach Möglichkeit sollte der Resonazbereich beim Betrieb des Motors oder beim Hochfahren über eine Beschläunigungsrampe ausgeblendet werden.   Drehmoment   Das von einem bestimmten Rotationsschrittmotor erzeugte Drehmoment hängt ab von: der Schrittfrequenz dem Strom durch die Wicklungen • der Art der eingesetzten Ansteuerung   Das Drehmoment ist die Summe des Reibmoments (Tf) und Massenträgheitsmoments (Ti). Das Massenträgheitsmoment (Gramm/cm) ist die Kraft (F) in Gramm, die erforderlich ist, um eine Last mal der Länge in cm des für das Antreiben der Last (r) verwendeten Hebelarms zu bewegen (siehe Abbildung 8). Das Trägheitsmoment (Ti) ist das Drehmoment, das zur Beschleunigung der Last erforderlich ist (Gramm/cm2).    Wobei: I = Trägheitslast in g/cm2 = Schrittrate in Schritten/Sekunde t = Zeit in Sekunden Θ = Schrittwinkel in Graden K = konstant 97,73 Hierbei sei angemerkt, dass bei Erhöhen der Schrittrate des Motors ebenfalls  das elektromagnetische Feld (EMF) (d.h. die  induzierte Spannung) des Motors ansteigt. Hierdurch wird der Stromfluss begrenzt und das verwendbare Ausgangsdrehmoment reduziert.   Linearaktuatoren Die Drehbewegung eines Schrittmotors kann durch verschiedene mechanische Mittel in eine Linearbewegung umgewandelt werden. Hierzu zählen Zahnstangen, Riemen und Rollen sowie andere mechanische Verbindungen. Alle diese Auslegungen erfordern verschiedene mechanische Komponenten. Die wirksamste Umwandlung erfolgt mit dem Motor selbst. Den Linearaktuator gibt es seit 1968. Abbildung 9 zeigt einige typische Linearaktuatoren.   Abbildung 9. HaydonTM Linearaktuatoren Serie 20000, von links nach rechts, (9,5 mm Ø), Captive Shaft, Serie 26000 (25,4 mm Ø) Non-Captive sowie Serie 36000 (35,6 mm Ø) Captive. Die Umwandlung der Dreh- in eine Linearbewegung in einem Linearaktuator erfolgt durch eine Gewindemutter und Gewindespindel. Die Innenseite des Rotors hat ein Gewinde, und die Welle wird durch eine Gewindespindel ersetzt. Um die Linearbewegung zu erzeugen, muss die Gewindespindel daran gehindert werden, sich zu drehen. Beim Drehen des Rotors schrauben sich die Innengewinde in die Gewindespindel, wodurch die Linearbewegung erzeugt wird. Bei Änderung der Drehrichtung wird die Richtung der Linearbewegung umgekehrt. Abbildung 10 zeigt den grundlegenden Aufbau eines Linearaktuators. Abbildung 10. Schnittdarstellung eines Linearaktuators mit der Schnittstelle zwischen Rotor mit Gewinde und Gewindespindel. Der Linearweg pro Schritt des Motors hängt von dem Rotationsschrittwinkel des Motors sowie der Gewindesteigung ab. Größere Gewindesteigungen ergeben einen größeren linearen Weg pro Schritt als kleine Gewindesteigungen. Muttern mit einer kleinen Gewindesteigung stellen jedoch für eine vorgegebene Schrittrate größere Kraft bereit. Muttern mit einer kleinen Gewindesteigung können normalerweise nicht manuell „zurückgefahren" werden, wenn der Motor nicht unter Strom steht. Sie besitzen eine Selbsthemmung.  Damit genügend Freiraum für die Bewegung vorhanden ist muss es ein Spiel zwischen Mutter- und Spindelgewinde geben. Dies bedeutet 0,025 mm bis 0,076 mm axiales Spiel (auch Umkehrspiel genannt). Ist eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit erforderlich, kann das Umkehrspiel kompensiert werden, indem die Endposition stets aus der gleichen Richtung angefahren wird oder das System vorgespannt wird. Die Umwandlung der Dreh- in eine Linearbewegung in dem Rotor vereinfacht die Erzeugung einer Linearbewegung für zahlreiche Applikationen erheblich. Da der Linearaktuator in sich selbst abgeschlossen ist, sind weniger oder keine externen Komponenten, wie Riemen und Rollen, erforderlich. Weniger Komponenten erleichtern den Konstrukionsprozess, reduzieren die Gesamtkosten für das System und erhöhen die Zuverlässigkeit des Produkts.   Verschleiß / Lebensdauer   Bei einem vorschriftsmäßigen Einsatz sind Linearaktuatoren der Marke HaydonTM für bis zu 20 Millionen Hübe und Haydon Rotationsmotoren für bis zu 25.000 Betriebsstunden ausgelegt. Letztendlich hängen der Motorverschleiß und die sich hieraus ergebende Lebensdauer von der jeweiligen Applikation des Kunden ab. Die nachfolgenden Definitionen sind für das Verständnis von Lebensdauer und Verschleiß des Motors von Bedeutung. Dauerbetrieb: Betrieb des Motors mit Nennspannung. 25 % Einschaltdauer: Der Motor ist weniger als 25 % der Zeit betrieben. In diesem Fall ist der Betrieb des Motors mit  doppelten Nennstrom möglich ohne die Wicklung zu überhitzen. . Der Motor erzeugt rund 60 % mehr Leistung als bei Nennspannung. Bitte beachten Sie, dass die Einschaltdauer nicht mit der auf den Motor angewendeten Last im Zusammenhang steht. Lebensdauer: Die Lebensdauer eines Linearaktuators ist gleich der Anzahl von Zyklen, die der Motor mit einer vorgeschriebenen Last unter Einbehaltung der Schrittgenauigkeit durchlaufen kann. Die Lebensdauer eines Rotationsmotors entspricht der Anzahl von Betriebsstunden. Ein Zyklus: Ein Zyklus eines Linearaktuators setzt sich aus dem Ausfahren und Zurückfahren in die Ausgangsposition zusammen. Es gibt einige allgemeine Richtlinien, die angewendet werden können, um den richtigen Motor auszuwählen, damit eine maximale Lebensdauer gewährleistet wird. Letztendlich sollte am besten die endgültige Baugruppe unter Arbeitsbedingungen oder unter so weit wie möglich ähnlichen Bedingungen getestet werden, um die Leistung eines Schrittmotors für ein System bestimmen zu können. Da bei einem Schrittmotor kein Bürstenverschleiß auftritt, hat dieser gewöhnlich eine weit höhere Lebensdauer als andere mechanische Komponenten in einem System. Wenn ein Schrittmotor ausfällt, liegt dies wahrscheinlich an bestimmten Komponenten. Normalerweise sind Lager und Gewindespindeln/Muttern (in Linearaktuatoren) die Komponenten, die als erste einem Verschleiß  unterliegen. Entscheidende Faktoren sind hierbei das erforderliche Drehmoment bzw. die erforderliche Kraft und die Betriebsumgebung. Läuft der Motor permanent mit Nenndrehmoment oder Nennkraft, wird  die Lebensdauer beeinträchtigt. Die Tests von Haydon Kerk Motion Solutions haben gezeigt, dass sich die Lebensdauer des Motors exponentiell verlängert, wenn die Betriebslasten vermindert werden. Im Allgemeinen sollten Motoren so dimensioniert das sie bei <80% der maximalen Belastbarkeit laufen. Umweltfaktoren, wie hohe Luftfeuchtigkeit, Einwirkung agressiver Chemikalien, hohe Verschmutzung und Hitze haben einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer eines Motors. Mechanische Faktoren in der Baugruppe, wie Seitenkräfte auf die Welle im Falle von Linearaktuatoren oder nicht ausgewuchtete Lasten bei Drehapplikationen verkürzen ebenfalls die Lebensdauer. Bei reduzierter Einschaltdauer und erhöhtem Nennstrohm  muss darauf geachtet werden, dass der maximale Temperaturanstieg für den Motor nicht überschritten wird.  Sonst kann die Wicklung durch Überhitzung zerstört werden. Die richtige Auslegung eines Systems berücksichtigt diese Faktoren, was eine  eine maximale Lebensdauer des Motors gewährleistet. Grundlage bildet die Festlegung der real benötigten Lebensdauer für die Applikation und die relevanten Betriebs- und Umgebungsbedingungen. Wenn diese einfachen Richtlinien befolgt werden, gewährleisten die Linearaktuatoren von HaydonTM einen zuverlässigen Betrieb für eine große Vielzahl von Applikationen. Wenn Sie Hilfe bei Ihrem Design benötigen, stehen bei Haydon Kerk Applikationsingenieure zur Verfügung, die Sie dabei unterstützen, mit Ihren Motoren eine optimale Lebensdauer und Leistung zu erzielen.