Linearer Schrittmotor: Design- und Auswahlleitfaden

1. Einführung in lineare Schrittmotoren

A linearer Schrittmotor wandelt digitale Impulse in um präzise lineare Bewegung ohne dass Rückkopplungssysteme erforderlich sind (Steuerung im offenen Regelkreis). Es wird häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine genaue Positionierung erfordern, wie zum Beispiel:

• 3D-Drucker

• CNC-Maschinen

• Medizinische Geräte

• Automatisierte Testausrüstung

• Optik und Lasersysteme

2. Wichtige Designüberlegungen

(1) Motortypen

Typ	Beschreibung	Vorteile	Nachteile	Anwendungen
Variable Reluktanz (VR)	Verwendet einen gezahnten Eisenrotor	Niedrige Kosten, einfaches Design	Geringeres Drehmoment, keine Rastkraft	Kostengünstige Positionierung
Permanentmagnet (PM)	Enthält einen magnetisierten Rotor	Höheres Drehmoment, bessere Haltekraft	Begrenzte Auflösung	Allgemeine Automatisierung
Hybrid (HB)	Kombiniert VR- und PM-Funktionen	Hohes Drehmoment, feine Auflösung	Teurer	Präzisionsmaschinen

(2) Kraft- und Geschwindigkeitsanforderungen

• Kraft (Schub):

♦ Berechnen Sie die erforderliche Kraft unter Berücksichtigung von Reibung, Beschleunigung und Nutzlast.

♦ Typischer Bereich: 1 N bis 500 N (höhere Kräfte erfordern möglicherweise Kugelumlaufspindeln).

• Geschwindigkeit:

♦ Schrittmotoren verlieren bei höheren Geschwindigkeiten an Drehmoment (verwenden Sie Mikroschritt für eine gleichmäßigere Bewegung).

(3) Auflösung und Genauigkeit

• Schrittwinkel: Üblich (1,8° oder 0,9° pro Vollschritt).

• Mikroschritt: Verbessert die Glätte (z. B. 1/16, 1/32 Mikroschritte).

• Auswahl der Spindel/Steigung: Beeinflusst die lineare Auflösung (z. B. 2 mm Steigung → 0,01 mm/Schritt bei Mikroschritt).

(4) Mechanische Integration

• Montage: Achten Sie auf eine korrekte Ausrichtung, um ein Festklemmen zu vermeiden.

• Spiel: Mit spielfreien Muttern oder vorgespannten Systemen minimieren.

• Kühlung: Vermeiden Sie eine Überhitzung mit Kühlkörpern oder Druckluft (bei Betrieb mit hoher Auslastung).

3. Auswahlprozess

Schritt 1: Anwendungsanforderungen definieren

• Lademasse (kg)

• Verfahrstrecke und Geschwindigkeit (mm/s)

• Positionierungsgenauigkeit (µm/mm)

• Arbeitszyklus (kontinuierlich/intermittierend)

Schritt 2: Erforderliche Kraft berechnen

Verwendung:

Ftotal=Faccel +Freibung+F Schwerkraft (wenn vertikal)

Wo:

Faccel=m×a (Masse × Beschleunigung)

Reibung =μ×m×g (µ = Reibungskoeffizient)

Schritt 3: Wählen Sie Motor & Antrieb

• Motorgröße: NEMA 17, 23, 34 (höherer Rahmen = mehr Drehmoment).

• Treiberauswahl:

♦ Konstantstrom (besseres Wärmemanagement)

♦ Mikroschrittfähigkeit (sanftere Bewegung)

♦ Nennspannung (höher = bessere Hochgeschwindigkeitsleistung)

Schritt 4: Leistung überprüfen

• Drehmoment-Drehzahl-Kurve: Sorgen Sie für ausreichende Kraft bei Betriebsgeschwindigkeit.

• Thermische Grenzwerte: Vermeiden Sie eine Überschreitung der Motortemperaturwerte.

4. Beispielauswahl für eine CNC-Maschine

Parameter	Wert
Masse laden	5 kg
Maximale Geschwindigkeit	200 mm/s
Beschleunigung	2 m/s²
Reisen	300 mm
Genauigkeit	±0,05 mm
Ausgewählter Motor	NEMA 23 Hybrid-Schrittmotor
Fahrer	48 V, 1/32 Mikroschritt
Leitspindel	5-mm-Teilung, spielfreie Mutter

5. Häufige Fehler, die es zu vermeiden gilt

❌ Motor mit geringer Leistung → Abwürgen bei hohen Geschwindigkeiten.
❌ Schlechte Kühlung → Überhitzung im Dauerbetrieb.
❌ Falsches Mikrostepping → Vibrations-/Resonanzprobleme.
❌ Mechanische Fehlausrichtung → Erhöhter Verschleiß und verringerte Genauigkeit.

6. Fazit

► Hybrid-Stepper bieten das beste Gleichgewicht zwischen Drehmoment und Präzision.

► Mikroschritttreiber verbessern die Laufruhe und reduzieren Geräusche.

► Die richtige Kraftberechnung gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb.

Für Hochgeschwindigkeits-/Hochpräzisionsanforderungen sollten Sie Folgendes in Betracht ziehen Stepper mit geschlossenem Regelkreis oder lineare Servomotoren als Alternativen.