NEMA 17, NEMA 23 und NEMA 34 bei Schrittmotoren erklärt
Baugrößen, Kantenmaß, technische Bezeichnungen und wichtige Einheiten für Entwickler
Wer nach einem Schrittmotor sucht, stößt sehr schnell auf Bezeichnungen wie NEMA 17, NEMA 23 oder NEMA 34. Besonders häufig werden diese Angaben verwendet, um Schrittmotoren mechanisch einzuordnen. Viele Anwender gehen jedoch fälschlicherweise davon aus, dass eine NEMA Größe automatisch etwas über Drehmoment, Leistung oder Qualität des Motors aussagt.
Das ist technisch falsch.
NEMA beschreibt bei Schrittmotoren in erster Linie die Baugröße der Montagefläche beziehungsweise das ungefähre Flanschmaß. Ein NEMA 17 Schrittmotor hat typischerweise ein Kantenmaß von etwa 42 mm. Ein NEMA 23 Schrittmotor liegt bei etwa 56 mm. Ein NEMA 34 Schrittmotor besitzt ein Kantenmaß von etwa 85 bis 86 mm.
Die NEMA Größe ist damit ein guter mechanischer Einstieg. Für die richtige Motorauswahl reicht sie aber nicht aus. Entscheidend sind zusätzlich Drehmoment, Drehzahl, Phasenstrom, Induktivität, Wicklung, Versorgungsspannung, Rotorträgheit, thermisches Verhalten und die konkrete Anwendung.
Was bedeutet NEMA bei Schrittmotoren?
NEMA steht für National Electrical Manufacturers Association. Die Angabe stammt aus dem amerikanischen Zollsystem. Die Zahl hinter NEMA beschreibt näherungsweise die Größe des Motorflansches in Zehntel Zoll.
Ein Beispiel:
Ein NEMA 17 Schrittmotor hat ungefähr einen Flansch von 1,7 Zoll.
1,7 Zoll entsprechen rechnerisch etwa 43,2 mm.
In der Praxis wird diese Baugröße meist als 42 mm Schrittmotor bezeichnet.
Das bedeutet:
| NEMA Größe | Bedeutung | Typisches Kantenmaß |
|---|---|---|
| NEMA 17 | ca. 1,7 Zoll Flanschgröße | ca. 42 mm |
| NEMA 23 | ca. 2,3 Zoll Flanschgröße | ca. 56 mm |
| NEMA 34 | ca. 3,4 Zoll Flanschgröße | ca. 85 bis 86 mm |
Wichtig ist: Die NEMA Zahl ist keine metrische Maßangabe. NEMA 17 bedeutet also nicht 17 mm. NEMA 23 bedeutet nicht 23 mm. Die Zahl bezieht sich auf Zoll.
NEMA Tabelle für Schrittmotoren
| NEMA Baugröße | Typisches Kantenmaß | Häufige metrische Bezeichnung | Typischer Einsatzbereich |
|---|---|---|---|
| NEMA 8 | ca. 20 mm | 20er Baugröße | kleine Geräte, Mikropositionierung |
| NEMA 11 | ca. 28 mm | 28er Baugröße | Laborgeräte, kleine Ventile, kompakte Versteller |
| NEMA 14 | ca. 35 mm | 35er Baugröße | Medizintechnik, kleine Automatisierungssysteme |
| NEMA 16 | ca. 39 bis 42 mm | 40er bis 42er Baugröße | kompakte Industrieantriebe, Sonderbauformen |
| NEMA 17 | ca. 42 mm | 42er Baugröße | 3D Drucker, Laborautomation, kleine Linearachsen |
| NEMA 23 | ca. 56 mm | 56er Baugröße | Maschinenbau, Handling, Positionierachsen |
| NEMA 24 | ca. 60 mm | 60er Baugröße | höhere Drehmomente bei ähnlichem Bauraum wie NEMA 23 |
| NEMA 34 | ca. 85 bis 86 mm | 85er Baugröße | größere Achsen, Sondermaschinen, robuste Industrieantriebe |
| NEMA 42 | ca. 110 mm | 110er Baugröße | schwere Positionieraufgaben |
NEMA 16 und NEMA 17: Gleiches Flanschmaß?
Hier muss man sauber formulieren.
NEMA 16 und NEMA 17 liegen mechanisch sehr nah beieinander. In vielen Fällen werden sie mit ähnlichem oder sogar gleichem Flanschmaß und Bohrbild ausgeführt. Trotzdem ist die Gleichsetzung nicht automatisch normativ garantiert.
In der Praxis bedeutet das:
| Baugröße | Rechnerischer Ursprung | Praxismaß |
|---|---|---|
| NEMA 16 | ca. 1,6 Zoll | ca. 40 bis 42 mm |
| NEMA 17 | ca. 1,7 Zoll | ca. 42 mm |
Viele Hersteller führen NEMA 16 und NEMA 17 in sehr ähnlichen mechanischen Abmessungen aus. Für Entwickler ist aber entscheidend, nicht nur die NEMA Bezeichnung zu prüfen, sondern die konkrete Maßzeichnung.
Wichtig sind:
| Merkmal | Warum es wichtig ist |
|---|---|
| Kantenmaß | bestimmt den verfügbaren Einbauraum |
| Bohrbild | entscheidet über Austauschbarkeit |
| Zentrierbund | wichtig für präzise mechanische Ausrichtung |
| Wellendurchmesser | relevant für Kupplung, Zahnrad oder Spindel |
| Baulänge | beeinflusst Drehmoment und Massenträgheit |
Kurz gesagt:
NEMA 16 und NEMA 17 können mechanisch sehr ähnlich sein. Für eine sichere Konstruktion zählt aber immer die technische Zeichnung, nicht nur die NEMA Angabe.
Was NEMA nicht aussagt
Ein großer Fehler bei der Motorauswahl ist die Annahme, dass ein größerer NEMA Motor automatisch besser ist.
Das stimmt nicht.
Die NEMA Größe sagt nichts Sicheres aus über:
| Größe | Warum sie nicht aus NEMA ableitbar ist |
|---|---|
| Drehmoment | hängt von Magnetkreis, Baulänge, Wicklung und Strom ab |
| Drehzahlverhalten | hängt stark von Induktivität und Versorgungsspannung ab |
| Erwärmung | hängt von Strom, Verlustleistung, Montage und Umgebung ab |
| Positioniergenauigkeit | hängt von Last, Mechanik, Spiel, Steuerung und Schrittauflösung ab |
| Lebensdauer | hängt von Lagerung, Lasten, Temperatur und Umgebung ab |
| Laufruhe | hängt von Steuerung, Resonanzen, Mikroschritt und Mechanik ab |
Ein kurzer NEMA 23 Motor kann weniger Drehmoment liefern als ein langer NEMA 17 Motor. Ein großer NEMA 34 Motor kann in einer dynamischen Anwendung schlechter beschleunigen als ein kleinerer, besser ausgelegter Motor.
Die NEMA Größe ist also keine Leistungsangabe. Sie ist eine mechanische Orientierung.
NEMA 17, NEMA 23 und NEMA 34 im direkten Vergleich
| Baugröße | Kantenmaß | Charakter | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| NEMA 17 | ca. 42 mm | kompakt, weit verbreitet, gutes Verhältnis aus Bauraum und Drehmoment | kleine Linearachsen, Dosierer, Laborgeräte, 3D Drucker |
| NEMA 23 | ca. 56 mm | deutlich mehr Bauvolumen, höhere Drehmomente möglich | Maschinenbau, Handling, Automatisierung |
| NEMA 34 | ca. 85 bis 86 mm | großer Industriemotor mit hoher Kraftreserve | schwere Achsen, größere Versteller, Sondermaschinen |
Für Entwickler ist nicht die Frage entscheidend:
Welche NEMA Größe ist stärker?
Die bessere Frage lautet:
Welche Baugröße liefert im konkreten Lastfall ausreichend Drehmoment, Dynamik und thermische Reserve?
Wichtige technische Bezeichnungen bei Schrittmotoren
Kantenmaß
Das Kantenmaß beschreibt die äußere Breite und Höhe des quadratischen Motorflansches. Bei einem NEMA 17 Motor liegt es typischerweise bei etwa 42 mm.
Baulänge
Die Baulänge beeinflusst stark das verfügbare Drehmoment. Ein längerer Motor besitzt meist mehr aktives Material, kann aber auch eine höhere Rotorträgheit haben.
Schrittwinkel
Der Schrittwinkel gibt an, wie weit sich der Motor bei einem Vollschritt dreht.
| Schrittwinkel | Schritte pro Umdrehung |
|---|---|
| 1,8° | 200 |
| 0,9° | 400 |
| 7,5° | 48 |
| 15° | 24 |
Ein kleinerer Schrittwinkel verbessert die Grundauflösung, ersetzt aber keine saubere mechanische Auslegung.
Haltemoment
Das Haltemoment ist das Drehmoment, das ein bestromter Motor im Stillstand halten kann. Es wird meist in Ncm oder Nm angegeben.
Wichtig: Das Haltemoment ist nicht das Drehmoment bei Drehzahl. Bei steigender Drehzahl sinkt das verfügbare Drehmoment.
Rastmoment
Das Rastmoment ist das fühlbare Einrasten des Motors ohne Bestromung. Es entsteht durch Permanentmagnet, Rotorzähne und Statorgeometrie.
Ein hohes Rastmoment kann in manchen Anwendungen stören, zum Beispiel bei sehr ruhigem Lauf oder feiner Positionierung.
Phasenstrom
Der Phasenstrom ist der Strom, der durch eine Motorwicklung fließt. Er wird in Ampere angegeben.
Mehr Strom bedeutet nicht automatisch besser. Zu hoher Strom führt zu Erwärmung, höheren Verlusten und möglicherweise reduzierter Lebensdauer.
Phasenwiderstand
Der Phasenwiderstand wird in Ohm angegeben. Zusammen mit dem Strom bestimmt er die ohmschen Verluste der Wicklung.
Induktivität
Die Induktivität wird meist in mH angegeben. Sie beschreibt, wie stark die Wicklung den Stromanstieg verzögert.
Eine hohe Induktivität kann bei höheren Drehzahlen problematisch sein, weil der Strom nicht schnell genug aufgebaut wird. Dadurch verliert der Motor Drehmoment.
Technische Einheiten bei Schrittmotoren
| Größe | Formelzeichen | Einheit | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| Drehmoment | M | Nm, Ncm | Kraftwirkung an der Welle |
| Drehzahl | n | min⁻¹ | Umdrehungen pro Minute |
| Winkel | α | ° | Schrittwinkel oder Drehwinkel |
| Strom | I | A | Phasenstrom |
| Spannung | U | V | Wicklungs oder Versorgungsspannung |
| Widerstand | R | Ω | Wicklungswiderstand |
| Induktivität | L | H, mH | Stromanstiegsverhalten der Wicklung |
| Leistung | P | W | elektrische oder mechanische Leistung |
| Trägheitsmoment | J | kgm², gcm² | Widerstand gegen Beschleunigung |
| Kraft | F | N | lineare Kraft, zum Beispiel bei Spindeln |
| Weg | s | mm | lineare Bewegung |
| Steigung | p | mm/U | Spindelweg pro Umdrehung |
| Schrittfrequenz | f | Hz | Schritte pro Sekunde |
| Temperatur | T | °C, K | thermische Belastung |
Magnetfluss und magnetische Flussdichte beim Schrittmotor
Ein Schrittmotor erzeugt Drehmoment durch ein magnetisches Feld. Dieses Feld entsteht aus dem Zusammenspiel von Wicklung, Strom, Eisenkern, Permanentmagnet, Rotorzähnen, Statorzähnen und Luftspalt.
Magnetischer Fluss
Der magnetische Fluss beschreibt die gesamte magnetische Wirkung durch eine Fläche.
| Größe | Formelzeichen | Einheit |
|---|---|---|
| Magnetischer Fluss | Φ | Weber, Wb |
Vereinfacht gesagt: Der magnetische Fluss beschreibt, wie viel Magnetfeld durch einen Bereich des Motors geführt wird.
Magnetische Flussdichte
Die magnetische Flussdichte beschreibt, wie stark der magnetische Fluss auf eine Fläche konzentriert ist.
| Größe | Formelzeichen | Einheit |
|---|---|---|
| Magnetische Flussdichte | B | Tesla, T |
Eine höhere Flussdichte kann zu höherem Drehmoment beitragen. Aber auch hier gibt es Grenzen. Wird das Eisenmaterial magnetisch gesättigt, bringt zusätzlicher Strom kaum noch mehr Drehmoment, erzeugt aber mehr Wärme.
Magnetische Feldstärke
| Größe | Formelzeichen | Einheit |
|---|---|---|
| Magnetische Feldstärke | H | A/m |
Die magnetische Feldstärke beschreibt die erregende Wirkung des Stroms in der Wicklung.
Permeabilität
| Größe | Formelzeichen | Einheit |
|---|---|---|
| Permeabilität | μ | H/m |
Die Permeabilität beschreibt, wie gut ein Material magnetischen Fluss leitet. Eisenwerkstoffe leiten magnetischen Fluss deutlich besser als Luft. Deshalb ist der Luftspalt im Schrittmotor besonders kritisch.
Warum der Luftspalt so wichtig ist
Der Luftspalt zwischen Rotor und Stator ist klein, aber technisch entscheidend. Luft leitet magnetischen Fluss viel schlechter als Eisen. Deshalb beeinflusst der Luftspalt das Drehmoment erheblich.
Ein kleiner Luftspalt verbessert die magnetische Kopplung, stellt aber hohe Anforderungen an Fertigung, Rundlauf, Lagerung und thermische Ausdehnung. Ein zu großer Luftspalt reduziert das verfügbare Drehmoment.
Bei kundenspezifischen Motoren ist das besonders wichtig. Wenn Welle, Lagerung, Flansch, Spindel oder Gehäuse angepasst werden, darf die magnetische Auslegung nicht zerstört werden.
Warum Induktivität und Versorgungsspannung zusammengehören
Viele Anwender schauen zuerst auf das Haltemoment. Für dynamische Anwendungen ist aber die Induktivität oft genauso wichtig.
Die Wicklung eines Schrittmotors wirkt elektrisch wie eine Spule. Der Strom steigt nicht sofort an, sondern zeitverzögert. Bei niedriger Drehzahl ist das meist unkritisch. Bei hoher Schrittfrequenz bleibt aber immer weniger Zeit, um den Strom vollständig aufzubauen.
Das Ergebnis:
Der Motor verliert Drehmoment bei steigender Drehzahl.
Eine höhere Versorgungsspannung der Steuerung kann helfen, den Strom schneller aufzubauen. Deshalb werden Schrittmotoren häufig mit Steuerungen betrieben, deren Versorgungsspannung deutlich höher ist als die rechnerische Wicklungsspannung.
Wichtig:
Die Motorspannung im Datenblatt ist nicht automatisch die richtige Netzteilspannung. Entscheidend sind Stromregelung, Wicklungsdaten, Drehzahlbereich und Steuerung.
Häufige Fehler bei der Auswahl nach NEMA Größe
| Fehler | Folge |
|---|---|
| Auswahl nur nach NEMA Größe | Motor passt mechanisch, funktioniert aber elektrisch nicht optimal |
| Haltemoment mit Betriebsdrehmoment verwechselt | Motor verliert bei Drehzahl Kraft |
| Induktivität ignoriert | Drehmoment bricht bei höheren Drehzahlen ein |
| Versorgungsspannung falsch gewählt | schlechte Dynamik oder Überlastung |
| Motor zu groß gewählt | hohe Trägheit, mehr Wärme, höhere Kosten |
| Baulänge nicht beachtet | Kollision im Einbauraum oder falsche Drehmomentannahme |
| Welle und Lagerkräfte nicht geprüft | reduzierte Lebensdauer |
| Thermik unterschätzt | Überhitzung, Schrittverluste, Ausfallrisiko |
| NEMA 16 und NEMA 17 blind gleichgesetzt | Montageprobleme durch abweichende Zeichnung |
Welche Daten braucht man für die richtige Schrittmotorauswahl?
Für eine saubere Auslegung reicht die Angabe „NEMA 17“ oder „NEMA 23“ nicht aus. Benötigt werden mindestens:
| Angabe | Warum sie wichtig ist |
|---|---|
| gewünschte Bewegung | Rotation, Linearbewegung, Ventilstellung, Dosierung |
| Lastmoment | Grundlage für Motorauswahl |
| Drehzahlbereich | bestimmt nutzbares Drehmoment |
| Beschleunigung | relevant für Dynamik und Trägheit |
| Bauraum | begrenzt NEMA Größe und Baulänge |
| Versorgungsspannung | beeinflusst Drehzahlverhalten |
| Steuerung | bestimmt Stromregelung und Mikroschritt |
| Einschaltdauer | wichtig für Erwärmung |
| Umgebungstemperatur | bestimmt thermische Reserve |
| mechanische Lasten | Radialkraft, Axialkraft, Kupplung, Spindel |
| Lebensdauerforderung | relevant für Lagerung und Materialpaarung |
| Schutzart | wichtig bei Staub, Feuchtigkeit oder aggressiven Medien |
FAQ
Was bedeutet NEMA 17?
NEMA 17 bezeichnet eine Schrittmotor Baugröße mit einem typischen Kantenmaß von etwa 42 mm. Die Angabe beschreibt hauptsächlich die mechanische Flanschgröße.
Was bedeutet NEMA 23?
NEMA 23 bezeichnet eine größere Schrittmotor Baugröße mit einem typischen Kantenmaß von etwa 56 mm. Diese Motoren werden häufig im Maschinenbau und in Automatisierungsachsen eingesetzt.
Was bedeutet NEMA 34?
NEMA 34 bezeichnet eine große Schrittmotor Baugröße mit etwa 85 bis 86 mm Kantenmaß. Diese Motoren werden für höhere Lasten und robuste Industrieanwendungen verwendet.
Haben NEMA 16 und NEMA 17 das gleiche Flanschmaß?
Oft sind NEMA 16 und NEMA 17 mechanisch sehr ähnlich. In manchen Ausführungen können Flanschmaß und Bohrbild nahezu gleich oder identisch sein. Sicher ist das aber nur über die konkrete Maßzeichnung des Herstellers.
Sagt NEMA etwas über das Drehmoment aus?
Nein. Die NEMA Größe beschreibt hauptsächlich die mechanische Baugröße. Das Drehmoment hängt von Baulänge, Magnetkreis, Wicklung, Strom, Induktivität und thermischer Auslegung ab.
Ist ein größerer NEMA Motor immer besser?
Nein. Ein größerer Motor kann mehr Drehmoment liefern, besitzt aber meist auch mehr Trägheit, mehr Gewicht, höhere Kosten und mehr Wärmeentwicklung.
Welche Einheit hat das Drehmoment beim Schrittmotor?
Das Drehmoment wird meist in Ncm oder Nm angegeben. 1 Nm entspricht 100 Ncm.
Welche Einheit hat die Induktivität?
Die Induktivität wird meist in mH angegeben. Sie beeinflusst, wie schnell der Strom in der Motorwicklung aufgebaut werden kann.
Was ist magnetische Flussdichte?
Die magnetische Flussdichte beschreibt die Stärke des magnetischen Feldes bezogen auf eine Fläche. Die Einheit ist Tesla.
Fazit
NEMA 17, NEMA 23 und NEMA 34 sind wichtige Begriffe zur mechanischen Einordnung von Schrittmotoren. Sie beschreiben vor allem das ungefähre Kantenmaß des Motorflansches. Ein NEMA 17 Motor entspricht typischerweise der 42 mm Baugröße, ein NEMA 23 Motor der 56 mm Baugröße und ein NEMA 34 Motor der 85 mm Baugröße.
Für die technische Auslegung reicht die NEMA Größe jedoch nicht aus. Entscheidend sind Drehmoment, Drehzahl, Phasenstrom, Induktivität, Versorgungsspannung, Rotorträgheit, Magnetkreis, thermisches Verhalten und mechanische Integration.
Die beste Motorauswahl beginnt deshalb nicht mit der Frage „Welche NEMA Größe brauche ich?“, sondern mit der Anwendung: Welche Last muss bewegt werden, welche Geschwindigkeit wird benötigt, welche Temperatur herrscht im System und welche mechanischen Randbedingungen sind vorgegeben?
NEMA ist der Startpunkt der Auswahl, nicht die Auslegung selbst.