Welchen Schrittmotor brauche ich?

Drehmoment richtig berechnen (inkl. Beispiel)

Bei der Auswahl eines Schrittmotors stellen Entwickler fast immer dieselbe Frage: Welchen Schrittmotor brauche ich eigentlich für meine Anwendung?

Die Antwort hängt in erster Linie vom benötigten Drehmoment ab. Wird der Motor zu klein gewählt, verliert er Schritte oder erreicht die gewünschte Geschwindigkeit nicht. Wird er zu groß dimensioniert, steigen Kosten, Baugröße und Energieverbrauch unnötig.

Eine saubere Berechnung des benötigten Drehmoments ist daher der wichtigste Schritt bei der Auslegung eines Schrittmotors.

Warum das Drehmoment entscheidend ist

Das Drehmoment beschreibt die Kraft, mit der ein Motor eine Drehbewegung ausführt.

Bei Schrittmotoren muss das Drehmoment ausreichen, um:

• die mechanische Last zu bewegen
• Reibung im System zu überwinden
• die gewünschte Beschleunigung zu erreichen
• Sicherheitsreserven für dynamische Effekte bereitzustellen

Besonders wichtig ist dabei ein Punkt, der oft unterschätzt wird:

Das verfügbare Drehmoment eines Schrittmotors sinkt mit steigender Drehzahl.

Ein Motor, der im Stillstand beispielsweise 0,8 Nm Haltemoment hat, liefert bei höheren Drehzahlen oft nur noch einen Bruchteil davon.

Die grundlegende Drehmomentformel

Das benötigte Drehmoment lässt sich aus Kraft und Hebelarm berechnen.

$$M = F \cdot r$$

M=F⋅r

Dabei gilt:

M = Drehmoment
F = Kraft
r = Radius bzw. Hebelarm

Diese einfache Beziehung ist die Basis jeder Motorauslegung.

Typische Lastfälle in der Praxis

In realen Anwendungen treten verschiedene mechanische Lastsituationen auf.

1 Rotierende Lasten

Bei einer rotierenden Masse muss der Motor das Trägheitsmoment beschleunigen.

2 Linearbewegungen

Bei Spindel oder Zahnriemen muss der Motor eine lineare Kraft erzeugen.

3 Reibung

Lager, Führungen oder Dichtungen erzeugen zusätzliche Kräfte.

4 Dynamik

Je schneller beschleunigt werden soll, desto höher wird das benötigte Drehmoment.

Beispiel: Schrittmotor für eine Spindel berechnen

Angenommen eine Spindel soll eine lineare Kraft von 100 N erzeugen.

Die Spindelsteigung beträgt 5 mm pro Umdrehung.

Zuerst wird das Drehmoment berechnet.

Formel für Spindelantriebe:

$$M = \frac{F \cdot p}{2\pi \cdot \eta}$$

M=2π⋅ηF⋅p​

Dabei gilt:

F = Kraft
p = Steigung der Spindel
η = Wirkungsgrad der Spindel

Beispielrechnung

Kraft: 100 N
Spindelsteigung: 5 mm = 0,005 m
Wirkungsgrad: 0,8

$$M = \frac{100 \cdot 0.005}{2\pi \cdot 0.8}$$

M=2π⋅0.8100⋅0.005​

Ergebnis:

$$M \approx 0.1 \, Nm$$

M≈0.1Nm

Das bedeutet:
Der Motor muss mindestens 0,1 Nm Drehmoment liefern.

Sicherheitsfaktor berücksichtigen

In der Praxis wird immer ein Sicherheitsfaktor verwendet.

Typische Faktoren:

• 1,5 für einfache Anwendungen
• 2 für industrielle Systeme
• 3 oder mehr bei hoher Dynamik

Mit Faktor 2 ergibt sich:

0,1 Nm × 2 = 0,2 Nm erforderliches Motordrehmoment.

Drehzahl nicht vergessen

Jetzt kommt der entscheidende Schritt.

Der Motor muss dieses Drehmoment bei der benötigten Drehzahl liefern.

Dazu wird die Drehzahl berechnet.

Beispiel:

Gewünschte Geschwindigkeit: 50 mm/s
Spindelsteigung: 5 mm

$$n = \frac{v}{p}$$

$$n = \frac{50}{5}$$

n=550​

Ergebnis:

10 Umdrehungen pro Sekunde = 600 rpm

Jetzt muss geprüft werden, ob der ausgewählte Schrittmotor bei 600 rpm noch mindestens 0,2 Nm liefert.

Hier hilft die Drehmoment Frequenz Kennlinie des Motors.

Typische Fehler bei der Motorauswahl

Viele Probleme mit Schrittmotoren entstehen durch falsche Auslegung.

Die häufigsten Fehler sind:

1 Haltemoment wird mit Arbeitsdrehmoment verwechselt

Das Haltemoment gilt nur im Stillstand.

2 Drehzahl wird unterschätzt

Das Drehmoment fällt mit steigender Drehzahl stark ab.

3 Beschleunigung wird ignoriert

Dynamische Lasten können das benötigte Drehmoment deutlich erhöhen.

4 Sicherheitsfaktor fehlt

Ohne Reserve kann der Motor im Grenzbereich arbeiten.

Weitere wichtige Auswahlkriterien

Neben dem Drehmoment spielen weitere Faktoren eine Rolle:

• Baugröße des Motors
• Versorgungsspannung
• Induktivität der Wicklung
• Treiber bzw. Steuerung
• gewünschte Laufruhe (Microstepping)

Gerade die Kombination aus Motor und Steuerung entscheidet häufig über die tatsächliche Leistungsfähigkeit des Systems.

Praxislösung: abgestimmte Antriebssysteme

In vielen Anwendungen reicht es nicht aus, nur einen Motor zu wählen.

Erst das Zusammenspiel aus:

• Schrittmotor
• Motortreiber
• Steuerung
• Mechanik

bestimmt, wie stabil und effizient ein Antrieb arbeitet.

Bei der MICROSTEP GmbH werden deshalb komplette Antriebssysteme entwickelt, bei denen Motor, Mechanik und Elektronik aufeinander abgestimmt sind. Dadurch lassen sich auch anspruchsvolle Anwendungen in der Medizintechnik, Automatisierung oder Ventilsteuerung zuverlässig realisieren.

Fazit

Die Frage „Welchen Schrittmotor brauche ich?“ lässt sich nur beantworten, wenn das benötigte Drehmoment sauber berechnet wird.

Die wichtigsten Schritte sind:

1 mechanische Last bestimmen
2 Drehmoment berechnen
3 Sicherheitsfaktor einplanen
4 benötigte Drehzahl berücksichtigen
5 Drehmoment Frequenz Kennlinie prüfen

Wer diese Punkte berücksichtigt, kann Schrittmotoren zuverlässig auslegen und Schrittverluste vermeiden.