NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34 – Schrittmotor-Baugrößen technisch erklärt

Wer einen Schrittmotor auswählt, stößt sofort auf Bezeichnungen wie NEMA 17, NEMA 23 oder NEMA 34. Diese Angaben beschreiben die mechanische Baugröße des Motorflansches – keine Leistungsklasse, kein Drehmomentwert, keine Qualitätsstufe. Die NEMA-Zahl ist der Startpunkt der Motorauswahl, nicht die Auslegung selbst.

Dieser Beitrag erklärt, was NEMA bedeutet, welche technischen Parameter wirklich entscheiden und wie eine vollständige Schrittmotorauslegung in der Praxis aussieht.

Was bedeutet NEMA bei Schrittmotoren?

NEMA steht für National Electrical Manufacturers Association. Die Zahl hinter NEMA beschreibt näherungsweise die Flanschgröße des Motors in Zehntel Zoll – nicht in Millimeter. NEMA 17 bedeutet also nicht 17 mm, sondern etwa 1,7 Zoll Flanschdurchmesser.

NEMA-Größe	Rechnerischer Ursprung	Kantenmaß (typisch)	Lochkreis	Zentrierbund
NEMA 8	ca. 0,8 Zoll	ca. 20 mm	16 mm	15 mm
NEMA 11	ca. 1,1 Zoll	ca. 28 mm	23 mm	22 mm
NEMA 14	ca. 1,4 Zoll	ca. 35 mm	26 mm	22 mm
NEMA 17	ca. 1,7 Zoll	ca. 42 mm	31 mm	22 mm
NEMA 23	ca. 2,3 Zoll	ca. 56 mm	47,1 mm	38,1 mm
NEMA 34	ca. 3,4 Zoll	ca. 85–86 mm	69,6 mm	73 mm
NEMA 42	ca. 4,2 Zoll	ca. 110 mm	88,9 mm	100 mm

NEMA 16 vs. NEMA 17: Beide liegen bei ca. 40–42 mm Kantenmaß. Bohrbild und Zentrierbund können je nach Hersteller identisch sein – normativ garantiert ist das nicht. Immer die Maßzeichnung des Herstellers prüfen.

→ Integration von Schrittmotoren in Maschinen – Fachbeitrag

Was NEMA nicht aussagt – und was stattdessen zählt

Die NEMA-Größe beschreibt Flanschmaß und Bohrbild. Sie sagt nichts Verbindliches über die folgenden Parameter aus:

Parameter	Bestimmende Größen
Haltemoment	Magnetkreis, Baulänge, Wicklung, Phasenstrom
Betriebsdrehmoment	Induktivität, Versorgungsspannung, Schrittfrequenz
Thermik	Verlustleistung, Einschaltdauer, Montage, Umgebung
Positioniergenauigkeit	Schrittauflösung, Steuerung, Mechanik, Spiel
Laufruhe	Rastmoment, Resonanzen, Mikroschrittbetrieb
Lebensdauer	Lagerung, Radialkraft, Axialkraft, Temperatur

Drehmoment-Drehzahl-Kurve: das wichtigste Diagramm bei Schrittmotoren

Das Datenblatt-Haltemoment gilt nur im bestromten Stillstand. Mit steigender Schrittfrequenz sinkt das verfügbare Drehmoment – nicht linear, sondern kurvenförmig. Die Kennlinie hat zwei Bereiche:

• Pull-in-Kurve (Mitnahmebereich): Maximales Drehmoment, bei dem der Motor aus dem Stand ohne Rampe sicher anläuft. Für die Praxis meist irrelevant, da Rampen Standard sind.
• Pull-out-Kurve (Ausreißkurve): Maximales Drehmoment bei laufendem Motor mit Beschleunigungsrampe. Das ist die für die Auslegung entscheidende Kurve.

Der Drehmomentverlauf bei steigender Drehzahl lässt sich vereinfacht beschreiben durch:

M(f) ≈ M₀ · 1 / √(1 + (f / f_c)²)

Dabei ist M₀ das Haltemoment, f die Schrittfrequenz in Hz und f_c die Eckfrequenz, ab der das Drehmoment deutlich abfällt. Die Eckfrequenz hängt direkt von der elektrischen Zeitkonstante der Wicklung ab.

Sicherheitsfaktor: Das Lastmoment sollte bei der geplanten Betriebsdrehzahl mit Faktor 1,5–2,0 unter der Pull-out-Kurve liegen, um Schrittverluste durch Resonanzen, Lastspitzen und Temperatureinflüsse zu vermeiden.

Induktivität und L/R-Zeitkonstante

Der häufigste Fehler bei der Motorauswahl: Das Haltemoment entscheidet, die Induktivität wird ignoriert.

Die elektrische Zeitkonstante der Wicklung:

τ = L / R

Größe	Formelzeichen	Einheit
Zeitkonstante	τ	ms
Induktivität	L	mH
Phasenwiderstand	R	Ω

Beispiel: Motor mit L = 10 mH, R = 2 Ω → τ = 5 ms. Bei einer Schrittfrequenz von 1000 Hz beträgt die verfügbare Zeit pro Schritt nur 1 ms – der Strom kann sich nicht vollständig aufbauen. Das Drehmoment bricht ein.

Konsequenzen für die Auslegung

• Motoren mit niedriger Induktivität (1–3 mH) eignen sich für hohe Drehzahlen.
• Motoren mit hoher Induktivität (10–30 mH) liefern mehr Haltemoment, verlieren aber früher Drehmoment.
• Die Versorgungsspannung der Steuerung muss so gewählt sein, dass der Strom trotz Induktivität schnell genug aufgebaut wird.

Der Stromanstieg wird beschrieben durch:

di/dt = (U_versorgung − U_gegen) / L

Typisch: Steuerungen mit 24–80 V Versorgungsspannung, obwohl die Nennspannung der Motorwicklung nur 3–12 V beträgt. Die Stromregelung der Steuerung verhindert Überstrom.

→ Schrittmotoren präzise steuern – Steuerarten im Vergleich

Rotorträgheit – kritisch für Beschleunigung und Systemauslegung

Das Trägheitsmoment des Rotors bestimmt, wie schnell ein Schrittmotor beschleunigen kann. Es wächst mit der vierten Potenz des Rotordurchmessers – größere NEMA-Motoren haben überproportional mehr Trägheit.

J_Zylinder = (1/2) · m · r²

Für die Gesamtauslegung gilt das Trägheitsverhältnis:

J_Last / J_Rotor ≤ 3 ... 10

Wird dieses Verhältnis überschritten, dominiert die Last die Dynamik. Der Motor kann Beschleunigungsrampen nicht mehr sicher folgen – Schrittverluste entstehen.

Typische Rotor-Trägheitsmomente (Richtwerte)

NEMA-Größe	Baulänge	J_Rotor (typisch)
NEMA 17	kurz	ca. 35–68 g·cm²
NEMA 17	lang	ca. 68–120 g·cm²
NEMA 23	kurz	ca. 150–300 g·cm²
NEMA 23	lang	ca. 300–700 g·cm²
NEMA 34	kurz	ca. 1500–3000 g·cm²

Bei Spindelantrieben muss das auf die Motorwelle umgerechnete Trägheitsmoment der bewegten Masse berechnet werden:

J_Last_ref = m · (p / 2π)²

Dabei ist p die Spindelsteigung in m/U.

Magnetischer Kreis – Luftspalt, Flussdichte und Sättigung

Das Drehmoment eines Schrittmotors entsteht durch das Zusammenspiel von Magnetfeld und Rotorzähnen. Der magnetische Kreis durchläuft: Statorwicklung → Statoreisen → Luftspalt → Rotoreisen → Permanentmagnet → zurück.

Magnetische Grundgrößen

Größe	Formelzeichen	Einheit	Bedeutung
Magn. Fluss	Φ	Weber (Wb)	Gesamte magnetische Wirkung durch eine Fläche
Magn. Flussdichte	B	Tesla (T)	Feldstärke bezogen auf Querschnittsfläche
Magn. Feldstärke	H	A/m	Erregende Wirkung des Stroms
Permeabilität	μ	H/m	Magnetische Leitfähigkeit des Materials

B = μ₀ · μᵣ · H = Φ / A

Warum der Luftspalt kritisch ist

Luft hat μᵣ ≈ 1, Elektroblech hat μᵣ = 1.000–10.000. Ein Luftspalt von 0,05 mm hat magnetisch denselben Widerstand wie 50–500 mm Eisen. Schon kleine Luftspaltveränderungen durch Fertigungstoleranz, Lagerspiel oder thermische Ausdehnung beeinflussen das Drehmoment direkt.

Magnetische Sättigung

Wird der Eisenkern gesättigt, bringt zusätzlicher Strom kaum mehr Drehmoment – erzeugt aber weiter Wärme. In der Praxis erkennbar: Die Drehmoment-Strom-Kurve wird flach, obwohl der Motor heiß wird. Sättigungsbereich bei Elektroblechen: typisch B = 1,5–2,0 T.

Rastmoment (Detent Torque)

Das Rastmoment entsteht ohne Bestromung durch das Zusammenwirken von Permanentmagnet und Statorzähnen. Es ist keine Fehlerquelle, sondern eine Systemeigenschaft. In feinfühligen Positionieranwendungen oder bei sehr leisem Lauf kann es störend wirken. In anderen Fällen hilft es bei der Lagefixierung ohne Strom.

Thermisches Verhalten – Verlustleistung, Erwärmung, Grenzwerte

Ein Schrittmotor erzeugt im Vollschrittbetrieb auch im Stillstand Wärmeverluste, weil die Wicklungen dauerhaft bestromt sind.

Kupferverluste (dominanter Anteil)

P_Cu = I² · R_Phase · n_Phasen

Beispiel: 2-Phasen-Motor mit I = 2 A und R = 1,5 Ω je Phase:

P_Cu = 2² · 1,5 · 2 = 12 W

Zusätzlich entstehen Eisenverluste (Ummagnetisierung, Wirbelströme), die mit steigender Schrittfrequenz zunehmen.

Stationäre Erwärmung

ΔT_stationär = P_Verlust · R_th

Größe	Formelzeichen	Einheit
Temperaturdifferenz	ΔT	K
Verlustleistung	P	W
Thermischer Widerstand	R_th	K/W

Typische R_th-Werte (Wicklung zu Gehäuse): 1–5 K/W, je nach Baugröße und Montage. Die thermische Zeitkonstante liegt je nach Baugröße bei 15–60 Minuten. Kurze Betriebszyklen erlauben daher höhere Ströme als Dauerbetrieb.

Maximale Wicklungstemperatur: 130 °C (Isolationsklasse B) oder 155 °C (Klasse F). Wird dieser Wert überschritten, altert die Isolation beschleunigt – Lebensdauerminderung um Faktor 2 je 10 K Übertemperatur (Arrhenius-Regel).

Stromreduzierung im Stillstand: Moderne Schrittmotorsteuerungen reduzieren den Haltestrom automatisch auf 30–70 % des Betriebsstroms, wenn keine Bewegung stattfindet. Das reduziert die Verlustleistung erheblich, ohne die Positionssicherheit zu verlieren.

Resonanzverhalten – der unterschätzte Effekt

Schrittmotoren neigen bei bestimmten Schrittfrequenzen zu Resonanzerscheinungen. Der Rotor schwingt um seine Gleichgewichtslage und kann im schlimmsten Fall aus dem Tritt fallen.

Eigenfrequenz des ungekoppelten Systems

f₀ = (1 / 2π) · √(M_H · N_s / J_ges)

Dabei ist M_H das Haltemoment, N_s die Schritte pro Umdrehung und J_ges die Gesamtträgheit aus Rotor und Last. Typische Eigenfrequenzen: 50–200 Hz. In diesem Bereich sollte die Betriebsdrehzahl nicht dauerhaft liegen.

Gegenmaßnahmen

Maßnahme	Wirkung
Mikroschrittbetrieb	Reduziert Schrittimpuls-Amplitude, dämpft Resonanzen
Rampe durch Resonanzbereich	Keine Dauerbelastung im kritischen Frequenzbereich
Mechanische Dämpfung	Dämpfer an der Motorwelle
Angepasste Last	Höhere Lastträgheit dämpft den Rotor

Mikroschrittbetrieb – Auflösung und Wirklichkeit

Mikroschrittbetrieb zerlegt jeden Vollschritt durch sinusförmige Stromprofilierung der beiden Phasen in kleinere Teilschritte:

I_A = I_max · sin(α)
I_B = I_max · cos(α)

Modus	Schritte/Umdrehung (bei 1,8°-Motor)	Theoretische Auflösung
Vollschritt	200	1,8°
Halbschritt	400	0,9°
1/4-Schritt	800	0,45°
1/8-Schritt	1.600	0,225°
1/16-Schritt	3.200	0,1125°
1/32-Schritt	6.400	0,05625°
1/256-Schritt	51.200	0,007°

Wichtig: Die mechanische Positioniergenauigkeit verbessert sich bei Mikroschrittbetrieb nur begrenzt. Fertigungstoleranzen im Magnetkreis, Rastmoment und Lastmoment limitieren die tatsächliche Positionsgenauigkeit auf ca. ±3–5 % eines Vollschritts – unabhängig von der gewählten Mikroschrittauflösung. Mikroschrittbetrieb verbessert primär Laufruhe und reduziert Resonanzanfälligkeit.

→ SmartStep – Schrittmotorsteuerung mit Mikroschrittbetrieb von MICROSTEP

Lager, Radialkraft und Axialkraft

Die Lagerlebensdauer wird bei Schrittmotoren häufig unterschätzt. Standardmotoren sind mit Rillenkugellagern für definierte Radial- und Axialkräfte ausgelegt.

Typische Grenzwerte (Richtwerte, herstellerabhängig)

NEMA-Größe	Max. Radialkraft (Wellenende)	Max. Axialkraft
NEMA 17	28–40 N	15–20 N
NEMA 23	60–100 N	30–50 N
NEMA 34	150–250 N	80–120 N

Lagerlebensdauer nach L10

L10 = (C / P)³ · 10⁶ Umdrehungen

Dabei ist C die dynamische Tragzahl und P die äquivalente dynamische Lagerbelastung. Erhöhte Radiallasten durch Riemenantriebe, Spindeln ohne Abstützung oder Kupplungsfehlausrichtung reduzieren die Lagerlebensdauer überproportional.

Empfehlung bei hohen Querkräften: Wellenabstützung durch separates Lager oder Einsatz von Motoren mit verstärkter Lagerung. MICROSTEP bietet kundenspezifische Anpassungen für erhöhte Lagerkräfte.

Technische Einheiten bei Schrittmotoren

Größe	Formelzeichen	Einheit	Bedeutung
Drehmoment	M	Nm, Ncm	Kraftwirkung an der Welle
Drehzahl	n	min⁻¹	Umdrehungen pro Minute
Schrittwinkel	α	°	Drehwinkel je Schritt
Phasenstrom	I	A	Strom je Wicklung
Phasenwiderstand	R	Ω	Ohmsche Wicklungsverluste
Induktivität	L	mH	Stromanstiegsverhalten der Wicklung
Trägheitsmoment	J	kg·m², g·cm²	Widerstand gegen Beschleunigung
Magn. Fluss	Φ	Wb (Weber)	Magnetische Wirkung durch Fläche
Magn. Flussdichte	B	T (Tesla)	Feldstärke je Fläche
Magn. Feldstärke	H	A/m	Erregende Wirkung des Stroms
Permeabilität	μ	H/m	Magnetische Leitfähigkeit
Schrittfrequenz	f	Hz	Schritte pro Sekunde
Thermischer Widerstand	R_th	K/W	Wärmewiderstand des Motors
Spindelsteigung	p	mm/U	Linearer Weg pro Umdrehung

Auslegungsrechnung – Beispiel: Linearachse mit Kugelgewindespindel

Das folgende Beispiel zeigt eine vollständige Schrittmotorauslegung für eine NEMA-23-Anwendung.

Ausgangsparameter

Parameter	Wert
Bewegte Masse	8 kg
Spindelsteigung	5 mm/U
Vorschubgeschwindigkeit	300 mm/s
Beschleunigung	2 m/s²
Reibungskoeffizient (Führung)	0,05
Wirkungsgrad Spindel	0,90

Schritt 1: Erforderliche Drehzahl

n = v / p = 300 mm/s ÷ 5 mm/U = 60 U/s = 3600 min⁻¹

Bei einem 1,8°-Motor (200 Schritte/U): Schrittfrequenz = 60 × 200 = 12.000 Hz. Sehr hohe Drehzahl – Induktivität des gewählten Motors muss geprüft werden.

Schritt 2: Lastmoment

F_Last = m · g · μ = 8 · 9,81 · 0,05 = 3,9 N
M_Last = F_Last · p / (2π · η) = 3,9 · 0,005 / (2π · 0,90) ≈ 0,0035 Nm

Schritt 3: Beschleunigungsmoment

J_Last = m · (p / 2π)² = 8 · (0,005 / 2π)² = 5,07 × 10⁻⁶ kg·m²
α_winkel = a / (p / 2π) = 2 / (0,005 / 2π) = 2513 rad/s²
M_a = (J_Rotor + J_Last) · α = (200×10⁻⁶ + 5,07×10⁻⁶) · 2513 ≈ 0,52 Nm

Schritt 4: Gesamtmoment mit Sicherheitsfaktor 1,7

M_gesamt = (M_Last + M_a) · 1,7 = (0,0035 + 0,52) · 1,7 ≈ 0,9 Nm

Benötigt wird ein NEMA-23-Motor mit mindestens 0,9 Nm bei 3600 min⁻¹ auf der Pull-out-Kurve. Da die meisten NEMA-23-Motoren bei dieser Drehzahl deutlich weniger als das Haltemoment liefern, muss die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des konkreten Motors gegen diesen Wert geprüft werden.

→ Kundenspezifische Schrittmotoren von MICROSTEP – Beratung und Auslegung

Häufige Fehler bei der Schrittmotorauswahl

Fehler	Technische Folge
Haltemoment statt Pull-out-Kurve als Basis	Motor verliert bei Betriebsdrehzahl Kraft
Induktivität ignoriert	Drehmomentverlust bei hohen Schrittfrequenzen
Trägheitsverhältnis nicht geprüft	Schrittverluste bei Beschleunigung
Sättigungsbereich nicht beachtet	Strom zu hoch → Wärme ohne Drehmomentzugewinn
Luftspalt durch Montage verändert	Drehmomentverlust durch magnetischen Widerstand
Resonanzfrequenz nicht beachtet	Instabiler Betrieb, Schrittverluste
Lagerlasten unterschätzt	Vorzeitiger Lagerausfall
Thermik im Dauerbetrieb nicht berechnet	Isolationsschäden, Lebensdauerminderung
Mikroschrittauflösung mit Genauigkeit gleichgesetzt	Enttäuschende Positioniergenauigkeit in der Praxis
NEMA 16 und NEMA 17 blind gleichgesetzt	Montageprobleme durch abweichende Maßzeichnung

Checkliste: Welche Daten brauche ich für die Schrittmotorauswahl?

Angabe	Warum entscheidend
Lastmoment	Grundlage der Motorauswahl
Drehzahlbereich	Bestimmt nutzbares Drehmoment (Pull-out-Kurve)
Beschleunigung	Relevant für Dynamik und Trägheitsauslegung
Bauraum	Begrenzt NEMA-Größe und Baulänge
Versorgungsspannung	Beeinflusst Drehzahlverhalten und Stromanstieg
Steuerungskonzept	Bestimmt Stromregelung und Mikroschrittauflösung
Einschaltdauer	Wichtig für Erwärmungsrechnung
Umgebungstemperatur	Bestimmt thermische Reserve
Radialkraft / Axialkraft	Lagerauslegung und Lebensdauer
Schutzart	Staub, Feuchtigkeit, aggressive Medien
Lebensdauerforderung	Lagerung, Materialpaarung, Zyklen

FAQ: Häufige Fragen zu NEMA-Schrittmotoren

Was bedeutet NEMA 17?

NEMA 17 bezeichnet eine Schrittmotor-Baugröße mit ca. 42 mm Kantenmaß, 31 mm Lochkreis und 22 mm Zentrierbund. Die Zahl bezieht sich auf Zehntel Zoll – nicht auf Millimeter.

Was bedeutet NEMA 23?

NEMA 23 bezeichnet eine Baugröße mit ca. 56 mm Kantenmaß und 47,1 mm Lochkreis. Diese Motoren werden häufig im Maschinenbau und in Automatisierungsachsen eingesetzt.

Was bedeutet NEMA 34?

NEMA 34 bezeichnet eine große Schrittmotor-Baugröße mit ca. 85–86 mm Kantenmaß für höhere Lasten und robuste Industrieantriebe.

Haben NEMA 16 und NEMA 17 das gleiche Flanschmaß?

Oft sind Flanschmaß und Bohrbild sehr ähnlich oder identisch. Normativ garantiert ist das nicht – immer die Maßzeichnung des Herstellers prüfen.

Was ist der Unterschied zwischen Haltemoment und Pull-out-Moment?

Das Haltemoment gilt im bestromten Stillstand. Das Pull-out-Moment ist das maximale Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl mit Rampe – das für die Auslegung relevante Maß.

Welche Induktivität ist für hohe Drehzahlen besser?

Niedrige Induktivität (1–3 mH) erlaubt schnelleren Stromanstieg und damit höheres Drehmoment bei hohen Schrittfrequenzen. Hohe Induktivität (10–30 mH) liefert mehr Haltemoment, verliert aber früher an Drehmoment.

Wie berechne ich die benötigte Versorgungsspannung?

Als Daumenregel: U_versorgung = 10–30 × U_Nenn der Wicklung. Eine höhere Versorgungsspannung verbessert den Stromanstieg und damit das Hochdrehzahlverhalten. Die Stromregelung der Steuerung begrenzt den tatsächlichen Phasenstrom.

Was begrenzt die Positioniergenauigkeit im Mikroschrittbetrieb?

Fertigungstoleranzen des Magnetkreises, Rastmoment, Lastmoment und mechanisches Spiel. Die tatsächliche Genauigkeit liegt typisch bei ±3–5 % eines Vollschritts – unabhängig von der Mikroschrittauflösung.

Sagt die NEMA-Größe etwas über das Drehmoment aus?

Nein. Das Drehmoment hängt von Baulänge, Magnetkreis, Wicklung, Strom und thermischer Auslegung ab – nicht von der NEMA-Zahl.

Welche Einheit hat die magnetische Flussdichte?

Tesla (T). Typische Betriebsflussdichten in Elektroblech: 1,0–1,5 T. Sättigungsgrenze: ca. 1,5–2,0 T.

Fazit

NEMA 17, NEMA 23 und NEMA 34 sind mechanische Einordnungen – kein Leistungsversprechen. Die NEMA-Größe definiert Flanschmaß, Lochkreis und Zentrierbund. Mehr nicht.

Die technische Auslegung beginnt danach: Drehmoment-Drehzahl-Kurve, Induktivität, Rotorträgheit, thermisches Verhalten, Lagerlasten und Resonanzverhalten entscheiden über Funktion und Lebensdauer. Wer nur nach NEMA-Größe und Haltemoment auswählt, riskiert einen Motor, der mechanisch passt und elektrisch versagt.

→ SmartStep – abgestimmte Schrittmotorsteuerung für alle NEMA-Baugrößen

→ Kundenspezifische Schrittmotoren von MICROSTEP