Selbsthaltemoment – die natürliche Stabilität von Schrittmotoren

Warum Schrittmotoren Position halten können, ohne Energie zu verbrauchen

Das Selbsthaltemoment ist eine der am häufigsten unterschätzten – und zugleich wertvollsten – Eigenschaften von Schrittmotoren. Es beschreibt die Fähigkeit eines Motors, seine Position auch ohne anliegende Stromversorgung beizubehalten. Gerade in Anwendungen, in denen Achsen häufig stillstehen, Bauteile gehalten oder Positionen gesichert werden müssen, ist dieses Verhalten ein entscheidender Vorteil gegenüber anderen Antriebskonzepten.

Besonders Hybridschrittmotoren mit Permanentmagnet im Rotor verfügen über dieses natürliche Haltemoment. Hersteller wie die MICROSTEP GmbH nutzen diese Eigenschaft gezielt, um energieeffiziente, thermisch stabile und mechanisch robuste Antriebssysteme zu realisieren – häufig in Kombination mit einer intelligenten Ansteuerung wie SmartStep.

Was genau ist das Selbsthaltemoment?

Unter Selbsthaltemoment versteht man den Widerstand eines Schrittmotors gegen eine äußere Verdrehung, wenn keine elektrische Bestromung der Wicklungen erfolgt. Ursache ist das magnetische Rastmoment, das durch den Permanentmagneten im Rotor und die gezahnte Struktur von Rotor und Stator entsteht.

Der Rotor „rastet“ magnetisch in bevorzugten Positionen ein. Wird versucht, ihn aus dieser Position zu drehen, wirkt eine rückstellende Kraft – das Selbsthaltemoment. Diese Eigenschaft ist rein physikalisch und benötigt keine Energiezufuhr.

Wichtig:
Das Selbsthaltemoment ist nicht identisch mit dem elektrischen Haltemoment, das bei bestromtem Motor entsteht. Es ist geringer, aber dauerhaft vorhanden – auch bei vollständig abgeschalteter Elektronik.

Warum ist das Selbsthaltemoment so wichtig?

In vielen Anwendungen verbringen Antriebe einen Großteil ihrer Zeit im Stillstand. Ohne Selbsthaltemoment müsste der Motor permanent bestromt werden, um seine Position zu halten. Das hätte gleich mehrere Nachteile: unnötigen Energieverbrauch, zusätzliche Wärmeentwicklung und erhöhte Belastung von Wicklung und Elektronik.

Das Selbsthaltemoment ermöglicht dagegen:

  • Positionssicherung ohne Energieverbrauch

  • höhere Systemstabilität im Stillstand

  • reduzierte Erwärmung des Motors

  • vereinfachte Sicherheitskonzepte

Gerade bei vertikalen Achsen, Ventilanwendungen, Dosiersystemen oder Verstelleinheiten ist diese Eigenschaft oft systementscheidend.

Welche Faktoren beeinflussen das Selbsthaltemoment?

Die Höhe des Selbsthaltemoments ist kein Zufallswert, sondern das Ergebnis gezielter Konstruktion. Mehrere Faktoren spielen zusammen:

Rotor- und Magnetdesign

Der Permanentmagnet im Rotor ist der zentrale Ursprung des Selbsthaltemoments. Seine Materialqualität, Magnetisierungsrichtung und Temperaturstabilität beeinflussen direkt die Höhe des Moments. Hochwertige NdFeB-Magnete liefern deutlich höhere Rastmomente als einfache Magnetwerkstoffe.

Zahngeometrie von Rotor und Stator

Die Anzahl, Form und Teilung der Zähne bestimmen, wie stark der Rotor magnetisch einrastet. Feinere Zahnstrukturen erhöhen in der Regel die Positionsauflösung, beeinflussen aber auch das Rastmoment und das subjektive „Rastgefühl“ des Motors.

Blechpaket und magnetischer Kreis

Ein sauber ausgelegtes Blechpaket mit geringer Hysterese und definierten Luftspalten sorgt dafür, dass das Magnetfeld verlustarm geführt wird. Ungenauigkeiten in der Fertigung können das Selbsthaltemoment spürbar reduzieren.

Mechanische Eigenschaften

Reibung in Lagern, Wellenträgheit und angebundene Mechanik beeinflussen, wie das Selbsthaltemoment im System tatsächlich wirkt. Deshalb wird es bei MICROSTEP nicht isoliert betrachtet, sondern immer im Kontext der Anwendung bewertet.

Selbsthaltemoment vs. aktives Haltemoment

Ein entscheidender Punkt in der Praxis ist die Kombination aus Selbsthaltemoment und aktivem Haltemoment. Während das Selbsthaltemoment ohne Strom wirkt, kann das Haltemoment durch gezielte Bestromung der Wicklungen deutlich erhöht werden.

Hier kommt die SmartStep-Steuerung ins Spiel. Sie ermöglicht es, den Haltestrom bedarfsgerecht zu reduzieren, statt den Motor permanent mit Volllast zu bestromen. Das Ergebnis:

  • ausreichende Haltekraft durch Kombination aus Magnet- und Strommoment

  • minimale Verlustleistung

  • deutlich geringere Motortemperatur

Gerade im Dauerstillstand ist diese intelligente Nutzung des Selbsthaltemoments ein erheblicher Vorteil gegenüber klassischen Ansteuerungen.

Typische Anwendungen, die vom Selbsthaltemoment profitieren

Das Selbsthaltemoment ist überall dort wertvoll, wo Positionen gehalten werden müssen, ohne Energie zu verschwenden. Typische Beispiele sind:

  • Ventile und Klappen in Fluid- und Dosiertechnik

  • Medizintechnische Geräte mit Haltepositionen

  • Verstelleinheiten in Optik- und Messtechnik

  • Lineare Achsen mit häufigem Stillstand

  • Automatisierungslösungen mit Sicherheitsanforderungen

In vielen dieser Anwendungen ersetzt das Selbsthaltemoment zusätzliche Bremsen oder mechanische Arretierungen – was Bauraum, Kosten und Komplexität reduziert.

Systemgedanke: Selbsthaltemoment richtig nutzen

Das volle Potenzial des Selbsthaltemoments entfaltet sich nur dann, wenn Motor, Mechanik und Ansteuerung als Gesamtsystem betrachtet werden. Ein starker Magnet allein reicht nicht aus, wenn Wicklung, Blechpaket oder Regelung unnötige Verluste erzeugen.

MICROSTEP verfolgt hier einen klaren Ansatz:
Das Selbsthaltemoment wird nicht als Nebeneffekt, sondern als gezielte Systemeigenschaft genutzt – in Kombination mit optimierter Mechanik, hochwertigem Magnetkreis und intelligenter SmartStep-Ansteuerung.

Fazit: Selbsthaltemoment ist mehr als ein netter Nebeneffekt

Das Selbsthaltemoment macht Schrittmotoren einzigartig. Es ermöglicht stabile Positionierung ohne Energieverbrauch, reduziert Wärmeentwicklung und erhöht die Systemzuverlässigkeit. In vielen Anwendungen ist es der Schlüssel zu einfachen, robusten und effizienten Lösungen.

Wer diese Eigenschaft versteht und gezielt einsetzt, kann Antriebssysteme deutlich vereinfachen – technisch wie wirtschaftlich.