Aktuelle Version vom 25. Juni 2009, 05:46 Uhr

Bei der Modellbahn werden Lokomotiven und Funktionsmodelle wie Windmühlen mit Elektromotoren angetrieben. Dabei unterscheidet man verschiedene Arten von Motoren. Ein wesentliches Kriterium ist die Art der Betriebsspannung (Wechselspannung oder Gleichspannung). Der folgende Artikel erläutert die Funktionsweise verschiedener Motortypen.

Elektromagnetisches Prinzip

Spule

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

Elektromotore funktionieren nach dem elektromagnetischen Prinzip. Wenn eine Leitung von elektrischem Strom durchflossen wird, bildet sich um die Leitung herum ein magnetisches Feld aus. Diesen Effekt kann man leicht ausprobieren, indem man einen Kompaß neben ein stromdurchflossenes Kabel legt (bei Gleichstrom).

Magnetfeld einer Spule

Dieses Magnetfeld verstärkt sich, wenn der Leiter als Spule gewickelt wird. Es bildet sich dann an dem einen Ende ein magnetischer Nordpol, am anderen ein magnetischer Südpol aus. Wenn eine Spule einen Eisenkern besitzt, verstärkt sich das Magnetfeld gegenüber einer luftgefüllten Spule. Man bezeichnet eine eisengefüllte Spule auch als Elektromagnet.

Elektromagnete kommen bei der Modellbahn in Weichenantrieben mit Doppelspulenantrieb in Kranmodellen oder ferngesteuerten Entkupplern (fest eingebaut oder in der Lok) zum Einsatz. Außerdem sind sie zentraler Bestandteil von Relais.

Transformator

Auch Transformatoren bestehen aus Spulen. In einem Trafo erzeugt die sogenannte Primärspule ein Magnetfeld, das in der Sekundärspule eine Spannung induziert. Dabei nutzt man das Induktionsprinzip aus. Ein Magnetfeld erzeugt in einem Leiter eine Spannung, wenn der Leiter durch das Magnetfeld bewegt wird. Alternativ kann man auch die Stärke des Magnetfelds ändern, um eine Spannung zu induzieren. Beim Trafo erzeugt eine Wechselspannung in der Primärspule ein sich änderndes Magnetfeld, das in der Sekundärspule dann eine andere Spannung generiert. Das Verhältnis der Windungszahlen der beiden Spulen ist mit dem Verhältnis der beiden Spannungen identisch. Damit wird die Netzspannung von 230 V auf ungefährliche 12-16 V reduziert, mit der die Modellbahn betrieben wird.

Praktische Hinweise zum Anschluß von Transformatoren finden sich im Artikel Fahrstromverdrahtung

Motoren

Prinzipieller Aufbau

Prinzipielle Arbeitsweise eines Gleichstrommotors

Ungleichnamige Pole zweier Magnete ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab. Dieses Prinzip dürfte jedem Modellbahner aus eigener Erfahrung bekannt sein. Lagert man nun einen Elektromagneten drehbar in dem Magnetfeld eines Permanentmagneten, kann sich der Elektromagnet je nach Polung des von ihm erzeugten eigenen Magnetfelds in der einen oder anderen Richtung drehen. Dies geht jedoch maximal so weit, bis die Spule im Magnetfeld des Permanentmagneten ausgerichtet ist. Um eine volle Drehung zu erreichen, muß man in dieser Stellung das Magnetfeld des Elektromagneten umpolen. Das erreicht man, indem man den Stromfluß in der Spule umkehrt. Dazu ist auf derselben Achse der sogenannte Kommutator oder Kollektor montiert. Dies ist ein Schleifring, der die Ankerspule mit Strom versorgt. Der Schleifring ist in 2 Teile isoliert. Durch fest angebrachte Schleifkontakte, die sogenannten Kohlebürsten, wird die Versorgungsspannung übertragen. Gleichzeitig wechselt dadurch die Stromrichtung in der Ankerspule je nach Winkelstellung des Kollektors ihre Richtung. Als Bauformen für den Kollektor sind der Trommelkollektor und der Scheibenkollektor gebräuchlich, bei denen der Kollektor als Trommel bzw. als Scheibe ausgeführt ist.

Den festen Permamentmagneten bezeichnet man als Stator oder Ständer, den sich drehenden Elektromagneten als Rotor, Anker oder Läufer. Da der Anker eisenhaltig ist, wird er zusätzlich vom Permanentmagneten angezogen und ausgerichtet. Dieser Effekt macht sich als sogenanntes Rastmoment bemerkbar. Am Kollektor bilden sich kleine Funken, deren Wirkung mit Hilfe von Entstörgliedern vermindert werden.

Die Drehrichtung kann man umkehren, indem man die Versorgungsspannung umdreht. Dadurch baut sich das Magnetfeld des Ankers in entgegengesetzter Richtung auf, so daß sich auch die Kräfte umdrehen.

Die Drehzahl ist in erster Näherung von der angelegten Spannung abhängig. Das Drehmoment (die Zugkraft) wird vom Strom bestimmt. In diesen einfachen Zusammenhängen ist der ohmsche sowie der induktive Widerstand vernachlässigt.

Gleichstrommotor

5poliger Läufer mit seinen 5 Spulen. Man erkennt außerdem rechts unten den Kollektor, über den der Läufer mit Strom versorgt wird.

Gleichstrommotoren sind wie oben dargestellt aufgebaut. In der Prinzipdarstellung wurde ein 2poliger Motor erklärt. Dieser eignet sich in der Praxis nicht, weil es Ankerstellungen gibt, in denen er nicht anlaufen kann. Man verwendet daher mindestens 3polige, besser 5polige Motoren als Modellbahnantriebe. Dabei enthält der Anker entweder 3 oder 5 Spulen. Der Kommutator ist entsprechend in 3 oder 5 Sektoren aufgeteilt.

Wechselstrommotor

Schaltskizze eines Wechselstrommotors

Bei einem Wechselstrommotor wird der Permanentmagnet durch eine sogenannte Feldspule ersetzt. Dadurch ändert sich das Statormagnetfeld im Takt der angelegten Wechselspannung. Weil sich gleichzeitig auch das Magnetfeld des Ankers ändert, bleiben die resultierenden Magnetkräfte gleich. Bei Modellbahnen (Märklin) wird eine Hintereinanderschaltung von Feldspule und Anker verwendet, die sogenannte Reihenschlußmaschine.

Die Drehrichtungsumkehr erfordert, daß entweder nur im Anker oder nur in der Feldspule die Stromrichtung geändert wird. Bei Märklinmotoren ist dazu die Feldspule zweidrähtig gewickelt, so daß man effektiv zwei Feldspulen hat. Der Fahrtrichtungsumschalter wählt jeweils eine von beiden Spulen aus. Sie sind so angeschlossen, daß sich die Richtung des Statormagnetfeldes je nach Wicklung dabei umdreht.

Bürstenloser Gleichstrommotor

Beim bürstenlosen Motor besteht der Läufer aus einem Permanentmagneten. Die Statorspulen werden von einer Elektronik quasi im Kreis angesteuert.

In letzter Zeit taucht im Modellbahnbereich häufiger eine neue Motorbauart auf: der sogenannte bürstenlose Gleichstrommotor. Bei ihm dreht man das Funktionsprinzip um. Der Rotor besteht aus einem Permanentmagneten, während der Stator aus mehreren Elektromagneten besteht. Eine Ansteuerelektronik, die meistens im Digitaldecoder enthalten ist, steuert die Statorspulen so an, daß sich ein rotierendes äußeres Magnetfeld ergibt, dem der Rotor folgt. Da es keine Bürsten mehr gibt, sind solche Motoren quasi verschleißfrei.

Dasselbe Prinzip wenden auch Schrittmotoren an. Solche Schrittmotore werden z. B. bei Selbstbaudrehscheiben gerne verwendet.

Motoreigenschaften

Der folgende Abschnitt beschäftigt sich mit den Eigenschaften, die aus dem unterschiedlichen elektrischen Aufbau von Gleichstrom- bzw. Wechselstrommotoren resultiert. Die grundlegenden physikalischen Größen sollten dem Leser vertraut sein.

Fremd erregter Motor

Bei einem fremd erregten Motor werden die Läufer- und Ständerspulen unabhängig voneinander betrieben. Mit der Bezeichnung "unabhängig" ist der zeitliche Verlauf des Spulenstroms gemeint und nicht der Anschluß an eine externe Stromquelle (dies führt gelegentlich zu Verwechslungen). Im einfachsten Fall ist das Ständerfeld konstant (daher fallen auch Gleichstrommotoren mit Permanentmagnet als Ständer in diese Kategorie).

Die Motorgleichungen lauten:

Drehzahl n = k1 * ( U - R * I )
Drehmoment M = k2 * I
k1 und k2 sind motorabhängige Konstanten

Zu den typischen Merkmalen der fremd erregten Motoren zählen:

• (nahezu) Linearität zwischen Spannung und Drehzahl bei konstanter Belastung
• Linearität zwischen Stromaufnahme und Last bei konstanter Spannung
• (nahezu) Linearität zwischen Stromaufnahme und Drehzahl
• (nahezu) reziproke Linearität zwischen Stromaufnahme des Läufers und Ständerfeld

Nachteilig bei fremd erregtem Motoren ist seine Empfindlichkeit gegenüber Überlastungen, wie sie vor allem beim Anfahren, großen Lasten/Steigungen und/oder ungünstigem Getriebe auftreten können und gegenüber Stromausfällen, bei denen der Motor als Generator fungiert und durch induzierte Gegenspannungen sich extrem schnell abbremst, sofern nicht mechanische Gegenmaßnahmen (Schwungscheiben etc.) getroffen werden. Die erwähnte Eigenschaft als Generator zu dienen, machen den fremd erregten Motor gut geeignet für Impulssteuerungen mit integrierter Regelung. Dabei wird die Generatorspannung in den Impulspausen gemessen und zum Ausregeln verwendet. Dieses Verfahren findet vor allem in Digitaldecodern Anwendung. Details siehe Wie arbeitet die Lastregelung?.

Reihenschlußmotor

Bei einem Reihenschlußmotor werden die Läufer- und die Ständerspulen werden elektrisch hintereinander an der selben Stromquelle betrieben (Schaltskizze siehe oben im Abschnitt "Wechselstrommotor"). Der zeitliche Verlauf des Stroms durch Ständer- und Läuferspule ist daher identisch. Somit wird motorintern eine Rückkopplung des Läuferstroms zum Ständerstrom verwirklicht, was das Laufverhalten erheblich beeinträchtigt:

• (nahezu) Linearität zwischen Spannung und Drehzahl bei konstanter Belastung erst ab höheren Spannungen
• quadratische Abhängigkeit zwischen Last und Stromaufnahme
• in erster Näherung reziproke Abhängigkeit der Drehzahl vom Läuferstrom

Oder als Motorgleichungen:

Drehzahl n = k1 * ( U / I - R )
Drehmoment M = k2 * I2
k1 und k2 sind motorabhängige Konstanten

Die meisten Märklin-Lokomotiven enthalten einen Reihenschlußmotor. Dieser Motor ist mit allen Stromarten betreibbar und zeigt bei Stromunterbrechnung gute Auslaufeigenschaften im Vergleich zum fremd erregten Motor bei identischer Konstruktion. Nachteilig am Reihenschlußmotor sind die Nichtlinearität der Drehzahl bei niedrigen Spannungen, wodurch Erfahrung zum einwandfreiem Betrieb notwendig ist, und die Eigenschaft, bei Lastabwurf loszuschnellen (am besten bei Talfahrten zu sehen!). Eine elektronische Ansteuerung ist leicht möglich, obgleich Impulssteuerungen weniger für Reihenschlußmotoren geeignet sind. Da der Generatoreffekt nicht genutzt werden kann, sind Regelungen für Reihenschlußmotore in der Modellbahn nicht verbreitet, obwohl recht einfach auf andere Weise möglich.

Der Abschnitt "Motoreigenschaften" basiert auf dem Abschnitt "Motortypen" der FAQ "Wie funktioniert die elektrische Modellbahn" von Stephan-Alexander Heyn. Die vom ihm gepflegte Version liegt unter http://www.sheyn.de/Modellbahn/FAQ/Funktion/Funktion_i.php