Wie funktioniert ein Motor
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.
Inhaltsverzeichnis
Elektromagnetisches Prinzip
Spule
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).
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.
Motoren
Prinzipieller Aufbau
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.
Den festen Permamentmagneten bezeichnet man als Stator, den sich drehenden Elektromagneten als Rotor oder Anker. 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
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
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
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.
