Modellbahn-Elektrotechnik

Der Elektromotor

Fragt man einen Modellbahner nach dem Funktionsprinzip einer Dampfmaschine, wird er dies wohl besser erklären können als Physiklehrer Bömmel aus dem Film »Die Feuerzangenbowle«. Doch was wissen Modellbahner über den Antrieb ihrer elektrisch betriebenen Fahrzeuge im Modell?

Das Grundprinzip des Elektromotors

Unsere Triebfahrzeuge fahren, weil in ihnen Elektromotoren eingebaut sind, die die Räder antreiben. Das Prinzip des Elektromotors baut auf der Tatsache auf, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld um sich herum erzeugt. In Spulen aufgewickelte Leiter erzeugen ein gerichtetes Magnetfeld wie ein Stabmagnet, das durch einen Kern aus magnetisierbarem Material verstärkt werden kann.

So erzeugte elektromagnetische Felder korrespondieren mit Magnetfeldern von Dauermagneten, stoßen sich bei gleicher Polung wie diese ab und ziehen sich bei unterschiedlicher Polung an.

Im Wesentlichen besteht ein Elektromotor aus zwei Komponenten:

einem feststehenden Stator und
einem sich drehenden Rotor.

Stator und Rotor sind magnetisch, aber für eine kontinuierliche Bewegung muss sich eines der beiden Magnetfelder umpolen lassen, sonst orientierte sich der Rotor einmal magnetisch am
Stator und danach passierte nichts mehr.

Das Bild oben zeigt die grundsätzlichen Konstruktionsprinzipien des Gleichstrommotors. Ein umpolbares Magnetfeld kann nur ein elektromagnetisches sein, also ist der Rotor eine Spule. Sie wird drehbar aufgehängt, so dass sie sich im äußeren Magnetfeld frei bewegen kann. Der Stator ist beim Gleichstrommotor üblicherweise ein Permanentmagnet, zum Beispiel ein den Rotor umschließender Hufeisenmagnet. Denselben Effekt erzielt man mit zwei separaten Magneten, die neben der Spule so befestigt werden, dass sie sich gegenüberstehen und zum Rotor unterschiedliche Pole weisen. Wird die Spule von Gleichstrom durchflossen, baut sich in ihr ein magnetisches Feld auf, das mit dem Feld des Stators kommuniziert und die Spule wie eine Kompassnadel so einpendelt, dass die jeweils entgegengesetzten Pole der Magnetfelder von Spule und Permanentmagnet(en) zueinander weisen.

Um die gewünschte Drehbewegung zu erhalten, müssen wir dafür sorgen, dass in dem Moment, da sich die anziehenden Pole gegenüberstehen, das Feld der Spule kippt, um vom Permanentmagneten wieder abgestoßen zu werden. Die Spule bewegt sich dann um 180°, um wieder den magnetischen Idealzustand herzustellen, aber nun muss erneut umgeschaltet werden.

Das dauernde Umschalten besorgt der so genannte Kommutator für uns. (Der Kommutator wird auch Kollektor genannt, was aber zu Verwirrung führen kann, weil einer der drei Anschlüsse eines Transistors ebenfalls Kollektor heißt.) Er besteht aus mindestens zwei metallenen Schalen auf der isolierten Welle, über die die Spule mit Spannung versorgt wird. Der Strom läuft also von der Spannungsquelle über einen Schleifer auf eine Hälfte des Kommutators, von dort durch die Spule zur anderen Hälfte des Kommutators und über den zweiten Schleifer zurück. Wenn die Polung des Kommutators wechselt, ändert sich zwangsläufig die Polung des Magnetfeldes der Spule, Spule und Kommutator beeinflussen sich also ständig gegenseitig. Die Schleifer, die den Kommutator mit der Betriebsspannung verbinden, werden auch Bürsten genannt; da sie häufig aus Graphit bestehen, hat sich auch die Bezeichnung Kohlebürsten oder kurz Kohlen dafür eingebürgert.

Dieses zweipolige Motormodell mit einer sich drehenden Spule hat einige Nachteile. So läuft er nicht gleichmäßig rund, sondern ruckelt ein wenig, weil ein paar Grad der Drehung vor dem Umpolen spannungsfrei durch die eigene Trägheit zu überwinden sind. Erst dann wird die Spule wieder magnetisch und abgestoßen. Außerdem ist man sich beim Start nie ganz sicher, in welche Richtung der Motor denn drehen wird, denn die Rotationsrichtung ist davon abhängig, in welchem Winkel die Spule beim Einschalten der Spannung zum Permanentmagneten steht.

Wählt man allerdings einen Rotor mit ungerader Spulenzahl, lässt sich die Drehrichtung sicher festlegen. Die Zahl der Kontakte des Kommutators muss zwangsläufig mit der Anzahl der Spulen übereinstimmen.

Der zweite Trick liegt darin, dass die Spulen untereinander verbunden sind. Anders als beim zweipoligen Motor ist der Stromkreis dabei nicht offen, sondern in sich geschlossen. An den Kontaktstellen zwischen zwei Spulen wird dieser Kreis angezapft, von dort führen Leitungen zu den Kontakten des Kommutators. Es bleibt aber bei der Zuführung der Betriebsspannung über nur zwei Schleifer.

Dieses Missverhältnis hat zur Folge, dass niemals alle drei Spulen von Strom durchflossen werden, sondern immer nur eine oder zwei. Je nach Stellung der Kommutatorkontakte werden die aktiven Spulen in die eine oder andere Richtung durchflossen, somit entsteht an den außenliegenden, signifikanten Polen der Spulen wechselnd mal ein Nordpol, mal ein Südpol und mal gar kein magnetisches Feld. Damit ist eine eindeutige Abfolge von Anziehung und Abstoßung gegeben, mit der die Drehrichtung anhand der Stromrichtung eindeutig bestimmt ist.

Je mehr Pole der Motor hat, desto besser für den Rundlauf; wegen der Anordnung der Pole ist auch die Bezeichnung Sternmotor geläufig.

Wechselstrommotoren

Beim Betrieb eines Motors mit Wechselstrom kann man natürlich auf die Idee kommen, den einhundertfachen Phasenwechsel der Wechselspannung dafür zu verwenden, das Magnetfeld in der Spule ständig umzupolen. Motoren, die nach diesem Prinzip funktionieren, gibt es, sie heißen Synchronmotoren und haben den großen Fehler, dass sie nur für sehr geringe Belastungen geeignet sind. Sobald von ihnen schwerere Arbeit verlangt wird, kommen sie aus dem Tritt, das heißt, sie sind in ihrer Drehzahl nicht mehr mit den Wechselspannungsphasen synchron und bleiben schließlich stehen. Für leichte Dreharbeiten sind sie aber gerade im Modellbau gut einsetzbar.

Eine andere Variante, die Wechselstromfrequenz unmittelbar in eine Bewegung umzusetzen, ist der so genannte Bürstenmotor. Der ganze „Motor“ besteht aus zwei aufeinanderliegenden runden Platten, die untere ist der antimagnetische Stator und hat radiale Riefen in der Oberfläche, die darauf liegende Rotorplatte ist magnetisierbar und hat eine textile Unterseite mit tangential weisenden Borsten. Eine von Wechselstrom durchflossene Spule unter dem Stator zieht den Rotor hundertmal pro Sekunde gegen den Stator, die Borsten werden durch den Druck beim Anziehen gespannt und beschleunigen den Rotor beim Loslassen ein kleines Stück. Es ist klar, dass diese Motorkonstruktion sehr langsam dreht und ebenfalls nicht stark belastbar ist. Sie eignet sich im Modellbau gut für drehende Reklameschilder oder Radarantennen.

Für belastbare Wechselstrommotoren ist ebenfalls das bewährte Kommutatorprinzip brauchbar, doch mit einem Permanentmagneten als Stator kommen wir nicht hin. Der Takt der Wechselspannung überlagert die Umpolung durch den Kommutator. Es bedarf einer Synchronisation beider Magnetfelder.

Deshalb wird der Stator ebenfalls zum Elektromagneten umfunktioniert durch eine mit der rotierenden Spule in Reihe geschaltete feste Spule. So haben auch bei Wechselspannung die beiden Magnetfelder immer die zueinander passenden Polungen.

Bürstenmotoren

Der Allstrommotor

Liegt bei dieser Konstruktion eine Gleichspannung an, muss nichts synchronisiert werden, aber schaden tut die äußere Spule auch nicht. Der Kommutator verrichtet hier seine Arbeit auch bei Gleichstrom in gleicher Weise. Dieser als Wechselstrommotor bezeichnete Motor ist eigentlich einer, den man mit allen Stromarten betreiben kann, weshalb er auch Allstrommotor genannt wird.

Trägheit,Drehmoment und Schwungmasse

Nun dreht sich so ein Motor ja nicht im freien Fall, er unterliegt wie jeder ruhende Körper einer Trägheit, wenn er bewegt werden soll.

Diese Trägheit wird überdies noch verstärkt durch die Reibung in den Motorlagern, dann kommt die Trägheit des Zuges hinzu – der Zug setzt sich nicht gleich in Bewegung, wenn wir den Stelltrafo ein wenig aufdrehen. Zunächst müssen Trägheit und Reibung überwunden werden, das kostet Kraft und die muss der Trafo erst mal liefern. Bei Faulhaber-Motoren ist die Trägheit des Motors zwar sehr gering, doch an der Trägheit des Zuges kann auch dieser Motor nichts ändern.

Eine Methode zur Überwindung der Trägheit ist die Verwendung schnell drehender Motoren, deren Drehzahl über Getriebe heruntergesetzt wird, womit sich die Kraft erhöht. Dennoch muss in jedem Fall ein Schwellenwert überwunden werden, bevor sich der Zug auch nur einen Millimeter bewegt. Ist die Trägheit erst einmal überwunden, kann der Motor seine Kraft voll entfalten und der Zug fährt viel zu schnell. Hier liegt ein wesentlicher Vorteil der Glockenankermotoren darin, dass sie ihre Trägheit bei sehr geringer Spannung überwinden, deshalb wesentlich feinfühliger zu steuern sind.

Umgekehrt ist es beim Anhalten: Nimmt man die Betriebsspannung abrupt weg, bleibt die Lok prompt stehen. Der Zug hat zwar mit seinem Gewicht das Anfahren behindert, für das träge Ausrollen nach dem Bremsen allerdings reicht diese Trägheit nicht aus. Das hat etwas mit der Konstruktion der Modellbahnmotoren zu tun.

Die physische Gestalt eines Modellbahnmotors lässt sich in zwei Klassen einordnen. Da wäre zunächst die Scheibenbauweise, auch Uhrwerkmotor genannt, weil die Zahnräder des Getriebes wie in einer Uhr übereinander geschichtet sind. Dieser Motor ist klein und kompakt und lässt sich auf ein Drehgestell montieren. Sein Drehverhalten ist nicht gerade berühmt zu nennen. Anders der Schneckenmotor. Seine Drehachse liegt parallel zum Fahrzeugkörper und die Drehungen werden über Schneckengetriebe auf die angetriebenen Achsen übertragen. Sein besonderer Vorteil gegenüber dem Scheibenmotor ist die Möglichkeit, Schwungmassen auf die Achse zu stecken und so Zentrifugal- und Zentripetalkräfte zur Verbesserung des Laufverhaltens der Triebfahrzeuge auszunutzen. Die beengten Raumverhältnisse in einem Triebfahrzeug lassen allerdings nur den Einbau kleiner, nicht besonders effektiver Schwungmassen mit geringem Durchmesser zu.

Mit elektronischen Mitteln lässt sich das Trägheitsverhalten einerseits austricksen, um ein gutes Langsamfahrverhalten zu erzielen, andererseits simulieren, um langsames Ausrollen zu erzwingen. Mehr dazu bei den Fahrgeräten.

Feinfühliges Steuern mit Glockenankermotoren

Es gibt eine Form des Gleichstrommotors, der nach einem völlig anderen Prinzip aufgebaut ist, den Glockenankermotor, nach seinem Entwickler wird er auch Faulhabermotor genannt.

Der Begriff Glockenanker deutet auf die Konstruktionsform hin: Hier ist die Spule so auf einen Kunststoffbecher gewickelt, dass sie eine selbsttragende einseitig offene Form ergibt. Der Permanentmagnet ist dazu passend geformt, die Wände der Glockenspule umgeben ihn vollständig. Durch die Mitte des Becherbodens und des Magneten führt die zentrale Achse mit dem Kommutator, am Prinzip der Spannungszuführung und Polarität ändert sich grundsätzlich nichts. Die geringe Trägheit dieses Ankers bringt den Vorteil eines sehr leichten Anlaufs schon bei geringer Spannung.

Glockenankermotoren sind sehr sensibel bei der Umsetzung geringer Fahrspannung in Drehzahl, weil ihre Trägheit sehr gering ist. Das ist mit einem handelsüblichen Stelltrafo wegen dessen grober Konstruktion nicht voll zu nutzen, weshalb sich eine elektronische Steuerung anbietet. Weiterhin hält sich hartnäckig das Gerücht, diese Motoren würden Schaden nehmen durch gepulste Fahrspannung.

Vario-Spannungsregler bieten den Ausweg, um Glockenankermotoren feinfühlig zu steuern. Bei dieser Variante eines Spannungsreglers lässt sich die Ausgangsspannung über einen Referenzwiderstand frei bestimmen. Die Schaltung mit dem Spannungsregler L 200 zeigt eine solche Anwendung. Der 10 k‑Poti steuert die Ausgangsspannung des Schaltkreises, die zwischen den Pins 3 und 4 abgegriffen wird und einen Motor antreiben kann.

Aber Vorsicht: Mit einem Spannungsregler werden Sie es nie schaffen, die Ausgangsspannung auf 0 V zu reduzieren. Da Glockenankermotoren wirklich sehr empfindlich sind, kann es sein, dass bereits eine sehr geringe Ausgangsspannung zur Schleichfahrt führt. Um das zu verhindern, schalten Sie vor den Ausgang einfach eine oder mehrere Dioden 1N5400 in Reihe; mit jeder Diode wird die Restspannung um 0,6 V reduziert.

Wenn der Motor fremdgehen soll

Mit dem Wissen, wie die unterschiedlichen Motoren funktionieren, sind Sie in der Lage, Triebfahrzeuge unterschiedlicher Herkunft auf das eine oder andere H0-System umzurüsten. (Für die anderen Spurweiten bestehen diese Unterschiede zum Glück nicht.) Zwar bieten die meisten Hersteller einen großen Teil ihrer Triebfahrzeuge auch für das jeweils konkurrierende System an, doch nicht immer ist das Wunschmodell dabei oder man hat ein interessantes Stück geerbt oder ersteigert, das nun auf das eigene System anzupassen ist.

Gleichstromlok auf Wechselstromsystem

Nehmen wir an, Sie wollten eine Gleichstrom-Lok auf einer Märklin-H0-Anlage betreiben. An mechanischen Voraussetzungen ist mindestens ein Skischleifer unter der Lok anzubringen und richtig zu verdrahten, um das Mittelleiter-System zu nutzen. Der Motor kann allerdings mit der Wechselspannung herzlich wenig anfangen, er wird höchstens ein unwilliges 50Hz-Brummen von sich eben. Mit Dioden können wir die Wechselspannung zerlegen, so dass nur eine Halbwelle den Motor erreicht. Die Halbwelle ist einer pulsierenden Gleichspannung vergleichbar, der Gleichstrommotor beginnt zu drehen – allerdings nur in einer Richtung, weil es kein Umpolen gibt. Es bedarf also weiteren Aufwands, zum Beispiel eines Richtungswechslers wie bei Märklin, um dieses Fahrzeug in beiden Richtungen zu betreiben.

Weil auf Wechselstrom-Mittelleiter-Anlagen der Fahrtrichtungswechsel ein wenig anders funktioniert als bei Gleichstrombahnen, benötigt die Lok den Überspannungsschalter als Nachrüstung. Damit haben wir schon alles beisammen. Die beiden Ausgänge des Stromstoßrelais wechseln nicht zwischen den Feldspulen eines Wechselstrommotors, sondern steuern zwei antiparallel geschaltete Dioden an, die je nach Schalterstellung die positive oder die negative Halbwelle auf den Motor leiten – fertig ist der Fahrtrichtungswechsel nach Märklin-Manier auch für Gleichstromloks. Allerdings mit heftigem Aufwand und Leistungsverlust.

Wechselstromlok auf Gleichstromsystem

Wollen wir den umgekehrten Schritt vollziehen, gibt es andere Dinge zu berücksichtigen. Zunächst einmal lässt sich der Allstrommotor problemlos auch mit Gleichspannung betreiben, aber auch hier ist die wesentliche Hürde der Fahrtrichtungswechsel. Auch hier kommen zwei Dioden zum Einsatz, diesmal ersetzen sie den Überspannungsschalter komplett und verteilen die Stromflussrichtungen (= Fahrtrichtungen) des Gleichstromsystems auf die beiden Feldspulen. Damit wird die eindeutige Abhängigkeit der Fahrtrichtung von der Stellung des Fahrtreglers auf diesen Loktyp anwendbar. Der mechanische Aufwand des Umbaus ist hier allerdings wesentlich höher. Den Skischleier auszubauen, ist noch der geringste Aufwand, doch die beiden Schienen dürfen nicht durch das Lok-Inventar kurzgeschlossen werden. Das bedeutet den Austausch sämtlicher Radsätze und die Kontrolle, ob eventuell irgendwelche Teile innerhalb der Lok zwischen den Rädern beider Seiten elektrische Verbindungen herstellen.

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