Wie bereits bei etwas komplexeren Themen üblich, soll zunächst auf die umfängliche Literatur zu BLDC-Motoren hingewiesen werden.
Einige Hersteller haben für diese Motoren ihre eigenen Bezeichnungen eingeführt, unter dem Sammelbegriff bürstenlose Motoren wird man zunächst fündig.
Der Name brushless (bürstenlos) Direct Current (Gleichstrom) ist verwirrend und falsch.Tatsächlich handelt es sich um Drehstrom-Motoren. Bei den folgenden beschriebenen Motoren handelt es sich um kleine Bauformen ohne Kurschlusswicklung im Läufer. Abgeleitet von den Asynchronmotoren mit Käfigläufern, weisen die zu beschreibenden Motoren einige Besonderheiten auf. Der Rotor besteht aus einem Permanentmagnet mit mindestens einem Polpaar bis zu nach oben, von der Form und Größe des Motors zu bestimmenden mehrfachen Polpaarzahl. Die Ständerwicklung ist bei den kleinen Motoren dreiphasig. Allerdings sind auch hierdie Phasen nach oben unbegrenzt, ob es Sinn macht ist eine andere Frage.
Wichtig ist das bei allen Asynchronmotoren ein Drehfeld erzeugt wird. Durch das Zusammenwirken der drei, um 120° verschobenen Ströme, entsteht im Ständer ein sich selbsttätig drehendes Magnetfeld. Der Läufer in Form der Permanentmagneten rotiert entsprechend mit der Geschwindigkeit, der Frequenz, des Drehfeldes. Diese Frequenz wird durch eine elektronische Schaltung erzeugt. Die bei dem Experimentalmodell verwendete Taktfrequenz beträgt 46,8kHz. Der 1-Quadrant Verstärker, welcher die Taktfrequenz erzeugt, wird mit Gleichstrom betrieben. Die Bezeichnung BLCD, welche von Bauform und Betriebsstrom abgeleitet ist, sei hiermit erklärt, lässt jedoch keinen Rückschluss auf die Funktionsweise zu.
Der Begriff der Kommutierung.
Um sich in die Wirkungsweise dieser zu vertiefen wird hier ganz besonders auf die entsprechende Literatur verwiesen. Vereinfacht gesagt, es muss immer eine Rückmeldung der Rotorlage in die Steuerung erfolgen. Üblicherweise gibt es zwei Ausführungen, die sensorlose Blockkommutierung und die mittels Sensoren. Es soll hier nur die mit Hallsensoren elektronische Kommutierung betrachtet werden. Sie erlaubt eine relativ niedrige Impulszahl, was mit einer niedrigen Motordrehzahl gleichzusetzen wäre. Weiterhin ist ein kontrollierter Anlauf gewährleistet, ein hohes Anlaufdrehmoment und ein guter Start-Stopp-Betrieb. Für die qualitative Weiterentwicklung von Modellbahnantrieben sei darauf hingewiesen, das als Ziel die Sinuskommutierung verwendet werden sollte.
Warum bürstenlose Motoren. Die Lebensdauer des Motors wird durch die Lebensdauer der Kugellager im Motor begrenzt, dies entspricht mehreren 10.000 Stunden.
Die Leistung in Bezug zur Motorgröße zu DC-Motoren kann mit 1:2 umrissen werden.
Links der Maxon Motor, unten der alte Roco-Motor der E103, rechts ein sensorloser Billig-Motor 12/22
Hinzu kommen neue Bauformen, wie der „Pennymotor“. Kein Rastmoment. Höchste Drehzahlen bis 1Millionen/min. Niedrige Betriebsspannungen.
Elektronik
Ohne elektronische Ansteuerung ist dieser BLDC-Motortyp nicht zu betreiben. Der DC-Motor mit Lastregelung benötigt bereits eine entsprechende Elektronik, soll er zudem mit hohem Drehmoment anlaufen, ist eine PWM, also Frequenzsteuerung, vorzusehen. Da ohnehin die zeitgemäße Modellbahn mit einer Digitalsteuerung ausgerüstet ist, dürfte der Einsatz einer Regelung für den 1-Q-Verstärker (bei entsprechender Modifikation) problemlos sein.
Wie sich allerdings in der Modellbahnpraxis zeigte, traten anscheinend Probleme auf. Dem entgegenzutreten dient das Experimentalmodell. Wie kam es zu den Problemen? Und gleich dazu, gab es wirklich die Probleme? Kaum vorstellbar ist, dass die Firma Märklin den neuen Antrieb vorstellte, der die von Modellbahnern beschriebenen Probleme wirklich hatte und
wenn ja, warum diese nicht abgestellt wurden?
Die Bezeichnung Sinus-Drive, verweist auf das optimale Konzept der Sinuskommutierung, welches beste Gleichlaufeigenschaften bei kleinsten Drehzahlen, einen weichen, präzisen Lauf des Motors in Verbund mit einer hochwertigen Steuerung vermittelten sollte.
Das größere Kriterium für die Einführung des BLDC-Antriebs ist allerdings die rückwärts gerichtete „Modellbahn-Fachwelt“.
„Wer immer im Kreis fährt gewinnt keine neuen Erkenntnisse.“
Die Liste der Einwände ist so lang wie dumm und wird bis auf den heutigen Tag mit Nichtwissen gepflegt und ergänzt.
Der Testbeginn sieht den Einbau des Motors in einen Motorträger vor. Die vorhanden Drehgestelle der Roco E103, dazu die „Kardanwellen“ und Hülsenpassten ganz gut, die Schwungscheibe wurde umständehalber mit übernommen, wird aber bei der noch weiterzuführenden Entwicklung verschwinden.
Wie zu erwarten, ruckelte der Maxon EC-max 16 weder beim Anlauf, der Minimaldrehzahl, noch nach Richtungswechseln. Die verwendete Steuerung, ebenfalls von Maxon, ist eine DEC 24/2.
Die Mindestgeschwindigkeit des Testmobiles beträgt 1m/min. Die Fernsteuerung der Steuerung erfolgt per Funk, 2,4Ghz, der Empfänger ist ein deltang Rx43D-1. Die Steuerplatine DEC24/2 verfügt über zu konfigurierende Anschlüsse.
Enable – schaltet die Endstufen für den Motor. Es wird damit möglich sein den Motor tastend einzuschalten. Die voreingestellte Motordrehzahl kann damit nach einer frei zu wählenden Ein-Aus-schaltzeit abgerufen werden.
Die Geschwindigkeit ist in 1024 Stufen regelbar. Der Anschluss benötigt dazu eine Spannung zwischen 0 – 5V.
Der Drehrichtungswechsel ist auf einen weiteren Anschluss gelegt, umzuschalten mit 0V und 5V.
Zur Spannungsversorgung wurde eine separate Stromquelle von der Motorbetriebsspannung abgezweigt, die auch das Funkmodul mit 5V versorgt. Der DEC 24/2 besitzt eine einstellbare Motorstrombegrenzung und eine von außen steuerbare Motorbremsfunktion, letztere wird für Modellbahnzwecke nicht benötigt. Bereits jetzt ist ersichtlich, dass bisher verwendete Digitaldecoder und besonders die Steuerungen für diesen Betrieb nicht vorgesehen sind. Besonders die Funktion Enable muss auf einen noch freien Kanal gelegt werden. Ebenso sind die 5V einzuhalten.
Für eine zukunftsorientierte Modellbahntechnik ist neben Einfachheit auch die zeitgemäße Anwendungspraxis zu berücksichtigen. Smartphone, tablets, ipods, Lampen, Lautsprecher sind heutzutage kabellos. Für die Modellbahn sollte dies ebenfalls gelten. Der „Kampf“ der Systeme rührt aus einer Zeit, als die Möglichkeiten der Digitalisierung nicht vorhanden und die Leistungsfähigkeit von Akkus und Batterien wesentlich beschränkter waren als heute.
Das Experimentalfahrzeug wird deshalb mit LiPoFe4 Akkus ausgerüstet.
Die gezeigten Varianten mit drei Akkus ergeben eine Betriebsspannung von 9,6V.Die Versuche werden mit 6,4V durchgeführt.
Hier zeigt sich auch das unterschiedliche Verhalten von BLDC- zu DC- Motoren. Die Mindestgeschwindigkeit ist bei allen Versorgungsspannungen nahezu gleich, die Maximalgeschwindigkeit kann es nicht sein, da der Motorstrom im Verhältnis zur Maximalspannung steht. Es ist ersichtlich, dass der BLDC-Motor mit nur der ihm eigenen einen Minimaldrehzahl startet. Die Frage wie lange die Laufzeit des Fahrzeugs mit Akku beträgt kann nur grob angegeben werden. Kapazität 3,3Ah, Motor 5W =0,4A macht ca. 8h. Obwohl Akkufahrzeuge von der Versorgungsspannung unabhängig sind, muss auf eine optimale Konfiguration geachtet werden. Leider passen Akkuspannung und Motorspannung nicht optimal zusammen. So sind viele BLDC Mototypen für 6V ausgelegt, dass entspräche nicht der üblichen LiPoFe4 Spannung von 3,3V.
Gruß Wolfgang