​ BLDC-Motoren neue Antriebstechnik für die Modellbahn

  • 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

  • Hallo!
    Dein Beitrag in allen Ehren; über soviel Sachverstand bin ich erstaunt.
    Würde mir mehr wünschen, daß die Hersteller von Modellbahnen sich mit solchen
    oder anderen zukunftsträchtigen Technologien auseinnander setzten.
    Hätte da auch eine Idee, nämlich die induktive Energieübertragung für
    Modellbahnen praxisreif zu machen.
    MfG

  • Hallo Wolfgang B!


    Deinen Beitrag finde ich informativ und nützlich.


    Gestatte mir einige "modellbahnpolitische" Anmerkungen.
    Es dürfte keine technischen Schwierigkeiten bereiten, die von Dir vorgestellten Elektronikkomponenten in das bestehende und verbreitete Digitalsystem mit DCC Protokoll zu integrieren.


    Was aber ganz klipp und klar gesagt werden muß, die BLDC Motoren lassen sich mit DC, gemeint die bei analogen Modellbahnen übliche Drehzahlansteuerung und damit Geschwindigkeitsänderung durch Variieren der (Versorgungs-)Spannung, eigentlich nicht ansteuern. Es kommen bestenfalls Notlaufeigenschaften dabei heraus.
    Die vorgeschaltetete Elektronik braucht eine gewisse Mindestspannung um überhaupt arbeitsfähig sein zu können. Reicht die Spannung nicht aus, so kann die Elektronik ihren Dienst nicht aufnehmen. Die internen Regel und Ansteurungskreise können nicht arbeiten und brechen mangels ausreichender Stromversorgung immer wieder zusammen. Letzten Endes kommt es dann wegen der Aussetzer zu eben dem ruckeligen Fahrverhalten.


    Bei DCC dagegen liegt schon ständig eine ausreichende Versorgungsspannung an, welche der Lokdecoder an die Ansteuerungselektronik für die BLDC Motoren weiterleitet. Die BLDC Motoren können hier mit allen guten und positiven Eigenschaften betrieben werden.


    Diese wichtige Aussage, daß BLDC Motoren nur für Digital geeignet sind, hat Märklin "vergessen" dem Kunden mitzuteilen.
    Die Kritik an diesen bei Märklin "Sinus" genannten Motoren kam ursprünglich nicht aus der Ecke der Digitalfahrer.
    Hier waren es eindeutig die (stock-)konservativen Analogfahrer und -Sammler welche die Welt nicht mehr verstanden. Und genau diese Klientel aus den Reihen der ewig Rückständigen und Lernresistenten hat Zeter und Mordio geschrieen weil es auf einmal Loks mit Antrieben gab welche nicht in ihren Horizont passten.
    Des weiteren hat man bei Märklin vermutlich, nach bester schwäbischer Tradition, bei der BLDC Elektronik ein paar Centles sparen wollen und diese Elektronik aus Kostengründen wohl nicht so optimal ausgeführt wie es eigentlich wünschenswert gewesen wäre.


    Die Reaktion der (L)Fachpresse hast Du schon erwähnt Wolfgang B; jedenfalls hat alles zusammen dahin geführt, daß der BLDC im Moment "verbrannt" ist. Der BLDC Motor ist aber mit seinen Möglichkeiten noch lange nicht am Ende. Hier könnte man sich von konservativen Standardantriebskonzepten loslösen. Bei den Modellfliegern sind diese BLDC Motoren auch im Einsatz, mit einer erstaunlichen Leistungsdichte. Vorstellbar wären auf Modellbahnzwecke übertragen diskrete Antriebe möglich. Ein Uerdinger Schienenbus hat auch innen die korrekte Fußbodenhöhe, aufrecht stehende Preiserlein im Wageninneren sind ohne Amputationen möglich, man kann sogar unter die Sitzbänke gucken und unter dem Fußboden werkeln dann nicht verkleinerte Büssing Motoren, sondern unauffällig BLDCs. Eine 4-achsige Elektrolok hat, wie ihr großes Vorbild auch, in ihren Drehgestellen 4 BLDC Motoren sitzen.


    Modellbahn ist hinsichtlich iher technischen Entwicklungsmöglichkeiten noch lange nicht am Ende.
    Nur müsste man dafür die blöden Bremsanker loswerden.

  • Hallo zusammen,


    ich habe mich ebenfalls, mehr aus Neugier und angefixt von einem meiner Abkömmlinge, mit den Möglichkeiten der BLCD-Technik beschäftigt.
    Am Eindrucksvollsten sind wohl die ansteuerbaren Leistungsparameter, mit denen diese Motoren zu wahren Wunderwerken werden können.
    Auf Grund des erforderlichen Equipments werden diese Motoren im Modellbau - und um den geht es uns ja hier - schon seit längerem im
    Flugzeugmodellbau, der Multikopterszene oder in den Slotcars eingesetzt.
    Richtig ist, daß bei diesen Motoren eine wie immer geartete analoge Steuerung zu nichts führt. Das war auch der Grund, warum ich dann meinen
    Vorsatz, einen dieser BLCD-Motoren zu Versuchszwecken zu erwerben, wieder aufgegeben habe.
    Ich bin auch davon überzeugt, daß diese Motoren bei adäquater Ansteuerung als Antriebe in Modellbahntriebfahrzeugen völlig unterfordert sind.
    Mal sehen, was die Weiterentwicklung dieser Technik noch Brauchbares für die Modellbahn bringt!


    Gruß, Peter

  • Hallo!
    Frage an den Threadersteller Wolfgang B und an Lutz K; ist der sogenannte Ur-Sinus Motor
    ( der mit der gewaltigen seitlichen Schwungmasse) von Märklin ein solcher bürstenloser
    Drehstrommotor dessen Regelung über Frequenz-änderung funktioniert?
    Habe ich da recht? Danke für die Antworten!
    MfG

  • Hallo,
    über den Ur-Sinus- Motor kann ich nichts sagen.
    Über den von mir verwendeten ECmax 16 liegen umfassende Daten vor.
    Da Märklin den Motor mit Sicherheit nicht selbst herstellte, gehört es zu gutem, wirtschaftlichem Gebaren, den Motorhersteller stets beim Verkauf einer Lok anzugeben.
    Was ich mir nicht so recht vorstellen kann, ist der positive Einfluss der Schwungmasse auf die Steuerung.
    Ich kann daraus nur folgern, dass der Motor ohne Sensoren ausgerüstet ist.
    Die Hallsensoren melden nicht nur die Postion des Läufers, sondern liefern auch die notwendigen Impulse für eine
    Drehzahlregelung. Weiterhin wird nach 1,5s bei Unterschreitung der Minimaldrehzahl die Strombegrenzung wirksam.
    Die Schwungmasse würde beim Auslauf eine Drehzahl erzeugen, welche mit den gegebenen Sollwerten nicht übereinstimmt.
    Modellbahner, welche an der Digitaltechnik interessiert sind, sollten sich wirklich intensiv mit den Krücken aus der Analogzeit auseinandersetzen, welche notwendig waren um die Lok über sogenannte stromlose Abschnitte hinüberzuretten.
    Der gepriesene lange Auslauf konnte noch nicht einmal die Masseverhältnisse des Originals simulieren.
    Es ist von großem Vorteil für die Feinregulierung der Fahrzeuggeschwindigkeit wenn die Anlaufzeitkonstante des Motors recht kurz ist, sie beträgt beim dem Maxon-motor knapp 10ms. Die Schwungmasse verhindert eine Feinregelung, anders ausgedrückt, sie macht was sie will aber nicht was der Regler liefern soll.
    Der Knackpunkt des BLDC Motors ist die Mindestgeschwindigkeit, im genannten Fall bei 400U/min. Mit einem Timer NE555 habe ich an den Enable des 1Q-EC-Verstärkers einen Impulsgenerator mit einstellbaren On-Off-Zeiten angeschlossen. Dies ermöglicht ein ruckweises Annähern der Lok z.B. an einen Wagen. Die volle Radumdrehung ist z.B. nach 16 Impulsen erreicht.
    Gruß Wolfgang

  • Hallo!
    Danke erst mal für die Antwort.
    Der sogenannte Ursinus war meines Wissens ein bürstenloser Motor ohne Sensoren zur Drehzahl-
    reglung. Diese Feststellung kann aber auch falsch sein. Fest steht, daß der Motor in Fahrzeulängs-
    richtung außermittig angeordnet war um Platz für die Schwungmasse zu gewinnen. Auch wurden
    meines Wissens für das Getriebe nur Stirnzahnzahnräder verwendet.
    .Warscheinlich auch um den Analogbahnern einen Auslauf des Fahrzeuges zu er-
    möglichen; da ja die Selbsthemmung von Schnecke und Schneckenrad entfiel.
    Das nächste ist ja die Eigenschaft eines drehenden Motors Spannung zu erzeugen.
    Diese Tatsache nutzt ja ESU für das automatische Einmessender der M4 Decoder.
    Nachdem dieser Antrieb "verbraucht" war kann dann der sog. "Soft Drive Sinus" welcher
    Sensoren zur Drehzahlreglung und eine entsprechende Reglungselektronik hat.
    Vielleicht kann ja ein technisch versierter Kollege etwas zur Klarstellung beitragen.
    MfG

  • Zur mechanischen Seite könnte ich noch etwas beitragen. Die Heute als "Ursinus" bezeichneten Motoren hatten ihren Ursprung schon 1935 als Pabst-Aussenläufermotoren. Davor waren schon 1897 die ersten Aussenläufer für den Antrieb von Schiffs-Kreiselkompassen entwickelt worden.
    Jeder der Forumsteilnehmer besitzte übrigens diese Motoren in Form der Lüfter- und Festplattenantriebe in seinem Rechner. Diese Motoren laufen alle mit konstanter Drehzahl.
    Erst die Weiterentwicklung der Elektronik kam auch die Möglichkeit sie bei veränderlichen Drehzahlen zu regeln.


    Der Ursinus bei Märklin sollte damals genau in den Einbauraum für den traditionellen Rasselmotor passen ohne daß Veränderungen an den Gußteilen wie Lokrahmen oder Triebdrehgestellen vorgenommen werden mussten. Das war das letzte Aufpimpen des Traditionsantriebs welcher seine Wurzeln im Uhrwerksantrieb hatte.


    [Exkurs]
    Mittelalterliche Kirchturmuhren
    So schleierhaft ist das gar nicht wenn man den historischen Kontext betrachtet. Im Prinzip lassen sich die Traditionsantriebe von Märklin und Fleischmann bis auf mittelalterliche Kirchturmuhren zurück verfolgen. Später um 1512 hat der Nürnberger Schlossermeister Peter Henlein eine tragbare Uhr gebaut.
    Uns interessiert hier im Lauf der Geschichte die klassische mechanische Weckeruhr. Seit der Gründerzeit wurden solche Rasselwecker für die Arbeiter (und Eisenbahner) produziert welche pünktlich zur Schicht bzw. Dienst erscheinen mussten. Solche Wecker wurden billig in Massen produziert damit sie auch für Arbeiter erschwinglich waren.
    Im Prinzip besteht so ein rein mechanischer Rasselwecker aus 2 sog. Platinen, 2 äussere Rahmen könnte man sagen, zwischen denen die Zahnradgetriebe und Federwerke angeordnet sind.
    Als die ersten Uhrwerkseisenbahnen aufkamen benutzte man weiter die gewohnte Technologie und damit auch das vorhandene billig zu fertigende mechanische Uhrwerk. Es wurde für die Blecheisenbahn dementsprechend angepasst.
    Man bewegte sich weiter innerhalb des bisherigen Erfahrungshorizonts und innerhalb der gewohnten Denkschemata.
    Statt der Zeiger wurden nun Räder angetrieben die sich ausserhalb der Platinen befanden.
    Als die kleinen Züge elektrisch wurden bewegte man sich ebenfalls in den gewohnten Denkschemata. Also baute man Elektromotoren die in ihrer äusseren Form und Abmessungen den bekannten Uhrwerksfedern entsprachen.
    So entstand der Pfannkuchenmotor als Nachfolger der Uhrwerksfeder. Bis dahin wurden die Spielzeugeisenbahnen ausschliesslich aus Blech gefertigt. Als man in den 1930er Jahren auf neue Fertigungstechnologien wie dem Zinkdruckguß umstieg, übernahm man auch hierbei die Antriebstechnik des Rasselweckers. Man bewegte sich nur innerhalb des bisherigen Erfahrungshorizonts und weiterhin innerhalb der gewohnten Denkschemata.Selbst als Fleischmann nach dem Krieg völlig neu mit der Fertigung von elektrischen Miniatureisenbahnen anfing, sozusagen auf der grünen Wiese, übernahm man kritiklos die Rasselweckertechnik. Man bewegte sich innerhalb des bisherigen Erfahrungshorizonts und innerhalb der gewohnten Denkschemata...Der Fluch der Denkfaulheit.
    [/Exkurs]


    Nachdem der traditionelle Antrieb auch bei Märklin obsolet geworden war und die aus China importierten vergleichsweise preisgünstigen Hobby Modelle mit ihrem Standard-Antriebsstrang (Mittelmotor-Gelenkwellen-Schnecke- Stirnräder zu den Achsen) besser liefen als die "regulären" Modelle, musste Märklin reagieren. So kam es zur 2. Bauform des Sinus welcher sich in den Standard Antriebsstrang einfügen liess.



    http://krishu.de/pll-antrieb/
    http://www.energie-und-technik…atisierung/artikel/90438/

  • Ich finde es interessant dass hier viele Fakten und Hinweise zusammengetragen werden.
    Ich habe mich allerdings noch nicht besonders mit dem Märklin Motor befasst, das habe ich kurz und entsprechend oberflächlich nachgeholt.
    Die beiden genannten "Sinus"Motoren haben wenig mit der Sinusansteuerung noch mit der unumgänglichen Sensorausrüstung zu tun. Die "verbesserte" Version, mit dem irreführendem Namen Sinus ist ein Motor mit Magnetrotor und Eisenmagnetfeld. ich gehe davon aus dass Märklin die Blockkomutierung verwendet. Die Motorspannung bei den gängigen Digitalsteuerungen arbeitet mit Rechteckimpulsen.
    Bei der Sinuskommutierung besteht die Motorspannung natürlich aus einer sinusförmigen Spannung. Die ideale Regelung bestehend aus variabler Frequenz und Spannung dürfte der Rolls Royce unter den Steuerungen sein.
    Beide Märklin-Motoren besitzen ein Rastmoment und eine undefinierte Nulllage des Rotors. Da hat Märklin mächtig an Evolution und Kosten gespart.
    Der Misserfolg konnte folglich nicht ausbleiben.
    Aussenläufer haben den Vorteil dass der rotierende Teil größer ausfallen kann als bei einem innenliegendem Rotor.
    Das erspart die extra Schwungmasse.
    Der von mir verwendete Motor besitzt eine eisenlose Ständerwicklung. Dadurch können theoretisch beliebig hohe Frequenzen das Drehfeld erzeugen.


    Auch bei dem sogenanntem Auslauf, dem anscheinend der selbsthemmende Schneckenantrieb entgegen steht, sollten die physikalischen
    Betrachtungen kurz gestreift werden.
    Im Gegensatz zum Federantrieb, besitzen moderne Elektromotoren für die Modellbahn ausreichend Kraft um einen schlechten Wirkungsgrad des Getriebes vergessen zu machen.
    Doch man sollte auch hier ins Detail gehen. Das Anlaufmoment ist entscheidend für die Langsamfahreigenschaften eines Fahrzeugs. Der Unterschied des Reibungsverlusts zwischen den beiden Getriebearten ist jedoch nicht so groß wie angenommen. Ein Reduziergetriebe von 1:40 lässt sich in beiden Fällen nur noch schwer von Hand an der Antriebswelle drehen, geschweige, dass ein Nachlaufmoment entstünde.
    Die schönen Videos einer kriechenden Lokomotive zeigen nicht, wie es ums Anfahren eines Fahrzeugs mit großer Last an einer Steigung bestellt ist. Die Minimaldrehzahl eines Motors ist definiert, die Hersteller lassen sich hierüber nicht aus, da diese Stotterantriebe in der Technik nicht gebraucht werden. Die Datenlage beim BLDC ist hier etwas anders, da die Regelung hier die Grenze setzt.


    Dies führt zum Thema Rückmeldung über die Gegen-EMK. Die Digitaldecoder neuerer Bauformen, also zumindest die mit Lastregelung, steuern damit gewisse Motorparameter. Physikalisch betrachtet besteht zwischen einer Drehzahlerfassung mittels Sensoren auf der Motorwelle und der Auswertung der Gegen-EMK ein großer Unterschied. Praktisch, für den Modellbahnbetrieb, dürfte dieser Unterschied nichts ausmachen.
    Für einen genauen Stellentrieb im Maschinenbau wäre die Ausmessung der Gegen-EMK zu ungenau.
    Die führenden Kleinmotorenhersteller bedienen überwiegend die Maschinenbauer und nicht die Modellbahner.
    Es sollte nicht unerwähnt bleiben dass die Gegen-EMK eine Verringerung des Drehmoments nach sich zieht. Bei mehrpoligen Motoren
    und hohen Umdrehungen können sich die Ströme nicht mehr voll entwickeln, es wird entsprechend viel Strom zurückgespiesen.


    Zu Antrieben:
    Weder Uhrwerksantrieb noch hochliegende Kardanantriebe stellen eine zeitgemäße Antriebslösung dar.
    Der Kardanantrieb, siehe Maxima, gehört in die Radebene. Und da kommt die kleine Bauform des BLDC-Motors ins Spiel.
    Einen schönen dritten Advent wünscht Wolfgang

  • Was Du beschrieben hast Wolfgang, ist im Endeffekt nichts anderes als der gute alten klassichen Fahrraddynamo welchen Märklin in modifizierter Form eingebaut hat:
    http://www.iks.hs-merseburg.de…12/fahrraddynamo_mehl.jpg
    Alle Komponenten sind vorhanden und jeder kann ja einal selber einen Fahrraddynamo an den (Wechselstrom-)Lichtausgang eines Modelbahntafos anschliessen. Nach anwerfen wird der Dynamo als Motor laufen. Mit konstanter Drehzahl welche hier von den 50Hz des Stromnetzes vorgegeben wird.
    Nun bin ich kein Elektroniker und stecke auch nicht allzutief in diesem Fachgebiet darin. Da bin ich mehr auf der Userseite. Der zwar weiß wo und an welchen Stellschräubchen er bei einem Lokdecoder drehen muß um die und die gewünschen Eigenschaft zu erreichen, aber ich bediene immer noch eine "Black Box". Deswegen, wenn ich hier Kritik äussere, ist das immer von der Userseite her.
    Was die Mechanik angeht, da stecke ich tief darin.
    EDIT: Und noch etwas sollte ich hier ergänzen; ich bin nicht "Dr. Allwissend", das möchte ich mir nicht anmaßen.


    Historisch bedingt, kommen immer noch viel zu geringe Getriebeübersetzungen zum Einsatz.
    Das wiederum bedingt Motoren in den Modelltriebfahrzeugen welche auch in ihrem alleruntersten Drehzahlbereich polruckelfrei laufen müssen.
    Die Anpassung der Übersetzungsverhältnisse wäre für die Mobahersteller rsp. Mobaimporteure kein Hexenwerk, ist aber leider nach den ersten positiven Ansätzen stecken geblieben.
    Leider muß ich auch einen anderen Trend beobachten, nämlich den miese Mechaniken durch Elektronik zu kaschieren. Das hat uns in letzter Zeit eine Reihe von "Neuentwicklungen" mit suboptimalen Antriebssträngen beschert. Des weiteren möchte ich die "Optimierten Verbesserungen" erwähnen, welche mit großem Trara von den einschlägig Verdächtigen der Mobaindustrie heraus posaunt worden sind. Bei nährer Betrachtung haben diese sich bislang nur als Optimierungen zur Verbilligung des Herstellungsprozesses herausgestellt. Objektiv erreichen sie nicht das qualitative Niveau ihrer Vorgängermodelle.


    Vor diesem Hintergrund betrachte ich das Anfahrverhalten und die Langsamfahreigenschaften eines Triebfahrzeugs. Ich versuche mich hier mal in einer Negativoptimierung:
    - Motor nur 3-polig mit hohem Rastmoment
    - Stirnkollektor auf einer eiernden (tanzenden) Scheibe, dann tanzen und funken die Motorschleifkohlen auch so schön
    - nicht gewuchtet
    - dicke Ankerwelle
    - starken Magnetfeld-
    - gerade genutet, ergibt dann ein hohes Rastmoment
    - Gleitlager mit Wurfpassung
    - möglichst grobes Zahnradmodul (damit sind die Zahnhöhen gemeint)
    - unsaubere Fertigung der Zahnräder
    - Lagerung der Zahnräder ebenfall mit Wurfpassung und sehr schmal damit sie seitlich kippen können und sich ihre Flanken aneinander reiben
    - Übersetzung sehr gering, das spart Zahnräder
    - Schwungmassen nicht wuchten
    - Gelenkwellen nicht zentrisch
    - Teile nicht entgraten
    Dann habe ich hier einen optimierten Modellantrieb. Optimiert bei Herstellungszeit für die Komponenten, der Montagezeit und den Gestehungskosten.
    Aber was habe ich als Kunde davon :?:
    Kann ich das durch Elektronik kompensieren :?:
    Ich hoffe, daß ich die Problematik der mechanischen Komponenten gut verständlich dargestellt habe.

  • Hallo Wolfgang,
    hallo Lutz,


    klingt alles ganz spannend.
    Durchblick durch und Inneneinrichtung in einem Vt 98.
    Jetzt würde ich aber gerne wissen, wie ich so etwas einbaue:

    • welcher Motor?
    • Welche Ansteuerung?
    • oder wie die Ansteuerung aufbauen?

    Ich gebe zu, dass ich kein digital spreche, dafür Gleisbau.


    Bitte um Hilfe.


    Gruß
    Andreas

  • Hallo Andreas,
    ich weiß nicht ob ich Dir wirklich helfen kann, werde Dir also meine Vorstellungen schildern.
    Beide Einzelachsen sollten angetrieben sein, einfachsten Falls eine Dreipunktlagerung, wenn möglich Lenkachsen aufweisen.
    Da genügend Platz zwischen beiden Achsen ist, kann ein Glockenankermotor, Faulhaber oder Maxon mit zwei Wellenenden
    eingebaut werden.Das Achsgetriebe dürfte zweistufig ausfallen. 1.Stufe 1:20, zweite Stufe 1:2. Metallzahnräder mit Modul m0,2 dürften ausreichen. Die Kraftübertragung geschieht mittels "Kardanwellen".
    Eine Digitalsteuerung halte ich heutzutage für unumgänglich, gerade bei einem Triebwagen dürfte das "Lichtmanagement" gerade nach
    digital schreien.
    Gruß Wolfgang

  • Hallo Wolfgang,
    danke für Deine Antwort.
    Digital ist klar, habe eine Intellibox I zuhause. Sound muss ja dabei sein, damit das Spielen Spaß macht. Pfeifen am Bahnübergang! :thumbup:
    ich habe es bloß nie geschafft, etwas mit digital (Servo-Motoren) selber in Gang zu bringen. Wahrscheinlich muss man da Bausteine kaufen.


    Ich habe mal bei Maxon nachgeschaut, 9 mm Durchmesser mit Hallsensoren. 106 Euro. Oder gehen die normalen?
    Was brauche ich als weitere Elektronik?
    Ich entnehme Deinem Post, dass immer noch Getriebe gebraucht werden. Nachdem über Eck gearbeitet werden muss also doch Kegelrad oder Schnecke. Und doch wieder Kardanwelle.
    Wie kriege ich den Strom von 16 V auf 6V?


    Gruß
    Andreas

  • Hallo Andreas!


    Ich kopiere Dir einmal 2 Abschnitte aus den Schienenbus Thread
    Roco Schienenbus VT98 auf 3-Punktlagerung umbauen
    hier herüber:


    Anders sieht es aus wenn ich ein komplett neues Fahrgestell sowie Anstriebsstrang dafür machen würde.
    Die von Wolfgang erwähnten Lenkachsen halte ich nicht für notwendig. Die selbstständige Einstellung derselben ist hierbei, bedingt durch die rel. kleine Masse (Gewicht) von H0 Fahrzeugen, nicht gewährleistet. Wie meine eigenen Fahrversuche im 420mm Radius ergeben haben, auch mit einem 6m Fahrwerk ohne Lenkachsen geht es. Selbst bei grösseren Spurweiten wie LGB, deren 2-achs Fahrzeuge durchweg Lenkachsen in Form 1-Achsdrehgestellen haben funktioniert eine Radialstellung nur durch Zwangsanlenkung. Bei geschobenen Wagen sind diese Lenkachsen sogar kontraproduktiv weil sie sich, bedingt durch die unterschiedlichen Kreisumfänge von Innen- und Aussenschiene, genau entgegen gesetzt einstellen. Ich selber habe LGB Zahnradbahn und mir Wagen auf starre Achslagerung umgebaut unter gleichzeitiger verschmälerung des Untergestells. Jetzt sieht der Wagen dann auch nach Meterspur aus.


    Wenn ich Heute einen Schienenbus VT98 entwerfen würde.
    Hier würde ich auf die sog. Pager Motoren zurückgreifen von denen es einige Typen in Glockenankerausführung gibt. Des weiten würde ich für jeden Radsatz einen diskreten Antrieb vorsehen, d.h. in diesem Fall jeder Radsatz wird , wie beim Vorbild, von einem eigenen Motor angetrieben. Da diese Pager Motoren für höchstens 6V ausgelegt sind, weden beide Motoren elektrisch permanent in Serie geschaltet.
    Die Motoren werden fest im Rahmen angebracht und an sie ist ein Vorgelegegetriebe angeflanscht. Im Inneren der Vorgelege befindet sich eine Kombination von 2 hintereinander angeordneten Schneckenstufen. Damit werden die hohen Drehzahlen der Pager Motoren leise in ungefährliche Drehzahlbereiche reduziert.
    Die Kegelrad-Achsgetriebe würde ich achsreitend machen und mit dem Vorgelege durch eine Gelenkwelle verbinden.
    Beide Achsen können dann voll gefedert sein. Es muß lediglich eine intelligente Drehmomentstütze entworfen werden die die Federung der Radsatzachsen nicht behindert.
    So ein Antriebsstrang kann dann komplett unterhalb des Wagenbodens angeordnet werden, wobei die Fußbodenhöhe umgerechnet derjenigen des Vorbild entspricht. Versteht sich von selber, daß man das Wageninnere, gut sichtbar durch die vielen Fenster, dann mit Detailierungsorgien überziehen kann.
    Durch die ausschliessliche Verwendung von Subminiatur LEDs können lange und komplizierte Lichtleiter wegfallen weil die LEDs auch genau dort angeordnet weden können wo sie gebraucht werden.
    Für die Digitaltechnik in Form eines Spur N Decoders bleibt auch noch genug Platz, entweder unter dem Wagenboden oder unter dem Dach.
    Ich habe mich hinsichtlich des Antriebs eng an das Vorbild gehalten und so ähnlich würde ich auch die beiden Motoren/Vorgelege und Achsantriebe anordnen.

    Auszudiskutieren bleibt dann noch der Einsatz von BLDC Motoren für diesen Einsatzzweck. Die Pager Motoren weisen hohe Drehzahlen so zwischen 20000/min und 30000/min auf. Das bedingt dann auch entsprechend leichtgängige(!) Getriebe mit sehr hohen Übersetzungsverhältnissen.
    Über die praktisch nutzbaren Drehzahlbereiche von BLDC Motoren kann Wolfgang B mehr beitragen als ich.
    Damit lässt sich dann ermitteln wie aufwendig die Getriebe letzten Endes werden.
    Und wahrscheinlich läuft es wieder auf Schneckengetriebe hinaus. Hier sind auch sehr hohe Übersetzungen zu erziehlen wenn man 2 oder mehrere Schneckengetriebe hintereinander anordnet. Das hält dann auch die Anzahl der Zahnräder in einem überschaubaren Rahmen.


    Als weitere Anmerkung zu Lenkachsen.

    Im Verkehrshaus in Luzern gibt es ein nettes Spielzeug. Man beachte wie extrem kegelförmig die Radlaufflächen ausgeführt sind.
    Nur so stellt sich der Radsatz auch radial, eben die gewünsche Lenkachsfunktion, ein. Die bei der Modellbahn verwendeten Radreifenprofile sind an der Lauffläche für die üblichen Radien nicht kegelig genug um eine Selbstzentrierung zu gewährleisten.

  • Hallo Andreas,
    in meinen Unterlagen kann ich nichts über einen Maxon BLDC-Motor mit 9mm Durchmesser finden.
    Vergleichsweise einen Motor mit 10mm Durchmesser, Baulänge 25 mm, Leistung 8W und ca 80.000) Umdrehungen.
    oder 6mm Durchmesser, Baulänge 21 mm, Leistung 1,2W und ca. 40.000) Umdrehungen.
    Ohne Getriebe geht nichts in H0 und Kardan ist preisgünstiger als zwei Motoren.
    Gruß Wolfgang

  • Hallo!
    Habe verschiedene Ideen um in konventioneller Weise elektr. betriebene Motoren
    zu steuern. Da wäre zum Beispiel die Möglichkeit um ein stufenweises Anfahren zu
    ermöglichen die Reihenschaltung zweier (oder mehr) Motoren (Doppelkollektormotor)
    und alsdann bei Geschwindigkeitserhöhung die Paralelschaltung herbeizuführen.
    Auch könnte man die Motoren shunten. Das heißt eine Feldschwächung des Haupt-
    schlußmotors mit herausgeführten Anschlüssen von Rotor- und Statorspule. In diesem
    Falle würde ein paralelgeschalteter Widerstand zur Statorspule geschaltet. Geht natür-
    lich bei den allfällig verwendeten Modelleisenbahnmotoren nicht. Würde zur Heraufsetzung
    der Höchstgeschwindigkeit führen. Allerdings würde das Drehmoment nicht erhöht.
    Des weiteren wäre es theoretisch möglich eine generatorische Widerstandsbremsung zu
    ermöglichen.
    Ob das natürlich bei den verkleinerten Modellen funktioniert?
    MfG

  • Andreas S,


    nicht unbedingt, es kommt sehr auf Sorgfalt und Präzision beim Getriebebau an.
    Je feiner das Modul der Zahnräder, desto mehr Präzision ist gefordert.
    Daher nehmen die Billigheimer bei Spur H0 auch gerne Modul 0,5 oder 0,6 weil man da mehr pfuschen kann. Soll heißen man braucht da nicht so genau bei der Fertigung zu arbeiten.

  • Hallo Andreas,
    es handelt sich um diesen Motor:
    EC 9.2 flat Ø10 mm, bürstenlos, 0.5 Watt, mit Hall-Sensoren, Artikelnummer 370445.
    Für das von mir vorgeschlagene Konzept sollte der Motor zwei Wellenenden haben.


    Modul m0,2, Lutz hat dazu alles gesagt, ist von der Belastbarkeit mit Sicherheit für den Triebwagen ausreichend.
    Ich bevorzuge dieses Modul wegen der Möglichkeit kleine Getriebe zu konstruieren.
    Du fragtest nach der Spannungsreduzierung.
    Für Motor und den 1Q-Regler sind 6V GLEICHSPANNUNG ideal. D.h., die wellige Digitalspannung sollte gleichgerichtet, gepuffert und mit einem Spannungsstabilisator oder einer Zenerdiode auf 6V reduziert werden.
    In meinem Baubericht bin ich nicht ohne Grund auf die Ansteuerung des 1Q-Reglers durch einen Digitaldecoder eingegangen. Kurz, ich habe es nicht versucht. Die Ausgangsspannungen des Decoders müssten ebenfalls <6V sein. Evtl. kann man auch den Decoder mit 6V betreiben. Wie mit den Signalausgängen schalttechnisch umzugehen ist, kann ich folglich nicht beschreiben.
    Gruß Wolfgang