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Die Elektromechanik verbindet die mechanischen Gegebenheiten mit den elektrischen Anforderungen an den Antrieb. Sozusagen als Kurzwort für "elektrisch angetriebene Mechanik". Eine andere, semantisch ungünstigere Bezeichnung ist "Mechatronik", die die Verbindung von Mechanik und Elektronik zum Ausdruck bringen soll.
2.4.1 Drehmomente und Stromaufnahme
Die zum Betrieb mindestens notwendige Nettostromaufnahme des Motors (Nicht des ganzen Modells!), unterhalb derer das Modell sich nicht bewegt, berechnet sich nach der Drehmomentenformel:
Hierin sind k bzw. k' jeweils motorenspezifische Konstanten. Sie sind entweder vom Motorenhersteller angegeben, oder sie müssen mit Hilfe von Reihenmessungen bestimmt werden. Sofern das Getriebe verschmutzt ist, wird dementsprechend auch die Stromaufnahme steigen, da die Lagerreibung zunimmt. Weitere Einflußgrößen sollen hier vernachlässigt bleiben. Bei Belastung nimmt die Stromaufnahme als Funktion des Motors und seiner Eigenschaften sowie von der Belastung selbst zu. Je kräftiger der Motor, desto geringer die Steigung. Anfangswerte (also die Mindeststromaufnahme bei 0 mNm) hängen weniger vom Motor als von Getriebeuntersetzung und -zustand ab. Außerdem wird der Motor als "besser" bezeichnet, welcher eine niedrigere Stromaufnahme hat.
Ein Vergleich der Netto-Stromaufnahmen ist besonders dann schwierig, wenn sich diese Größen deutlich unterscheiden. Daher ist es besser, diese Stromaufnahmen auf ihren Anfangswert zu normieren und so die prozentuale, d.h. die relative Zunahme als Funktion des Drehmoments aufzutragen. In dieser Auftragungsweise ist oben genannte Regel "je kräftiger der Motor, desto geringer die Steigung" erheblich besser zu erkennen und kann für manch eine Überraschung sorgen.
Ein Übersicht zu ausführlichen Tabellen und Diagrammen findet sich unter
www.sheyn.de/Modellbahn/mb_loktests/Strom/index.php
Daneben ist die Stromaufnahme auch eine Funktion der Spannung wegen dynamischer Verluste. Gäbe es keine dynamischen Verluste,
wäre die Stromaufnahme bei konstanter Belastung über den ganzen Spannungsbereich konstant. Aufgrund der vorhandenen
Schwankungen ist natürlich eine Auswertung der Diagramme deutlich schwieriger. Dennoch ist bei den meisten Diagrammen
keine Konstanz zu sehen (also die Stromaufnahme als Funktion der Spannung).
In erster Näherung kann man folgern, je größer die Steigung
(also I als Funktion von U), desto größer die dynamischen Verluste. Letztere können durch intensive (!) Pflege von
Triebfahrzeug und Wagen recht klein gehalten werden.
Drehzahlen hängen außer von der Betriebsspannung in charakteristischer Weise vom Motorentyp ab:
Die Drehzahlformeln sind für Gleichstrom; für Wechselstrom ist R durch Z zu ersetzen.
Aus diesem Formeln gehen die Dependenzen der Drehzahl direkt hervor: Spannung, Stromaufnahme (via Drehmomentenformel somit auch die Last)
und Anschlußwiderstand R (und bei Wechselströmen somit auch die Frequenz). Für Drehzahlen als Funktion der Spannung
gelten folgende Rahmenbedingungen:
Unter
www.sheyn.de/Modellbahn/mb_loktests/UIt/Spanndrehvergleich.php kann man sich aus einer Anzahl vermessener Modelle entsprechende
Diagrammvergleich anzeigen lassen.
Eine zweite Möglichkeit, die Drehzahlen zu vergleichen, die die Abhängigkeit der Drehzahlen von der Belastung, also
dem Drehmoment. Auch hier gilt: je schwächer der Motor, desto steiler die Kennlinie. Selbige ist abermals für Synchronmotoren
und FEM, aber nun wegen der konstanten Spannung auch für NSM eine Gerade; alle anderen Motortypen haben keine Gerade.
Zu dieser Diagrammart lassen sich ebenfalls Modelle für einen Vergleich auswählen. Zu finden ist dies unter der Adresse
www.sheyn.de/Modellbahn/mb_loktests/Drehzahl/Drehzahlvergleich.php
Analog zu den Stromaufnahmen ist es auch hier besser, wenn man nicht die Drehzahlen direkt, sondern die relativen Drehzahlen (relativ zur Leerlaufdrehzahl = 100%) aufträgt, womit die Steigung besser und leichter erkennbar ist.
Ausführliche Vergleiche lassen sich unter der Adresse
www.sheyn.de/Modellbahn/mb_loktests/Drehzahl/Drehzahlrelvergleich.php durchführen.
Es gibt noch eine Reihe weiterer Werte, die mittelbar von dieser Drehzahlformel abhängen. Wichtigster Wert davon ist die
Mindestspannung: Umin = Imin * R (bzw. Z). Ab dieser Mindestspannung kann die Drehzahl aufgrund der zur Bewegung
notwendigen Stromaufnahme größer 0 werden, bis zu dieser Spannung bleibt der Motor stehen. Soll eine bestimmte Drehzahl
nicht überschritten werden, so kann mit Hilfe dieser Drehzahlformel eine Mindestfrequenz errechnet werden, um dieses Ziel im
AC-Betrieb zu erreichen.
Als Qualitätskriterium für Elektromotoren gilt ferner das Verhältnis zwischen der Drehzahl bei Nennspannung im Leerlauf
und der kleinsten erreichbaren Drehzahl bei Nennspannung unter Last bzw. im Leerlauf bei Umin. Dieses Drehzahlverhältnis
wird im sog. Leonard-Betrieb (siehe Abschnitt 8.2) ermittelt (für den
Modellbahner also im Analogbetrieb). Markante Werte für dieses Verhältnis sind (in Klammern jeweils Durchschnittswerte
bei konstanter Spannung unter Angabe der Anzahl von Messungen):
Drehzahlen selbst hängen in charakteristischer Weise von der Stromaufnahme selbst ab, und sind für jeden Motortyp unterschiedlich. Eine eingehende Betrachtung im Rahmen dieser FAQ ist nicht notwendig. Interessierte wenden sich bitte an mich via elektronischer Post.
Aufgenommene Leistungen wurden bereits im Abschnitt 2.2 besprochen. Abgegebene Leistungen sind das Produkt aus Kreisdrehzahlen und (Nutz)drehmomenten: P2 = 2*pi*n*M(Nutz). Aufgrund dieser Tatsache ist nicht jeder Wirkungsgrad direkt vergleichbar, weil die aufgenommene Leistung auf verschiedene Weise bestimmt werden kann:
Ausführliche Messungen finden sich in den Tabellenauswahlen unter www.sheyn.de/Modellbahn/mb_loktests/Wirkungsgrad/Wirkungsgrad.php.
In einigen Werbeprospekten wird seit geraumer Zeit der Wirkungsgrad auch als Funktion der Drehzahl aufgetragen, um hohe Drehmomente bei kleiner Drehzahl zu belegen. Dies ist jedoch nicht sonderlich sinnvoll.
Die in diesem Abschnitt genannten Leistungen sind die abgegebenen Leistungen, welche Modelle beim Bewegen der angehängten Züge abgeben. Diese sind das Produkt aus angehängter Zugmasse und der Geschwindigkeit in m/s (ohne Maßstabsumrechnung). Zur Bestimmung eines Leistungsdiagramms ist ein hoher Aufwand notwendig, da jedes angehängte Modell lauftechnisch überprüft und vermessen werden muß. Nur dann läßt die angehängte Zugmasse einigermaßen reproduzierbar angeben. Alternativ kann man auch die Zugmasse interpolieren, indem man einen Bruchteil vom Maximum nimmt, daraus die Drehzahl berechnet (dies geht vor allem bei Gleichstrommotoren leicht) und das Produkt bildet. Im folgenden Diagramm sind zwei Beispiele aufgetragen.
Aus diesem Diagramm lassen sich eine Reihe von elektromechanischen Größen bestimmen wie Zugkraft, Motorkonstanten, Schlupf, Übergangswiderstände u.v.a.m. Da das Leistungsdiagramm grundsätzlich eine Parabel darstellt, kann aus der Steigung motorenunabhängig die maximale Zugmasse berechnet werden (bei doppeltem Wert des Abszissenschnittpunkts der Steigung oder dem doppeltem Abszissenwert des Parabelmaximums).