Wie funktioniert die elektrische Modelleisenbahn? -- Funktionsweise einzelner Motoren

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6. Motoren

6.1 C-Sinus-Motor

Märklin's neueste Erfindung ist der "C-Sinus-Motor" der zum Antrieb von H0-Modellen verwendet wird. Dieser ist leider nicht einzeln, sondern ausschließlich in Kombination mit dem Dekoder erhältlich. Obwohl dieser Motor in der Offenlegungs- als auch in der Patentschrift ausführlich beschrieben werden, sind nach wie vor einige irrtüliche Beschreibungen im Umlauf. Daher folgt an dieser Stelle eine Beschreibung.

Der Motor ist ein bürstenloser Synchronmotor mit Magnetläufer, der nach dem Drehstromprinzip betrieben wird. Er ist kein Drehstrommotor!!

Per definitionem bezieht ein Drehstrommotor alle drei Phasen direkt vom Netz. Zur Definition Folgendes: "bürstenlos" weil keine Schleifbürsten zur Stromzuführung vorhanden sind. "Synchronmotor" aufgrund des synchron (d.h. gleichförmig) mit dem Läufer rotierenden Ständerfelds. "Magnetläufer" weil der Läufer die Permanentmagneten enthält. Und schließlich "Drehstromprinzip" weil die drei Phasen aus einer Phase vom Dekoder erzeugt werden und zum anderen die Phasenverschiebungswinkel nicht 120°, sondern nur 40° betragen. Zur Veranschaulichung: man zeichne mit einem Zirkel einen Kreis. Außen an diesen Kreis zeichne man in gleichen Winkeln zueinander 12 Striche mit rot (also jeweils 30°). Innerhalb zeichne man, beginnend an einem roten Strich, in grün, ebenfalls in gleichen Winkeln zueinander, an den Kreis, 9 Striche (also 40°). Die roten Striche entsprechen den Magneten des Läufers, die grünen Striche den Feldspulen des Ständers. Man sieht sofort, daß bei jeweils 120° die grüne und die rote Markierung zusammenfallen. Es macht also keinen Sinn, die Feldspulen alle 120° mit einer anderen Phase zu belegen: der Motor liefe nicht! Steuerte man nun alle Feldspulen einzeln an, müßte deren Frequenz synchron mit den Läufermagneten laufen, also das 12-fache der Läuferdrehzahl. Dabei könnte die Elektronik recht schnell an ihre Grenzen kommen. Vielmehr sind jeweils 3 Ständerspulen, die im Abstand von 120° zueinander sind parallel geschalten. Somit muß nur noch die 4-fache Frequenz erzeugt werden. Nun sind im Winkel von 120° genau 3 Ständerspulen verteilt die nach dem Drehstromprinzip angesteuert werden: also mit 1/3 des Gesamtwinkels, welches hier nur noch 40° sind. Zur Stromersparnis wurden nun noch die Ständerspulen in Sternschaltung verknüpft, da eine Dreieckschaltung die dreifache Leistung der Sternschaltung aufnimmt bei ansonsten gleichen Bedingungen.
Zur den Spannungen und Strömen: die Spannung zwischen einem Feldspulenanschluß und Dekodermasse, die sog. "Sternspannung" oder auch "Strangspannung" ergibt sich aus der Schienenspannung wie folgt:
U_Strang=2/3*(0,9U_Schiene-4,2V) im Analogbetrieb und U_Strang=2/3*(U_Schiene-4,2V) im Digitalbetrieb. Der Faktor 2/3 ergibt sich aus der Tatsache, daß jeder Strang nur zu 2/3 einer Periode Spannung führen kann, wenn der Motor funktionieren soll. Die Strangströme sind 1/3 des aufgenommenen Nettostroms.
Die Drehzahl des Läufers und somit auch die Frequenz der Spannung an den Feldspulen wird intern im Dekoder von einem VCO als Funktion der angelegten Spannung bestimmt. Gleichzeitig beeinflußt die Stromaufnahme (also die Belastung) und die Einstellung des v_max-Potentiometers die tatsächliche Drehzahl. Als Drehzahldetektoren dienen im Motorblock eingebaute Hall-Sensoren, die drehzahlabhängige Signale abgeben.

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Stephan-Alexander Heyn