Modelljärnvägsmotorer
På denna sida behandlas de olika typer av elmotorer som används till dragfordon på modelljärnvägar. För andra framdrivningstekniker, se live-steam.
Inledning
För MJ-bruk används i princip uteslutande roterande elmotorer. En roterande elmotor delas upp i rotor (de roterande delarna) och stator (de fasta delarna). Rotorn kallas ibland också ankare. Det finns olika principer för elmotorer; normalt används elektromagnetisk drift.
I nästa avsnitt behandlas önskvärda egenskaper hos MJ-motorer. Därefter följer en beskrivning av de vanligaste varianterna av MJ-motorer, följt av ett avsnitt om hur motorer integreras i underreden.
Önskvärda egenskaper hos modelljärnvägsmotorer
- Hög mekanisk effekt för att ge dragfordonen tillräcklig dragkraft. Verkningsgraden anger hur stor andel av den elektriska effekten som blir mekanisk effekt. Idealet är 100 %, men det är praktiskt omöjligt att nå.
- Liten volym för att få plats i så många små dragfordon som möjligt, och för att ge plats för andra komponenter i underredet.
- Kompatibel med MJ-el, d.v.s. styrbar med växelström eller likström 0-16 V eller pulsbreddsmodulering 0-16 V.
- Låg inre friktion för mjuk gång. Friktionen i en elmotor kan vara både mekanisk och magnetisk.
- Låg strömförbrukning för att minimera de elektriska förlusterna i strömförsörjningen mellan kraftkälla och motor.
- Låg arbetstemperatur för att minimera kylningsproblem.
- Lågt lägsta varvtal för att underlätta krypkörning.
- Lång uthållighet för att medge många timmars drift utan service.
- Lågt pris.
Dessa krav är förstås delvis motstridiga. Får man mer av en önskvärd egenskap, kan det betyda att man får mindre av en annan.
Konventionell likströmsmotor
En konventionell likströmsmotor har permanentmagneter i statorn och en elektromagnetisk rotor med järnkärna. Rotorn består av ett antal poler som får ström från en kollektor på rotorn. Strömmen överförs till kollektorn med borstar, vanligen av grafit. När rotorn spänningssätts skapas ett vridmoment runt rotorn som vrider denna. Denna typ av motor kan endast användas för likström.
|
|
| Principen för en tvåpolig likströmsmotor. |
Hastigheten för en likströmsmotor beror på effektivvärdet på spänningen som matas till rotorn. Om rotorn har ett udda antal poler kan rotationsriktningen kontrollaras med att polvända matningsspänningen. Fler poler i rotorn brukar innebära en jämnare gång.
Permanentmagneterna i en konventionell likströmsmotor attraherar järnet i rotorn. Det kan innebära att rotorn i vila intar vissa jämviktslägen. Om man vrider på motoraxeln känner man hur motorn hittar dessa lägen. Denna effekt kallas kuggning och kan innebära ojämn gång. Effekten kan minskas med att göra rotorn en aning spiralvriden, och med flera poler som nämnts oven.
Konventionella likströmsmotorer för MJ-bruk brukar ha tre eller fem poler. Denna motortyp har dominerat modelljärnvägar med likströmsdrift sedan starten under 1930-talet, och är fortfarande vanligt förekommande. Det typ som oftast förekommer är öppen.
Det finns också inbyggda konventionella likströmsmotorer. De kallas ofta "can-motorer".
Klockankarmotorer har högre prestanda än konventionella likströmsmotorer, men för många tillämpningar är konventionella likströmsmotorer av bättre kvalitet tillfyllest, inte minst i kombination med lokdekodrar med bra motorstyrning.
Allströmsmotor
I en allströmsmotor är både stator och rotor elektromagneter, som är seriekopplade med varandra. Det innebär att en allströmsmotor kan användas för både likström och växelström. Hastigheten regleras med effektivvärdet av matningsspänningen. Rotationsriktningen kan inte påverkas med matningsspänningen. Precis som i likstömsmotorer finns en kollektor som tar upp ström till rotorn med borstar av grafit.
Denna typ av motor har använts för växelströmsdrift på modelljärnvägar sedan 1920-talet. På Märklins allströmsmotorer ändras rotationsriktningen med ett omkastarrelä, som påverkas med en spänningspuls på ca 30 V. Märklin slutade använda allströmsmotorer under 2000-talet.
|
|
| En allströmsmotor från Märklin, typ KSK. |
Klockankarmotor
En klockankarmotor är en likströmsmotor som har en rotor utförd som en cylinder som består av metalltråd och bindningsmaterial, men som saknar järn. Statorn består av permanentmagneter som antingen ryms i cylindern eller på konventionellt vis som ett skal utanför rotorn. Även klockankarmotorer behöver en kollektor och borstar, borstarna är antingen av ädelmetall eller grafit.
Genom att rotorn inte innehåller järn är motorn inte utsatt för kuggning. Konstruktionen innebär en snabbare acceleration och högre verkningsgrad än konventionella likströmsmotorer; en klockankarmotor av en viss given storlek är i regel starkare och drar mindre ström än en motsvarande konventionell likströmsmotor. Varvtalsregleringen är också mera precis. En klockankarmotor har låg impedans, vilket innebär att pulsbreddsmodulering med lägre frekvens kan skada motorerna med starka strömmar. Klockankarmotorer bör i stället matas med ren likström, eller pulsbreddsmodulering med frekvens över 20 kHz.
Klockankarmotorer kallas också mikromotorer, ankarlösa motorer eller coreless motors. De schweiziska tillverkarna av klockankarmotorer, Faulhaber och Maxon, används också som beteckning ibland.
Klockankarmotorer har använts för modelljärnvägstillämpningar sedan 1970-talet.
Borstlös motor
Borstlösa motorer har permanentmagneter i rotorn och elektromagneter i statorn. På det sättet slipper man kollektor och borstar för att överföra ström till rotorn. I stället behövs styrelektronik för att för att reglera strömtillförseln till elektromagneterna. Borstlösa motorer har hög verkningsgrad och är starka med låg strömförbrukning. Frånvaron av motorborstar minskar underhållsbehovet betydligt. Borstlösa motorer drivs i regel med likström.
Märklin utvecklade en egen borstlös motor, den s.k. sinusmotorn, i flera generationer fr.o.m. 1990-talet.
- Den första generationens sinusmotor, den s.k. C-sinusmotorn har större diameter än längd (s.k. pannkaksmotor) och och styrelektroniken realiserad i hårdvara. Denna började ersätta allströmsmotorer i Märklins dragfordon för H0 fr.o.m. 2000.
- År 2007 lanserades en ny generation, den s.k. softdrive sinus. Den hade dels en ny formfaktor, för att passa bättre i ånglok var längden nu större än diametern, dels reglerades motorstyrningen nu med mjukvara.
Sinusmotorn levererade hög verkningsgrad och goda körprestanda, men har nu tagits bort från Märklins produktion. Dels kostade de mer än andra likströmsmotorer, dels var det ibland svårt att få motorstyrningen att fungera ihop med lokdekodrar från andra tillverkare.
Motorer i dragfordon
Elmotorernas formfaktorer har över tid varit styrande för vilka modelljärnvägsskalor som har varit möjliga. och efterhand med minskande dimensioner medgivit allt mindre skalor.
Formfaktorer är också styrande för hur motorer placeras i dragfordon. S.k. pannkaksmotorer monteras oftast med motoraxeln parallellt med hjulaxlarna. Motorer med större längd än diameter monteras i regel i fordonets längdriktning.
Sitter motorn i tendern på ett ånglok men driver via lokets drivhjul, eller mellan boggierna på ett boggielok, behövs en viss flexibilitet i drivlinan. Detta löses oftast med kardanknutar. En enklare lösning är att använda en mjuk gummislang, t.ex. ventilgummi.
Alla typer av elmotorer har i regel ett högre normalvarvtal är vad som behövs för dragfordons hjulaxlar. För att lösa det används olika former av utväxlingar, oftast med kugghjul eller snäckväxlar. Remdrift förekommer också.
När man ska installera en dekoder är det bra att veta vilken slags motor som finns i fordonet. För dragfordon som tillverkats sedan ca. 2010 rör det sig nästan alltid om likströmsmotorer, antingen konventionella likströmsmotorer eller klockankarmotorer. Alla moderna dekodrar kan hantera dessa, även om klockankarmotorer kan kräva att dekodern programmeras för högfrekvent pulsviddsmodulering. Äldre motorer drar ofta mera ström, vilket kan innebära att man måste välja en dekoder med tillräckliga strömprestanda. Äldre fordon från Märklin och Trix kan dessutom ha allströmsmotorer eller sinusmotorer, vilket bara vissa dekodrar kan hantera.
Motorer utsätts för slitage vid drift, framför allt gäller det borstar av grafit (s.k. ”motorkol”), som är slitdelar som behöver bytas ibland. Vanligtvis behöver man hitta motorkol till den specifika motortypen. Borstar av ädelmetall slits långsammare. Även lager slits en del.
Motorbyte kan ibland bli aktuellt, p.g.a. slitage eller för att man vill byta ut en äldre motor mot en nyare med bättre prestanda. I en del fall finns det färdiga utbytesenheter att köpa som passar aktuella formfaktorer i underredet, vilket underlättar mycket. Annars kan det bli ett större arbete för att passa in en ny motor i underredet.
Andra wiki-sidor
Pannkaksmotor
Likströmsmotor
Dragfordon
Lok
Webreferenser
A&H Models: A look at Coreless motors
El.st: Så fungerar en borstlös motor
Lin Engineering: Coreless motors (Beskrivning av klockankarmotorer).
Micromotor.eu (Billiga klockankarmotorer för MJ-bruk).
Schrug-modellbahn.de: Hochleistungsantriebe für Märklin Loks (Olika versioner av Märklins allströmsmotorer).
Wikipedia: DC motor (Likströmsmotor).
Wikipedia: Electric motor - Ironless or coreless rotor motor (Klockankarmotorer).
Wikipedia: Märklin C-sinus (På tyska).
Wikipedia: Märklin - Dreischienen-Zweileiter-Gleissystem (Funktionen för Märklins omkastarrelä).
Wikipedia: Universal motor (Allströmsmotor).
YouTube: Märklin - Softdrive Sinus
Tryckta referenser
Leif Dahl: "Ny motortyp för modellok - bättre krypkörning." i Allt om Hobby nr 2/1978 (Presentation av klockankarmotorer).
Börje Lundvall: "Allt om hobby synar: Nya motorer för mj-bruk (2)." i Allt om Hobby nr 4/1978 (Fortsatt diskussion om klockankarmotorer).
Jörgen Bergfors: "Allt om faulhabermotorer..." i Smalspårigt nr 42/1990 (Genomgång av klockankarmotorer).
Jörgen Bergfors: "Allt om faulhabermotorer. Del 2." i Smalspårigt nr 43/1990 (Genomgång av klockankarmotorer och drivning utan snäckväxlar).
Rutger Friberg: "Nytt för Märklinrallare. Nu kommer supermotorn." i Allt om Hobby nr 2/1992 (Utbytesmotor för Märklinlok).
Rutger Friberg: "Nu är pulsbreddsmodulation på agendan." i Allt om Hobby nr 3/1995, s. 35 (Anpassning av pulsbreddsmodulation för DCC till mikromotorer).
Rutger Friberg: "MJ-nytt. Ny generation C-sinus motor." i Allt om Hobby nr 7/2005 (Från Märklin).
Niclas Westerlund: "Digitalisera dina gamla Märklinlok." i Modelljärnvägsmagasinet nr 10/2012.
Per-Åke Jansson: "Motorbyte i skala N." i Modelljärnvägsmagasinet. nr 20/2015 (I Fleischmann-lok).
Bengt Nylén: "Lite om motorer för lokmodeller." i Smalspårigt nr 136/2016 (Jämförelse av olika motortyper).
Redaktionen: "Fler utbytesmotorer från Micromotor." i Modelljärnvägsmagasinet nr 57/2024, s. 6 (För H0 och N).
Jan Ågersten: "Dekoderprogramering för Märklins Softdrive Sinusmotor." i Modelljärnvägsmagasinet nr 59/2024 (Med Märklins dekodrar).