Metallbaukasten

 
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MÄRKLIN-Spule

Größere MÄRKLIN-Baukästen der 50er und 60er Jahre enthielten eine Spule zum Aufbau diverser Elektromotoren und anderer elektromagnetisch betriebene Modelle.
Da diese Spule im Laufe der Zeit verloren gegangen war, galt es, sie gebraucht zu beschaffen - oder selbst zu bauen.

Für den Nachbau wurden zunächst mit Hilfe der entsprechenden Bauanleitungen die mechanischen Maße bestimmt; der innere Durchmesser des Spulenkörpers wurde hierbei zu 8 mm angenommen, da er auf keiner Abbildung sichtbar ist.
Anhand der ermittelten Werte wurde ein Kunststoff-Spulenkörper gedreht und ein Haltewinkel angefertigt.

Schwieriger war die Bestimmung der elektrischen Kenngrößen.
Für den Betrieb der Spule wird 16 V Gleich- oder Wechselspannung angegeben. Außerdem ist in den Anleitungen zu sehen, dass die Wicklung bis ca. 1 mm unter den Außendurchmesser des Spulenkörpers reicht, was für die Ermittlung des Wickelvolumens relevant ist.

Auf einigen Bauanleitungen ist ein relativ großer Drahtdurchmesser (ca. 1 mm) dargestellt. Dies war jedoch unrealistisch, da in diesem Fall ein sehr hoher Spulenstrom fließen würde (vielleicht gab es auch unterschiedliche Spulen).
Auf den meisten Abbildungen sind dagegen keine einzelnen Windungen erkennbar, was auf einen entsprechend kleineren Durchmesser hindeutet.
Der entscheidende Hinweis kam von einem Kollegen, der einen Durchmesser von 0,35 mm nannte, was abzüglich der Lack-Isolation einem Kupfer-Durchmesser von etwa 0,3 mm entspricht.
Aus diesen Daten lässt sich auf eine Wicklung mit ca. 1000 Windungen, einem Widerstand von ca. 10 Ohm und demzufolge eine Ampere-Windungszahl von ca. 1600 A bei 16 V Gleichspannung schließen

Die nachgebaute Spule sollte aber nicht für 16 V ausgelegt werden, sondern bei gleicher magnetischer Induktion für eine Spannung von 8,4 V (7-zelliger Akku). Hierfür ist ein kurzer (vereinfachter) Einblick in die Theorie erforderlich:

Die magnetische Induktion einer Zylinderspule errechnet sich zu


B = µ · H = µ · n · I / l
B = magnetische Induktion
µ = Permeabilität
H = magnetische Feldstärke
n = Windungszahl
I = Spulenstrom
l = Spulenlänge

Das Produkt n · I (Ampere-Windungszahl, auch magnetische Spannung genannt) war konstant zu halten unter Verwendung neu zu bestimmender und voneinander abhängiger Werte für n und I.
Ohne auf weitere Einzelheiten einzugehen kann man einfach errechnen, dass in diesem Fall bei gegebenem Wickelvolumen die Windungszahlen proportional und die Kupfer-Querschnitte umgekehrt proportional der Spannungen sein müssen; die Drahtdurchmesser verhalten sich dann umgekehrt proportional zur Wurzel aus dem Spannungsverhältnis.
Die Spule muss also - wie zu erwarten - mit der halben Windungszahl gewickelt werden, wenn sie an der halben Spannung betrieben werden soll


Märklin-Spule
Die selbstgebaute Spule
Aufgebaut wurde eine Spule mit ca. 500 Windungen bei einem Kupfer-Durchmesser von 0,45 mm, welche den Betrieb der Motoren-Modelle mit 8,4 V ermöglicht.
Für den Anschluss wurde ein Steckverbinder in den Haltewinkel eingeklebt, der eine einfache und bruchsichere Kontaktierung zulässt.



Antriebsmotor

Zum Antrieb der ersten Modelle wurde ein MEKANIK-Motor aus den 60er Jahren verwendet, der als Reihenschlussmotor gerade im Stillstand ein hohes Drehmoment liefert und außerdem direkt mit unterschiedlichen Getriebe-Untersetzungen ausgestattet werden kann.

Etwas umständlich ist bei einem solchen Motor die Drehrichtungsumkehr.
Da durch Umpolen der Betriebsspannung sowohl der Ankerstrom als auch der Erregerstrom umgepolt werden, bleibt die ursprüngliche Drehrichtung erhalten (wodurch der Motor z. B. auch für Wechselspannung geeignet ist).
Zur Drehrichtungsumkehr ist also entweder das Ankerfeld oder das Erregerfeld umzupolen, was mit dem Betrieb an einem elektronischen Fahrtregler nicht ohne weiteres möglich ist.
Zu lösen ist das Problem mit einer zusätzlichen Schaltung, welche die Polarität der Regler-Ausgangsspannung erfasst und über ein Relais die Stromflussrichtung durch die Anker- oder Erregerwicklung steuert, bevor der Motor anläuft.

Zunächst musste der Motor jedoch gründlich überarbeitet werden:

Nach ca. 30 Jahren war die Wicklungsisolation beschädigt und die Isolierscheiben der Ankerwicklungen abgebrochen bzw. nicht mehr vorhanden.
Die Wicklungen wurden entfernt und dabei die Anzahl der Windungen zu etwa 200 pro Schenkel bestimmt.
Die neuen Isolierscheiben wurden aus Isolierpappe geschnitten und mit 2-Komponenten-Kleber verstärkt; das Aussehen entspricht dadurch etwa dem der Original-Isolierscheiben.
Anschließend wurden die Wicklungen mit neuem Draht wieder hergestellt.
Nach dieser Prozedur lief der Motor wieder anstandslos.
MEKANIK-Motor
MEKANIK-Motor
aus den 60er Jahren

Von dem verschleißtreibenden Einsatz beim Antrieb der großen Modelle wurde aus Gründen der Erhaltung des Motors aber bald wieder abgesehen.

Baukasten-Hersteller bieten zwar inzwischen Antriebe mit einfachen Motoren aus dem Modellbau an, jedoch sind diese oft zu groß oder aus anderen Gründen ungeeignet.
Für eine schmale Bauweise ist z. B. die Umlenkung des Kraftflusses von der Längsachse in die Querachse erforderlich, was meist mit einem Schneckentrieb realisiert wird.
Ein Schneckengetriebe ist jedoch selbsthemmend, ein Fahrzeug muss dagegen ausrollen können.


Antriebsmotor
Der selbstgebaute Antriebsmotor
Als Alternative wurde deshalb ein eigener neuer Antrieb konstruiert und aufgebaut.
Er besteht aus 2 Edelstahlplatten, die entsprechend zugeschnitten und gebohrt wurden; die schnelldrehenden Wellen wurden zusätzlich in Bronzebuchsen gelagert.
Über einen Winkeltrieb aus Kegelzahnrädern, der das Ausrollen eines Fahrzeuges ermöglicht, und einer weiteren Untersetzung wird die Drehung aus der Längsrichtung auf die entsprechende Stelle in Querrichtung übertragen.

Entstanden ist ein Antrieb, der nicht nur baugrößen-kompatibel zum MEKANIK-Motor ist, sondern bei etwa gleicher Drehzahl wesentlich kräftiger durchzieht und von einem genormten Billigmotor aus dem Modellbau angetrieben wird.



Stirnrad-Differential

Bei Metallbaukasten-Modellen sind Differentiale oft nicht einsetzbar, da sie entweder nicht ausreichend stabil oder zu groß sind. In diesem Fall wird ein Modell meist nur mit einem Rad angetrieben, und das andere Rad läuft auf der gleichen Achse frei mit.
Vorschläge für den Bau von Kegelrad-Differentialen gibt es z. B. in den Anleitungsheften genug, aber gerade diese Modelle sind wegen der erforderlichen Auftrennung der Antriebsachse in zwei Halbachsen oft besonders labil.
Außerdem können Messing-Zahnräder für den Antrieb schwerer Modelle ungeeignet sein, handelsübliche Kegelräder aus Stahl sind dagegen aber relativ teuer.


Für Testzwecke wurde daher ein weniger gebräuchliches Stirnrad-Differential unter Verwendung alter MEKANIK-Zahnräder aufgebaut.

Bei diesem Differential erfolgt die Drehrichtungsumkehr zwischen den Halbachsen nicht durch die bekannten Kegelräder, sondern durch zwischengeschaltete Stirnräder.
Stirnrad-Differential
Prinzip des Stirnrad-Differentials
Quelle: "Sorgt für Ausgleich - das Differential"
von Dr. Jürgen Hofmann

Stirnrad-Differential
Stirnrad-Differential
Anstelle von 2 sich gegenüberliegenden Zahnrädern kann man auf jeder Seite des Differentials auch 3 verwenden, welche in 120°-Winkelschritten um das zentral liegende Zahnrad einer Halbachse herumgebaut werden.
Das hat den Vorteil, dass die Zahnräder der Halbachsen von den äußeren festgehalten werden und sich nicht wegdrücken können. Dadurch verwinden sich die Halbachsen nicht so stark gegeneinander.

Beim Bau dieses Differentials ist darauf zu achten, dass alle Zahnräder selbstverständlich ineinandergreifen und deshalb die Zähnezahl der Anordnung anzupassen ist. Das heißt, bei einer Anordnung in 60°-Winkelschritten muss die Zähnezahl auch einen 60°-Eingriff zulassen.
Im konkreten Fall wurden Stirnräder mit 12 Zähnen verwendet; bei Verwendung von Zahnrädern mit z. B. 13 Zähnen könnte dieses Differential nicht funktionieren.




Antriebseinheit

Auf der Basis des bewährten Antriebsmotors und des Stirnrad-Differentials wurde eine komplette Antriebseinheit konstruiert und aufgebaut.

Sie enthält einen handelsüblichen Billig-Motor, ein Getriebe mit 3 einstellbaren (nicht schaltbaren) Untersetzungen und ein Stirnrad-Differential mit einer zusätzlichen zentralen Aufnahme für die Halbachsen (wie sie z. B. auch von Meccano Kegelrad-Differentialen bekannt ist).
Die Abmessungen der Antriebseinheit betragen ca. 40 mm x 50 mm x 150 mm bei einer Masse von ca. 600 g.
Antriebseinheit
Antriebseinheit

Bis auf den Winkeltrieb wurden Stahl-Zahnräder mit Modul 1 verwendet, die nicht nur sehr massiv aussehen, sondern auch keine allzu hohe Präzision erfordern.
Bezüglich der Befestigung des Differentials wurde ebenfalls von den bekannten MÄRKLIN- und MECCANO-Vorschlägen abgewichen:
Da die Antriebskraft auf den Käfig des Differentials wirkt, wurde im Hinblick auf eine größere Stabilität demzufolge auch der Käfig gelagert, wobei die Halbachsen konzentrisch aus den Lagerzapfen herausragen. Dies hat den Vorteil, dass das Differential auch bei großen Kräften nicht weggedrückt wird.


Antriebsachse
Beispiel einer Antriebsachse
Je nach Anforderung können weitere Befestigungselemente montiert werden, wodurch der Aufbau einer kompletten und stabilen Antriebsachse möglich ist.
So kann die abgebildete Achse z. B. direkt an die Blattfedern eines LKW-Fahrgestelles geschraubt werden, wobei der Antrieb natürlich so gegengelagert werden muss, dass er den Bewegungen der Federung folgen kann.



Entstörung von Kollektor-Motoren

Allgemeines

Für den Betrieb von Metallbaukasten-Modellen werden oft Elektromotoren verwendet. Dies sind üblicherweise preiswerte Kollektor-Motoren, die naturgemäß Hochfrequenz(HF)-Störungen durch Funkenbildung erzeugen; sie sollten daher grundsätzlich entstört werden.
Hersteller bzw. Vertreiber solcher Antriebe sollten zumindest auf eine Entstörung hinweisen, da es nicht zuletzt auch gesetzliche Bestimmungen zum Funkschutz gibt.

Besonders ferngesteuerte Modelle reagieren sehr empfindlich auf Störungen von Motoren, bis hin zum völligen Funktionsverlust.
Dasselbe gilt, wenn Kollektor-Motoren mit elektronisch geregelten Netzteilen betrieben werden; je nach Stärke des Motors ist sogar eine Zerstörung des Netzteiles nicht auszuschließen.
Wenn beim Betrieb mit Motoren solche Effekte auftreten, dann sollte zuerst die Entstörung überprüft und evtl. nachgerüstet werden.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen Motor zu entstören.
Üblicherweise werden Kondensatoren verwendet, da sie klein sind und sehr gut wirken (können).
Auch mit Spulen bzw. Drosseln kann man entstören, und in besonders hartnäckigen Fällen werden komplexere Filterschaltungen mit einer Kombination von Kondensatoren und Spulen eingesetzt.

Die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen sind allgemein gültig für die Entstörung elektrischer bzw. elektronischer Baugruppen; im Bereich der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) sind sie als unverzichtbare Standard-Maßnahmen bekannt.


Entstörung mit Kondensatoren

Diese Art der Entstörung basiert darauf, die erzeugte HF direkt an der Quelle (also am Motor) möglichst ideal kurzzuschließen, bevor sie sich ausbreiten kann (im Fachjargon auch als "Totprügeln" bezeichnet).
Üblicherweise werden Keramik-Kondensatoren verwendet, da diese ein besonders günstiges HF-Verhalten haben. Folien-Kondensatoren z. B. sind gewickelt und haben dadurch einen größeren induktiven Anteil; zur HF-Entstörung sind sie deshalb weniger gut geeignet.


Störkomponenten bis ca. 1 MHz breiten sich überwiegend zwischen den Motor-Zuleitungen aus (symmetrisch). Zur Entstörung wird deshalb ein Kondensator zwischen die Motor-Anschlüsse geschaltet, hier (fälschlicherweise) X-Kondensator genannt.
Störkomponenten oberhalb von ca. 1 MHz breiten sich dagegen hauptsächlich zwischen jeder Motor-Zuleitung und dem Gehäuse aus (asymmetrisch). Zur Entstörung wird daher zwischen jeden Anschluss und das Gehäuse ein weiterer Kondensator geschaltet, hier (fälschlicherweise) Y-Kondensator genannt.
Motor-Entstörung
Typische Motor-Entstörung mit
3 Keramik-Kondensatoren

Als Richtwerte für X- bzw. Y-Kondensatoren gelten 100 nF (nanofarad) bzw. 47 nF.
Die Entstörung wird auch mit anderen Kapazitätswerten funktionieren, denn viel wichtiger als die Werte sind die Anschlussdrähte der Kondensatoren! Diese sind möglichst kurz zu halten, da die Entstörung sonst nicht optimal funktionieren kann.
Der Grund dafür ist, dass für einen Draht physikalisch bedingt eine Induktivität von ca. 10 nH (nanohenry)/cm angenommen werden kann. Multipliziert man dies mit der Kreisfrequenz von z. B. 40 MHz (typische Fernsteuer-Frequenz), so ergibt sich ein induktiver Widerstand von ca. 2,5 Ohm.
Mit anderen Worten:
Jeder cm Draht hat bei einer Frequenz von 40 MHz einen Widerstand von ca. 2,5 Ohm; der für die Entstörung erforderliche (ideale) Kurzschluss der HF ist also nicht vorhanden.
Besonders betroffen sind Y-Kondensatoren, da diese ja hauptsächlich die hohen Anteile >1 MHz bedämpfen sollen. Bei X-Kondensatoren sind die Anschlussdrähte weniger kritisch, und meist kann ein X-Kondensator auch weggelassen werden.
Bestehen Zweifel an der Funktion einer Entstörung, sollten zuerst die Anschlussdrähte der Kondensatoren geprüft und evtl. gekürzt werden.



Entstör-Drosseln
Unterschiedliche Arten von Entstör-Drosseln
im Vergleich zu 1 EURO (von links):
Stabkerndrossel, stromkompensierte Drossel,
Klapp-Ferrit, Ferrit auf Leitung
Entstörung mit Spulen

Eine Entstörung mit Spulen bietet sich dann an, wenn das Motor-Gehäuse z. B. aus Kunststoff besteht oder aus anderen Gründen keine zweckmäßige Kontaktierung zum Gehäuse möglich ist.
Diese Art der Entstörung basiert darauf, der HF direkt an der Quelle (also am Motor) einen möglichst hohen Widerstand entgegenzusetzen, bevor sie sich ausbreiten kann (im Fachjargon auch als "Weichklopfen" bezeichnet).
Für die Entstörung mit Spulen bzw. Drosseln gibt es mehrere Möglichkeiten:



Im einfachsten Fall kann in jede Motor-Zuleitung eine selbstgewickelte Zylinderspule ohne Kern (Luftspule) mit 5 bis 10 Windungen eingesetzt werden.
Aufgrund des fehlenden Kerns und der daraus resultierenden geringen Induktivität wird diese Spule jedoch nur sehr hohe Frequenzen wirksam bedämpfen; dafür gibt es bei dieser Spule aber auch bei hohem Motorstrom keine Sättigung, welche eine Spule nahezu unwirksam macht.
Wie bei allen Spulen ist natürlich auf einen ausreichenden Drahtquerschnitt zu achten.

Eine bessere Entstörung ergibt sich durch Verwendung von Stabkerndrosseln.
Wie der Name sagt, haben diese Drosseln einen ferromagnetischen Kern und deshalb bei gleicher Baugröße eine höhere Induktivität; aufgrund des großen "Luftspaltes" zwischen den Polen des Kerns tritt bei dieser Spule ebenfalls keine Sättigung auf.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer stromkompensierten Drossel.
Bei dieser Drossel befinden sich die 2 Wicklungen auf einem Ringkern, wobei sich die Magnetfelder des Motorstromes kompensieren; dadurch wird eine Sättigung des Kerns vermieden.
Den asymmetrischen (hochfrequenten) Anteilen setzen sie jedoch einen hohen Widerstand entgegen. Dies funktioniert aber nur, wenn die Drossel richtig beschaltet wird; andernfalls addieren sich die Magnetfelder des Motorstromes, und die Drossel wird durch Sättigung des Kerns unwirksam.

Sehr elegant ist die Entstörung mit einem Klapp-Ferrit.
Dieser ist in unterschiedlichen Größen erhältlich und wird gemeinsam auf beide Motor-Zuleitungen aufgeklemmt.
Die Wirkung entspricht der einer stromkompensierten Drossel, ohne dass jedoch gelötet werden muss. Allerdings sind die erreichbaren induktiven Widerstände meist deutlich geringer, als bei "richtigen" Spulen, weil es im Prinzip eine Spule mit nur einer Windung ist.
Ist der Ferrit groß genug, dann können die Motor-Zuleitungen mehrfach durchgeführt werden, wobei die Induktivität (theoretisch) quadratisch mit der Windungszahl steigt. Aber auch hierfür gibt es Grenzen, da sich zwischen den nebeneinanderliegenden Leitungen eine Kapazität ausbildet, die den gewonnenen induktiven Widerstand zunehmend wieder überbrückt.


Entstörung mit komplexeren Filterschaltungen

Hierbei handelt es sich um die Kombination von "Weichklopfen" und "Totprügeln".
Kondensatoren und Drosseln können hierbei in vielfältiger Art und Weise zusammengeschaltet werden, was an dieser Stelle aber nicht weiter vertieft werden soll.
Für den industriellen Bereich steht eine große Anzahl fertiger Filter in allen Größen zur Verfügung, die im Modellbau vermutlich jedoch nur im Einzelfall ihre Berechtigung finden.


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