Modelleisenbahn Zur Theorie von Elektro-Kleinmotoren (6)

7) Der Unterschied zwischen Dreipol- und Fünfpol-Motoren, schräggenutete Anker, Polfühligkeit

Wenn man sich Bild 4 anschaut, kann man sich leicht vorstellen, daß je nach Stellung des Ankers zu den Polschuhen, der magnetische Fluß "Phi" einen mehr oder weniger breiten Weg durch das Eisen des Ankers vorfindet, je nachdem, ob mehr Eisen oder mehr Luftraum der Nuten, in dem die Anker-Wicklungen liegen, sich im Fluß-Weg zwischen den Polschuhen befindet. Das bedeutet, daß der magnetische Widerstand des Ankers (der umgekehrt proportional dem Eisenquerschnitt ist) und damit der magnetische Fluß "Phi" (siehe Abschnitt 5)) mit der Anker-Umdrehung schwankt und im Mittel kleiner ist, als wenn die Nuten nicht da wären.
Einen gleichmäßigeren und kleineren magnetischen Ankerwiderstand kann man mit fünf- (oder nochmehr-)poligen Ankern erzielen. Das ist einer der Gründe, weshalb die neuen Miniclub-Fünfpoler besser sind als die alten Dreipoler, da sie unter sonst gleich angenommenen Bedingungen wegen des besseren Flußverlaufs ein etwas größeres Drehmoment besitzen bzw. bei gleich großem benötigtem Drehmoment (d.h. bei gleicher Last am Haken der Lok) eine geringere Stromaufnahme haben.
Aus dem gleichen Grunde, nämlich um einen gleichmäßigen und möglichst geringen magnetischen Ankerwiderstand während der Drehung zu erzielen, führt man bei qualitativ hochwertigeren Motoren die Nutung schräg zur Ankerachse aus.

Ein weiterer besonders bei unseren Lokomotiven gewichtiger Nachteil des Dreipolers ist dessen sogenannte "Polfühligkeit", die darin besteht, daß im stromlosen Stillstand des Motors ein Ankerpol von dem nächstliegenden Magnetpol des Stators wie ein normales Stück Eisen angezogen wird und in eine (von sechs möglichen) festen Stellungen einrastet, die beim Anfahren zunächst durch ein größeres Drehmoment überwunden werden muß, mit dem die Lok dann "losschießt".
Je höher die Polzahl desto geringer die Polfühligkeit, bereits ein Fünfpoler hat ersichtlich eine wesentlich geringere Polfühligkeit und ein ungenuteter Anker würde sich indifferent hinsichtlich der Polstellung verhalten.

8) Betrieb von Gleichstrom-Motoren mit pulsierenden Gleichspannungen

Die Miniclub-Lokomotiven werden aus bekannten Gründen häufig mit pulsierender Gleichspannung betrieben, die durch Gleichrichtung aus der herabtransformierten Netzspannung gewonnen wird.
Bei reiner Wechselspannung und bei pulsierender Gleichspannung wie auch bei dem resultierernden Strom ist zu unterscheiden zwischen dem Spitzenwert, dem arithmetischen Mittelwert und dem Effektivwert. Der Spitzenwert Isp eines Wechselstromes oder pulsierenden Gleichstromes ist der höchste positive (oder negative) Momentanwert, der arithmetische Mittelwert Iar eines Stromes ist der zeitlich lineare Mittelwert. Bei pulsierendem Gleichstrom ist Iar so definiert, daß die Summe aller größeren (über Iar liegenden) Augenblickswert-Anteile (gelbe Fläche in Bild 7) gleich der Summe der Differenzen von Iar und aller kleineren (unter Iar liegenden) Augenblickswerte (blaue Fläche) ist, also gelbe Fläche gleich blaue Fläche. Der Effektivwert Ieff eines Wechselstromes oder pulsierenden Gleichstromes entspricht der Größe eines Gleichstromes, der die gleiche Wärmeleistung P erzeugt.
Wichtig ist nun die Tatsache, daß die Verlustleistung und damit die Erwärmung eines Motors proportional dem Quadrat des Effektivwertes des durch ihn fließenden Stromes ist, das Drehmoment hingegen, das ein Gleichstrom-Permanentmagnet-Motor abgibt, ist dem Mittelwert des Stromes proportional.
Anmerkung: Auch Meßgeräte mit Drehspulmeßwerken, deren Aufbau im Prinzip ja dem eines Permanentmagnet-Motors entspricht, zeigen den Mittelwert an, die Skalen sind jedoch in Effektivwerten geeicht und daher für Wechselspannungen und -ströme nicht linear.
Für sinusförmige Spannungen sind die Zahlen-Verhältnisse in vorstehender Tabelle auf Bild 7 zusammengefaßt (Für nicht sinusförmige Spannungen gelten andere Beziehungen und Zahlenwerte).
Im linken Diagramm von Bild 7 ist ein reiner Gleichstrom mit dem willkürlich angenommenen Mittelwert Iar = 1 (grün) als Bezugsgröße dargestellt. Alle anderen Größen haben bei reinem Gleichstrom ebenfalls den Zahlenwert 1. Im mittleren Diagramm von Bild 7 ist ein durch Zeiweggleichrichtung gewonnener pulsierender Gleichstrom dargestellt, dessen Größe so gewählt ist, daß sein Mittelwert den gleichen Zahlenwert, nämlich Iar = 1 (grün) wie der reine Gleichstrom hat, also das gleiche Motordrehmoment erzeugt. Der Effektivwert Ieff ist um den Faktor 1,1 größer, dessen Quadrat beträgt 1,23, d.h. die Erwärmung des Motors ist um diesen Faktor größer als bei Betrieb mit reinem Gleichstrom. Der Spitzenwert Isp ist 1,57 mal so groß wie der Mittelwert Iar.
Im rechten Diagramm von Bild 7 sind die entsprechenden Verhältnisse für einen durch Einweggleichrichtung gewonnenen pulsierenden Gleichstrom aufgeführt. Dabei ist dessen Größe wiederum so gewählt, daß sein Mittelwert den gleichen Zahlenwert, nämlich Iar = 1 (grün) wie der reine Gleichstrom hat, also das gleiche Motordrehmoment erzeugt. Die hierbei auftretende Verlustleistung und damit Erwärmung des Motors ist um den beachtlichen Faktor 2,46 größer als bei reinem Gleichstrom.
Ein Zahlenbeispiel: Wicklungswiderstand zwischen zwei Kollektorlamellen eines Miniclub-Dreipolers ca. R = 10 Ohm, Stromaufnahme I = 200 mA, daraus folgt eine Verlustleistung P = R x I x I = 0,4 Watt bei reinem Gleichstrom und 0,4 x 2,46 Watt = 0,98 Watt bei pulsierendem Gleichstrom gemäß Spalte 3 der Tabelle.
Der kombinierte Halbwellen-Gleichspannungs-Fahrregler (siehe die Hobby-Elektronik-Seiten dieser Website) zeigt auch hier seine Vorteile. Er verwendet Halbwellenimpulse zum Anfahren der Lokomotive, geht aber dann zu reinem Gleichspannungsbetrieb über.