Belastning af jævnstrømsmotorer i modellokomotiver
Hvordan opfører småmotorer i modellokomotiver sig når de belastes? Svaret afhænger af hvilken motortype der anvendes, og hvorledes motoren reguleres.
1. Motortyper og belastningskarakteristik
I det følgende vises nogle motortyper og deres belastningskarakteristik, dvs. hvor-ledes omdrejningshastigheden ændrer sig når motoren belastes og forsynings-spændingen holdes konstant. For motoren måles omdrejningshastigheden i omdr/min og belastningen som det kraftmoment i Nmm (newton-millimeter) som udgangsakslen påføres.
1.1 Shuntmotoren
Shuntmotor. Til venstre princip-strømskema. Modstanden kan benyttes til hastighedsregulering. Til højre belastningsdiagram. M er belastningsmomentet, n er omdrejningstallet.
Shuntmotoren benyttes ikke til modelbaner, men medtages for fuldstændighedens skyld. Den kan ikke køre på vekselstrøm.
1.2 Seriemotoren
Seriemotor. Til venstre princip-strømskema. Modstanden kan benyttes til hastighedsregulering. Til højre belastningsdiagram. M er belastningsmomentet, n er omdrejningstallet.
Seriemotoren benyttes stadig i ældre modeller af fabrikat Märklin. Den kan køre på vekselstrøm da strømmen gennem anker og feltvikling er i fase, og kaldes derfor også universalmotoren. Større seriemotorer må ikke køre ubelastede, da de kan "løbe løbsk".
1.3 Motorer med permanentmagnet
Til venstre micromotor fra Minimotor SA i Schweiz. Motoren har jernløst rørformet anker og cylindrisk permanentmagnet. Til højre belastningsdiagram. Den fuldt optrukne linje viser omdrejningstallet n og den stiplede linje strømmen I som funktion af belastnings-momentet M.
Motorer med permanentmagnet findes i mange udførelser. De ældre typer ligner shuntmotoren, men har i stedet for feltviklingen en kraftig permanentmagnet. Nyere typer er forsynet med rørformet permanent-magnet. Den nyeste type er den såkaldte micromotor med jernløst rørformet anker og cylindrisk permanentmagnet som er anbragt inden i ankeret. Typerne behandles under et da de belastningsmæssigt ligner hinanden.
Fælles for alle motortyperne er at de ikke i længere tid må overbelastes, idet de tager skade af den varmeudvikling der derved opstår. Det område som en motor tåler at køre i, kan indtegnes i belastningsdiagrammet.
2. Lokomotivets belastningskarakteristik
I reglen indbygges motorer og udveksling i modellokomotiver på en sådan måde at der er et fast mekanisk udvekslingsforhold mellem motorakslen og de trækkende hjulsæt. Det indebærer at der er proportionalitet mellem motorens omdrejningstal og de trækkende hjulsæts omdrejningstal.
I modellokomotivets lejer, udveksling m. v. opstår der under kørslen mekaniske tab i form af gnidningsmodstand. Disse tab kan regnes på to måder, enten konstante (tab i aksellejer, strømaftagere og lign.) eller proportionale med belastningen (tab i snekkedrev, tandhjul, tandhjulslejer og lign.). Denne opdeling gør det enklere at indregne hvorledes tabene indvirker på lokomotivets belastningskarakteristik.
Lokomotivets belastningskarakteristik ved konstant forsyningsspænding. Ved trækkraft = 0 (uden vogne) køres max. hastighed, ved max. trækkraft er hastigheden lavere. Til højre for linjen "max. trækkraft" overbelastes motoren.
Det indebærer at man for et lokomotiv kan optegne en belastningskarakteristik på samme måde som for motoren alene. Hvor det for motoren er omdrejningstal og belastningsmoment som indgår, er det for lokomotivet kørehastighed og trækkraft. Hastigheden regnes i modelkilometer i timen og trækkraften i mN (millinewton).
For nemheds skyld benyttes i eksemplerne motorkarakteristikken for en motor med permanentmagnet, men princippet er det samme for en universalmotor, blot vil linjen i diagrammet være krum.
To forhold begrænser den trækkraft som lokomotivet kan levere: Motorens ydeevne og lokomotivets adhæsionsvægt. Det bør være sådan at lokomotivets hjul kan "spille" på skinnerne uden at motoren overbelastes væsentligt, i modsat fald kan den hurtigt ødelægges. Derfor kan "hæfteringe" indebære at motoren overbelastes hvis den ikke er dimensioneret derefter.
På belastningsdiagrammet er indtegnet max. trækkraft.
2.2 Et eksempel
I nedenstående diagram er vist et eksempel hvor der kun er medtaget den del som ligger indenfor lokomotivets normale arbejdsområde.
Eksempel på belastningskarakteristik for et modellokomotiv ved konstant forsyningsspænding (12V jævnspænding). Lokomotivet kører med en hastighed på 107 km/h (modelhastighed) når det leverer en trækkraft på 500 mN.
3. Når to lokomotiver trækker
3.1 To ens lokomotiver
Når to helt ens lokomotiver trækker et tog, kan man forestille sig at de hver må trække sin halvdel af den samlede belastning. Hvis man betragter diagrammet ovenfor, skulle to lokomotiver af pågældende type altså kunne trække 1000 mN med en hastighed på 107 km/h.
For at se om dette holder stik, kan man prøve at dele togstammen i to, hægte dem på hver sit lokomotiv og lade de to tog køre afsted med en lille afstand.
Ofte vil man se at de to togdele ikke kører med helt samme hastighed. Det kan skyldes at de to togstammer ikke har helt samme vægt og rullemodstand. Bedst er det at bruge helt ens oprangerede togdele, men alligevel kan der være forskel. Det kan også skyldes at de to lokomotiver vitterlig ikke er ens; med de uundgåelige fabrikationstolerancer i moderne serieproduktion er dette hyppigt tilfældet.
Så kan man prøve at flytte vogne fra det ene tog til det andet indtil de kører med samme hastighed. Når man derefter kobler de to tog sammen, trækker lokomotiverne fortsat hver sin del af det samlede tog. Om lokomotiverne begge placeres forrest eller fordeles jævnt i toget, har kun betydning ved meget lange tog som de f. eks. ses i USA, eller ved kørsel i meget skarpe kurver.
3.2 To forskellige lokomotiver
Med to forskellige lokomotiver kan man prøve det før beskrevne forsøg. Men man kan også få en fornemmelse af resultatet ved at indtegne belastningskarakteristikkerne for de to lokomotiver i det samme diagram.
Eksempel på belastningskarakteristikker for to forskellige modellokomotiver ved konstant forsyningsspænding (12V jævnspænding). Lokomotiverne kører med en hastighed på 104 km/h (modelhastighed) når lokomotiv A leverer en trækkraft på 580 mN og lokomotiv B leverer en trækkraft på 420 mN.
I diagrammet ovenfor er lokomotiv A det samme som i afsnit 2.2, mens lokomotiv B er lidt mindre end lokomotiv A og er en smule hurtigere ved lav trækkraft. Da begge lokomotiver må køre med samme hastighed, skal man finde det sted på de to linjer hvor den samlede trakkræft er 1000 mN idet vi bruger toget fra tidligere som eksempel. Man ser altså at det ene lokomotiv belastes mere end det andet.
De to lokomotiver kan dog godt være for forskellige; nedenfor er vist et eksempel hvor lokomotiv B er meget hurtigere end lokomotiv A.
Eksempel på belastningskarakteristikker for to forskellige modellokomotiver ved konstant forsyningsspænding (12V jævnspænding). Lokomotiverne er så forskellige at lokomotiv B som er det mindste, trækker det meste af toget. Det er ikke hensigtsmæssigt.
4. Styring af lokomotiverne
I det foregående er regnet med at lokomotiverne forsynes med konstant spænding, f eks. 12V jævnspænding.
4.1 Analog drift
Ved direkte jævn- eller vekselspændingsforsyning bør anvendes en spændingsstabiliseret forsyning hvor spændingen til sporet kun falder lidt selvom strømmen øges. Spændingsfaldet gennem skinner og tilledninger kan man imidlertid ikke undgå, så i praksis vil spændingen ved lokomotivets motor altid falde ved øget belastning.
Det ændrer imidlertid ikke på de skitserede principper, idet to lokomotiver for et tog blot vil finde et nyt arbejdspunkt ved en lidt lavere hastighed og ved en lidt anden fordeling af trækkraften. Det samme sker når spændingen mindskes for at styre hastigheden.
4.2 Digital drift
Ved digital drift tilpasses den mobile dekoders indstillinger til det aktuelle lokomotivs køreegenskaber. Hvis man ønsker at køre med flere lokomotiver i et tog, betjent fra samme kørekontrol, bør man gøre sig den ulejlighed at indstille de lokomotivers hastighedsområde der skal kunne køre sammen, så de stemmer nogenlunde overens.
Nyere mobile dekodere er forsynet med lastregulering. Denne funktion virker ved at øge forsynings-spændingen til motoren når motorstrømmen øges, og den sætter derfor jævnstrømsmotorernes normale belastningstilpasning helt eller delvis ud af spillet. Benytter man lastregulering, må man derfor være særligt omhyggelig med tilpasning af lokomotivernes køreegenskaber til hinanden.
2008-02-06: Artiklen er omarbejdet fra pdf til html, og der er foretaget enkelte rettelser efter forslag fra Rask Ingemann Lambertsen.