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Bei den Slotcarmotoren handelt es sich ausschließlich um Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten, da diese die beste Kombination von Preis und Leistung bieten und eine sehr einfache Ansteuerung und Regelung erlauben.

Die folgende Beschreibung ist etwas vereinfacht und soll nur eine Vorstellung davon vermitteln, was den Motor zum Drehen bringt und wovon die Drehzahl in welcher Weise beeinflusst wird.

Der Permanentmagent hat die Form einer Röhre. Inmitten des Magneten sitzt die Achse auf der sich für gewöhnlich drei Anker befinden. Jeder Anker ist ein Elektromagnet. Es ist immer nur ein Anker mit den Spannungsanschlüssen des Motors verbunden.

Wird nun der Motor an eine Spannungsquelle angeschlossen, so fliesst ein Strom durch den gerade verbundenen Anker. Da es sich bei dem Anker um einen Elektromagneten handelt, erzeugt der Strom ein Magnetfeld. Bildlich gesprochen "drückt" dieses Magnetfeld gegen das Magnetfeld des Permanentmagneten. Der Permanentmagnet kann aber nicht bewegt werden, also muss sich der Anker bewegen. Da die Anker auf einer Achse sitzen wird der Anker ein Stück um die Achse herumgedrückt und die anderen Anker drehen sich mit. Nach einer Drittelumdrehung wird die Verbindung des Ankers mit den Spannungsanschlüssen unterbrochen und stattdessen der nächste Anker, der sich nun dort befindet, wo der erste Anker gestartet ist, verbunden. Dieser Anker wird von Strom durchflossen, erzeugt ein Magnetfeld und wird weggedrückt usw.

Je größer der Strom ist, der durch die Anker fliesst, desto stärker ist das Magnetfeld. Je stärker das Magnetfeld ist desto kräftiger wird der gerade verbundene Anker weggedrückt.

Drehmoment

Die Größ, die beschreibt, wie kräftig der Anker weggedrückt wird, nennt man Drehmoment (M). Je höher das Drehmoment ist, desto mehr Kraft liefert der Motor. Je schwerer etwas zu bewegen ist, desto mehr Kraft braucht ein Motor, desto mehr Drehmoment muss er liefern.

Es wird eine bestimmte Menge Drehmoment benötigt, um die Achse zum Drehen zu bekommen. Ist der Motor freilaufend und gut geölt ist weniger Drehmoment notwendig, als wenn der Motor Räder antreiben muss und die Lager trocken sind. Genauso benötigt man auf ebener Strecke weniger Drehmoment als an einer Steigung, um die gleiche Drehzahl zu erreichen.

Ist das erzeugte Drehmoment grösser als das, dass zum Erhalt der momentanen Drehzahl benötigt wird, so wird der Motor schneller drehen, ist das Drehmoment kleiner wird er langsamer drehen.

Strom

Da die Stärke des Drehmoment von der Stärke des Stromes abhängt ist es wichtig zu wissen wovon die Stärke des Stromes abhängt.

Die Stärke des Stroms (I) wird bestimmt vom ohmschen Widerstand (R) des Motors und dem Unterschied von Betriebs- (Ub) und Induktionsspannung (Ui).

I = (Ub - Ui) / R

Der Widerstand des Motors ist vom gewählten Motor abhängig und ändert sich nicht.

Die Induktions Spannung entsteht wenn sich der Motor dreht. Je schneller der Motor dreht desto höher ist die Induktionsspannung. Steht der Motor so ist Ui gleich 0V. Wir können die Induktionsspannung also nicht direkt beeinflussen.

Die Betriebsspannung können wir im vorgegebenen Rahmen beliebig einstellen und ist für uns somit das einzige Steuermittel. In der Praxis wird Ub über den Handregler eingestellt.

Diagramme

Die nachfolgenden Diagramme zeigen die Veränderung der Größen nach bestimmten Ereignissen. Die Werte selbst haben keine Bedeutung es geht nur um Ihren Verlauf, ob sie steigen oder fallen. So wird für Drehzahl und Induktionsspannung die selbe Kurve verwendet, da ihr Verlauf identisch ist, obwohl sie total unterschiedliche Werte haben. Sind zwei Größen proportional, so haben ihre Kurven den gleichen Verlauf. Proportional sind: Induktionsspannung und Drehzahl. Der Unterschied zwischen Ub und Ui. Die Stromstärke und das erzeugte Drehmoment.

Einschalten

Wird an einen stehenden Motor eine Spannung angelegt, so beginnt ein Strom zu fliessen. Da Ui noch 0V ist, ist der Unterschied zwischen Ub und Ui der größtmögliche und somit fließt auch der größtmögliche Strom. Dieser sogenannte Einschaltstrom kann bis zu 11 fachen des Arbeitsstromes betragen. Dies erzeugt das größtmögliche Drehmoment und der Motor beginnt mit aller Kraft zu drehen. Da die Teile im Motor eine Masse haben, springt die Drehzahl nicht sofort auf ihren Endwert, sondern beginnt sich wegen der Trägheit, langsam zu erhöhen.

Da nun die Drehzahl zu steigen beginnt, steigt auch die Induktionsspannung (Ui). Dadurch wird der Unterschied zwischen Ub und Ui kleiner. Und so wird der Strom kleiner und das Drehmoment kleiner. Aber das Drehmoment ist immer noch größer als das zum Drehzahlerhalt notwendige Drehmoment, also dreht der Motor noch ein bischen schneller. Dies führt zu einem weiteren Ansteigen von Ui und so weiter. Irgendwann erreicht die Drehzahl einen Wert, bei dem der Unterschied aus Ub und Ui nur noch so hoch ist, dass der Strom gerade genug Drehmoment erzeugt, um die Drehzahl zuhalten. Wenn wir keine Veränderung vornehmen, dreht der Motor mit dieser Drehzahl ewig weiter. Dies ist der Arbeitspunkt des Motors.

Spannung verringern oder erhöhen

Wird die angelegte Spannung Ub verringert, so sinkt Ub im Vergleich zu Ui und der Unterschied zwischen den beiden verringert sich. Der Strom verringert sich entsprechend. Wie beim Einschalten ist die Veränderung der Stromstärke jetzt am größten. Mit der Stromstärke verringern sich auch Drehmoment und Drehzahl und somit auch die Induktionsspannung. Dadurch wird der Unterschied zwischen Ub und Ui wieder größer und der Strom steigt wieder ein wenig an reicht aber noch nicht aus um die Drehzahl zu erhalten. Diese sinkt weiter, die Induktionsspannung sinkt weiter, der Unterschied wächst, der Strom steigt, usw. Solange bis der Unterschied aus Ub und Ui wieder so hoch ist, dass der Strom gerade genug Drehmoment erzeugt um die Drehzahl zuhalten und somit der neue Arbeitspunkt erreicht ist.

Wird die angelegte Spannung Ub erhöht, so laufen die gleichen Dinge ab, wie beim Einschalten. Nur dass der Motor schon dreht und somit die Induktionsspannung nicht bei 0 beginnt.

Die Drehzahl, die sich bei einer Betriebspannung einstellt, ist proportional zur Betriebsspannung.

Lastwechsel

Ändert sich das Drehmoment das benötigt wird um den Motor am Drehen zu halten, spricht man von einem Lastwechsel. Bei Slotcars treten diese hauptsächlich beim Wechsel von ebener Strecke zu einer Steigung oder einem Gefälle auf.

Steigt das benötigte Drehmoment, so reicht das gelieferte Drehmoment nicht mehr aus um die Drehzahl zu halten und die Drehzahl sinkt. Durch das Sinken der Drehzahl sinkt die Induktionsspannung und der Unterschied zwischen Ub und Ui steigt und somit steigt der Strom und auch das gelieferte Drehmoment. Dies wirkt der sinkenden Drehzahl entgegen reicht aber noch nicht aus. Die Drehzahl sinkt weiter, die Induktionsspannung sinkt weiter und der Strom steigt und das gelieferte Drehmoment steigt noch ein wenig. Dies wiederholt sich solange, bis genug Drehmoment geliefert wird um die Drehzahl zu erhalten und somit der neue Arbeitspunkt erreicht ist.

Sinkt das benötigte Drehmoment so sind die Abläufe die gleichen nur mit umgekehrten Vorzeichen.

Ausschalten

Es gibt zwei Methoden den Motor abzuschalten. Die "natürliche" Methode ist es die Verbindung zwischen Spannungsquelle und Motor zu trennen. Da nun kein Stromkreislauf mehr besteht, fliessen keine Ströme mehr. Der Motor wird beständig langsamer bis er zum Stillstand kommt. Wie schnell das geht hängt ausschliesslich von der Trägheit des Motors und dem Drehmoment, das benötigt wird um den Motor zu drehen, ab.

Die andere Methode ist es eine Spannung von 0V an den Motor anzulegen. Dies entspricht einem Kurzschluss des Motors. Dieses Verfahren wird bei Handreglern mit elektrischer Bremse angewandt.

 

Wird der Motor kurzgeschlossen so wird Ub zu 0V. Der Motor wird wegen der Trägheit weiterdrehen. Doch gegen die Drehbewegung wirkt nun nicht nur die Last, sondern es kommt zu einer zusätzlichen Bremswirkung. Denn die Differenz zwischen Ub und Ui wird schlagartig negativ (Ub ist ja 0). Dadurch fliesst nun ein Strom in umgekehrter Richtung durch den Motor. Das erzeugte Magnetfeld ändert ebenfalls seine Richtung und drückt den Anker nun in die andere Richtung. Das erzeugte Drehmoment wirkt entgegen der Drehung. Durch die Trägheit springt der Motor nicht einfach in die andere Richtung um, sondern wird nur abgebremst. Dies und die Last führt zu einer Verringerung der Drehzahl und somit der Induktionsspannung. Dadurch sinkt der Unterschied zwischen Ub und Ui und der Strom sinkt. Da der Strom aber immer noch "in die andere Richtung fliesst" wird immer noch ein Drehmoment erzeugt, das gegen die Drehung wirkt, und der Motor wird weiter abgebremst. Die Bremswirkung wird umso geringer je langsamer der Motor dreht. Im Diagram ist ein Knick in der Drehzahlkurve zu erkennen. Dies ist der Zeitpunkt an dem die Bremswirkung aufhört und der Wagen normal ausrollt.

Wird der Motor von einer elektronischen Schaltung angesteuert, so muss man beim Entwurf beachten, dass die negative Spitze die Schaltung nicht zerstört.

Elektrische Leistung

Der Motor wird mit einer Spannung betrieben und es fliesst ein Strom, er nimmt also elektrische Leistung auf. Die elektrische Leistung berechnet sich:

P = U * I

Die Leistung wird in Watt angegeben.

Mechanische Leistung

Der Motor wandelt die elektrische Leistung in mechanische Leistung um. Die mechanische Leistung berechnet sich:

P = D * M

D ist die gegenwärtige Drehzahl des Motors und M das erzeugte Drehmoment.

Verlustleistung

Nichts ist perfekt auf dieser Welt und so wird nicht die ganze elektrische Leistung in mechanische Leistung umgesetzt. Ein Teil geht an Reibung verloren, ein anderer Teil, bei der Erzeugung des Magnetfeldes usw. Diesen Teil der Leistung nennt man Verlustleistung.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad gibt an wieviel Prozent der elektrischen Leistung in mechanische Leistung umgesetzt werden. Der Wirkungsgrad hängt vom Motor ab und bewegt sich typischerweise im Bereich von 60-90%.

Wärme

Die Verlustleistung kann nicht einfach so verpuffen und so wird sie hauptsächlich in Form von Wärme(leistung) abgegeben.

Da die Verlustleistung proportional zur elektrischen Leistung ist, wird der Motor wärmer, je höher die Betriebsspannung oder der Strom sind.

D.h. fährt man schneller oder muss der Motor ein höheres Drehmoment erzeugen (der Strom am Arbeitspunkt richtet sich nach dem zu erzeugenden Drehmoment), so wird der Motor wärmer. Je stärker der Magnet in einem Auto ist, desto mehr Drehmoment wird benötigt um es zu bewegen und somit wird mehr Strom benötigt und somit mehr Leistung. Und wenn mehr Leistung benötigt wird, entsteht eine höhere Verlustleistung und somit wird der Motor wärmer als in einem Auto ohne oder mit schwächerem Magneten. Hält man die Achse fest und gibt Gas so fliesst ein hoher Strom bei einer hohen Spannung und der Motor wird sehr schnell sehr warm.

Überschreitet man die empfohlenen Betriebswerte des Motors, so kann die Wärme zu groß werden der Motor kaputt geht.

Was bleibt

Am Ende dieser langen Abhandlung steht die Erkenntnis, dass die Drehzahl eines Elektromotors im Betrieb durch eine Veränderung der Betriebsspannung oder der Last beeinflusst werden kann. Eine gezielte Veränderung der Last ist zwar theoretisch möglich, aber es ist sehr viel einfacher, die Betriebsspannung des Motors zu beeinflussen.

Folgende Dinge sollte man sich merken:

  • Die Drehzahl ist proportional zur Betriebsspannung.
  • Bei Veränderung der Betriebsspannung reagiert der Motor mit einer Stromspitze.
  • Das Drehmoment ist proportional zum Strom.
  • Steigt die Last erhöht sich die Stromaufnahme und die Drehzahl verringert sich.
  • Verringert sich die Last, so sinkt die Stromaufnahme und die Drehzahl steigt.
  • Ändern sich Last und Betriebspannung nicht erreicht der Motor nach kurzer Zeit einen Arbeitspunkt an dem Stromstärke und erzeugtes Drehmoment ebenfalls konstant sind und das erzeugte Drehmoment dem benötigten Drehmoment entspricht.