Faulhabermotorer og -gear i modellokomotiver

af Erik Olsen

I Lokomotivet nr. 52 fortælles om to Hs-modeller på NMJKs anlæg i Næstved, ombygget fra Fleischmanns "Sorte Anna" med nye motorer Faulhaber type 1016 samt et lille svinghjul og snekken monteret direkte på motorakslen. Det fik mig til at reagere.

Jeg har lidt erfaring med Faulhaber-motorer i modellokomotiver, og jeg studsede over en detalje: At snekken er anbragt direkte på motorakslen. Det er en dårlig løsning på Faulhaber-motorer, jeg skal prøve at forklare hvorfor. For at være letløbende er motoren lavet med lille akseldiameter og små lejer; derfor kan lejerne kun optage små aksiale kræfter (dvs. på langs af akslen). På en snekke virker store aksiale kræfter som så skal optages af motorlejerne. Regner man på det, er resultatet at den aksiale kraft fra snekken er 2-3 gange så stor som den anbefalede største værdi for motoren. Det betyder at motorlejerne kan slides hurtigt. For Faulhaber 1016 anbefales en maksimal aksialkraft på 0,10 N ved 3000 omdr/min; vejer Hs-modellen 80 g vil største aksialkraft være ca. 0,24 N.

Kim Møller fra Tikøb Hobby har vist mig nogle af sine mange modeller i 1:87 med Faulhaber-motor, flere af dem med snekke monteret på motorakslen. Han fortæller at nogle af dem har kørt rigtig meget, og at han ikke har haft problemer med motorlejer der er slidt op. Der er nogle fælles træk ved Kims modeller: Der er anvendt 1) så stor en motor som muligt (med større og mere slidstærke lejer), 2) højt udvekslingsforhold med kombineret snekke- og tandhjulsudveksling (giver lavere belastning på motoren) og 3) snekke af god kvalitet og med lille diameter (giver højere virkningsgrad). Hvis man ønsker at anvende snekke monteret på motoren, anbefales det at følge disse retninglinier, så kan det altså lykkes.

Man bør også være opmærksom på at motoren ikke overbelastes. Det kan man kontrollere ved at måle motorstrømmen ved største belastning (lige inden hjulene glider på skinnerne). Motorstrømmen må ikke være større end angivet i databladet (for type 1016N012G maks. 80 mA). Overbelastning kan skyldes at udvekslingsforholdet er for lille. På den måde motoreren er indbygget på Hs-modellen vil jeg tro at udvekslingsforholdet er ca. 30:1, og modellen kører da for hurtigt (80-90 km/t) ved 12 V. Hvis man anvender det rigtige udvekslingsforhold på ca. 100:1, bliver maksimalhastigheden ca. 30 km/t og motorbelastningen falder væsentligt.

Motorernes udformning

Lad os først se lidt på motorens konstruktion. I figur 1 og 2 er vist en typisk Faulhaber-motor (fabrikat Minimotor SA, Schweiz). Motorhuset er et stålrør, modsat kommutatoren er ipresset et dæksel med gevindhuller til fastgørelse af motoren. Til dækslet er fastgjort en massiv stator (cylindrisk permanentmagnet) og lejer som i standardudførelsen er levetidssmurte sintrede broncelejer. Rotoren er rørformet, af plast og udvendigt forsynet med en særligt udformet vikling. Rotoren er modsat akselenden udført med en endebund hvor den er fastgjort til akslen, her er også kommutatoren anbragt. Rotorviklingen befinder sig således i et rørformet hulrum mellem stator og motorhus. Børsterne er på de fleste motortyper af ædelmetal, og er fastgjort i et plastdæksel modsat akselenden, hvor også eltilslutninger findes.

Det ses at motorlejerne er små. Motorernes levetid angives til 1000-10000 timer afhængigt af driftsforholdene. Det er normalt børster og kommutator der først går i stykker, enten på grund af slid eller overophedning hvis motoren belastes for hårdt (motorstrømmen bliver for stor). Det kan altså betale sig at sikre motoren er stor nok. Det skal nævnes at nogle af motortyperne kan leveres med kuglelejer i stedet for sintrede broncelejer. Motorer med kuglelejer tåler en højere aksial belastning og kan anvendes med en snekke monteret direkte på akslen. De er dog noget dyrere og sværere at skaffe.

Motorens karakteristik

Det kan være værdifuldt at vide lidt om hvordan motorer opfører sig i drift især hvis man vil regne på om motoren er stor nok, og om udvekslingsforholdet er valgt rigtigt. Drejnings-momentet (torque) M [Nmm] er et udtryk for hvor meget motoren belastes mekanisk. Den afgivne effekt (mechanical output power) P₂ [W] er et udtryk for energiomsætningen i motoren. Hvis M eller P er større end de grænseværdier der er angivet for hver enkelt motortype, risikerer man at ødelægge motoren. Der sker oftest det at den bliver for varm, og børsterne brænder af.

Man kan se på diagrammet figur 3 at der sker følgende når motoren belastes ved konstant forsyningsspænding:
- den afgivne effekt P₂ [W] stiger og falder igen (kurve a)
- virkningsgraden η stiger og falder igen (kurve b)
- motorstrømmen I [mA] stiger (til højre, stregpriklinie)
- omdrejningshastigheden n [omdr/min] falder (til højre, fuldstreglinie)

Der kan læses mere om motorernes udformning og egenskaber på Minimotors websider, se http://www.minimotor.ch/uk/ og vælg "Product design" og "DC-Micromotor".

Motorstørrelser

På Minimotors websider findes et væld af motorer og gear samt alle data. En oversigt kan findes ved at vælge http://www.minimotor.ch/uk/ (her på engelsk), "Product range" og "DC Micromotors". Herfra linkes videre til datablade i pdf-format for den ønskede motorstørrelse. Der findes motorer til mange driftspændinger og akselender, varianterne fremgår af typenumrene. Motorer med særlige akselender for Faulhaber gear har særlige typebetegnelser. De angivne længder er ekskl. akselender og eltilslutninger.

Minimotor har foruden sit hovedkatalog hvis indhold svarer til websidernes, udsendt et hobbykatalog hvor der foruden et udvalg af motorer og gear fra det normale program, er medtaget en række motortyper med to akselender særligt egnet til modellokomotiver. Katalogmateriale kan bestilles fra websiden ved at vælge "Catalogue request".

Transmissionens udformning

Man kan anbringe et cylindrisk tandhjul på motorakslen, og fastgøre motoren sådan at tandhjulene er i korrekt indgreb. Man kan bruge koniske tandhjul; selvom der er aksiale kræfter som motorlejerne skal optage, er kræfterne i reglen ikke større end lejerne tåler. Man kan tilslutte motoren via en fleksibel kobling (kardanled, plastslange el. lign.). Hvis man vil bruge en snekkeudveksling, skal snekkeakslen have sine egne lejer. Endelig kan man bruge remtræk med en O-ring som drivrem, blot remspændingen ikke er for stor.

Disse løsninger er selvfølgelig mere komplicerede end den traditionelle. Imidlertid har den traditionelle løsning andre ulemper; regner man på det, viser det sig at der ofte ikke er plads til det korrekte udvekslingsforhold. Man nøjes med mindre, og modellen kommer til at køre for hurtigt. Desuden har snekkegear en forfærdeligt dårlig virkningsgrad, 25-30% er meget almindeligt. For at kompensere for det lave udvekslingsforhold og den dårlige virkningsgrad må motoren være stor for ikke at blive overbelastet, og i små lokomotiver kniber det i forvejen med pladsen.

Der er imidlertid andre løsninger hvis man vil ofre lidt på det. Til Faulhaber motorerne fås gear der monteres direkte på motoren, figur 4 og 5. Til motorstørrelsen 1016 fås for eksempel planetgear som er 10 mm i diameter (type 10/1) med udvekslingsforholdene 4:1, 16:1, 64:1, 256:1 etc. Hvis man vælger udvekslingsforhold 64:1 bliver længden af motor og gear i alt 31,6 mm (plus ender). Man skal være opmærksom på at motoren har en særlig betegnelse (1016M012S) fordi dens aksel er forsynet med et tandhjul.

Der kan læses mere om gearenes udformning og egenskaber på Minimotors websider, se http://www.minimotor.ch/uk/ og vælg "Product design" og "Spur gearhead" eller "Planetary gearhead".

Motor og gear kan anbringes i kedelen med remtræk til bageste hjulsæt, det kan udmærket lade sig gøre selvom akslerne står vinkelret på hinanden. Som rem kan bruges en O-ring med 1 mm tykkelse og ca. 12,5 mm indvendig diameter, og remskiverne kan være 3 mm på gearakslen og 5,2 mm på hjulsættet. Remskiverne kan fastgøres på akslerne med Loctite 603. Udvekslingsforholdet beregnes ud fra remmens middelradius når den ligger på remskiverne, her R1 = 2 mm på drivende og R2 = 3,1 mm drevne aksel. Udvekslingsforholdet bliver i alt 64*3,1/2 = 99,2. Kunsten består i at vælge en O-ring med den rigtige længde så remspændingen bliver passende, derfor er O-ringens indvendige diameter anført med cirkamål (fås også 12 og 13 mm). Remtræk kan også bruges i større modeller, eventuelt med større remtykkelse (O-ringe fås også 1,2 og 1,5 mm, i 1:45 kan bruges 2 mm).

Bygger man selv sine tandhjulsgear, bør man være opmærksom på at tandhjul og lejring skal være af rimeligt god kvalitet, ligesom "gearkassen" bør være udført med omhu. Især kan hurtigtgående tandhjul støje meget hvis kvaliteten er mangelfuld. Faulhaber-gearene kan udmærket anvendes sammen med andre transmissionsløsninger. Hermed løser man også til en vis grad problemet med støj fra hurtigtgående tandhjul da Faulhaber-gearene er meget støjsvage.

Gearstørrelser

På Minimotors websider findes også en oversigt over gearene. Den kan findes ved at vælge http://www.minimotor.ch/uk/ (her på engelsk), "Product range" og "Precision gearheads". Herfra linkes videre til datablade i pdf-format for den ønskede gearstørrelse.

Der har tidligere kunnet fås gearmotorer hvor motor og gear er fast sammenbygget til en enhed. De er dog efterhånden udgået af programmet.

Svinghjul

I mange tilfælde anvendes et svinghjul på motorakslen for at give modellen en blød igangsætning, og et vist afløb når strømmen afbrydes. Mange af motortyperne kan leveres med akselende ved kommutatoren, så man kan anbringe et svinghjul her (vist på fotografiet af Hs i Lokomotivet nr. 52). Problemet med svinghjul er blot at de tager plads og i reglen ikke kan være særligt store. Et svinghjuls inertimoment (svinghjulsvirkning) er proportional med materialets massefylde og bredden, og proportional med diameteren i fjerde potens. Det eneste der virkelig nytter er at gøre diameteren stor; små svinghjul virker ganske enkelt ikke.

Hvis modellen har snekkegear med selvspærrende snekkegear hvor hjulene ikke kan trække motoren rundt, vil den stoppe pludseligt når strømmen afbrydes. Hvis der anvendes tandhjulsgear alene, kan hjulene trække motoren med rundt og standser ikke brat. Men strømmen afbrydes kun pludseligt på grund af mangelfuld strømforsyning, dvs. hvis sporet er snavset, hvis man har isolerede krydsninger i sine sporskifter eller hvis lokomotivets strømaftagere virker dårligt.

Hvis man kan være sikker på at hjulene altid rører skinnerne, er strømaftagere på to hjulsæt fuldt tilstrækkeligt, og på tre hjulsæt ren luksus. Det kan opnås ved at affjedre eller ekvilibrere hjulsættene, og kan udmærket laves også i 1:87. Det siger sig selv at sporskifternes krydsninger skal være af metal og strømforsynet gennem en kontakt på sporskiftedrevet, og skinner og hjul skal holdes rene. Så er der ingen grund til at bruge svinghjul, og Faulhaber-motorerne kræver det på ingen måde. Hvis man gerne vil have inerti-virkning, kan det laves elektronisk på kørespændingsregulatoren.

Strømaftagere

De traditionelle strømaftagere af broncebånd eller -tråd er desværre meget udsatte for at blive bukket og snavset. For at forbedre strømoptagelsen kan man bruge andre løsninger som uisolerede hjul på lokomotivet til den ene skinne og på tenderen til den anden skinne (kræver isoleret trækstang og kan give problemer med forspandskørsel), eller isolerede aksler med uisolerede hjul og isolerede rammer (giver en noget "massiv" udførelse af undervognen). Selv tror jeg mest på at affjedre eller ekvilibrere alle hjulsæt, og anvende strømaftagere som består af en affjedret stift i en isoleret bøsning, fastgjort til rammen (plunger pickups). Min G-maskine i 1:45 er lavet på denne måde, det ser ud til at fungere godt. Jeg har ikke erfaringer med systemet i 1:87, men det anvendes i 1:76,2 i England hvor dele kan købes.

Montering og vedligehold

De fleste af motorerne har enten et kort gevindstykke (de mindste) eller gevindhuller i enden ved akslen som kan benyttes til befæstigelse. De kan dog også limes fast, eller fastgøres med silokonefugemasse, fordelen er at fugemassen virker støjdæmpende. Hvis man anvender et Faulhaber-gear, fastgøres gearet til lokomotivet og motoren til gearet. Man skal smøre motorens tandhjul med tynd olie inden montagen. Motor- og gearlejer skal ikke smøres, de er smurt fra fabrikken. Man fraråder faktisk smøring fordi for meget eller forkert smøremiddel giver problemer.

Bemærk at Faulhaber-motorer kører bedst på helt udglattet jævnspænding som for eksempel fra en elektronisk spændingsregulator (LM317 eller lignende, man kan selv bygge en). Motorerne tåler ikke vekselspænding.

Beregninger

Ved beregning af motor og transmission på et modellokomotiv kan man sikre:
- at motoren er stor nok så den ikke overbelastes og
- at lokomotivet kører med nogenlunde den rigtige hastighed ved maks. kørespænding.

De to beregninger hænger uløseligt sammen. Motorens omdrejningstal afhænger nemlig ikke kun af motortypen, men også af belastningen på motoren, og belastningen afhænger af udvekslingsforholdet og gearets virkningsgrad samt af lokomotivets vægt og udformning. Hastigheden afhænger også af spændingen, naturligvis, men i beregningen regnes med maksimal kørespænding, i 1:87 er den 12 V, i 1:45 bruger jeg 24 V; herhjemme brugtes tidligere i skala 0, bl. a. i DMJK, 20 V, men flere bruger i dag 12 V.

Flemming Lund fra DMJK har i Signalposten skrevet to udmærkede artikler om trækkraftberegning: 1971 nr. 5: Effektbehovdiagram, og 1975 nr. 5: Trækkraft - og andre kræfter. Selvom de er skrevet primært til 1:45 og nu er ca. 25 år gamle, udgør de tilsammen en glimrende indføring i emnet. Jeg har fået lov af Flemming til at medtage artiklerne på min hjemmeside. Jeg har lavet et Excel-regneark (nu også i Works og Lotus 1-2-3) med trækkraftberegninger der kan bruges i alle skalaer, samt en vejledning hertil, se Trækkraftberegninger.

Forhandling og priser

Salg til Tyskland dækkes af firmaet Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG, Postfach 1146, D-71094 Schönaich, Tyskland, se http://www.faulhaber.de/. Det øvrige Europa, og dermed også Danmark, dækkes derimod af firmaet Minimotor SA, CH-6980 Croglio, Schweitz, se http://www.minimotor.ch/.

Faulhaber-motorer og -gear importeres herhjemme af Jenks Eftf. A/S, Vallensbækvej 21, 2605 Brøndby, tlf. 43 63 11 11. Jenk har tidligere ikke været så begejstret for at sælge til private, men når jeg har købt gennem firmaet, har der ikke været problemer. Jenk har tidligere henvist til Radio-Parts der ikke længere fører Faulhaber, men derimod nogle få tilsvarende typer af fabrikat Escap. Faulhaber og Minimotor har udsendt et katalog specielt rettet mod hobbymarkedet, de må altså være interesseret. Jeg har netop (23/1-99) modtaget dette hobbykatalog fra Jenk som samtidig skriver at der ikke findes en prisliste, men at man kan få oplyst priser ved telefonisk henvendelse, og at alle i princip kan købe hos dem (jeg ved endnu ikke hvad "i princip" i praksis dækker).

Tikøb Hobby (Kim Møller), se http://www.tikobhobby.dk/, har forskellige typer Faulhaber-motorer i sit sortiment, og har et særtilbud på en 22 mm motor med kuglelejer til ca. 175 kr. Trinbrættet i Århus har tidligere annonceret med Faulhaber-motorer, spørg om hvilke typer de kan skaffe. Andre muligheder er postordrekøb i Tyskland eller Schweiz.

Faulhaber-motorer og gear er ikke helt billige. Ved normalt køb kan man godt komme til at give ca. 400 kr. pr. stk. for motorer og måske lidt mindre for gear, de sammenbyggede gearmotorer er billigere end en motor+gear kombination. I nogle tilfælde kan man på hobbymarkedet finde tilbud på motorer (i reglen 12 V) til noget lavere priser, man må så tage hvad man kan få. Det kan være motorer som er frasorteret i den almindelige produktion fordi de ikke lever op til de normale kvalitetskrav, men de kan alligevel være udmærkede til modellokomotiver.

Efterskrift: Den oprindelige artikels tabeller med motor- og geartyper og deres data er fjernet og erstattet med links til Minimotors hjemmeside hvorfra opdaterede datablade i pdf-format kan downloades.

Ændringer:
2008-03-15: Opdateret til HTML 4.01 Strict.
2009-01-01: Typografi opdateret.