Kastendampflok OEG 102 im Maßstab 1:8 (elektrisch betrieben)

  • Hallo Gartenbahner,

    nach meinem Einstieg in die Spurweite 5 Zoll mit einem Güterwagen der OEG im Maßstab 1:8 kann ich mich an eine passende Zugmaschine wagen. Obwohl ich irgendwann gerne eine kohlegefeuerte Dampflok hätte, beginne ich erst einmal mit einer einfacher zu bauenden und zu fahrenden Lokomotive.
    Die Umsetzung, die bereits in vollem Gange ist, möchte ich mit einem Baubericht begleiten. Gerade wegen der angestrebten einfachen Anfertigung und dem begrenzten Kostenrahmen bietet der Bericht möglicherweise Anregungen für interessierte Leser.


    Baubericht Kastendampflok OEG 102 im Maßstab 1:8 (elektrisch betrieben)

    Bei dem Bau des Güterwagens habe ich nicht nur viele Erfahrungen über die vorkommenden Belastungen, Materialien und Bauausführungen gewonnen, sondern auch viele Tipps aus dem Forum erhalten. Auch bei meiner Suche nach geeigneten Antrieben war das Forum äußerst hilfreich. Aus all diesen Aspekten konnte ich ein Lastenheft für die Lok aufstellen:

    • Die Lok soll in Spurweite 5 Zoll im Maßstab 1:8 als Modell eines meterspurigen Vorbilds der OEG gebaut werden.
    • Ein Zug mit einer Gesamt-Masse von 160 kg (1 Person) soll mit einer Geschwindigkeit von 10 km/h über eine Steigung von 5% bewegt werden können.
      Daraus ergibt sich ein benötigtes Reibungsgewicht von rund 47 kg und eine benötigte Leistung von rund 230 W. Bei einer Gesamt-Masse von 260 kg (2 Personen) kann dann bei einer Geschwindigkeit von 10 km/h zumindest eine Steigung von 3% bewältigt werden.
    • Die Lok soll einen elektrischen Antrieb haben und mit einem eingebauten Akku einen Fahrtag (6 h) ohne nachladen fahren können. Es soll ein Anschluss für einen Zusatzakku im Bedienwagen vorgesehen werden.
    • Alle Funktionen sollen vollständig funkferngesteuert bedienbar sein, um eine einfache Handhabung und Rangierbetrieb zu ermöglichen.
    • Das Fahrzeug soll durch eine Person zu transportieren sein.
    • Der Bau soll ohne Spezialwerkzeug, ohne Drehbank und ohne große Fräse nur mit einfachen Werkzeugen möglich sein. Auch Schweiß- oder Hartlötarbeiten sollen möglichst vermieden werden.
    • Obwohl ich mir preislich keine absolute Grenze gesetzt habe, sollen sich die Kosten für Material und Zukaufteile in engen Grenzen halten. Die verbauten Zukaufteile sollen nach einer eventuellen späteren Zerlegung des Modells anderweitig nutzbar sein.


    Das Vorbild

    Die Kastendampflokomotive OEG 102 botsich als Vorbild thematisch und maßlich passend an. Es ist genügend frei verfügbares Bildmaterial vorhanden, um Details auszubilden und auch das Original existiert noch, obwohl die Lok nicht frei zugänglich ist. Der Wiedererkennungswert meines Modells wird zudem vermutlich recht hoch sein, da vielen Gartenbahnern die Großserienmodelle in Spur 2m bekannt sein dürften.


    Die Konstruktion

    Das Vorbild ist nahezu ideal für mein Vorhaben. Durch den voluminösen Kasten können sowohl eine große Autobatterie, als auch alle notwendigen Einbauten problemlos untergebracht werden. Wie bei vielen Kastendampfloks ist beim Vorbild das Triebwerk vollständig verkleidet, sodass beim Modell ein vorbildgrechter Eindruck ohne die Notwendigkeit einer besonderen Detaillierung einfach zu erreichen ist.

    Hier möchte ich euch zunächst anhand der aktuellen CAD-Daten einen Eindruck geben, wie das Modell einmal aussehen soll:

    grafik.png

    Es ist zu erwarten, dass die einfache und geradlinige Ausführung des Aufbaus bei der Umsetzung im Modell kaum Schwierigkeiten aufwerfen wird. Als Material werde ich im ersten Ansatz Sperrholz verwenden, wobei aber auch eine spätere Aufwertung durch einen Aufbau aus Aluminium- oder Stahlblech denkbar wäre.

    Anbauteile können sehr gut in 3D-Druck oder, wo mehr Stabilität erforderlich ist, als einfache Blechbiegeteile angefertigt werden.

    Das Dach wird nur aufgelegt und soll mit einem Handgriff abnehmbar sein, um die Autobatterie und eventuell verbaute Zusatzgewichte heraus nehmen zu können. Mit dem reduzierten Gewicht lässt sich die Lokomotive dann wie gefordert durch eine Person einfach handhaben.

    Im Innenraum des Kastens ist genügend Platz um mehrere kleine Akkus oder eine auch sehr große Autobatterie unterzubringen. Das erlaubt einen gewissen Spielraum, um Fahrzeit und Reibungsgewicht den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Seitlich und auch vor und hinter dem Akku-Bereich bleibt dann Raum für alle weiteren Einbauten.
    Eine große Autobatterie im Innenraum wirkt zwar sehr präsent, wird aber rundum eine Verkleidung erhalten, auf der dann graphische Seitenansichten eines Kessels zu sehen sind.


    Ich hoffe, mein Baubericht findet euer Interesse und ihr seid schon gespannt auf weitere Details. Im nächsten Beitrag werde ich die Auslegung des Antriebs und die Konstruktion des Fahrwerks vorstellen.

    Viele Grüße
    Werner

  • Hallo Werner,

    warum werden immer wieder Autobatterien für Gartenbahnmodelle genutzt? Dies sind Starterbatterien. Es gibt doch spezielle AGM Traktionsbatterien die weitaus besser für diese Anwendung geeignet sind.

    Volker

    Edit: Tippfehler korrigiert

    Einmal editiert, zuletzt von Volker Schulze (14. Oktober 2024 um 11:55)

  • Es gibt doch spezielle AMG Traktionsbatterien die weitaus besser für diese Anwendung geeignet sind.

    Hallo Volker,

    vielen Dank für deinen Hinweis.

    In Bezug auf den Einsatzzweck von Autobatterien und Traktionsbatterien hast du völlig recht, wobei die korrekte Bezeichnung übrigens AGM Batterie ist. Den Terminus "Autobatterie" habe ich in meinem Beitrag allerdings nur vereinfachend synonym für die typische Bauform verwendet.

    Mein Prototyp läuft übrigens im Moment tatsächlich mit einer alten Starterbatterie, die ich noch herum stehen hatte. :)

    Viele Grüße
    Werner

  • Guten Abend liebe Forenmitglieder,

    nach der Vorstellung des Konzepts möchte ich euch heute die Auslegung des Antriebs und die Konstruktion des Fahrwerks vorstellen.


    Antrieb

    Zur Erinnerung hier nochmals die Anforderung: Ein Zug mit einer Gesamt-Masse von 160 kg (1 Person) soll mit einer Geschwindigkeit von 10 km/h über eine Steigung von 5% bewegt werden können. Daraus ergibt sich ein benötigtes Reibungsgewicht von rund 47 kg und eine benötigte Leistung von rund 230 W.

    Der übliche Rundkurs auf den mir zugänglichen Anlagen besteht nicht nur aus Steigung, sondern diese macht nur einen kleinen Teil der Strecke aus. In der Ebene wird zum Fahren nur ein Bruchteil der Leistung und des Reibungsgewichts benötigt. Hinzu kommt, dass ich mit der kleinen Lok keine Publikumszüge fahren möchte. Allzu viel Reserve will ich daher nicht einbauen und versuche mich an die Rahmendaten zu halten.

    Bei der Kraftübertragung will ich Schneckengetriebe vermeiden, da ich einen möglichst frei laufenden Antrieb ohne Hemmung haben möchte. Auch wenn es – so die Informationen aus dem Forum – Schneckengetriebe ohne Hemmung geben soll, kenne ich aus dem kleineren Maßstab nur die schwergängigen Ausführungen. In Frage kommen also nur Zahnradgetriebe, Kettengetriebe oder Riemenantriebe.

    Von Anfang an geplant war der Einsatz von Einzelachsantrieben, um eine Kraftübertragung zwischen den beiden Achsen zu vermeiden. Ursprünglich wollte ich kompakten Einzelachsantriebe (Tatzlagerantriebe) einsetzen, die hier im Forum angeboten wurden. Leider konnten diese aber nicht wie ursprünglich avisiert kurzfristig geliefert werden, weshalb ich nach Alternativen suchte.

    Glücklicherweise bekam ich von einem Forenmitglied zwei Radsätze mit Antrieben angeboten, die mir als gute Basis erschienen und die ich dann auch dankend erworben habe.

    grafik.png

    Zunächst ein paar Berechnungen:

    Die zwei MY6812 Motoren mit einer Leistungsangabe von jeweils 120W passen im ersten Ansatz knapp zu der sich aus dem Lastenheft ergebenden Leistungsanforderung von 230 W.

    • Die Leistung wird üblicherweise als maximale Abgabeleistung angegeben. Diese Angabe wird allerdings gerne auch – vorsichtig formuliert – an marketingtechnische Überlegungen angepasst. Ich gehe bei den mir vorliegenden Motoren erst einmal von echten 120 W maximaler Abgabeleistung aus.
    • Das maximale Drehmoment wird für die MY6812 120W recht einheitlich mit 0,45 Nm angegeben. Ich verwende diese Angabe bei meinen Berechnungen.
    • Bei der Drehzahl wiederum sind die Angaben der Motorhersteller sehr unterschiedlich und reichen von Leerlaufdrehzahl, Drehzahl bei max. Efficiency bis zu der Drehzahl bei Nennleistung. Sicherer ist es, die Drehzahl bei Nenn-Leistung aus dem Nenn-Drehmoment zu berechnen. Die Drehzahl dieser Motoren bei Nenn-Leistung liegt demnach bei
      n = P / (2 * PI() * M) = 120 W / (2 * PI() * 0,45 Nm = 42,44 sec-1 = 2546,48 min-1
      also rund 2550 min-1.
    • Der Wirkungsgrad der MY6812 Motoren liegt laut Angaben bei >70%.Daraus ergibt sich pro Motor eine Stromaufnahme bei maximaler Leistung von rund 14,3 A.
    • Wirkungsgrad und Bemessungsstrom sind auch für die zu verwendenden Kabelquerschnitte, die Auslegung der elektrischen Ausrüstung und die Größe der Fahrbatterie ausschlaggebend. Diese Aspekte behandle ich in einem späteren Beitrag.


    Räder und Achsen:

    Zu den Rädern erhielt ich die Information, dass sie ursprünglich für eine Feldbahn-Lok vorgesehen waren. Sie sind – anders lässt sich das kaum formulieren – massiv! Der Laufkreisdurchmesser beträgt 100 mm, die Breite der Radlauffläche 20 mm. Dies bringt allerdings den Vorteil eines hohen Gewichts mit sich, was dem angestrebten Reibungsgewicht natürlich zu Gute kommt.

    • Leider will der große Laufkreisdurchmesser von 100 mm im Maßstab 1:8 nicht recht zu den 600 mm des Originals passen. Durch die Verkleidung des Antriebs fallen die überproportionierten Räder aber nicht ganz so sehr auf. Ich verwende die Räder also jetzt erst einmal und werde zu einem viel späteren Zeitpunkt die Lok auf Antriebe mit kleineren Rädern setzen. Die 100 mm Räder werden dann in einem Modell der Diesellok OEG 02 Verwendung finden, wo sie genau zu den 800 mm großen Rädern des Vorbilds passen.
    • Mit den Achsen dagegen stand ich von Beginn an auf Kriegsfuß. Der durch das 120 mm breite Mittelteil der Achsen konstruktiv festgelegte Radrückenflächenabstand wäre bereits über dem Maß (B) der NEM 310G gelegen. Bei einer Spurkranzbreite der Räder von fast 3,5 mm wäre zudem der Höchstwert für das Leitmaß (K) um 1,5 mm überschritten. Bei einer Spurweite von 127 mm würden die Räder vermutlich bereits auf gerader Strecke auflaufen. Auf eventuell vorhandene Spurweiten-Erweiterungen wollte ich mich da nicht verlassen.
      Konsequenter Weise habe ich versucht die Wellen auf meiner Fräse entsprechend zu bearbeiten. Geendet hat dies allerdings bereits an der ersten zu bearbeitenden Kante mit zwei kaputten Fräsern.
      Ich wage kaum zu gestehen, dass ich danach versucht habe die Kanten zurück zu feilen. Irgendwann habe ich mich dann aber für einen Austausch der Achsen gegen einfache, durchgehende Wellen aus 12 mm Stahl entschieden.
      Auf diesen glatten Wellen habe ich die Räder unter verwendung von gedruckten Abstandshaltern mit Loctite 638 verklebt, was bisher bombenfest hält.
    • Die Kraftübertragung erfolgt von dem jeweiligen Motorritzel mit 9 Zähnen über eine Kette 04C/25H mit 26 Kettengliedern auf ein Kettenrad mit 40 Zähnen. Wegen der Innen nun nur 12 mm statt 15 mm dicken Welle musste ich die vorhandenen Kettenräder allerdings durch neu beschaffte ersetzen.
      Aus der Kombination ergibt sich ein Aufeinandertreffen gleicher Kettenglieder und Zähne beim Ritzel nach 13 Umdrehungen und auch beim Kettenrad nach 13 Zähnen. Das sollte für eine gleichmäßige Abnutzung ausreichend sein.
      Aus der durch Kettenritzel und Kettenrad gegebenen Übersetzung von 9:40 dürfte sich bei der errechneten Drehzahl von 2550 min-1 bei 100 mm Raddurchmesser eine Geschwindigkeit von 10,8 km/h errechnen. Auch das passt ausgezeichnet zu den Anforderungen des Lastenhefts. Das war aber auch nicht anders zu erwarten, da die Komponenten ja für den Betrieb einer Lok in Spurweite 5 Zoll gedacht waren.


    Da die technischen Daten für den geplanten Einsatz passend waren, konnte ich die Antriebe nun um diese Komponenten herum konstruieren.

    Wegen der Längenbegrenzung für Beiträge zeige ich das im nächsten Post.

    Viele Grüße
    Werner

    Einmal editiert, zuletzt von Monnemer (16. Oktober 2024 um 08:18)

  • Die Antriebe:

    Ein wichtiges Kriterium war, den Abstand zwischen Motor und Achse konstruktiv festzulegen, um die Notwendigkeit von aktiven Kettenspannern zu vermeiden. Da ich bei meinem Wagen sehr erfolgreich mit Aluminium-Profilen arbeiten konnte verwende ich diese Bautechnik nun auch bei meinen Antrieben.

    Der grundsätzliche Aufbau lässt sich gut auf diesem Bild erkennen:

    grafik.png

    Die Achsen laufen in einfachen Stehlagern, die unter Profilschienen geschraubt sind. Zusammen mit dem jeweiligen Motor bildet jede Achse eine fest verbundene Baueinheit.
    Wie bei einem Tatzlagerantrieb verändert sich der Abstand zwischen Motor und Achse im Betrieb nicht, wodurch keine Kettenspanner notwendig sind. Die Spannung der Kette lässt sich durch einfaches Verschieben der Stehlager in der Profilschiene einstellen, was auch nach einer eventuellen Längung schnell erledigt ist.
    Die Motoren sitzen dagegen in Längsrichtung fest in den gedruckten Motorhalterungen. Das Ritzel kann durch die seitliche Verschiebung des Motors in der Profilschiene in Querrichtung exakt in die Flucht des Kettenrads gebracht werden. Diese Einstellung kann sich auch nicht mehr verändern, da die Wellen in den Stehlagern festgeschraubt sind.

    Auf dem Bild kann man sehen, dass ich zunächst FDM-gedruckte Kettenräder verwenden musste weil die neuen Kettenräder noch nicht eingetroffen waren. Dennoch waren schon die ersten Probeläufe der Antriebe äußerst vielversprechend.

    wird fortgesetzt...

  • ...

    Es war klar, dass die vermutlich unebene Gleislage der Freilandanlagen besondere Maßnahmen erforderte, um das Reibungsgewicht auch bei Unebenheiten auf alle Räder zu verteilen. Schon beim Bau meines Güterwagens kam aber die Problematik auf, dass eine aktive Federung in Bezug auf das Ladegewicht nur in sehr engen Grenzen funktioniert. Progressive Federn helfen, haben aber ihre Grenzen. Die bei meinem Wagen eingesetzten sehr weichen Federn in Kombination mit Gummiblöcken, funktionieren zwar, entsprechen bei hohem Ladegewicht aber beinahe einer passiven Federung.

    Für meine Lok brauchte ich eine andere Lösung. Ich habe daher nun eine Konstruktion eingesetzt, die in den kleineren Spurweiten Gang und Gäbe ist und die ich auch bereits erfolgreich bei Lokmodellen eingesetzt habe – die Dreipunktlagerung.

    Dreipunktpagerung:

    Die Bodenplatte stützt sich gegen die Antriebseinheiten über Silentblöcke ab. Die hintere Antriebseinheit hat vier, jeweils in den Ecken angebrachte Silentblöcke und ist dadurch mit nur wenig Bewegungsfreiheit befestigt. Die vordere Antriebseinheit hat drei Silentblöcke, die mittig befestigt sind. Die ganze vordere Einheit ist daher in Querrichtung frei beweglich.

    grafik.png

    Deutlicher wird die Konstruktion vielleicht anhand der CAD-Daten:

    grafik.png

    Da die Kupplungen an der darüber liegenden Bodenplatte befestigt werden, müssen die Silentblöcke die kompletten Längskräfte des Antriebs aufnehmen, was sie laut Datenblatt problemlos schaffen sollten. Ein wenig skeptisch war ich, ob sie beim Hochheben der Lok die schweren Antriebseinheiten tragen aber bisher gab es damit kein Problem. Weiterhin werden die vorderen Silentblöcke stark auf Biegung beansprucht. Den Winkel habe ich inzwischen durch zusätzliche Gummipuffer begrenzt.


    Die Antriebe - hier bereits mit den stählernen Kettenrädern – liefen auf dem Rollenstand auch bis in höhere Drehzahlen ruhig und sicher.

    grafik.png

    Ich konnte es deshalb nicht erwarten, einen Probelauf auf einem Stück Gleis durchzuführen. Elektrik und Elektronik sehen mehr als wild aus, was aber meiner Ungeduld zuzuschreiben ist. Die Dreipunktlagerung hat bei den Tests erwartungsgemäß gut funktioniert, wobei ich Verwerfungen durch auf die Schienen gelegte Gummistreifen simuliert habe.

    grafik.png

    Sogar meine Frau wagte es, sich auf den Kisten ein paar Meter hin und her kutschieren zu lassen!

    Hier noch ein Video, in dem die provisorisch zusammengebaute Zugmaschine meinen Wagen mit mir als Ladung die 2,5%-ige Steigung hochzieht.

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    Auch wenn meine Bautechnik teilweise erheblich von den professionellen Konstruktionen abweicht, die ich hier im Forum gesehen habe, war der Bau bis hierhin aus meiner Sicht ein voller Erfolg. Bisher konnte ich den Bau wie geplant ohne aufwändige Maschinen durchführen und auch die Kosten halten sich in engen Grenzen.

    Ich würde mich freuen wenn mein Bericht dem einen oder anderen tatsächlich neue Anregungen bieten würde. In meinen nächsten Beiträgen werde ich auf weitere Details der Konstruktion, der elektrischen Ausrüstung und anderer Details eingehen.

    Viele Grüße
    Werner

    Einmal editiert, zuletzt von Monnemer (16. Oktober 2024 um 08:24)

  • Hallo zusammen,

    in den vorherigen Beiträgen habe ich die mechanische Konstruktion des Antriebs vorgestellt. Heute wollte ich eigentlich über die elektrische Ausstattung berichten, bin aber bei der Ermittlung des Blockierstroms der Motoren zwischenzeitlich auf ein Problem gestoßen.


    Motorleistung:

    Wie zuvor berechnet, sollten MY6812 120W Motoren bei 120 W Abgabeleistung und einer Efficiency von 70% jeweils einen Strom von 14,3 A bei 12 V benötigen.

    Grundsätzlich wird der Strom (I) durch die angelegte Spannung (UV)und den Ankerwiderstand (RA) bestimmt. Dreht der Motor, erzeugt die Wicklung, die sich in dem Magnetfeld der Dauermagneten befindet, eine Generatorspannung (UEMK). Diese Generatorspannung ist der angelegten Spannung entgegen gerichtet. Der Motorstom ergibt sich zu IM = (UV -UEMK) / RA. Je schneller der Motor dreht, desto höher ist die Generatorspannung und desto geringer ist demnach der Notorstrom. Steht der Motor, gilt UEMK = 0 und an diesem Betriebspunkt tritt demnach der maximale Strom auf, der Blockierstrom IM = UV / RA.

    Die Angaben zum Blockierstrom sind in den Datenblättern der einfachen DC-Motoren meist nicht enthalten. Das macht aber nichts, wir haben Möglichkeiten den Blockierstrom einzuschätzen.

    • Eine direkte Messung, also den Strom des blockierten Motors bei voller Spannung zu messen, wäre nicht empfehlenswert. Abgesehen von der dazu notwendigen leistungsfähigen Stromversorgung und der erforderlichen Stromzange kann dabei auch der Motor zerstört werden.
    • Gut machbar ist die Messung des Widerstands der Ankerwicklungen. Allerdings sollte ein genaues Multimeter zur Verfügung stehen, der Widerstand der Wicklungen sehr klein ist.
      Die Messung mit einem Metrawatt Multimeter ergab bei meinen Motoren einen Wert von 0,8 Ohm. Bei 12 V Versorgungsspannung ergibt sich damit ein Blockierstrom von 15 A bei 12 V.
    • Eine weitere Möglichkeit zur Einschätzung kann auch mit einem Labornetzteil erfolgen: An den blockierten Motor wird eine kleine Spannung angelegt und der Strom gemessen. Den blockierten Motor können wir bei DC als ohmsche Last ansehen und die Werte extrapolieren.
      Bei 3 V Versorgung fließen 3,85 A durch die Wicklungen eines meiner blockierten Motoren. Das würde einem Wicklungswiderstand von 0,78 Ohm und damit einem Blockierstrom von 15,4 A bei 12 V entsprechen. Das passt zu der Messung mit dem Multimeter.


    Da der Blockierstrom eines Motors normalerweise ein Mehrfaches des Stroms bei voller Leistung beträgt, deuten diese Messwerte allerdings darauf hin, dass die auf den Labels der Motoren ausgewiesene Leistung von 120 W sich nicht auf die abgegebene Leistung, sondern nur auf die aufgenommene Leistung bezieht. Dies wiederum würde aber bedeuten, dass ich bei den angsetzten 70% Efficiency nur 84 W pro Motor zur Verfügung hätte. ;(

    Nur dadurch wäre der von mir ermittelte Windungswiderstand und der errechnete Blockierstrom zu erklären. Der Strom bei Rated Power läge demnach bei etwa 7 A. Im Nachhinein habe ich diese Angabe (Rated Current <= 7,x A) tatsächlich auch schon bei verschiedenen Händlern in den angegebenen Daten gesehen aber als unsinnig abgetan.

    Ich werde nun weitere Messungen und auch Belastungstests auf meinem Rollenprüfstand durchführen. Vielleicht habe ich ja irgendwo einen Denk- oder Messfehler.

    Was mich aber sehr interessieren würde ist, wie sich die von euch verbauten Motoren verhalten, also ob die Leistungsangaben passen, welchen Widerstand die Wicklungen haben und wie hoch die Blockierströme (bei niedriger Spannung) sind. Gerade die Einschätzungen hier im Forum zu den Fahrdaten der Lokomotiven bei der angegebenen Motorleistung wären dann gegebenenfalls in einem anderen Licht zu beleuchten.


    Über eure Rückmeldungen würde ich mich sehr freuen!


    Viele Grüße
    Werner

  • Hallo Werner,

    ich wunder mich nicht. Die Jungs in CN prahlen immer mit Leistungsdaten und die Kunden fallen darauf rein. Dein Kurzschlußstrom müsste allerdings höher liegen.

    Der früher gerne verwendete Bosch GPA Motor ist mit nominal 750W, 24V und 40A angegeben was 78% Wirkungsgrad entspricht. Kurzfristig kann man aus dem Motor auch 1,1kW herausholen. Sein Blockierstrom (bei 24V) liegt bei 180A, also Faktor 4,5 zum Nennstrom.

    Der für Tatzlagerantriebe (Zahnrad/Zahnrad) genutzte Graupner BB900 wird bei 12V mit 8A Stromaufnahme und folglich 96W Leistungsaufnahme und 68W Leistungsabgabe (Wirkungsgrad 71%) angegeben, Blockierstrom 54A. Du kannst mir glauben der Wert stimmt, da raucht es gewaltig.

    Volker

    Nachtrag: Ich habe eine Feldbahnlore die mit einer angetriebenen Achse (Tatzlagerantrieb BB900) ausgerüstet ist, darauf batterie und mein Lebendgewicht (in Summe etwa 85kg). Diese Lore schafft es incl. 2 weiterer Lorenwagen und einem Strüver Schienenkuli (nur rollend) problemlos die Steigung in Karlsruhe (ca. 3%) hinauf.

    Einmal editiert, zuletzt von Volker Schulze (17. Oktober 2024 um 20:44)

  • Na da haben sich ja 2 gesucht und gefunden...ist nicht böse oder abwertend gemeint, also bitte nicht falsch verstehen. Ein bissel Theorie ist sicher ganz hilfreich.

    Werner, bau doch einfach den Motor ein und guck was passiert, in der Regel hast du das Fahrzeug eh übermotorisiert. Meine Boxcab (65kg, 2 angetrieben Achsen) hat einen 350W-Motor drin und wird mit 24V befeuert und zieht locker 3 vollbesetzte Publikumswagen weg. Das war so nie geplant. Ich hab das einfach so zusammengebaut ohne mir nen Kopf zu machen ob da irgendwelche Widerstände oder Blockierströme oder, oder und oder sich ergeben. Einzig der Strom den der Motor aufnehmen kann ist auf 30A begrenzt. Also wenn er...aus welchen Grund auch immer...blockiert, fliegt die Sicherung. Was aber noch nie passiert ist.

    Also einfach machen, der Rest kommt von allein

    Gruß Ingo 8)

  • Nachtrag: Ich habe eine Feldbahnlore die mit einer angetriebenen Achse (Tatzlagerantrieb BB900) ausgerüstet ist, darauf batterie und mein Lebendgewicht (in Summe etwa 85kg). Diese Lore schafft es incl. 2 weiterer Lorenwagen und einem Strüver Schienenkuli (nur rollend) problemlos die Steigung in Karlsruhe (ca. 3%) hinauf.

    Graupner BB900 wird bei 12V mit 8A Stromaufnahme und folglich 96W Leistungsaufnahme und 68W Leistungsabgabe


    Danke Volker,

    das sind klare Anhaltspunkte für mich. Wenn deine Lore mit 68 W Abgabeleistung in Karlsruhe mit einer Person die 3% Steigung schafft, sollte meine Lok das auch mit den zwei MY6812 Motoren schaffen - egal wie hoch deren tatsächliche Leistung nun letztlich ist.

    Viele Grüße
    Werner

  • Hallo Ingo,

    du hast schon recht, ich mag es, Sachverhalte durchzurechnen. Das schließt aber nicht aus, dass ich Dinge dann auch einfach mal ausprobiere. Mir geht es bei dem aktuellen Arbeitsschritt aber eigentlich um die Absicherung der Motoren und der Leitungen, weshalb ich schon recht genau den Blockierstrom kennen wollte.

    bau doch einfach den Motor ein und guck was passiert

    So wird es sein. Fahrwerk und Antriebe sind ja bereits gebaut und ich werde das nicht mehr umkonstruieren. Die Angaben von Volker zu dem 68 W Motor und von dir zu dem 350 W Motor, mit dem du drei Publikumswagen ziehst, relativieren andere Empfehlungen, die ich erhalten habe. Bis ich mit der Lok auf eine längere Strecke gehe und dann "gucken kann was passiert", wird allerdings noch ein wenig Zeit ins Land gehen. Ich baue jetzt halt mal weiter ...

    Viele Grüße
    Werner

  • Hallo Werner,

    weil's mich interessiert hat, habe ich kurz mal einen Kurzschlussversuch mit einem MY1016 gemacht. Daten laut Typenschild:

    Voltage: 24V

    Rated Current: 13,7A

    Power: 250W

    2950 Umin

    Gemessen bei blockiertem Motor: 1,50V 2,62A -> 0,57 Ohm

    Ergibt bei 24V einen Kurzschlussstrom von 42,1A. Damit kommen die IBT-2-Module, die ich in meiner Lok 3 verbaut habe, ohne Probleme klar (was der mehrjährige Versuche auch bewiesen hat). Wirkungsgrad dann im Nennpunkt 76%.

    Noch eine Anmerkung zum Bosch-GPA: Den habe ich seinerzeit auf dem Drehmoment-Prüfstand meines damaligen Arbeitgebers getestet. Resultat: der hätte selbst bei reduzierter Spannung (12V) fast die Messwelle (unsere stärkste) aufgearbeitet, ist halt ein kleines Monster und spielt in einer anderen Liga.

    Grüße

    Andreas

  • Vielen Dank für deine Daten, Andreas!

    Weil mir der Blockierstrom der Motoren für die Bemessung der Sicherungen und Leitungen der elektrischen Anlage wichtig ist, habe ich mich nun doch entschlossen den tatsächlichen Wert messtechnisch zu erfassen.

    Ich verwende eine elektronische Stromzange mit einer 10fachen Durchführung der Leitung an einem Multimeter. Gemessen habe ich nur die vordere Achse, der hintere Motor war abgeklemmt. Der zu prüfende Motor hängt bei der Messung nicht direkt an der Batterie, sondern hinter dem Fahrregler.

    grafik.png

    Damit die Räder blockieren, habe ich mich einfach auf die Batterie gesetzt. Ich würde von mindestens 70 kg Reibungsgewicht, also 36 kg pro Achse ausgehen. Dennoch war es äußerst schwierig, die Achse zu blockieren und ich habe das nur für einen kurzen Moment geschafft. Im späteren Fahrbetrieb wird die Lok nur 40-50 kg wiegen, was letztlich bedeutet, dass die Motoren ihr maximales Drehmoment überhaupt nicht erreichen, sondern dass vorher die Räder durchdrehen werden.

    Den Blockierstrom konnte ich mit knapp über 16 A messen. Das passt erstaunlich genau zu den zuvor errechneten 15,4 A. Die im Belastungsfall etwas über 12 V liegende Batteriespannung scheint die Spannungsabfälle über den Leitungen und im Fahrregler auszugleichen.

    Bei einem Blockierstrom von 16 A kann der Motor keine 120 W Leistung haben. Selbst wenn ich sehr optimistisch davon ausgehe, dass der Blockierstrom nur das 3fache des Nennstroms beträgt und einen Wirkungsgrad von 78% ansetze, komme ich auf allenfalls 50 W Abgabeleistung, also 100 W für die Lokomotive. Vermutlich sind die Motoren billige Nachbauten mit Alu- statt Kupferdraht auf dem Anker, einem kleineren Eisenkern und kleineren Magneten. Anders wären die gemessenen Daten kaum zu erklären.

    Das alles ist nun aber eigentlich egal. Genau wie Ingo schrieb, werde ich jetzt nicht mehr herumrechnen, sondern erst einmal schauen welche Fahrleistung die Lok später auf der Strecke zeigt. Die Fahrversuche auf meiner kurzen Teststrecke waren dahin gehend eigentlich recht zufriedenstellend.
    In Abwandlung der Angaben bei Rolls Royce sage ich mir einfach: „Drehmoment ist immer ausreichend vorhanden.“ Auf einer Steigung geht es dann eben ein wenig langsamer voran als geplant.


    Absicherung und Verdrahtung:

    Außerdem entspannt sich die Situation dadurch bei der elektrischen Anlage. Nach ursprünglicher Rechnung wollte ich jeden Motor mit einem LS Schalter Z16A separat absichern und einen LS Schalter B32A als Hauptsicherung und Betriebsschalter direkt an der Batterie installieren.
    Mit den nun ermittelten Daten ist dieser Aufwand nicht nötig. Die Lok bekommt nun erst einmal einen LS Schalter B16A, von denen ich noch einige von der Hausinstallation habe.

    Betrachtet man sich die Kennlinie eines B16 Automaten ...

    grafik.png

    (Bild-Quelle: ABB)

    … wird der 3-5fache Auslösestrom der magnetischen Überlastsicherung mal dem DC-Faktor von 1,5 nur bei einem wirklichen Kurzschluss erreicht und die thermische Sicherung beim 1,13-1,45fachen Nennstrom vermutlich im normalen Fahrbetrieb nicht ansprechen.

    Für die Hauptleitungen reichen nun Silikon-Kabel AWG 14 aus, die sind für 32 A einsetzbar. Für AWG 12 oder gar AWG 10, wie ursprünglich geplant, besteht keine Notwendigkeit.


    Fahrakku:

    Grundsätzlich wäre eine Reihenschaltung der Motoren und die Versorgung mit 24 V denkbar gewesen, um die Strombelastung der Leitungen zu begrenzen. Aus den aktuellen Gegebenheiten bleibe ich bei der Stromversorgung mit 12 V und betreibe die Motoren parallel.

    Ich gehe im ersten Ansatz davon aus, dass bei einem Fahrtag die Lok höchstens 4 h tatsächlich auf der Strecke ist. Da ich außer auf Steigungen nur mit erheblich reduzierter Leistung fahren werde, rechne ich mal mit einer über die Zeit gemittelten Abgabeleistung von 80 W für den kompletten Antrieb, was bei 70% Efficiency und 12 V Betriebsspannung rund 10 A durchschnittlichen Strom einschließlich Elektronik ergäbe.

    Meine alte Autobatterie mit 12 V / 70 Ah (übrigens tatsächlich eine AGM-Batterie) :) ...

    grafik.png

    … dürfte also für einen Fahrtag erst einmal ausreichen, obwohl sie wegen mangelnder Kapazität getauscht wurde. Allerdings muss ich zugeben, dass mir jegliche Erfahrungswerte fehlen. Daher habe ich den Bauraum für den Fahrakku konstruktiv ausreichend bemessen, um nötigenfalls auch sehr große Batterien bis 140 Ah unterbringen zu können.

    Ein größerer Akku ist nicht nur besser für die Fahrzeit sondern auch für das Reibungsgewicht. Blei-Säure-Batterien sollten ohnehin nicht komplett entladen werden beziehungsweise sollten schnellst möglich wieder aufgeladen werden weil die Bleisulfate sonst Kristalle bilden, die sich nicht mehr auflösen.

    Denkbar wäre natürlich auch der Betrieb mit anderen Akku-Technologien, beispielsweise LiFePO4 oder sogar Lithium-Ionen-Akkus. Für meinen eher preissensitiven Einstieg in die Welt der 5-Zoll-Gartenbahnen erscheint mir das aber wenig sinnvoll.


    Fahrregler (ESC):

    Die Lokomotive soll komplett funkferngesteuert werden. Als Fahrregler bietet sich daher ein ESC aus dem Modellbaubereich an. Ich verwende einen 320 A Fahrregler für Vorwärts-/Rückwärts-Fahrt mit aktiver Kühlung.

    grafik.png

    (Bild-Quelle: Produktbild)

    Die Strombelastbarkeit hört sich übertrieben an, basiert technisch gesehen aber auf der Spezifikation der verwendeten Power-MOSFETs. Tatsächlich halten solche Halbleiter inzwischen sehr hohe Ströme aus und erwärmen sich dabei wegen ihres sehr geringen RDS(ON) nicht allzu sehr. Im PWM-Teillastbetrieb steigt die Verlustleistung aber deutlich an weil die Flankensteilheit endlich ist. Der Knackpunkt ist dabei der Wärmeübergang vom Chip zum Gehäuse und vom Gehäuse zum Kühlkörper, weshalb diese hohen Ströme nur sehr kurzzeitig fließen dürfen.

    Der von mir eingesetzte ESC der kommt mit zwei 540er Tuning-Motoren oder einem Graupner 600 Race, der mit Anlaufströmen von von 80-90 A angegeben wird, klar. Die aktive Kühlung des ESC schafft die entstehende Verlustleistung recht gut weg, wobei allerdings zu bedenken ist, dass ein Bootsrennen gerade mal 6 Minuten dauert.

    Wenn solch ein Fahrregler durchbrennt, dann meist wegen der Überhitzung des Chips oder auch wegen Überspannung (Gegen-EMK, wie von Volker in einem anderen Beitrag beschrieben). Mein Fahrregler hat hierzu eine Übertemperatur-Abschaltung und gegeneinander geschaltete Suppressordioden am Ausgang. Bei den Tests auf meinem Rollenstand, den Fahrten auf den wenigen Metern Teststrecke und auch bei den Blockierversuchen konnte ich nur eine minimale Erwärmung feststellen. Ich denke, bei einem vernünftigen Umgang mit dem Fahrzeug sollte der Regler mit der Belastung kein Problem haben – was zu prüfen sein wird.

    Absolut nervig ist allerdings das laute Pfeifen des PWM-Signals. Dessen akustische Quelle liegt dabei aber nicht im Regler sondern es kommt aus den Motoren. Bei 100% Ansteuerung ist das Pfeifen natürlich weg aber ich kann ja nicht dauernd Vollgas fahren.

    Gut zu hören ist das Pfeifen auf dem bereits gezeigten kurzen Fahr-Video:

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    Daran lässt sich technisch erst einmal nichts ändern. Vielleicht kann ich das Geräusch später irgendwie übertönen.

    Ein vorheriger Test ergab, dass die elektrische Bremswirkung der beiden kurzgeschlossenen Motoren nicht ausreicht, um die die rollende Lok auf einem 2,5%-igem Gefälle merklich zu verlangsamen. Mit zusätzlich angehängten Wagen zeigte sich hier keine erkennbare Wirkung mehr. Bei der Auswahl des ESC habe ich deshalb auf eine elektronische Bremsfunktion keinen Wert gelegt.


    Nachdem das Konzept der elektrischen Ausrüstung damit grundsätzlich erst einmal steht, werde ich mich nun mit einer mechanischen Betriebs- und Feststellbremse für die Lok und dem Aufbau des Kastens beschäftigen.


    Viele Grüße
    Werner

  • Hallo Werner,

    das Pfeifen kommt vom Motorsteller. Die PWM ist zu niedrig und wird im Motor hörbar. Motorsteuerungen mit 20kHz PWM hört man nicht. Will man aber die PWM erhöhen erfordert dies aufwendigere Gegentakt-Treiber für die Fets, es sind dann Gateströme von bis zu 1A realistisch. Die in Datenblättern genannten hohen Ströme, wie z.B.320A sind der Pulse Drain Current, weitaus wichtiger ist der der Continius Drain Current der dann meist bei 25% (80A) liegt. Limitierend sind die Anschlußbeinchen, teilweise gerade mal 1qmm, und die Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen. Gute Regler haben da 70 oder 105um Kupfer und das auch noch beidseitig und die Kühlung. Wir fahren in Karlsruhe mit solchen Steuerungen 1kW Loks ohne Probleme im Personenbetrieb.

    Volker

  • Hallo Werner,

    warum nimmst Du keine Schmelzsicherung? Ich hab' in allen meinen Loks Kfz-Sicherungen (6,3mm) verbaut. Aktuell habe ich bei meiner Ge 2/4 eine 30A-Sicherung drin, der Motor ist ein MY1016 mit 350W Nennleistung. Hatte bis jetzt absolut noch keine Auslösung, obwohl ich die Lok auf unserer Anlage auch im Publikumsverkehr mit Maximallast gefahren habe.

    Was den Chopper angeht: Ich genau in die andere Richtung gegangen. Bei der Ge 2/4 hab' ich die PWM-Frequenz auf 440Hz eingestellt, da hört sich die Lok beim Anfahren fast wie eine Große an. Konnte ich machen, weil die Steuerung eine Arduino- bzw. ESP32-Basis hat.

    Mit den 20kHz PWM hab' ich ein bisschen Bedenken, denn in dem Bereich wird der Skin-Effekt (Stromverdrängung) durchaus wirksam, was dazu führen kann, dass der Kollektor überhitzt.

    Viele Grüße

    Andreas

  • Hallo Andreas,

    in mehr als 20 Jahren ist mir noch kein Motor untergekommen, der durch eine PWM von 20kHz zerstört wurde. Weder die MY noch BB900 und Derivate und auch der Bosch GPA läuft ohne Probleme.

    Volker

  • warum nimmst Du keine Schmelzsicherung?

    Hallo Andreas,

    die Zeit-Strom-Kennliinie einer Schmelzsicherung sieht grundsätzlich ähnlich aus wie die Kennline eines LS-Schalters im Bereich der thermischen Sicherung.

    grafik.png

    (Bild-Quelle: Wickmann - Fuseology)

    Ich werde den LS-Schalter eigentlich hauptsächlich wegen der Möglichkeit einsetzen, ihn als Betriebsschalter zu verwenden. Dafür ist er zwar nicht gebaut aber die wenigen Schaltspiele, zudem im Allgemeinen ohne Last, machen ihm nichts aus. Außerdem kann ich den LS-Schalter nach der Abkühlung einfach Ressourcen sparend wieder einschalten und muss nicht umständlich die Sicherung wechseln.

    In meinem vorläufigen Aufbau habe ich tatsächlich noch eine Schmelzsicherung verbaut, zur Zeit mit 20 A. Die wird natürlich nmormalerweise nicht auslösen und sie ist im Moment auch nur drin, damit mir bei ungeschicktem Umgang mit den Anschlüssen nicht die Kabel abfackeln.

    weil die Steuerung eine Arduino- bzw. ESP32-Basis hat

    Das finde ich äußerst interessant!

    Ich würde mich sehr freuen wenn du mir mehr Informationen über deine Steuerung zukommen lassen würdest. Im Besonderen ob der ESP32 für eine Steuerung über WLAN oder BT verwendet wird, wäre interessant zu wissen und auch wie der Leistungsteil aufgebaut ist. Vielleicht ist es ja ein Open Source Projekt?

    Bei höheren PWM-Frequenzen würde ich mir wegen der proportional ansteigenden Schaltverluste vielleicht eher Sorgen um die MOSFETs machen. Ich bin mir auch nicht ganz sicher, was ich von einer PWM-Frequenz von nur 440 Hz halten soll. Ich habe weder mit Frequenzen >= 20 kHZ noch mit 440 Hz Erfahrung und mit DC-Motoren dieser Leistungsklassen schon gar nicht. ich würde das aber vielleicht tatsächlich mal am Objekt ausprobieren.

    Viele Grüße
    Werner

  • Hallo Werner,

    ich hatte ursprünglich sogar eine Schaltsicherung eingebaut:

    image.png

    RED WOLF 60A Schutzschalter 12V-48V DC, Automatik Sicherungshalter Auto Inline-Leistungsschalter Auto für Kfz Boot Lkw Marine Radio Stereo Sicherungsschutz Wasserdicht

    Sieht toll aus, ist aber nach kurzer Zeit auf "Unendlich" gegangen, den hab' ich dann ausgebaut, wieder zurückgeschickt und eine Autosicherung eingebaut.

    Wegen der Steuerung etc. können wir uns ja erst mal per PN oder in Friedrichshafen (falls Du dort bist) unterhalten.

    Viele Grüße

    Andreas

  • Hallo Werner,

    und wie willst du mit BT bzw. WLan dann steuern?

    20kHz sind absolut kein Problem, richtiger Schaltungsaufbau voraus gesetzt. Die Decoder für digitale Modelleisenbahnen arbeiten teilweise mit bis zu 40kHz. 440Hz funktioniert auch ohne Probleme, selbst schon realisiert aber da nervt auf Dauer das Brummen der Motoren. Noch nerviger sind allerdings die Regler wie du sie verwendest.

    Schaltverluste? Entscheidend ist dass die Anstiegs- und Abschaltflanke extrem steil sind und da benötigt man halt Gegentakttreiber die die Gate-Kapazität schnell genug Umladen können und Fets mit geringen Gate-Kapazitäten. Solche Treiber können (theoretisch) sogar kleine Motoren treiben. Andernfalls wären 40A Dauerstrom, 75A für 1min passiv an einem Alublock von 56x32x12mm kaum möglich.
    Wenn man dann Motortreiber sieht, in denen Fets werkeln die 18V Gatespannung benötigen und der Treiber 5V liefert, dann steigen natürlich die Verluste. Da müsste man halt Logik-Level-Fets verwenden, die aber meist einige Cent mehr kosten.

    Volker