Linearmotor für Fahrzeuge

  • Ich baue einen Linearmotor

    Ein Linearmotor ist robust und langlebig.

    für die Fahrzeuge auf der Modellbahnanlage ist er gut geeignet, weil er keinen Akku, keinen Antriebsmotor und keine Lenkung braucht. Es können stabile Fahrzeuge aus Metall verwendet werden. Man muß nie wieder die Akkus in den Fahrzeugen (nach dem Faller Car System) stundenlang laden und nach einiger Zeit austauschen. Aber die vielen Magnetspulen unter der Straße müssen verdrahtet werden. Das ist eine umfangreiche Arbeit.

    Bau eines Linearmotors

    Ein Linearmotor besteht aus einem Stator (feststehender Teil des Motors) mit Elektromagnete und einem Läufer (beweglicher Teil) mit Dauermagnete.

    Eine Steuerung erzeugt ein wanderndes Magnetfeld und zieht die Autos mit.

    Allerdings ist es etwas aufwändig , die vielen Motorspulen unter der Straße zu montieren.

    Für den Aufbau eines Linearmotors biegt man zunächst eine Eisenstange oder ein Eisenband 20 x 4 Millimeter Querschnitt entlang dem Straßenverlauf.

    Dann schraubt oder klebt man die erforderliche Anzahl von Magnetspulen (Elektromagnete) an diese Eisenstange und verdrahtet sie nach Bild 3 oder Bild 4. Ich habe Relaisspulen verwendet, die nur einen Euro pro Stück kosten.

    Dann wird dieser Stator des Linearmotors unter die Straße montiert und die Steuerung mit drei Drähten angeschlossen. die Steuerung wird an 24 Volt Gleichspannung angeschlossen.

    Unter die Fahrzeuge kommt eine schmale Blechplatte mit drei oder vier Dauermagnetchen. Dann ist der Linearmotor fertig.

    Die Montage der Magnetspulen

    als Magnetspulen habe ich Relaisspulen verwendet, deren Kontakte abgesägt wurden. es können auch wie im Bild 2 sogenannte Power-Induktivitäten mit etwa 10 mH Induktivität und 100 mA Strombelastbarkeit verwendet werden. Sie haben einen Gleichstromwiderstand von etwa 100 Ohm .

    die Magnetspulen müssen so angeschlossen (gepolt) werden, daß alle Magnetfelder in eine Richtung zeigen. Anfang und Ende einer Magnetspule ist nicht bei jedem Typ sofort erkennbar. Zum Test nimmt man einen kleinen Dauermagnet und prüft bei eingeschalteten Magnetspulen, ob sie alle den Dauermagnet anziehen oder abstoßen. Man kann ihn auch unter ein Auto kleben und sieht dann, wenn sich das Auto anhebt.

    Die Steuerung des Linearmotors

    Als Steuerung kann ein geeigneter BLDC Controller verwendet werden, der den Linearmotor langsam laufen läßt. Die Drehzahl muß herunter bis etwa 10 Hertz, das sind 10 s x 60 = 600 U/min. einstellbar sein. Das entspricht bei 7 cm Spulenabstand etwa 600 x 7 = 6300 cm/min. = 6300/60 =105 Zentimeter pro Sekunde Fahrgeschwindigkeit. Das ist schon recht schnell. Das schaffen nur wenige Controller (Steuerungen). Deshalb habe ich eine Steuerung gebaut, mit der jede Drehzahl und Schrittgeschwindigkeit des Linearmotors einstellbar ist. Eine Platine ist auch fertig.

    Eine gute Steuerung hat zusätzlich Magnetfeld-Sensoren, um einen BLDC-Motor oder den Linearmotor zu steuern. Diese werden ebenfalls unter der Straße angeklebt.

    Bild 3 zeigt meine Fahrzeuge für ein traktorrennen von unten.

    Die Schaltung der Linearmotorsteuerung

    Die Schaltung für eine Steuerung zeigt Bild 10. Dieser Controller ist für BLDC-Motoren und für Linearmotoren geeignet. Nur Elektroniker wird die Schaltung interessieren. Die anderen kaufen sich vielleicht einen Controller (BLDC-Steuerung)

    Der Zähler wird von einem Taktgenerator gesteuert und produziert die 6 Phasen, die bei der Blockkommutierung eines BLDC-Motors üblich sind. eine Brückenschaltung für die 6 Zustände liefert die Ströme an die drei Magnetspulengruppen des Linearmotors. Dann sind da noch ein paar ODER-Gatter, die dafür sorgen, daß die richtigen MOSFETS in der jeweiligen Phase geschaltet werden.

    Für die Schaltungsentwicklung nimmt man das Schaubild Bild 11 mit den 6 zeitlichen Phasen und schaltet die entsprechenden Transistoren. Hier sieht man, welche Motorspulen welche Spannung haben (Plus, Minus oder Null)

    In der ersten Phase beispielsweise soll T4 und T12 leiten, damit der Strom von der Motorspule V zur Spule U fließt. In der zweiten Phase ist V auch noch an Spannung, aber U wird Null. der Zähler muß nun so langsam laufen, daß die gewöhnliche Fahrgeschwindigkeit der Autos erreicht wird. Das funktioniert nur über Magnetfeld-Sensoren, die unter der Platte zwischen den Magnetspulen 1 und 2, 3 und 4 und 5und 6 angeklebt sind.

    Test der Linearmotorsteuerung

    Ich schalte den Zähler auf den ersten Zählerstand und damit auf Phase 1. An seinem Ausgang 2 kommt jetzt eine Spannung von knapp 5 Volt heraus. Der Transistor T1 erhält über den Widerstand R13 diese Spannung und schaltet nach Minus oder Masse durch. Das ist der gemeinsame Minuspol der 5 Volt-Spannung und der Spannung für die Motorspulen, die etwa 12 Volt beträgt.

    Jetzt muß auch der Leistungstransistor T4 schalten und die Motorspule V an den Sternpunkt schalten, an dem alle drei Spulengruppen miteinander verbunden sind.

    Fahrzeuge zusätzlich mit dem Faller Car System

    Für die Autos mit dem Faller Car System braucht man zur Lenkung einen Führungsdraht auf der Straße.

    Ein Linearmotor zusammen mit dem Führungsdraht in der Straße beim Faller Car System geht nicht so einfach, weil der Stahldraht das Magnetfeld des Linearmotors kurzschließt. Also müssen die Magnetspulen für den Stator des Linearmotors neben dem Stahldraht liegen. Dazu müssen leider auf der anderen Seite der Eisenstange ebenfalls Motorspulen angeklebt werden. In der Mitte liegt dann der Stahldraht für die Lenkung.

    Das heißt die Magnete sind miteinander verbunden und erzeugen kein Magnetfeld mehr. Auch die Magnetfelder der Magnetspulen des Stators werden kurzgeschlossen, so daß sie kein Wanderfeld mehr produzieren.


    Der Linearmotor läuft, aber nur bei einer bestimmten Drehzahl oder Schrittgeschwindigkeit, weil die Motorspulen mit starrer Frequenz laufen und nicht automatisch mit dem fahrenden Fahrzeug kommutiert (eingeschaltet und umgepolt)werden. Jetzt muß also noch automatisch kommutiert werden. Dazu braucht man Sensoren an der Strecke.

    Durch Sensoren (Hall-Sensoren) gesteuerte Kommutierung

    Hallsensoren erfassen die Position des Rotors (Läufers). Damit kann der Motor auch bei sehr niedrigen Drehzahlen betrieben werden, aber diese Sensoren müssen am Motor angebaut werden.

    Hallsensoren erfassen die Position des Läufers. Damit kann der Motor hoffentlich auch bei sehr niedrigen Drehzahlen betrieben werden. Diese Sensoren müssen am Motor (Läufer) angebaut werden. Dazu habe ich sogenannte Streifenleiter an die Schiene angeschraubt und die Hall-Sensoren draufgelötet. Auf die Schiene sind die Motorspulen geschraubt oder geklebt.

    Das Steuerungsprinzip

    Zunächst wird ein Windungspaar in der ersten der sechs Phase eingeschaltet, bis de Rotor eines BLDC-Motors oder der Läufer eines Linearmotors die nächste Position erreicht. Dann wird der Motor zum nächsten schritt kommutiert.

    Mit Hall-Sensoren hatte ich bis jetzt keinen Erfolg, weil die Abschaltspannungen der Relaisspulen zu gering sind. Also müssen Hall-Sensoren den Linearmotor steuern. Kräftigere Motorspulen mit höheren strömen würden zwar die Abschaltspannungen erzeugen, führen aber bei einer langen Strecke mit vielen solcher Elektrospulen zu einer hohen Stromaufnahme. bis jetzt habe ich bei 40 Volt Versorgungsspannung und 12 relaisspulen eine Stromaufnahme unter 0,5 Ampere.

    Hall-Sensoren ermitteln jetzt die Position des Motors.

    Steuerung durch Hall-Sensoren

    Eine Steuerung mit BEMF funktioniert leider nicht. Es bleibt mir nichts anderes übrig als unzählige hall-Sensoren entlang der Strecke zu montieren. Ich habe mal die ersten 12 Sensoren immer zwischen der ersten und zweiten Motorspule, zwischen der dritten und vierten und zwischen der fünften und sechsten montiert. die Fahrzeuge fahren damit einwandfrei auf geraden Strecken. Allerdings in Kurven gibt es noch Probleme.

    Schaltung testen

    Heute möchte ich Ihnen etwas Elektronik zeigen, falls Sie eine solche Schaltung löten möchten. einige hall-Sensoren sind unter der Fahrbahn montiert, so daß ich den Zähler mit einem Magnetchen oder einem Fahrzeug mit Dauermagnete auf jeder Stufe schalten kann, um die Steuerung zu testen.

    Ich habe gerade den zweiten Leistungstransistor eingelötet. Jetzt möchte ich zeigen, wie man diesen und auch seinen Treibertransistor testet, denn Lötfehler passieren schnell. Ich schalte den Zähler auf dien ersten Zählerstand und damit auf Phase 1 . An seinem Ausgang 2 kommt jetzt eine Spannung von knapp 5 Volt heraus. Der Transistor T1 erhält über den Widerstand R13 diese Spannung und schaltet nach Minus oder Masse durch. Das ist der gemeinsame Minuspol der 5 Volt-Spannung und der Spannung für die Motorspulen, die etwa 12 Volt beträgt. Das kann man mit dem Voltmeter oder mit einer Glühlampe (24 Volt) testen. Entsprechend kann man die anderen sechs Stufen dieser Blockkommutierung testen.

    Die Arbeiten sind allerdings sehr zeitraubend.




















    Bild 1 Mercedes G in Größe H0 mit Linearmotor


    Bild 2

    Stator eines Linearmotors und PKW mit Dauermagnetchen in Größe H0 für den Linearmotor


    Bild 3

    Fahrzeuge mit Linearmotor von unten

    Bild 4

    Fahrzeuge mit Linearmotor auf Platte mit Linearmotor-Stator



    Bild 5

    So werden sechs Magnetspulen des Linearmotors verdrahtet.


    Bild 6

    Linearmotor Stator mit 12 Magnetspulen

    Bild 7

    Autos und Güterwagen in Größe H0 mit Linearmotor gesteuert


    Bild 8

    Drehstromgenerator mit Magnetspulen für Linearmotor


    Bild 9

    Beispiel für eine Steuerung im Prinzip


    Bild 10

    Einfacher Controller für Linearmotor




    Bild 11

    Schaubild der Motorströme in den sechs Phasen

    Bild 12

    Schaltung für Linearmotorsteuerung mit BEMF für sensorlose Motoren


    Bild 13

    BLDC-Motor mit den 6 Phasen für Schaltung 4 der Linearmotorsteuerung


    Bild 14

    Linearmotor-Schaltung mit Sensoren

    Bild 15

    Die Platine der Linearmotorsteuerung

    Preis: € 49,50


    Bild 16

    Umfangreiche Verdrahtungsarbeiten am Stator des Linearmotors

    Bild 16

    Stator des Linearmotors , Länge 30 cm noch ohne Sensoren


    .