Technik

Der 20-Volt-Antrieb

Seit 1927 fahren die Spur-0-Lokomotiven von Märklin mit einer Spannung von 0 bis 20 Volt, die in der Regel von einem Spielzeugtrafo bereitgestellt wird. Zur damaligen Zeit war es in dieser Spurgröße eine durchaus bemerkenswerte Leistung, kostengünstige und dennoch robuste Motoren in die relativ „kleinen“ Lokomotiven einzubauen. Weiterhin musste, um den Wünschen der Kundschaft zu entsprechen, eine Möglichkeit geschaffen werden, die Lokomotiven gezielt vorwärts und rückwärts steuern zu können. Ein kniffliges Problem, welches durch Märklin in der Spurgröße 0 tatsächlich nie perfekt gelöst werden konnte. Erst mit Einzug der Gleichrichtertechnik konnte eine einfache und sichere Möglichkeit für den Richtungswechsel gefunden werden. Doch auch die Ende der 30er-Jahre verfügbaren Gleichrichter aus Selen hatten insbesondere bei Kurzschluss noch ihre Schwächen: „Gleich-riecht-er“!

Nachfolgend soll zunächst näher auf die technische Realisierung in den 1920er-Jahren eingegangen werden und im Anschluss daran vorgestellt werden, wie die alten Lokomotiven zerstörungsfrei mittels heute verfügbarer Silizium-Dioden auf Gleichstromfahrbetrieb umgerüstet werden können. Hinsichtlich grundsätzlicher physikalischer und technischer Begriffe sei auf eine bekannte Internet-Enzyklopädie verwiesen.

Der Märklin-Allstrom-Motor

Seit Beginn an verwendet Märklin für den 20-Volt-Fahrbetrieb einen „Allstrom-Motor“. Der Name sagt schon alles: der Motor kann für „alle gängigen Stromarten“ verwendet werden. Dies sind insbesondere Wechselstrom (alternierender Strom mit wechselnder Polarität) sowie Gleichstrom (mehr oder weniger konstanter Strom mit durchgehend gleicher Polarität).

Tatsächlich handelt es sich dabei um einen Reihenschluss-Motor, bei dem die Stator-Wicklung (feste, unbewegliche Wicklung) sowie die Rotor- bzw. die Anker-Wicklung (rotierende Wicklung) in Reihe hintereinander geschaltet sind und somit beide vom selben Strom durchflossen werden. Um den etwas verwirrenden Aufbau und die interne Verdrahtung zu veranschaulichen, wird im nachfolgenden Bild einer E-Lok RV 65/13020 ohne Gehäuse der Stromfluss durch den Motor grafisch dargestellt und beschrieben.

Der Strom fließt vom Trafo über den Mittelleiter (Mittelschiene) zum Schleifer der Lokomotive (dunkelblau). Von dort fließt er über einen im Inneren der Lok verlegten Draht (mittelblau) zur Stator-Wicklung (rot). Bei Stromfluss durch die Stator-Wicklung erzeugt diese ein magnetisches Feld über den ganzen Stator-Rahmen. Ein Dauermagnet innerhalb des Stator-Rahmens würde von diesem Magnetfeld beeinflusst werden: je nach Orientierung seines eigenen Magnetfeldes wird er angezogen bzw. abgestoßen.

Über einen weiteren Draht (rosa) fließt der Strom weiter zum mittleren der drei Kontaktplatten am Fahrtrichtungsumschalter.

In der aktuellen Stellung fließt der Strom über die rechte Kontaktzunge (magenta) zur rechten Bürstenkappe. Die eingelegte Feder mit Kohle überträgt den Strom auf den Kollektor der Rotor-Wicklungen. Es handelt sich hier um drei Rotor-Wicklungen, die jeweils um 120 Grad versetzt angeordnet sind. Vereinfacht wird hier zur besseren Übersicht nur eine Rotor-Wicklung (orange) dargestellt. Die stromdurchflossene Rotor-Wicklung erzeugt ein Rotor-Magnetfeld, welches im Zusammenspiel mit dem Stator-Magnetfeld den Rotor zum Drehen bringt: die Lok fährt nach links, also vorwärts! Über die Rotor-Wicklung fließt der Strom über eine weitere Feder, diesmal mit Kupferbürste, zur linken Bürstenkappe. Über die linke Kontaktzunge (grün) fließt der Strom zur linken Kontaktplatte des Fahrtrichtungsumschalters. Diese linke Kontaktplatte ist mit der rechten Kontaktplatte (olivgrün) sowie der Gehäusemasse verbunden, weshalb der Stromfluss (olivgrün) zu einem Rad angedeutet ist. Über das Rad (hellblau) bzw. über alle Räder fließt der Strom in die beiden Außenschienen und über diese zurück zum Trafo. Zum besseren Verständnis kann man den Stromkreis in der vereinfachten Übersicht nochmals studieren.

Festzuhalten bleibt, dass der Stromfluss durch Stator sowie Rotor jeweils von rechts nach links erfolgt: bei gleichorientiertem Stromfluss fährt die Lok vorwärts!

Im nächsten Bild wurden die beiden Kontaktzungen mechanisch über die Umschaltstange von Hand umgeschaltet.

Es ist leicht zu erkennen, dass die Stromflussrichtung durch den Stator unverändert bleibt und weiterhin von rechts nach links erfolgt. Allerdings fließt der Strom nun über den rosa dargestellten Draht von der mittleren Kontaktplatte durch linke Kontaktzunge (grün) zur symbolisch dargestellten Rotor-Wicklung (orange) von links nach rechts. Das Magnetfeld des Rotors ist also gegenläufig zum Magnetfeld des Stators. Deshalb dreht sich der Motor nun in die andere Richtung: die Lok fährt rückwärts!

Auch hier nochmals das vereinfachte Ersatzschaltbild zum besseren Verständnis.

Damit ist auch schon das Prinzip des Reihenschlussmotors für einen Wechsel zwischen Vorwärts- bzw. Rückwärtsfahrt grundsätzlich erläutert.

Die 65er-Fernschaltung

Nun stellt sich die Frage, wie ferngesteuert zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahrt gewechselt werden kann:

Die sogenannte 65er-Fernchaltung versucht dies elektromechanisch zu lösen. Fließt beim Anfahren ein Strom durch die Stator-Wicklung, welche sich auf einem federnd gelagerten Schenkel des geteilten Statorblechpaketes befindet, wird dieser Schenkel durch das sich aufbauende Magnetfeld nach unten gezogen. Durch einen mechanischen Hebel wird der mechanische Umschaltmechanismus ausgelöst und die Kontaktzungen werden über ein Gestänge seitlich verschoben. Dies sollte sich nach jeder Spannungsunterbrechung wiederholen, so dass jedes Mal konzeptgemäß die Richtung wechseln sollte.

Zusätzlich kann die Umschaltung auch von Hand über eine Schaltstange, die bei Lokomotiven immer im Führerhaus und bei der besagten E-Lok immer auf der Rückseite zu finden ist, erfolgen. Dazu muss die Stange nach vorne – hier also links – geschoben werden. Möchte man auf die Fernschaltung verzichten, muss die Schaltstange in Vorne-Stellung arretiert werden. In herausgezogener Stellung ist die Fernschaltung aktiv.

Voraussetzungen für eine zuverlässige Fernumschaltung ist eine korrekte Justierung der sensiblen Elektromechanik. Weiterhin darf der Umschaltmechanismus nicht verharzt bzw. verschmutzt sein. Selbst von Hand funktioniert die Umschaltung in der Praxis aber nicht immer zuverlässig, über Fernschaltung gewöhnlich noch seltener.

Ursache für die Unzuverlässigkeit ist das äußerst sensible mechanische Zusammenspiel der einzelnen Komponenten des Umschalt-Mechanismus, insbesondere der Federn. Tatsächlich soll bei Fernsteuerbetrieb bei jeder Spannungsunterbrechung die Fahrtrichtung wechseln. Die Erfahrung ist aber eine andere: wenn gewünscht, funktioniert dies nicht immer zuverlässig; wenn nicht gewünscht, kann es sein, dass auf Grund von Kontaktproblemen die Lok auf einmal ungewollt rückwärts fährt.

Deshalb hat sich für den Fahrbetrieb bewährt, die Lok durch manuelle Arretierung der Schaltstange fest auf eine Fahrrichtung einzustellen. Dann kann man zwar immer nur in eine fahren,es gibt aber keine ungewollten Richtungswechsel!

66er-Fernschaltung

Die in den 1930er-Jahren folgende 66er-Fernschaltung war vom Prinzip ähnlich aufgebaut wie die 65er-Schaltung.

Die Umschaltkontakte befanden sich jedoch von Außen nicht mehr sichtbar im Inneren der Lokomotive auf der Stirnseite in Fahrtrichtung.

Die Umschalteinrichtung funktionierte etwas zuverlässiger als bei der 65er-Fernschaltung, aber war immer noch nicht perfekt. Ich habe trotz vieler zeitintensiver Einstellversuche aufgegeben, Lokomotiven mit 66er-Fernschaltung zuverlässig zum Umschalten zu bringen. Deshalb habe ich alle Lokomotiven konsequent auf das Prinzip der zuverlässigen 70er-Fernschaltung umgebaut. Der Umbau erfolgte jeweils zerstörungsfrei und könnte wieder rückgängig gemacht werden.

Auch hier sei nachfolgend der Stromlaufpfad durch die Lokomotive dargestellt. Zur besseren Übersicht wurde der Stromlaufpfad in einigen Bereichen bei demontierten Komponenten dargestellt.

70er-Fernschaltung

Die sogenannte 70er-Schaltung verwendet für den Fahrtrichtungswechsel in der Lokomotive keine bewegten elektromechanischen Teile, sondern elektronische Dioden als Gleichrichter. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für einen zuverlässigen und störungsfreien Fahrbetrieb gegeben.

Voraussetzung ist allerdings ein Betrieb mit Gleichstrom. Ein Wechselstrombetrieb von Lokomotiven mit 70er-Schaltung ist nicht mehr möglich! Für einen Richtungswechsel ist die Polarität der Trafoausgangsspannung zu wechseln, was entweder über einen marktüblichen Gleichstromtrafo – z.B. für Gartenbahnen – oder durch einen externen Gleichrichter mit Polwender, der über einen Wechselstromtrafo gespeist wird, erfolgen kann.

Die Diode funktioniert grundsätzlich wie ein Ventil: sie lässt nur Strom durch, wenn die Spitze des Dreiecks auf den Minuspol zeigt. Im unten aufgeführten Bild, lässt die linke Diode den Strom durch, die rechte Diode (gepunktet) sperrt.

Gegenüber den 65er- und 66er-Schaltungen weist die 70er-Schaltung eine weitere Besonderheit auf: sie verfügt über zwei getrennte Stator-Wicklungen, die gegenläufig auf den Stator gewickelt sind. Vor jeder den Statorwicklungen befindet sich in Reihe eine Diode.

Liegt an der Mittelschiene eine positive Spannung an, fließt der Strom im unten dargestellten Schemaplan über den Schleifer von rechts nach links durch die im Übersichtsplan dargestellte untere Stator-Wicklung. Im Anschluss daran fließt der Strom wiederum von rechts nach links durch die Rotor-Wicklung und von dort zurück über die Räder und die Schienen zum Minuspol des Trafos. Da die beiden Magnetfelder von Stator und Rotor gleichsinnig gerichtet sind, fährt die Lok vorwärts. Die im Übersichtsplan dargestellte obere Stator-Wicklung ist in dieser Betriebsart ohne Funktion, da auf Grund der Polarität die vorgeschaltete Diode den Stromfluss durch diese Wicklung verhindert.

Wird nun die Spannung an den Schienen umgepolt, d.h. die Fahrschienen erhalten eine positive Spannung und die Spannung am Mittelleiter wird negativ, wird die obere Spule vom Strom durchflossen. Anhand des Übersichtsbildes kann man sehr schnell erkennen, dass die resultierenden Felder der Stator- und Rotorwicklungen gegenläufig sind, weshalb die Lok nun rückwärts fährt.

Als in den 1930er-Jahren Märklin diese Schaltung auf den Markt brachte, standen lediglich teure Selen-Gleichrichter zur Verfügung. Bei Kurzschluss bzw. Überhitzung wurden diese aber schnell zerstört, weshalb sich diese Schaltung zur Blütezeit der Blecheisenbahnen nicht durchsetzen konnte.

Die 70er-Schaltung hat sich seit der Verfügbarkeit kostengünstiger Silizium-Dioden derart bewährt, dass insbesondere alle Replika-Hersteller auf diese kostengünstige Schaltung zurückgreifen und die meisten Vorführbahnen heute deshalb mit Gleichstrom betrieben werden.

Umrüstung von 65er- und 66er-Lokomotiven auf Gleichstrom

An sich stellt eine Umrüstung von Lokomotiven mit 65er- bzw. 66er-Schaltung auf Gleichstrom kein großes Problem dar. Allerdings fehlt bei diesen Märklin-Fahrzeugen die zweite Stator-Wicklung der 70er-Lokomotiven.

Zur Umrüstung einer 66er-Lokomotive benötigt man 4 isolierte Drähte mit einer Länge von ca. 15 cm, 4 Schrumpfschläuche mit ca. 3 cm Länge, einen Brückengleichrichter, z.B. B40R für 1,5, besser 2 A (Ampére) sowie einen Streifen Tesafilm, beidseitig verklebt zu einem Quadrat von ca. 1,5 x 1,5 cm.

Bevor nun die Umrüstung beginnt, soll zunächst kurz auf das Funktionsprinzip und den inneren Aufbau eines Brückengleichrichters eingegangen werden. Er besteht aus 4 einzelnen Dioden, die bei einem eingangsseitigen Wechselstrom je nach Polarität der Halbwelle (grün positiv oder dunkelrot negativ) den gleichgerichteten Strom immer nur in einer Flussrichtung durch einen Verbraucher (hier Glühlampe) fließen lassen.

Zunächst müssen die 4 Drähte an die Anschlussfahnen des Brückengleichrichters angelötet werden. Anschließend werden die 4 Schrumpfschläuche über die Anschlussfahnen mittels Feuerzeugflamme geschrumpft.

Danach müssen die offenen Enden der Drähte abisoliert und mittels Rundzange mit Anschlussösen versehen werden. Der Tesa-Streifen muss vorsichtig unter die drei Umschaltkontaktzungen geschoben werden, diese müssen nun völlig vom Umschaltkontakt isoliert sein.

Die Anschlussösen von drei Drähten müssen wie nachfolgend eingezeichnet unter die drei vorhandenen Schrauben der Umschaltkontaktfahnen geklemmt werden.

Der vierte Draht muss auf Lok-Masse geklemmt werden. Hierfür verwendet man am besten die Befestigungsschraube des Abdeckbleches des Umschaltkontaktes. Anschließend biegt man die Drähte so, dass sie unter das Lok-Gehäuse passen.

Nun kann man die Lok mit Gleichstrom – allerdings nur noch mit Gleichstrom – ansteuern. Eine Funktionskontrolle sowie eine Polaritätskontrolle vor Zusammenbau des Gehäuses empfehlen sich, denn alle umgerüsteten Lokomotiven sollten in die gleiche Richtung fahren! Als Gleichstrom-Trafo eignet sich z.B. ein Trafo für LGB-Bahnen von Titan. Nach erfolgreichem Test kann die Lok wieder zusammengebaut werden.

Der Umbau von 65er-Lokomotiven ist etwas schwieriger, da man hier zwei der Anschlussdrähte mittels Lötfahnen direkt unter die Schraubbürstenkappen anbringen muss. Diese gibt es z.B. bei Ritter-Restaurationen. Ansonsten geht es fast genauso.

Wartung und Reinigung

Am wichtigsten ist das regelmäßige Ölen der Ankerlager.

Bei fehlendem Gehäuse erkennt man gleich das Problem: zu viel Öl verschmutzt den Kupferkollektor des Rotors. Durch den zusätzlich entstehenden Kohlestaub der Kohle-Bürste (Elektrode) gibt es einen festen Schmierfilm, der den Stromübergang verhindert. Im Ergebnis fährt die Lok immer langsamer. Die Bürstenkappen der Kupfer- und Kohlebürste müssen entfernt und die Kontaktfedern (Achtung, springen gerne weg!) und die beiden Bürsten müssen entnommen werden. Im Extremfall muss die gesamte Bürsten-Halterung entfernt werden.

Wie man in obiger Abbildung erkennen kann, sind die Bürsten geradezu verklebt. Hier hilft nur noch die Demontage der Bürsten-Halterung, damit die Bürsten mittels Schraubendreher herausgedrückt werden können. Mit Wattestäbchen können nun die Bürsten-Halterung und der Kollektor gereinigt werden. Die Schlitze zwischen den drei Kollektorflächen sind ebenfalls mittels Schraubendreher zu reinigen. Die Bürsten sind mit einem Tuch zu reinigen, bis sie wieder leichtgängig in der Bürstenhalterung laufen, sprich sie müssen quasi durchfallen können. Ersatz-Bürsten gibt es z.B. bei Ritter-Restaurationen.