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乐高火车最棒的一点就是它们能真正动起来！根据物理定律，想要让火车移动，就需要能量，特别是电能。 不过，在我们讨论如何用电力驱动火车之前，值得一提的是，很多人可能最早是用手动推动的方式，开启了自己的乐高火车旅程。我清楚地记得，三岁时我收到的第一套乐高火车玩具，它不是电动的，也不需要电池，完全靠手动驱动！对于大多数孩子来说，这就是我们最初的游戏方式。我们不用了解电路是怎么工作的，也不用知道电机、开关等怎么连接，只需要把火车放到轨道上，用手推动它前进。
最终，我们意识到，让火车自己动起来其实更酷！于是，我们踏上了电动乐高火车的探索之旅。 自 20 世纪 60 年代末推出乐高火车以来，乐高为我们提供了许多简单易用、适合儿童的动力解决方案，帮助我们为火车实现机动化和供电。这些方案主要基于电池和轨道供电系统，并随着时间的推移不断调整，以适应乐高轨道和其他组件系统的变化。 深入研究这一主题时，不难发现其悠久的历史与技术深度，绝对值得我们写不止一篇文章。因此，这篇文章将是一个关于乐高火车动力系统的三部曲系列的开篇。接下来的系列文章将会涵盖以下内容： 电机、电池和控制器的历史和回顾 建筑、运营和维护提示和建议 电机和控制技术；乐高火车的未来可能性
 本文的历史回顾将重点分析乐高发布的各种火车驱动系统。随着时间推移，这些系统不断演变，可以划分为不同的“时代”或主题，每个时代都有其独特的轨道和电气系统架构。 21344东方快车 这些时代的操作和性能特点各不相同，同时也反映了乐高系统自身的变化与发展。新零件的引入，以及像机械组、Mindstorms等邻近主题的影响，都在不同程度上塑造了各个乐高火车时代的组件和架构。 鉴于相关产品和零件的种类繁多，我将重点放在那些主要或专门为火车主题设计的零件上。例如，虽然有许多通用的 9V、机械组 和 Power Functions 电机可以驱动火车，但本文将严格聚焦于专为火车设计的电机产品。这样可以帮助我们深入了解那些专为满足火车主题需求而设计的乐高零件，与那些跨多个主题通用的零件有所区分。 DAY1技术时代
 纵观乐高火车主题的五十多年历史，大致可以划分为六个不同的时代。每个时代的显著特征在于轨道系统与动力/控制方式的组合。乐高火车爱好者通常会非正式地将这些时期称为“蓝色时代”、“12V 时代”、“9V 时代”等。在本评论中，时代的划分与这些称谓大致对应，但采用了基于技术特点和属性的更严格分类。 从宏观上看，乐高火车主题可以分为两大类：轨道供电和电池供电。 这种划分并不依赖于轨道系统或时间段，因为电池驱动和轨道驱动的列车几乎贯穿了整个乐高火车历史，两者长期共存。从另一个角度看，也可以根据轨道系统对火车主题进行划分。在这种情况下，实际上可以分为三个类别：蓝/灰轨道时代、9V 金属轨道时代和 RC 塑料轨道时代。 考虑到这些划分，我们可以看到六个不同时代或主题的轮廓，如下面的时间线图所示。 我从动力系统的角度确定了乐高火车的六个主要时代，如下所示：基于这一参考框架，我们可以深入探讨每个动力系统时代的基本组成部分。我将这次分析分为三个功能类别的要素：电机、供电系统和电源控制器。DAY2电机
发动机是任何动力乐高火车的核心组件，无论是电池驱动还是轨道驱动。在乐高的历史中，开发了许多电动积木零件，这些零件不仅应用于火车，还用于其他主题，如 机械组 和 Mindstorms。其中，很多电机零件设计为通用型，适合集成到各种模型中，如汽车、起重机、推土机、机器人等。 然而，乐高系统也专门为火车主题开发了专用的马达。这些马达需要满足火车所特有的外形和性能要求。此外，我们还需要记住，乐高产品的主要用户是儿童，因此马达必须满足儿童在各个年龄段和能力范围内的需求。特别是，这些马达必须具备“即插即用”或“开箱即用”的简便性，确保孩子们能够轻松、安全地使用，并享受快速上手、低挑战的游戏体验。下图显示了每个电力系统相关的机动化零件的时间线。乍一看，每个主题似乎都有其独特的机动化解决方案。但如果我们缩小范围，专注于乐高列车的电机元件，实际上只有两种不同的外形尺寸：所谓的“砖箱”实际上是乐高最早期的机动化产品之一，也是多种主题中的通用零件。在我看来，它的外形设计似乎更多地受到了火车组装需求的影响。4 颗粒的宽度和 6 颗粒的轴距是至今仍沿用的基本特征。而“动力转向架”的外形尺寸则是乐高列车电动化的核心部分。在分析了各个时代的电机元件后，本节最后将对这一外形尺寸进行更详细的讨论。4.5V 电机4.5V 电机元件采用经典的砖盒外形设计。车轮通过摩擦固定在四个轴孔上，轴距为 6 颗粒。带凸缘的车轮专为火车设计，但也可以换成装有橡胶轮胎的无凸缘车轮，使该电机在火车之外的用途更加广泛。电机通过多个车身上的电连接端子与电池供电系统连接，端子既可垂直向上，也可水平连接。这款电机的一大亮点是其内部结构采用了两部分压铸金属底盘设计。这不仅增强了电机的机械耐用性，更为关键的是，它提供了额外的重量。超过 150 克的重量增加了牵引力，增强了车轮与轨道之间的接触力。机械结构：4.5V/12V 砖盒电机（bb0006、x469b）电机两端的底部各有一个 4x2 砖块空间，可用于安装功能配件。12V 电机12V 电力系统跨越了从经典“蓝轨”时代到 1980 年开始的“灰轨”时代的过渡期。因此，12V 的四轨系统可以使用砖盒式和动力转向架两种形式的电机。砖盒式电机（x550a、x550b）在外观上与 4.5V 或 12V 电机几乎完全相同，内部则安装了不同额定电压的电机。识别它们的方法是通过电机顶部的一个小开孔，可以看到电机外壳上的彩色标识条：红色条带有“4V”标记，黄色条带有“12V”标记。机械特点：12V 电机转向架 ( bb0012 )
12V 电机转向架堪称精妙的工程设计典范。强大的有刷直流电机被封装在两部分压铸金属底盘中，电机轴对称地从外壳两端伸出，并配有黄铜蜗轮。蜗轮传动装置具有极高的扭矩，赋予电机强大的牵引力。另一个优点是电机的电刷外露，未封装在电机外壳中，方便用户清洁和更换电刷与换向器（如有需要）。 压铸金属底盘不仅增加了电机的重量和附着力，还确保了驱动机构的精确机械公差，同时作为散热器，延长了电机的使用寿命。 9V 电机9V 电机转向架是在 9V 金属轨道系统过渡期间推出的。它延续了 12V 马达转向架的外形设计，但仍是第一款也是唯一一款配备金属轮子的乐高马达产品。机械特点：9V 转向架（590）9V 电机转向架是一种折衷设计，与之前的电机组件相比，它没有采用内部压铸金属底盘。从重量上看，在相同体积下，它的重量只有 12V 电机转向架的一半。使用亚洲制造的电机而非德国的 Buhler 电机，配备尼龙塑料齿轮和模制塑料轴承，显然是为了降低结构成本。考虑到其面向儿童玩具火车的市场，这样的妥协和成本削减是可以理解的。搭载 9V 电机转向架的乐高火车套装通常由四到五辆相对轻便的车厢组成——这也正好符合该电机的性能范围。 由于从外形尺寸的角度来看，这些电机之间的差异很小，因此我们将结合 RC、Power Functions 和 Powered Up 时代的电机转向架元件进行讨论。电机性能存在差异（RC 电机最差，PF 和 PU 电机令人满意），并且每个电机都与其系统标识相对应的不同连接器端接。 机械结构：遥控电机 ( x1688 )RC电机的推出是在9V金属轨道系统退役后，使用塑料轨道和电池供电火车作为替代的过渡方案。它保留了备受喜爱的9V 2x2金属螺柱连接器作为电气终端，并对电机转向架的设计进行了一些重要更新。这些更新包括： 机械组横轴筒，用于安装轴和车轮 整体高度降低（增加了轨道上方的空间） - 用螺丝固定的两部分外壳（取代了原来的塑料夹子）
机械结构：动力功能电机转向架 ( 87574c01 )动力功能系统的推出，取代了短暂存在的RC动力系统时代。随之而来的，是经过改进的电机转向架。从外观上看，机箱尺寸保持不变，但9V连接器被淘汰，取而代之的是硬接线的4路动力功能电缆组件，该组件采用新的动力功能2x2螺柱可堆叠插头端接。 在内部设计方面，原有的OEM电机被性能更高的电机所替代。 机械特点：动力驱动电机转向架 ( bb0896c01 )乐高火车迷对 Powered Up 系统取代 Power Functions 的推出感到担忧，这是可以理解的。Powered Up 的电机转向架替代品与前代 Power Functions 基本相同，主要区别在于6路硬接线的PU电缆组件采用了新的PU模块化插头进行端接。 内部机械结构保持不变，唯一的不同是电机外壳顶部增加了一个新的PCB，用于连接PU电缆，并作为组件安装和与电机端子的电气互联基板。 列车转向架形状系数如前所述，1980 年推出的 12V 电机转向架的电机转向架外形尺寸与今天基本相同。其主要特点包括： - 6 螺柱（48 毫米）轴距
技术半销中心旋转支架 - 两端各有 2x4 螺柱“架”，用于安装转向架侧架和/或缓冲器/耦合器元件
尽管从1980年至今，转向架的整体形状保持一致，但每个时期都有一些细微的差异，主要体现在底部离地间隙和车轴的垂直中心线位置。 这些差异不会影响行驶高度和缓冲高度等关键尺寸。车轴中心线的变化通过调整车轮直径进行了补偿，以确保正确的行驶高度。 DAY3电池组件
电池驱动的列车必须将电池有效地集成到机车中，或者巧妙地将其伪装成车厢。最初，电池被安装在一个经典盒式组件中，配有简单的双向偏心开关。然而，这种盒子的尺寸不太合适（11 x 6 颗螺柱 x 10 层板，实际尺寸因外部悬垂达到 11 x 7 颗螺柱），难以在火车中隐藏，通常被伪装成蒸汽机车的煤水车或普通油罐车。 1972 年，专门的车厢组件被引入，允许在 6 颗螺柱宽的结构中垂直安装 3 个 C 型电池单元。在 9V 电源系统推出之前，这种车厢设计一直使用到 20 世纪 80 年代末。 从火车主题的角度看，电池盒曾一度停用，直到 9V 系统逐渐被替代——首先是临时的 RC 系统，然后进入广受欢迎的动力功能系统时代。 机械特点：经典电池盒（bb0045）经典的电池盒体积较大，但这与当时的技术条件有关。20 世纪 60、70 年代，小型电池（如 5 号电池、7号电池）并不常见，便携式电池供电设备的数量也相对较少。PS：AA是国内的5号电池，AAA是国内的7号电池 此外，体积较大的电池单元具有更高的能量容量，能够提供更长的运行时间。传统电池盒的尺寸不太合适，确实影响了它在火车中的隐藏效果。通常，它会被伪装成蒸汽机车的煤水车。 机械特点：电瓶部件( 3443 )为了解决传统电池盒带来的限制，乐高大胆推出了专门用于火车的电池车厢。这是一次巨大的模具和制造投资，因为该产品主要服务于火车主题。即便如此，这款电池车厢非常适合火车主题，共推出了不少于 10 种不同车身颜色、车轮和连接器的变体。 专用车厢的设计还巧妙地集成了两个实用功能： 机械特点：遥控火车底盘（电池盒 + 控制器）（55455）1985 年，电池车厢正式退役，此后近 20 年，才有另一种列车专用电池箱问世。2000 年代初期/中期，9V 电气附件系统显然已接近使用寿命，即将推出替代产品。对于火车迷来说，这意味着 9V 金属轨道系统的退役，以及向塑料轨道上的电池供电列车的过渡。 此时，Power Functions 系统尚未完全开发。作为火车的临时解决方案，基于红外 (IR) 遥控器的 RC 系统在 2007 年至 2009 年期间短暂推出。为了整合电池和红外控制器，必须进行大量投资来开发定制的 6 x 30 螺柱底盘，并集成电池座和电子设备 ( 55455 ) 。该元件仅用于两套，每套都采用自己的颜色（黑色和白色）。 虽然该元件缺乏灵活性，但它确实通过紧凑集成弥补了这一缺陷。使用 6 节5号电池的决定确实提供了比 Power Functions 7号电池盒更大的能量容量，并且运行时间更长，峰值电流输出更大。红外接收器传感器安装在底盘的两侧，有助于最大限度地检测红外信号。
最后，该元件可能是最后一个采用 9V 2x2 螺柱连接器功能的元件。它被整合到顶部的凹槽中，使用标准 9V 电缆组件连接到电机转向架。
机械特点：动力型电池盒 Power Functions 时代为乐高火车迷带来了最灵活的电源系统。这个系列提供了至少三种电池盒选择：一个适用于机械组模型的 5 号电池盒（59510）、一个 8x4 螺柱的 7号电池盒（87513），以及一个 8x4 的锂离子可充电电池盒（84599）。从火车建造者的角度来看，8x4 尺寸的电池盒最为重要，因此我将评论重点放在这类电池盒上。 每套 Power Functions 火车套装都配备了常见的 8x4 7号电池盒。它外形紧凑，能容纳 6 节 7号电池。电池盒顶部有一个状态指示灯、一个开关按钮，以及用于控制电机方向的选择开关，使得即便没有遥控器也能轻松操作。这种设计不仅对火车建造者十分实用，对于那些使用电机或照明功能的其他乐高模型和 MOC爱好者同样适用。 随着性能优异的 84599 可充电电池盒的推出，这种 8x4 外形的电池盒更具多功能性。它采用锂离子电池，拥有更高的能量密度（虽然峰值电压稍低，约为 7.6 V），且具备环保的充电能力，避免了大量一次性电池的浪费。此外，增加的控制旋钮可以调整 PF C1/C2 引脚的速度和方向，进一步提升了该装置在固定（非遥控）应用中的灵活性。 如果不提到 58123c01 红外接收器，本描述就不完整了。在几乎所有火车应用中，电池盒主要为红外接收器模块供电，而红外接收器则负责控制一个或多个连接的 Power Functions (PF) 电机。在典型的火车机车中，这通常是一个单独的 PF 电机转向架。不过，通过连接到同一个红外接收器，可以轻松实现对双电机转向架的升级，提升性能。 此外，还可以建造没有电机转向架的火车，采用机械组系列的 M、L 或 XL PF 电机驱动系统。这种设计在蒸汽机车的建造中非常常见，因为电机转向架在这类火车上并不适用。DAY4
功率/速度控制器
在我看来，轨道驱动火车的两个时代无疑是最令人兴奋、最有趣的。20 世纪 80 年代的 12V“灰色”火车时代常被称为乐高火车的“黄金时代”，这个时期既充满了创意灵感，又极具独特性。产品种类之多令人惊叹，而乐高在这一时期深受“系统化”理念的影响。这个系统被设计成一个高度整合的系列，支持火车迷们实现各种规模的布局梦想。您可以逐步扩展布局，并且能够确信所有的零件都可以无缝协同运作。
随着 12V 火车时代的结束，一个基于当时新推出的 9V 电源附件系统的新时代随之来临。对于火车迷来说，最显著的变化是转向全新的轨道系统架构。与“蓝色”和“灰色”轨道时代的砖砌轨道零件不同，新系统的轨道零件采用整体组件设计，并配有由冲压镀镍铜铍制成的金属轨道。 这使得乐高火车能够以与传统比例模型火车相似的方式运行，火车通过金属轮直接从轨道上获取能量进行供电和控制。 然而，在乐高火车的历史中，我们仅见证了两个截然不同的轨道驱动火车时代，如下面的时间轴所示。每个时代都有其独特的核心电源和控制元件。尽管 12V 时代包含三个电源变压器，但灰色的 2864 控制器的影响无疑是最为显著和深远的。 12V电源控制器 ( 2864 )如上所述，12V 列车系统时代充满魔力，令人振奋。其核心是 2864 电源控制器。该元件具有几个显著特点： 控制器外观 - 浅灰色的模制箱体设计得恰到好处，与火车布局相邻时不会显得格格不入，因为它看起来有点像在真正的铁路上看到的典型的铁路旁电力变压器。它的简约美学恰到好处，经久不衰。 外露螺柱- 顶部表面的两排外露螺柱使建造者既可以装饰变压器以进行标记或识别，也可以在变压器周围和顶部建造以融入周围布局。此外，速度控制旋钮实际上只是一个交叉轴插座，可以插入更大的旋钮。这使得建造者可以制作各种定制的速度控制杆、执行器、旋钮等，如下所示。
对接附件模块—— 乐高火车历史中最有创新性的设计之一，可以对接附件模块的概念，它可以直接连接到 2864 变压器。 遥控轨道开关 ( 7858 , 7859 ) 带轨道隔离的彩色灯光信号机 ( 7860 ) 磁性解耦器 ( 7862 ) 道口闸门/灯 ( 7866 )
机械结构：12V 变压器 (2864)
9V 速度调节器 ( 2868b )9V 火车时代是轨道供电火车系统的最后一个阶段。虽然新推出的双轨金属轨道结构非常出色，但它无法与之前 12V 系统所提供的丰富配件和产品范围相媲美。然而，9V 电气附件系统总体而言，实际上是乐高最巧妙和富有创意的工业/产品设计解决方案。 该系统巧妙地结合了乐高系统中离合器连接元件和电气连接的最佳特性。这是通过一种基本而精妙的 2x2 导电螺柱阵列实现的。这种 2x2 导电螺柱图案用于制造电缆组件、电机端子、照明砖和电源输出端子等基本电气端子。您可以将这些元素轻松集成到现有的乐高作品中，因为它们与乐高系统完全兼容，并具有与其他元素相同的离合器特性。 从火车爱好者的角度来看，9V 系统配备了一个简单的速度调节器和电缆附件（如右上图所示的5306c01），用于连接轨道并供电。虽然 9V 连接方案令人惊艳，但我不得不说，9V 速度调节器的表现却令人失望。它在设计上忽视了此前12V 变压器的诸多优点。具体问题包括： 不符合乐高系统几何设计 - 2868b 控制器的外形设计无法与乐高系统的美学或几何结构融合。除了前面板上的螺柱装饰，电源输出连接器也没有与其他功能部件建立合理的联动。 功率不足 - 2868 控制器的输出功率非常有限。其内部使用的是线性稳压器 (LM317) 来调节输出电压，尽管该稳压器的额定输出电流可达 1.5A，但由于没有足够的散热或管理机制，乐高这款设备的实际输出电流通常低于 1.0A。 非连续调节 - 当我发现这款调速器并非连续可调时，失望之情难以言表。它的旋钮只能在每个方向上选择七个固定的输出电压级别。这种设计完全不能满足模型火车的平稳运行需求。连续、平滑地调整火车速度是必要的，但这款设备无法实现这一点。
最后，乐高火车的产品设计演变非常复杂，我们可以先挑选自己喜欢方案入手。乐高火车爱好者必须平衡许多相互竞争的因素，例如系统兼容性、性能、成本、可靠性等等。
我们需要根据乐高提供的原材料来建造和操作火车，我们总能充分利用这些零件，并从这项爱好中获得巨大的快乐，为我们的火车奔跑而欢呼，我们将继续前进。
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