Dahlandermotor – polumschaltbar mit gemeinsamer Wicklung

Die Drehzahl eines Asynchronmotors hängt davon ab, wie schnell sich das Drehfeld im Stator dreht. Dieses Drehfeld wird von den Statorwicklungen erzeugt, die mit dem Drehstromnetz verbunden sind. Wie viele Magnetpole das Drehfeld dabei ausbildet, bestimmt direkt seine Umlaufgeschwindigkeit.

Ein zweipoliger Motor – ein Nord- und ein Südpol – braucht pro Netzperiode genau eine Umdrehung. Bei 50 Hz sind das 50 Umdrehungen pro Sekunde oder 3000 U/min. Ein vierpoliger Motor mit zwei Nord- und zwei Südpolen braucht zwei Netzperioden für eine Umdrehung, also nur 1500 U/min. Mehr Pole, weniger Drehzahl.

Die Polpaarzahl p zählt, wie viele Nord-Süd-Paare vorhanden sind. Die Polzahl 2p ist die Gesamtzahl der Magnetpole, also immer das Doppelte der Polpaarzahl.

Der Trick beim Dahlandermotor steckt in der Statorwicklung. Jeder der drei Stränge wird nicht als eine durchgehende Spule ausgeführt, sondern in zwei gleich große Hälften aufgeteilt. Genau in der Mitte gibt es einen zusätzlichen Anschluss – die Mittelanzapfung.

Diese drei Anschlüsse pro Strang (Anfang, Mitte, Ende) werden alle nach außen zum Klemmenkasten geführt. So lässt sich von außen festlegen, wie der Strom durch die zwei Wicklungshälften eines Strangs fließen soll. Und genau diese Stromrichtung bestimmt, wie viele Pole das Drehfeld bildet.

Bei niedriger Drehzahl wird der Strang als Ganzes durchflossen: Der Strom geht vom Anfang bis zum Ende, beide Hälften in gleicher Richtung. Die Magnetfelder der Hälften liegen örtlich nebeneinander und bilden eine größere Anzahl von Polen.

Bei hoher Drehzahl wird die Mittelanzapfung mit dem Netz verbunden, Anfang und Ende werden gemeinsam kurzgeschlossen. Der Strom fließt nun von der Mitte ausgehend in beide Hälften – aber in entgegengesetzte Richtungen. Zwei benachbarte gleichnamige Pole verschmelzen elektromagnetisch zu einem einzigen größeren Pol, die Polzahl halbiert sich, die Drehzahl verdoppelt sich.

Ein normaler Drehstrom-Asynchronmotor hat sechs Klemmen für Stern-Dreieck-Umschaltung – die sechs Wicklungsenden U1/V1/W1 und U2/V2/W2. Der Dahlandermotor hat ebenfalls sechs Klemmen, aber die haben eine andere Bedeutung: Sie gehören zu derselben Wicklung mit Mittelanzapfung, nicht zu Wicklungsanfang und -ende einer einzigen Spule.

Die nach IEC 60034-8 gebräuchliche Bezeichnung ist 1U-1V-1W für die Anschlüsse der niedrigen Drehzahl und 2U-2V-2W für die Anschlüsse der hohen Drehzahl. Die Ziffer vorne kennzeichnet also die Drehzahlstufe.

Für die niedrige Drehzahl wird das Drehstromnetz an 1U, 1V und 1W angeschlossen – 2U, 2V und 2W bleiben offen. Für die hohe Drehzahl wird das Netz an 2U, 2V und 2W angeschlossen, und 1U, 1V und 1W werden gemeinsam mit einer dreipoligen Brücke kurzgeschlossen. Diese Brücke bildet den Sternpunkt des Doppelsterns.

Drei innere Wicklungsausführungen sind beim Dahlandermotor üblich. Sie unterscheiden sich darin, wie das Drehmoment-Drehzahl-Verhalten des Motors zwischen den beiden Stufen aussieht. Welche Variante zum Einsatz kommt, hängt davon ab, wie sich die anzutreibende Last verhält.

Dreieck/Doppelstern (Δ/YY) – konstante Leistung. Die niedrige Drehzahl entsteht aus einer Dreieckschaltung der vollen Wicklungen, die hohe aus dem Doppelstern mit parallel geschalteten Hälften. Bei doppelter Drehzahl halbiert sich näherungsweise das Nenndrehmoment, die Leistung bleibt gleich. Typische Anwendung: Werkzeugmaschinen, bei denen mit steigender Schnittgeschwindigkeit die Schnittkraft sinken darf.

Stern/Doppelstern (Y/YY) – quadratisches Lastmoment. Niedrige Drehzahl im Stern, hohe im Doppelstern. Bei niedriger Drehzahl liefert der Motor weniger Drehmoment als bei hoher – ein Verlauf, der zum quadratischen Anstieg des Lastmoments bei Strömungsmaschinen passt. Typische Anwendung: Lüfter, Pumpen, Kreiselverdichter.

Doppelstern/Dreieck (YY/Δ) – konstantes Drehmoment. Die innere Wicklung ist hier umgekehrt zur ersten Variante ausgeführt: Der Doppelstern liefert die niedrige Drehzahl, das Dreieck die hohe. Das Drehmoment bleibt in beiden Stufen annähernd gleich, die Leistung verdoppelt sich beim Wechsel auf die hohe Stufe. Typische Anwendung: Hebezeuge, Aufzüge, Förderbänder – immer dort, wo dieselbe Last bei zwei Geschwindigkeiten bewegt wird.

Die Bezeichnungen „konstante Leistung“, „quadratisches Lastmoment“ und „konstantes Drehmoment“ sind theoretische Idealisierungen. Real liegt das Leistungsverhältnis zwischen niedriger und hoher Stufe bei Δ/YY meist im Bereich 1:1,5 bis 1:1,8 – die Leistung bleibt also nicht exakt konstant, sondern wächst in der hohen Stufe um 50 bis 80 %. Für die Auswahl der passenden Variante reicht die Charakteristik trotzdem als Orientierung, weil sie das prinzipielle Verhalten richtig beschreibt.

Weil das Verhältnis fest bei 1:2 liegt, ergeben sich am 50-Hz-Netz nur wenige sinnvolle Drehzahlpaare. Maßgeblich ist immer, welche Polzahlen die niedrige und die hohe Stufe haben.

Üblich sind drei Kombinationen: 4-/2-polig mit 1500/3000 U/min, 8-/4-polig mit 750/1500 U/min und 12-/6-polig mit 500/1000 U/min. Die niedrige Stufe ist immer die Schaltung mit der doppelt so hohen Polzahl.

Unter Last fällt die Drehzahl durch den Schlupf gegenüber der Synchrondrehzahl ab. In Datenblättern sind deshalb meist die Nenndrehzahlen angegeben, etwa 1430/2880 U/min für ein 4-/2-poliges Modell unter Nennlast.

Die Polumschaltung im Schaltschrank wird klassisch mit drei Schützen umgesetzt – einer Polwendekombination. Ein Schütz verbindet das Netz mit der niedrigen Drehzahl, die anderen beiden zusammen mit der hohen Drehzahl.

Schütz Q1 schaltet bei niedriger Drehzahl das Netz auf 1U/1V/1W. Schütz Q2 schaltet bei hoher Drehzahl das Netz auf 2U/2V/2W. Schütz Q3 sorgt zeitgleich mit Q2 für die Brücke der Klemmen 1U/1V/1W – es verbindet diese drei Klemmen miteinander und bildet so den Sternpunkt des Doppelsterns.

Q2 und Q3 ziehen also immer gemeinsam an. Q1 darf nie gleichzeitig mit Q2/Q3 anziehen, sonst entsteht ein Kurzschluss in der Wicklung. Deshalb sind die Schütze sowohl mechanisch als auch elektrisch gegeneinander verriegelt: Mechanisch durch einen Verriegelungssatz zwischen den Schützen, elektrisch durch Schließer/Öffner-Kontakte im Steuerstromkreis.

Beim Wechsel zwischen den Drehzahlstufen ist eine kurze Ausschaltpause sinnvoll. Sie verhindert, dass durch Schaltprellen oder Spannungsspitzen kurzzeitig beide Schützgruppen zugleich aktiv sind, und sie reduziert den induzierten Stoßstrom beim Umkonfigurieren der Wicklung.

Bei der Auslegung der Schaltfolge gilt eine Faustregel: erst in der niedrigen Drehzahlstufe anlaufen, dann auf die hohe Stufe umschalten. In der niedrigen Stufe ist der Anlaufstrom geringer, weil die höhere Polzahl ein günstigeres Drehmoment-Drehzahl-Verhalten ergibt. Ein direkter Anlauf in der hohen Stufe ist bei kleinen Motoren möglich, bei größeren Leistungen verursacht er aber unnötig hohe Netzbelastungen und Stromspitzen.

Dahlander ist nicht die einzige Möglichkeit, einen Motor auf zwei Drehzahlen umzuschalten. Die Alternative ist ein Motor mit zwei vollständig getrennten Statorwicklungen, die zueinander beliebige Polzahlen haben können. So lassen sich auch Verhältnisse wie 1:3 oder 1:4 realisieren – etwa 1000/3000 U/min oder 750/3000 U/min.

Der Vorteil ist die freie Wahl der Polzahlen. Der Nachteil: Im Stator stecken zwei komplette Wicklungssätze. Das bedeutet mehr Kupfer, dickere Statorpakete, größere Bauform und höheren Preis. Außerdem sind in jeder Drehzahlstufe nur die eingeschaltete Wicklung wirksam – die andere liegt passiv im Stator und trägt nichts zur Leistung bei, kann aber durch Streuflüsse Verluste verursachen.

Klemmenkasten: Bei zwei getrennten Wicklungen sind mindestens sechs Klemmen vorhanden, je drei für die zwei Wicklungen. Wird zusätzlich Stern-Dreieck-Schaltung pro Wicklung gewünscht, kommen pro Wicklung sechs Klemmen, in Summe also bis zu zwölf.

Eine Sonderform ist die Kombination aus beidem: eine Wicklung als Dahlanderschaltung mit Mittelanzapfung plus eine zweite getrennte Wicklung. Damit ergeben sich drei verschiedene Drehzahlen – zwei aus dem Dahlander und eine aus der zweiten Wicklung. Solche Motoren sind im Aufbau noch aufwändiger und entsprechend selten geworden.

Der Dahlandermotor ist eine elegante Lösung für genau definierte Einsatzfälle. Seine Stärken sind Robustheit, Einfachheit und Wartungsarmut – im Antriebsstrang stecken nur ein Motor und drei Schütze, keine empfindliche Leistungselektronik. Für rauhe Umgebungen, hohe Schalthäufigkeit oder Krananwendungen mit starken Stromstößen sind genau diese Eigenschaften der Grund, warum Dahlandermotoren bis heute eingesetzt werden.

Die klare Grenze ist das feste Drehzahlverhältnis 1:2. Wo andere Verhältnisse oder mehr als zwei Stufen gebraucht werden, muss eine andere Lösung her. Ebenso bei stufenloser Drehzahlregelung – die ist nur mit Frequenzumrichter möglich.

In modernen Anlagen werden Dahlandermotoren zunehmend durch Frequenzumrichter-Antriebe ersetzt. Ein Standard-ASM mit FU bietet stufenlose Drehzahl, sanftes Anfahren, Energieeinsparung durch lastangepasste Drehzahl und Bremsbetrieb. Der Dahlandermotor bleibt dort interessant, wo die FU-Vorteile nicht gebraucht werden und die Robustheit zählt – etwa bei Lüftern in der Lüftungstechnik mit zwei festen Betriebspunkten oder bei Krananlagen im Außenbereich.

Kostenseitig liegt ein Dahlandermotor mit Schützensteuerung heute meist über einem Standard-Motor mit FU – die FU-Technik ist über die Jahre günstiger geworden. Wirtschaftlich interessant ist der Dahlander vor allem im Ersatzteilbetrieb für bestehende Anlagen, in Sonderfällen mit extremen Umgebungsbedingungen und überall dort, wo die Robustheit eines elektromechanischen Aufbaus entscheidend ist.