Dahlandermotor – polumschaltbare mit gemeinsamer Wicklung

Die Drehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors hängt an zwei Größen: an der Netzfrequenz und an der Polpaarzahl der Wicklung. Die Synchrondrehzahl, also die Drehzahl des Drehfelds im Ständer, ergibt sich aus:

Die Netzfrequenz ist im öffentlichen Netz mit 50 Hz fix. Wer eine andere Drehzahl will, hat klassisch drei Möglichkeiten: einen Frequenzumrichter dazwischenschalten, zwei getrennte Wicklungen mit unterschiedlicher Polpaarzahl im Motor unterbringen — oder die Polpaarzahl ein und derselben Wicklung umschalten. Letzteres ist die Dahlander-Lösung.

Der Reiz ist offensichtlich: Eine Wicklung, ein einfacher Schützsatz, zwei Drehzahlen. Kein Leistungselektronik-Aufwand, kein Tausch des Motors. Der Preis dafür: das Drehzahlverhältnis ist immer genau 1:2, weil die Polpaarzahl durch die Umschaltung exakt halbiert wird. Mehr Stufen oder freie Drehzahlwahl sind damit nicht möglich — dafür gibt es den Frequenzumrichter (eigener Beitrag). Wer zwei freier wählbare Drehzahlverhältnisse braucht, greift zu polumschaltbaren Motoren mit getrennten Wicklungen (eigener Beitrag).

Eine Dahlanderwicklung hat pro Strang nur eine einzige Wicklung — aber mit einer entscheidenden Besonderheit: Sie ist in der Mitte angezapft. Die Wicklung jedes Strangs besteht aus zwei in Reihe geschalteten Spulenhälften, und genau zwischen diesen beiden Hälften wird ein zusätzlicher Anschluss nach außen geführt. Das ist die Mittelanzapfung.

Pro Strang gibt es deshalb drei Anschlüsse: den Wicklungsanfang, die Mittelanzapfung und das Wicklungsende. Bei drei Strängen ergeben sich sechs Klemmen, die zum Klemmbrett herausgeführt werden — drei für die niedrige Drehzahl, drei für die hohe.

In der Skizze sind die beiden Spulenhälften eines einzigen Strangs gezeigt. Die Klemmenbezeichnung folgt der Konvention: 1U markiert den Anfang der Wicklung, 2U die Mittelanzapfung. Die übrigen beiden Stränge laufen nach demselben Schema mit den Klemmen 1V, 2V und 1W, 2W. Die Wicklungsenden werden im Motor intern zusammengeschaltet — was außen am Klemmbrett übrig bleibt, sind die sechs Klemmen 1U, 1V, 1W (für die niedrige Drehzahl) und 2U, 2V, 2W (für die hohe Drehzahl).

Der eigentliche Trick der Polumschaltung steckt darin, wie der Strom durch die beiden Spulenhälften eines Strangs fließt. Das magnetische Feld einer Spule wird durch die Stromrichtung bestimmt — Stromrichtung umkehren heißt Magnetpol-Lage umkehren. Genau das nutzt die Dahlanderwicklung.

Werden beide Spulenhälften gleichsinnig vom Strom durchflossen — also in dieselbe Richtung — addieren sich ihre magnetischen Wirkungen. Das Ergebnis sind doppelt so viele Pole im Ständer wie bei nur einer Hälfte. Mehr Pole bedeuten höhere Polpaarzahl und damit niedrigere Synchrondrehzahl.

Werden die beiden Spulenhälften dagegen gegensinnig vom Strom durchflossen, entstehen je Strang nur halb so viele Pole. Die Polpaarzahl halbiert sich, die Synchrondrehzahl verdoppelt sich.

Schaltungstechnisch wird dieser Effekt nicht in der Wicklung selbst erzielt, sondern durch die Beschaltung der sechs Klemmen außen. Werden die drei Mittelanzapfungen offen gelassen und die Spannung an die Wicklungsanfänge gelegt, fließt der Strom in den Hälften so, wie er muss, um die hohe Polpaarzahl zu erzeugen. Werden dagegen die Mittelanzapfungen gemeinsam an die Spannung gelegt und die Anfänge kurzgeschlossen, fließt der Strom in einer Hälfte umgekehrt — die Polpaarzahl halbiert sich.

Genau hier wird auch klar, warum das Verhältnis 1:2 unverrückbar ist: Es entsteht direkt aus der geometrischen Anordnung der Spulenhälften und nicht aus einer wählbaren Übersetzung. Wer ein anderes Drehzahlverhältnis braucht, muss eine andere Lösung wählen.

Damit der Strom in den Spulenhälften je nach gewünschter Drehzahl unterschiedlich fließt, muss von außen jeweils anders verschaltet werden. In der Praxis haben sich zwei Schaltungsvarianten durchgesetzt — sie unterscheiden sich darin, wie der Motor in der niedrigen Drehzahlstufe verschaltet ist. In der hohen Drehzahlstufe ist die Schaltung in beiden Fällen identisch: ein sogenannter Doppelstern (YY).

Welche der beiden Varianten zum Einsatz kommt, entscheidet die Lastart:

Bei der Dreieck/Doppelstern-Schaltung (Δ/YY) ist die abgegebene Wellenleistung in beiden Drehzahlstufen näherungsweise gleich. In der niedrigen Stufe (Δ) wird ein höheres Drehmoment bei niedrigerer Drehzahl geliefert, in der hohen Stufe (YY) wird das Drehmoment kleiner, dafür verdoppelt sich die Drehzahl — das Produkt aus beidem, also die Leistung, bleibt nahezu konstant. Das ist die typische Wahl für Werkzeugmaschinen, bei denen unabhängig von der Drehzahl annähernd die gleiche Leistung verfügbar sein soll.

Bei der Stern/Doppelstern-Schaltung (Y/YY) ist dagegen das Drehmoment in beiden Stufen näherungsweise gleich. Da sich die Drehzahl in der hohen Stufe verdoppelt, verdoppelt sich auch die abgegebene Leistung. Diese Variante passt zu Maschinen, deren Lastmoment sich mit der Drehzahl nicht stark ändert oder sogar überproportional zunimmt — vor allem Lüfter und Kreiselpumpen, deren Lastmoment etwa quadratisch mit der Drehzahl steigt.

Die ungefähren Verhältnisse lassen sich kompakt zusammenfassen:

In beiden Fällen liefert die hohe Drehzahlstufe immer eine Doppelsternschaltung. Der Unterschied liegt allein darin, wie die niedrige Stufe verschaltet ist.

Das Klemmbrett eines Dahlandermotors hat sechs Klemmen, angeordnet in zwei Reihen zu je drei. Oben liegen die Wicklungsanfänge 1U, 1V und 1W; unten die Mittelanzapfungen 2U, 2V und 2W. Auf diesem Klemmbrett werden — je nach gewünschter Drehzahlstufe — die Netzleiter angeschlossen und bestimmte Klemmen miteinander verbrückt.

Schematisch lassen sich die beiden Drehzahlstufen so darstellen:

• Niedrige Drehzahl: Netz an 1U, 1V, 1W. Die Klemmen 2U, 2V, 2W bleiben unbeschaltet (offen).
• Hohe Drehzahl: Netz an 2U, 2V, 2W. Die Klemmen 1U, 1V, 1W werden miteinander verbunden — dadurch entsteht der zweite Sternpunkt der YY-Schaltung.

Die konkrete Umsetzung mit den nötigen Schützen, Verriegelungen und Tastern wird im eigenen Beitrag zur Dahlander-Schützsteuerung behandelt.

Beim Umschalten zwischen den beiden Stufen gibt es einen point, der oft unterschätzt wird: die Drehrichtung kippt. Das passiert nicht zufällig, sondern hat einen klaren Grund.

Durch das Umschalten der Stromrichtung in den Spulenhälften verändert sich auch die räumliche Phasenfolge der einzelnen Strangfelder im Ständer. Was vorher als Drehfeld in eine Richtung lief, läuft jetzt — wenn man nichts dagegen tut — in die andere. Daher wird in der Praxis beim Schalten in die hohe Drehzahlstufe regelmäßig in der Zuleitung zwei Phasen vertauscht. Üblich ist das am Schütz für den Doppelstern: dort werden L1 and L2 vertauscht, sodass die Drehfeldrichtung trotz veränderter innerer Stromverteilung erhalten bleibt und der Motor in derselben Richtung weiterdreht.

Das ist keine Sonderoption für besonders ordentliche Anlagen — es ist Standard. Wer den Phasentausch beim Hochschalten vergisst, bekommt einen Motor, der in der niedrigen Stufe links und in der hohen Stufe rechts dreht (oder umgekehrt). Bei einem Lüfter mag das noch verzeihlich sein — bei einer Werkzeugmaschine oder einem Aufzug ist es ein Sicherheitsproblem.

Dahlandermotoren sind eine alte, ausgereifte und in vielen Anlagen bewährte Technik. Sie sind kompakter und günstiger als polumschaltbare Motoren mit zwei getrennten Wicklungen, weil nur eine Wicklung pro Strang nötig ist. Und sie kommen mit einem klassischen Schützsatz aus — keine Leistungselektronik, keine EMV-Filter, kein Inbetriebnahme-Aufwand wie beim Frequenzumrichter.

Typische Einsatzgebiete:

• Lüfter und Absauganlagen mit zwei Lüftungsstufen, etwa Hallenlüfter oder Küchenabzüge in Großküchen.
• Pumpen mit Schnell- und Schleichgang, beispielsweise Förderpumpen für Reinigungsanlagen.
• Werkzeugmaschinen wie Säulenbohrer oder einfache Drehmaschinen mit zwei Bearbeitungsdrehzahlen.
• Aufzüge und Hebezeuge mit Hauptdrehzahl und Schleichgang zum exakten Anhalten an der Etage.

Die Grenzen sind genauso klar:

• Es gibt nur zwei Drehzahlen, nicht mehr, nicht weniger.
• Das Verhältnis ist immer 1:2, nicht wählbar.
• Die Schaltung funktioniert nur mit Drehstrom-Käfigläufern. Für Schleifringläufer ist sie ungeeignet, weil die Läuferwicklung mitumgeschaltet werden müsste.
• Die Drehzahlauswahl ist nicht stufenlos — wer eine Last fein regeln möchte, kommt um den Frequenzumrichter nicht herum.

In modernen Neuanlagen wird der Dahlandermotor zunehmend vom Frequenzumrichter verdrängt, weil der FU stufenlose Regelung, sanftes Anfahren und Energieersparnis bei Teillast bietet. In Bestandsanlagen ist der Dahlandermotor aber weiterhin häufig anzutreffen — und in einfachen Anwendungen mit klar getrennten Drehzahlstufen ist er bis heute eine robuste und wartungsarme Lösung.

In der Praxis: Bei einer alten Säulenbohrmaschine in einer Lehrwerkstätte ist der Dahlandermotor oft die einzige bewegliche Drehzahleinstellung — mit zwei Tastern „langsam“ und „schnell“ am Bedienpult. Mehr braucht es bei einem Bohrer für Holz und einfaches Metall in der Regel nicht. Sobald aber ein zusätzlicher Gewindeschneid- oder Reibarbeits-Modus dazukommt, der dritte oder vierte Drehzahl verlangt, stößt die Dahlandertechnik an ihre Grenze — und es kommt ein Frequenzumrichter zum Einsatz.