Polumschaltbare Motoren praxisnah ausgelegt: Synchrondrehzahl, Dahlanderschaltung, getrennte Wicklungen, Lastmoment, PTC-Schutz und der Vergleich zum
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Synchrondrehzahl berechnen: n0 = 120 × f / p
Die Drehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors ist keine freie Größe, sondern folgt aus der Polzahl der Wicklung und der Netzfrequenz f. Die Synchrondrehzahl ist die Drehzahl des Drehfeldes und berechnet sich zu n0 = 120 × f / p mit p als Polzahl; bei 50 Hz ergeben sich daraus 3000, 1500, 1000 und 750 min⁻¹ für 2-, 4-, 6- und 8-polige Ausführungen[1]. Die reale Nenndrehzahl liegt wegen des Schlupfs je nach Bauweise und Belastung einige Prozent darunter. Genau hier setzt die Polumschaltung an: Wird durch Umschalten einer Wicklung oder eines Wicklungsteils eine andere Polzahl erreicht, ändert sich die Drehfelddrehzahl und damit die Betriebsdrehzahl des Motors[2]. Für die Konstruktion ist das nur der erste Schritt: Bei ATEK Drive Solutions legen wir die Stufen immer gemeinsam mit Getriebeübersetzung und Bremse aus, damit der komplette Antriebsstrang aus einer Hand zusammenpasst.
| Polzahl p | Synchrondrehzahl bei 50 Hz | Synchrondrehzahl bei 60 Hz | Typische Nenndrehzahl (50 Hz, mit Schlupf) |
|---|---|---|---|
| 2 | 3000 min⁻¹ | 3600 min⁻¹ | ca. 2800 bis 2900 min⁻¹ |
| 4 | 1500 min⁻¹ | 1800 min⁻¹ | ca. 1400 bis 1450 min⁻¹ |
| 6 | 1000 min⁻¹ | 1200 min⁻¹ | ca. 940 bis 970 min⁻¹ |
| 8 | 750 min⁻¹ | 900 min⁻¹ | ca. 700 bis 730 min⁻¹ |
Die Netzfrequenz verschiebt alle Stufen im gleichen Verhältnis: An einem 60-Hz-Netz liegen die Synchrondrehzahlen um den Faktor 60/50 höher, was bei Exportmaschinen und Anlagen in Nordamerika für die Auslegung von Getriebeübersetzung und Lastmoment relevant ist. Für die Konstruktion bedeutet der Schlupf zusätzlich, dass die Nenndrehzahl eines 4-poligen Motors nicht bei 1500 min⁻¹, sondern typischerweise um 1450 min⁻¹ liegt. Getriebeauslegung, Drehzahlen der Arbeitsmaschine und die Angabe auf dem Typenschild sollten daher immer mit der realen Nenndrehzahl, nicht mit der Synchrondrehzahl, abgeglichen werden.
- Polzahl p bestimmen: Sie ergibt sich aus der Wicklungsausführung und legt die Drehzahlstufen fest.
- Synchrondrehzahl n0 = 120 × f / p berechnen, mit f = 50 Hz (in Europa) bzw. 60 Hz (u. a. Nordamerika)[1].
- Schlupf berücksichtigen: Die reale Nenndrehzahl liegt je nach Bauweise und Belastung einige Prozent unter n0, beim 4-poligen Motor typisch um 1450 min⁻¹.
- Polumschaltung prüfen: Lassen sich die geforderten Betriebspunkte mit zwei bis vier festen Stufen abbilden, ist kein Frequenzumrichter zwingend erforderlich.
Dahlanderschaltung: Drehzahlverhältnis 1:2 aus einer Wicklung
Soll ein Motor genau zwei Drehzahlen im Verhältnis 1:2 fahren, genügt eine einzige Wicklung in Dahlanderschaltung. Jeder Wicklungsstrang ist dabei in zwei Wicklungsteile ausgeführt (1U-2U, 1V-2V, 1W-2W); je nach Reihen- oder Parallelschaltung dieser Teile lässt sich die Polzahl im Verhältnis 2:1 umschalten, entsprechend ändert sich die Drehfelddrehzahl[2]. Gebräuchlich ist die Dreieck-Doppelstern-Ausführung: Die niedrige Drehzahl entsteht mit in Reihe geschalteten Wicklungsteilen in Dreieckverkettung, die hohe mit parallel geschalteten Teilen in Doppelsternschaltung, was die Stränge gegen eine zu hohe magnetische Flussdichte im Stator schont. Typische Anwendungen sind Drehmaschinen mit zwei Grunddrehzahlen, zweistufige Lüfterantriebe und Hubwerksmotoren. Praktisch wichtig ist die Auslaufzeit beim Herunterschalten: Lüfter und Ventilatoren bringen ein hohes Trägheitsmoment mit, sodass ein zu frühes Umschalten auf die niedrige Stufe Welle oder Kupplung mechanisch überlasten kann.
Getrennte Wicklungen: Drehzahlverhältnisse jenseits von 1:2
Weicht das geforderte Drehzahlverhältnis von 1:2 ab, etwa bei 4/6-poliger Ausführung mit 1500/1000 min⁻¹, sind zwei galvanisch getrennte Ständerwicklungen nötig. Mit getrennten Wicklungen lassen sich prinzipiell beliebige Drehzahl- und Polzahlverhältnisse realisieren, allerdings belegt jede Wicklung Platz im Motorgehäuse, weshalb solche Motoren bei gleicher Baugröße meist etwas schwächer in der Leistung sind. Kombinationen aus Dahlander- und getrennter Wicklung erlauben drei Drehzahlen, zwei getrennte Dahlander-Wicklungen sogar vier feste Stufen. Als Zwischenlösung existiert die PAM-Wicklung, die zwei Drehzahlen in einer Wicklung vereint und dabei nicht auf 1:2 festgelegt ist, etwa als 4/6-poliger Antrieb mit 1:1,5. Für die Konstruktion heißt das: Je mehr Stufen im Ständer untergebracht werden, desto genauer müssen Bauraum, Nennmoment und Getriebeübersetzung gegeneinander abgewogen werden.
Lastmoment richtig zuordnen: Konstantes versus quadratisches Gegenmoment
Häufig gestellte Fragen
Wie berechnet man die Synchrondrehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors?
Die Synchrondrehzahl ergibt sich aus n0 = 120 × f / p, mit f als Netzfrequenz in Hz und p als Polzahl. Bei 50 Hz liefert das 3000 min⁻¹ (2-polig), 1500 min⁻¹ (4-polig), 1000 min⁻¹ (6-polig) und 750 min⁻¹ (8-polig). Wegen des Schlupfs liegt die reale Nenndrehzahl darunter, beim 4-poligen Motor typisch bei etwa 1450 min⁻¹.
Was ist eine Dahlanderschaltung und für welche Drehzahlverhältnisse eignet sie sich?
Die Dahlanderschaltung schaltet mit nur einer Wicklung zwischen zwei Drehzahlen im Verhältnis 1:2 um, z. B. 700/1400 min⁻¹. Die niedrige Drehzahl entsteht in Dreieckschaltung mit in Reihe geschalteten Wicklungsteilen, die hohe in Doppelsternschaltung mit parallel geschalteten Wicklungsteilen. Für andere Verhältnisse ist sie nicht ausgelegt.
Wann braucht ein polumschaltbarer Motor getrennte Wicklungen?
Sobald das Drehzahlverhältnis von 1:2 abweicht, etwa bei 4/6-polig mit 1500/1000 min⁻¹, sind zwei galvanisch getrennte, unabhängige Ständerwicklungen nötig. Damit lassen sich auch drei oder vier feste Stufen realisieren. Der Preis: jede Wicklung belegt Bauraum im Gehäuse, weshalb solche Motoren meist etwas schwächer in der Leistung sind.
Warum sind PTC-Thermistoren bei polumschaltbaren Motoren wichtig?
Bei niedriger Drehzahl lässt die Eigenkühlung des Motors nach, die Wicklung kann sich daher in der niedrigen Stufe stärker erwärmen. PTC-Thermistoren (Kaltleiter) nach DIN 44081/44082 in der Wicklung werden beim Überschreiten der Grenztemperatur schlagartig hochohmig und lösen über ein geeignetes Auslösegerät die Abschaltung aus. Sie schützen so in jeder Drehzahlstufe.
Polumschaltbarer Motor oder Frequenzumrichter: Was ist die richtige Wahl?
Ein polumschaltbarer Motor genügt, wenn zwei bis drei feste Drehzahlstufen ausreichen, etwa bei Förderanlagen, Werkzeugmaschinen oder Lüftern; er ist kompakt, wartungsarm und kommt ohne Leistungselektronik aus. Mit den Anforderungen an die Wirkungsgradklassen werden dagegen häufiger eintourige Motoren mit einem Frequenzumrichter gefahren, der eine stufenlose Regelung erlaubt und oft die kostengünstigere Lösung ist.
Wie verhält sich die Leistung bei Ventilatoren und Pumpen in der niedrigen Drehzahlstufe?
Ventilatoren und Kreiselpumpen haben ein quadratisch mit der Drehzahl ansteigendes Gegenmoment; die aufgenommene Leistung wächst daher mit der dritten Potenz der Drehzahl. Bei konstantem Gegenmoment wie an einem Förderband steigt die Leistung dagegen nur linear mit der Drehzahl.
