Die Vorteile des Duos drehzahl­variabler Motor plus Frequenz­umrichter sind unstrittig: Drehzahlbegrenzung und Regulierbarkeit ermöglichen erhebliche Betriebsoptimierungen und Energie-Einsparungen und tragen so wesentlich zur Maschinenoptimierung bei. In gewisser Weise waren sie aber auch dafür verantwortlich, dass Konstrukteure die Vorzüge der zweistufigen Motoren aus den Augen verloren haben.

In jüngster Zeit scheint sich wieder etwas zu wenden – jedenfalls wächst den branchenweiten Verkaufszahlen zufolge der Absatz zweistufiger Motoren im Vergleich zu anderen Industriemotoren überdurchschnittlich. Bevorzugtes Anwendungsgebiet dürften dabei Lüfter- und Pumpenantriebe sein, wo diese ­Motoren jeweils eine hohe und eine niedrige Durchflussrate bewirken können. Daneben gibt es jedoch eine ganze Reihe von Applikationen, bei denen mit Spitzen- und Entspannungszeiten zu rechnen ist:

• Ein Personenaufzug oder eine Rolltreppe kann zum Beispiel ein "normales" Tempo haben und eine höhere Rush-Hour-Geschwindigkeit.
• Ein Zuführband für einen maschinellen Prozess soll eventuell mit zwei Geschwindigkeiten betrieben werden, um schwerere und leichtere ­Lasten auszugleichen.
• Auch für Kräne und Winden kann die Wahl zwischen hoher und niedriger Drehzahl ein Vorteil sein.

Zweistufige Motoren haben entweder zwei voneinander unabhängige Sätze Statormagneten oder zwei voneinander unabhängige koaxiale Rotoren. Die Drehzahl lässt sich umschalten, indem der zweite Stator bzw. der zweite Rotor zu- oder abgeschaltet wird.

© Rotor UK

Prinzipiell gibt es zwei Grundtypen zweistufiger Motoren – mit Doppelwicklung und polumschaltbar – sowie einen dritten "Hybrid"-Typ.

Der Rotor mit Doppelwicklung sieht auf den ersten Blick genauso aus wie ein herkömmlicher Motor mit fester Drehzahl – daran erkennbar, dass er nur eine Wicklung hat. Bei näherem Hinsehen erkennt man jedoch zwei Wicklungen mit entgegengesetzter Polarität, die einzeln an die Stromversorgung angeschlossen sind. Dabei müssen die Wicklungen nicht gleich groß sein und können ganz verschiedene Nennleistungen haben. Die Umschaltung zwischen den beiden Drehzahlen erfolgt über einen Schalter, der die Spannung entweder an eine oder an beide Wicklungen anlegt.

Polumschaltbare Motoren sehen ihren Verwandten mit fester Drehzahl noch ähnlicher, sind aber mit der doppelten Anzahl an Magnetpolen ausgestattet. Die Wicklung ist so ausgeführt, dass die Magneten abwechselnd zu zwei getrennten Sätzen zusammengefasst sind. So lassen sich entweder die Hälfte der Pole oder alle Pole gleichzeitig erregen. Wie viele etwas speziellere technische Bauteile, ist auch der polumschaltbare Motor unter verschiedenen Bezeichnungen bekannt, zum Beispiel als "Schaltpolmotor" oder als "Dahlandermotor". Im Prinzip meinen aber alle dasselbe. Der polumschaltbare Motor besteht aus einer Wicklung mit zwei Statoren (Polsätzen). Ein Polsatz ist permanent an die Spannungsversorgung angeschlossen. Der andere Polsatz kann nach Bedarf über Klemmen mit der Spannungsversorgung verbunden werden. In der Praxis ist bei dieser Schaltung die hohe Drehzahl genau doppelt so schnell wie die niedrige Drehzahl.

Beim Hybridmotor schließlich sind doppelter Polsatz und Doppelwicklung kombiniert. Dieser Aufbau ermöglicht die Schaltung von vier festen Drehzahlen. Dieser Typ ist jedoch selten, weil ein einfacher umrichterbetriebener Motor günstiger in der Anschaffung und im Unterhalt ist und obendrein die Funktionalität des elektronisch regelbaren Antriebs bietet.

Die Auswahlkriterien

Bei der Auswahl zweistufiger Motoren gibt es allerdings ein paar Fallstricke, die es zu beachten gilt. Wichtig ist die Entscheidung für eine von drei Leistungsvarianten: konstantes Dreh­moment, variables Drehmoment oder konstante Leistung. Hier muss der Anwender ermitteln, welchen Lasttyp es anzutreiben gilt, und dann den entsprechenden Motor auswählen.

Eine konstante Drehmomentlast ist eine Last, bei der die Drehzahl veränderlich sein kann, das Solldrehmoment jedoch immer gleich ist. Gängigstes Beispiel für eine konstante Drehmomentlast ist vielleicht das Förderband. Hier kann das Tempo in einem großen Bereich variieren, das Drehmoment bleibt aber (weitestgehend) konstant. Denselben Lasttyp findet man bei Extrudern, Verdrängerpumpen in geschlossenen Hydraulik-Anlagen und diversen Spezialanwendungen.

Eine variable Drehmomentlast ist ­typisch für Lüfter und Kreiselpumpen, bei denen das Drehmoment bei niedriger Drehzahl gering ist und bei ­hoher Drehzahl hoch. Hierbei erfolgt der Drehmoment-Anstieg deutlich schneller als der Drehzahl-Anstieg. Bei doppelter Drehzahl vervierfacht sich beispielsweise bei Lüftern das Drehmoment (bei achtfacher Leistungsaufnahme: 2 × 2 × 2 = 8).

Der dritte Lasttyp und am einfachsten nachvollziehbar ist die Konstantleistung. Bei Verdoppelung der Drehzahl halbiert sich das Drehmoment und die Leistung bleibt konstant. Leider ist dieser Lasttyp mit einem zweistufigen Motor schwierig zu handhaben, so dass in den meisten Fällen eine Umrichter-Konfiguration deutlich besser geeignet sein wird.

Bleibt festzuhalten: Es gibt viele Nischen-Anwendungen, bei denen zweistufige Motoren eine gute Wahl sein können. Mit anderen Worten: Konstrukteure sollten es sich nicht zu einfach machen und den Umrichter für die einzige Option halten.

Autor:
Jerry Hodek ist Director of Technology bei Rotor UK in Wellingborough (England).