E-Motor

Wie der Elektromotor unverzichtbar wurde

| Autor: Stefanie Michel

In den 1920er-Jahren wurden immer speziellere Motoren entwickelt, wie beispielsweise Doppelantriebe mit regelbaren Drehstrommotoren für Ringspinnmaschinen (im Bild: Bauwollweberei Cotonificio Triestino Brunner, 1928).
In den 1920er-Jahren wurden immer speziellere Motoren entwickelt, wie beispielsweise Doppelantriebe mit regelbaren Drehstrommotoren für Ringspinnmaschinen (im Bild: Bauwollweberei Cotonificio Triestino Brunner, 1928). (Bild: Siemens Historical Institute)

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Dass ein Elektromotor Arbeit verrichten kann, weiß man seit 1834. Nutzen konnte das zunächst kaum jemand, denn es gab keine Stromversorgung. Letztendlich setzte sich der Drehstrommotor durch und wurde zum regelrechten Arbeitstier in der Industrie.

Die Selbstverständlichkeit, mit der heute elektrische Antriebe Teil unseres Lebens sind, macht deren Bedeutung klar: Kein Kassettenrekorder oder DVD-Player, kein Fensterheber oder komfortabler Sitzversteller im Auto, keine Medikamentenpumpe oder moderne Beinprothese würde funktionieren, hätten nicht im 19. Jahrhundert Tüftler und naturwissenschaftliche Pioniere die Grundlagen gelegt. Diese Grundlagen, das sind zunächst Erkenntnisse der Elektrodynamik und der Kraftübertragung, später dann die Erfindungen in der Elektrotechnik, die heute die Basis für Automatisierung, Elektrifizierung und letztendlich auch Industrie 4.0 sind. Was uns heute so selbstverständlich erscheint, musste sich gerade Ende des 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts seinen Platz in der Industrie erkämpfen. Wie zäh die Einführung vor allem der Drehstrommotoren war, soll dieser kurze Exkurs in die Geschichte zeigen.

Zwar finden sich bereits in den Aufzeichnungen Leonardo da Vincis Ideen zu Antriebsmaschinen, doch deren Zeit war noch nicht reif: Er konnte das Problem der Energiequelle nicht lösen. Statt dessen erfindet er Walzwerke, automatische Druckerpressen oder Bohrmaschinen und entwickelt damit die Idee einer automatisierten Produktion in größeren Stückzahlen. Als Antriebsenergie nutzte man im 16. und 17. Jahrhundert allerdings Wasserkraft, Windkraft oder Muskelkraft von Mensch und Tier. Damit war eine Industrialisierung, wie wir sie heute kennen, nicht möglich.

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Doch der Energiehunger wuchs: Gerade im Bergbau reichten die vorhandenen Maschinen für den Abbau von Erzen aus immer größeren Tiefen nicht mehr aus; aber auch andere Industriezweige kamen mit Wasser- und Windkraft an ihre Grenzen. Die Idee, Dampfkraft zu nutzen, stammte zwar bereits aus der Antike, doch eine brauchbare Dampfmaschine wurde erst im 18. Jahrhundert entwickelt. Es war allerdings die Erfindung des Kondensators von James Watt 1765 erforderlich, um daraus 1769 eine effiziente, für die Industrie nutzbare Dampfmaschine zu machen – das Antriebsaggregat, welches das große Zeitalter der Industrialisierung einleitete. Sie wurde stetig verbessert und veränderte nicht nur die Industrie, sondern auch die Arbeit der Menschen sowie die ganze westliche Gesellschaft.

Kein Elektromotor läuft ohne Energie

Angesichts der Dimensionen einer Dampfmaschine ist es verständlich, dass sie sich vorrangig für die Großindustrie, wie die Metallver- und -bearbeitung oder die Textilindustrie, eignete – ganz zu schweigen von den Kosten. Handwerk und Gewerbe konnten ihren Bedarf an entsprechend dimensionierten Kraftmaschinen erst viel später decken: mit Elektromotoren.

Die Forschung an elektrischen Maschinen selbst nahm schon zu Beginn des 19. Jahrhunderts Fahrt auf, indem sie die Entdeckungen von Wissenschaftlern wie Michael Faraday, Christian Oersted oder Heinrich Friedrich Emil Lenz zusammenführte. Doch erst dem Ingenieur Moritz Hermann Jacobi gelang es, 1834 den ersten brauchbaren Motor zu bauen. Für diese „magnetische Maschine“, wie er den Motor nannte, setzte er je acht Elektromagnete für den fest stehenden und den beweglichen Teil ein. Um den Motor stetig am Laufen zu halten, konstruierte Jacobi einen Kommutator zur Stromrichtungsänderung. So hatte Jacobi zwar bewiesen, dass ein Elektromotor Arbeit verrichten konnte, doch er scheiterte an der nötigen Energiequelle. Für seine Experimente hatte ihm nämlich Zar Nikolaus I. teure Zink-Platin-Batterien spendiert.

Es sollte also noch einige Jahrzehnte dauern, bis die Elektromotoren für den Antrieb von Maschinen einsatzfähig waren. Zudem zweifelten zahlreiche Ingenieure selbst bis in die 1870er-Jahre noch daran, dass „Magnetismus und Elektrizität“ als „bewegende Kräfte in der Industrie“ (Dr. Julius Dub 1873 in „Die Anwendung des Elektromagnetismus“) Anwendung finden könnten. Es gab schließlich keine durchgängige, zeitlich unbegrenzte Stromversorgung. Und daran arbeiteten parallel zahlreiche Ingenieure. Einer von ihnen hatte einen großen Anteil an dieser Entwicklung: Werner Siemens. Er entdeckte 1866 das dynamoelektrische Prinzip und entwickelte darauf aufbauend die Dynamomaschine. Sein Generator musste nur zu Beginn an eine Batterie angeschlossen werden, um im Elektromagneten ein Magnetfeld zu erzeugen. Danach wurde immer ein Teil des erzeugten Stroms genutzt, um das Magnetfeld weiter zu verstärken, bis der Elektromagnet seine maximale Feldstärke erreicht hatte. Wurde der Generator ausgeschaltet, war dennoch ein ausreichend starkes Magnetfeld für den nächsten Start vorhanden. Damit stand nun endlich eine dauerhafte und dennoch wirtschaftliche Stromquelle zur Verfügung.

Elektrische Kraftübertragung zwischen Show und Hinterzimmer

Aus heutiger Sicht hätte damit der Weg frei sein können für den Elektromotor. Doch er hatte Konkurrenz: In Anlehnung an die Dampfmaschine waren inzwischen verschiedenste oszillierende Maschinen oder Kleindampfmaschinen entstanden, zudem wurden zunehmend Gas-, Sterling- und später auch Benzinmotoren eingesetzt. Außerdem gab es beim Elektromotor zwei bis dahin ungelöste Probleme: Man konnte zum einen die Leistung nicht im Voraus berechnen, sodass Ingenieure die Maschine nach „Erfahrung“ dimensionierten; zum anderen entstanden Schäden durch Erwärmung.

Angesichts der raschen Entwicklungen in der Elektrotechnik während der 1880er-Jahre konnten solche Hürden schnell genommen werden. Je mehr man sich mit den Elektromotoren befasste, desto mehr Vorteile erkannte man gegenüber bisherigen Antrieben: sie benötigten keine festen Fundamente, konnten in bewohnten Räumen eingesetzt werden, vertrugen Feuchtigkeit, waren in unterschiedlichsten Lagen montierbar und brauchten wenig Platz. Dennoch: Von einem Massenprodukt konnte keine Rede sein – schon gar nicht in der Industrie. Neben dem Berg- und Hüttenwesen waren erste Anwendungen häufig dort, wo bisherige Antriebe nicht möglich oder schwer einsetzbar waren: Straßenbahnen, Lokomotiven, Fahrstühle oder Kräne. Das waren massenwirksame Einsatzbereiche, die Forschung für Einsätze in Industrie und Handwerk fand „im Hinterzimmer“ statt.

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Der Drehstrom-Asynchronmotor macht elektrische Antriebe massentauglich

Dann aber veränderte die Entdeckung des mehrphasigen Wechselstroms einiges. Bisher nutzte man Gleichstrommotoren mit recht geringem Wirkungsgrad, bis Galileo Ferraris entdeckte, wie sich mit mehrphasigen Wechselströmen ein Drehfeld erzeugen ließ. Auch Tesla machte dazu Ende der 1880er-Jahre Versuche, doch einen überzeugenden Wechselstrommotor konnte er nicht entwickeln. Das gelang 1889 dem AEG-Chefentwickler Michail von Dolivo-Dobrowolsky: Er erfand den Drehstrom-Induktionsmotor – heute als Drehstrom-Asynchronmotor bekannt. Der Wirkungsgrad dieses 75-kW-Motors betrug bereits 80 %.

Nicht einmal zehn Jahre später entwickelte Emil Ziehl, der spätere Gründer von Ziehl-Abegg, den Außenläufermotor für die Berliner Maschinenbau AG. Trotzdem: Die Einführung von Elektroantrieben mit Wechselstrom verlief schleppend. Die Forschung hingegen verlief im Vergleich dazu ab etwa 1890 ziemlich rasant: Schnell entwickelten Ingenieure Berechnungsverfahren für Drehstrommotoren, verfassten Schriften, erfanden Kühlmethoden und beschäftigten sich mit dem Problem des Anfahrens. Es musste sichergestellt sein, dass das Drehmoment ausreichend ist, ohne das Netz zu sehr zu belasten. Das war noch immer ein Problem, sodass für Leistungen über 0,75 kW statt der günstigeren Käfigläufer Schleifringläufer-Motoren eingesetzt werden mussten, die sowohl störanfälliger als auch teurer waren. Außerdem stellten Elektrizitätswerke strenge Anschlussbedingungen auf, die 25 Jahre in Kraft blieben. Erst in den 1930er-Jahren stieg die Verbreitung der Drehstrommotoren signifikant an, nachdem Stromverdrängungsläufer eingesetzt wurden, die bessere Anlaufeigenschaften aufwiesen. Zudem war nun eine kostengünstige Serienproduktion kleinerer Motoren möglich, weil man den Läufer in Aluminiumdruckguss herstellen konnte.

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