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Die Erfindung des Elektromotors 1856-1893

Eine kleine Historie der elektrischen Motorentechnik - Teil 2

Zeittafel 1856 - 1873: Über die Erfindung der Dynamomaschine zum Gleichstrommotor

1856 Werner Siemens (Deutscher) erfindet den Stromgenerator mit Doppel-T-Anker und legt damit erstmals eine Wicklung in zwei Nuten.

Diese Erfindung markiert einen Wendepunkt in der Konstruktion von elektrischen Maschinen. In den folgenden Jahrzehnten verschwinden alle früheren Konstruktionen vom Markt. Bis heute werden fast alle Elektromotoren mit Wicklungen in Nuten gebaut.

Im Jahr 1856 fertigt Siemens rund 50 Geräte für die bayerische Eisenbahn. Diese ersten Maschinen werden aber per Hand betrieben und liefern Spannungsimpulse für das Telegraphieren, keine kontinuierliche elektrische Energie.

Doppel-T-Anker-Maschine von Siemens
Poggendorffs Annalen der Physik 101 (1857), Taf. II
 
1861-
1864
 
James Clark Maxwell (Engländer) fasst alle bisherigen Erkenntnisse über Elektromagnetismus in vier fundamentalen Gleichungen zusammen, die bis heute Gültigkeit haben und die Theorie der Elektrotechnik umfassend beschreiben.

1866- 1867  Siemens entwickelt die dynamoelektrische Maschine auf Basis des Doppel-T-Ankers. Damit steht endlich ein leistungsfähiger Stromerzeuger zur Verfügung und der Siegeszug der Elektrizität kann beginnen.
 
1871  Der Siemens Doppel-T-Anker hat zunächst noch den Nachteil, einen pulsierenden Gleichstrom zu erzeugen.

Zénobe Théophil Gramme (Belgier) löst das Problem durch die Erfindung des Ringankers (Ringläufer) und kann damit einen glatten Gleichstrom produzieren. In den Folgejahren machen Grammes Ringanker Maschinen den Siemens Doppel-T-Anker Maschinen erhebliche Konkurrenz.

Grammes Konstruktion wird heute jedoch nicht mehr verwendet.


Grammescher Ring, 1871
Foto: Wikipedia

1872-
1875 
Friedrich von Hefner-Alteneck (Deutscher), ein enger Mitarbeiter von Werner Siemens, beginnt mit der Weiterentwicklung des Doppel-T-Ankers zum Trommelanker. 
Dazu umwickelt er einen zylinderförmigen Anker ganz mit Draht. 

Erst 1875 bekommt er das Problem der Wirbelströme in den Griff, indem er wie Grammé Eisendrähte für den Magnetkern verwendet.
 

Siemens Trommelanker, ca. 1872
(aufgeschnittenes Modell)
Foto: Science Museum, London
1873  Auguste Pellerin (Franzose) schlägt vor, den Eisenkern zur Vermeidung der Verluste durch Wirbelströme in viele einzelne, gegeneinander isolierte Bleche zu unterteilen. Allerdings verfolgt er seine Idee selbst nicht weiter. 

Mit dem Kommutator von Ritchie, dem Trommelanker von Siemens und Hefner-Alteneck sowie der Blechung des Magnetkreises sind nun alle wichtigen Konstruktions­merkmale moderner elektrischer Gleichstrommaschinen bekannt.

Der spätere Gleichstrommotor ist also nicht aus den Entwicklungen von Jedlik, Jacobi, Davenport, Davidson, Page oder anderen frühen Erfindern hervorgegangen, deren Konstruktionen sich letztlich sämtlich als unterlegen erwiesen, sondern aus der Siemens­schen Dynamomaschine.

J. Zöllner schreibt 1885: „Die Geschichte der elektromagnetischen Kraftmaschine bricht also mit deren Kindheit ab, oder sie geht mit der Geschichte der Dynamomaschine zusammen.“

Zeittafel 1885 - 1893: Das Drehstromsystem und der Induktionsmotor

1882-1889 Nikola Tesla (Kroate) beschäftigt sich bereits 1882 während seines Studiums in Graz/Österreich mit dem Mehrphasensystem.
Er wandert 1884 nach Amerika aus und gründet 1886 in New York eine eigene Firma und ein Entwicklungslabor. 
Inzwischen war es Ferraris 1885 gelungen, einen zweiphasigen Induktionsmotor zu bauen (siehe unten). 
Tesla weiß davon nichts und erfindet den Induktionsmotor ein zweites Mal. Auch er baut eine Reihe von funktionsfähigen Modellen auf.
Tesla überwirft sich noch 1886 mit seinen Investoren und muss seinen Lebensunterhalt nun zwei Jahre lang als Hilfsarbeiter fristen, während er parallel an seinen Erfindungen weiterarbeitet.
1887 reicht Tesla die ersten Patente für ein Zweiphasen-Wechselstromsystem mit vier Leitungen ein, das aus einem Generator, einem Übertragungssystem und einem Mehrphasenmotor besteht.

George Westinghouse aus Pittsburgh wird im Mai 1888 durch Teslas bemerkenswerten Vortrag vor dem American Institute of Electrical Engineers aufmerksam und kauft die mittlerweile über 40 zählenden Patente für 1 Mio $. Zusätzlich nimmt er Tesla für ein Jahr als Berater in Dienst.

Tesla erkennt jedoch weiterhin nicht die speziellen Vorteile des dreiphasigen Wechselstroms und konzentriert sich in der Folgezeit auf ein- und zweiphasige Maschinen mit Wechselstrom hoher Frequenzen (125 Hz und 133 Hz). Letztlich scheitert er beim Bau eines brauchbaren Induktionsmotors und verlässt Pittsburgh und die Westinghouse Company unbefriedigt im Jahre 1889. Westinghouse stellt die Entwicklungen dieses Maschinentyps daraufhin ganz ein.

Erst nachdem die AEG mit den Dobrovolsky Maschinen (siehe unten) zweifelsfrei bewiesen hatte, dass zuverlässige dreiphasige Induktionsmotoren gebaut werden können, beginnt Westinghouse 1892 mit eigenen Entwicklungen an dreiphasigen Motoren, die 1893 zum Erfolg führen. Allerdings ohne Mitwirkung Teslas, der sich inzwischen anderen Themen zugewandt hat.


1885  Galileo Ferraris (Italiener) baut den ersten Induktionsmotor. Wie Tesla verwendet er zwei Phasen.
Allerdings glaubt Ferraris fälschlicherweise, dass solche Motoren niemals über einen Wirkungsgrad von 50% hinaus kommen können. Er verliert daher das Interesse und entwickelt seinen Motor nicht weiter.

Schematische Darstellung des Ferraris-Motors
aus seiner Patentschrift, 1885

1887- 1889  Charles Schenk Bradley (US-Amerikaner) hat schon vor der Veröffentlichung von Ferraris Arbeiten mit Mehrphasenmotoren und –generatoren experimentiert. 
Er erhält 1887/88 einige US-Patente zu diesem Thema (zunächst auf zweiphasige, später auch auf dreiphasige Systeme), kann diese aber nie in die Praxis umsetzen.

 

Bradleys Induktionsmotor
aus seiner Patentschrift, 1887

1887-
1888
 
Friedrich August Haselwander (Deutscher) kommt in Offenburg/Baden im Juli 1887 als erster auf die Idee, einen dreiphasigen Wechselstrom zu nutzen.

Er baut den ersten Dreiphasen-Synchron­generator mit ausgeprägten Polen. Allerdings verbietet die Postbehörde den Betrieb der Maschine aus Angst vor Störungen der Telegrafenlinie. Auch die Patentbemühungen Haselwanders scheitern.

Haselwanders Synchronmotor, 1887

1889-1891  Michael Dolivo-Dobrowolsky (Russe, eingebürgerter Schweizer), Chefelektriker bei der AEG in Berlin, entwickelt die Grundideen von Ferraris und Tesla weiter und konstruiert daraus den bis heute weit verbreiteten Dreiphasen-Käfigläufer­motor (Induktionsmotor). Anfang 1889 läuft sein Motor einwandfrei.
Auch der Schleifringläufer mit Anlasswiderständen wird später von ihm erfunden. 


Dolivo-Dobrowolskys erster Käfigläufer-Motor, 1889
Illustration aus der ETZ, 1917 ([9])

1889-1893  Jonas Wenström (Schwede) beschreibt in einem britischen Patent vom April 1889 alle Teile eines Drehstrom-Übertragungssystems. 

1890 wird Wenströms erster Dreiphasengenerator gebaut und 1893 die erste, 13 km lange Drehstrom-Übertragungsanlage in Schweden.

Er kannte wahrscheinlich nicht die Arbeiten der anderen Beteiligten, denn diese waren ihm um ein bis zwei Jahre voraus.

Skizze aus Wenströms Patentanmeldung, 1890

Die Energieübertragung

Dobrovolsky erkennt als erster, dass ein Dreiphasensystem in geeigneter Schaltung (Dreieck- oder Stern) mit nur drei Leitern auskommt und damit sogar weniger aufwändig ist als ein Zweiphasensystem (vier Leiter).

Im August 1889 erhält er das Patent auf die Erfindung des dreischenkeligen Drehstrom-Transformators. Damit beginnt der Siegeszug des dreiphasigen Wechselstroms.

 

1891 baut die AEG unter Führung von Dobrowolsky gemeinsam mit der Maschinenfabrik Oerlikon und ihrem Chefingenieur Charles E.L. Brown die erste dreiphasige elektrische Energie-Fernübertragung über 175 km von Lauffen am Neckar nach Frankfurt am Main, die später den bemerkenswerten Wirkungsgrad von 96% erreichte. Die Leitung kann bis zu 220 kW Leistung übertragen und wurde mit Spannungen bis 25 kV betrieben.

 

Fünf Jahre später, Ende 1896, wird die erste U.S. amerikanische Hochspannungsfernleitung eingeweiht. Gebaut von Tesla und Westinghaus führt sie von den Niagarafällen zur Stadt Buffalo im Staate New York über eine Distanz von 22 Meilen (35 km). Diese Leitung ist ebenfalls ein dreiphasiges System, welches Tesla in der Zwischenzeit zu schätzen gelernt hat. Allerdings müssen an beiden Enden jeweils drei einphasige Transformatoren aufgebaut werden, weil der vorteilhafte dreischenklige Drehstromtransformator von Dobrovolsky patentiert ist. Die Übertragungsleitung kann eine Ausgangsleistung bis 750 kW übertragen und wird mit einer Spannung von 11 kV betrieben.

Zusammenfassung

 

 

 

Zur Prioritätsfrage bemerkt Franz Hillebrand im Namen des wissenschaftlichen Ausschusses des VDE im Jahre 1959 nach eingehender Beschäftigung mit der Materie Folgendes [10]:

„...Die Lösung des Problems (lag) fast in der Luft, und so ist es nicht verwunderlich, dass sich in vielen Köpfen fast gleichzeitig auf sehr ähnlichen Gedankenbahnen sehr ähnliche Lösungen formten...

Der eine hat die Lösung, mindestens im Prinzip, schon in der Hand, verschiebt ihre Veröffentlichung um kostbare drei Jahre und verkennt infolge eines Gedankenfehlers ihre Bedeutung (Ferraris); 

der andere ist mit der Materie genau vertraut, entwickelt Schritt für Schritt die Lösung in technisch brauchbarer Form, aber nur in Patentschriften, an eine Umsetzung in die Realität scheint er nicht zu denken (Bradley). 

Wieder einer kommt fast durch Zufall zu der richtigen Lösung, erkennt sie dank seiner technischen Begabung sofort, wendet sie in kleinem Maßstab für einen bescheidenen Sonderfall in erstaunlich kurzer Zeit in richtiger Weise an, hat aber nicht die Gabe und nicht den wirtschaftlichen Rückhalt, um seine Ideen zum Durchbruch zu bringen (Haselwander). 

Ein anderer erkämpft sich die Lösung in rastloser Gedankenarbeit, träumt von den phantastischen Aussichten, die sein Gedankenflug eröffnet, von der Fesselung der Kräfte der Niagarafälle und von anderem mehr, hat aber nicht die Fähigkeit, schnell zupackend eine technisch brauchbare Form zu finden oder Mitarbeiter für seine Ideen zu begeistern (Tesla). 

Einer wieder erkennt klar das Problem, findet technisch einwandfreie, durchdachte Lösungen für das ganze Gebiet, erscheint aber mit seinen Lösungen ein bis zwei Jahre zu spät im Rennen (Wenström). 

Weiter kommt einer, der die Situation auf dem Gebiet der Energieversorgung genau kennt, der die Materie souverän beherrscht, der gewohnt ist, Schwierigkeiten bei der Entwicklung elektrischer Maschinen zu überwinden, der Mut mit Entschlusskraft verbindet und der das große Glück hat, mit einem weitschauenden Wirtschaftler zusammenarbeiten zu können (von Dolivo-Dobrowolsky). 

... Wie schwer ist es, bei diesem Hintergrund die Verdienste richtig zu verteilen ! ...

Tesla beschäftige sich als erster intensiv mit der Frage der elektrischen Energieübertragung durch ein Mehrphasen-Wechselstromsystem; er fand als erster die Grundlagen für eine derartige Übertragung und gab als erster das Prinzip eines Mehrphasen-Induktionsmotors an.

Bradley meldete als erster ein Patent auf eine zweiphasige Wechselstrom-Kraftübertragung mit zweiphasigen Synchronmaschinen und vier Fernleitungen an. Von ihm stammt auch das erste Patent auf einen dreiphasigen Induktionsmotor mit völlig in sich kurzgeschlossenem Sekundärteil (Käfigständer).

Haselwander hatte als erster die Konzeption einer Drehstrom-Kraftübertragung mit dreiphasigen Synchronmaschinen und drei Übertragungsleitungen. Er baute als erster eine derartige Anlage und übergab diese Anlage als erster dem praktischen Betrieb.

Von Dolivo-Dobrowolsky baute den ersten einfachen, praktisch brauchbaren Drehstrom-Induktionsmotor mit Käfiganker. In breit angelegten wissenschaftlichen Vorträgen und Abhandlungen klärte er Wesen und Eigenschaften des Drehstromes und der Drehstrommotoren ... und übergab zwei Jahre nach dem Bau seines ersten 1/10-PS-Drehstrommotors einen 100-PS-Drehstrommotor dem normalen Betrieb... Dolivo-Dobrowolsky ist demnach als der Bahnbrecher für die Einführung des Drehstromes ... anzusehen." 

Literatur

[1] G. Neidhöfer, Michael von Dolivo-Dobrowolsky und der Drehstrom, Geschichte der Elektrotechnik Band 19, VDE Verlag Berlin, 2004

[2] K. Jäger (Hrsg.), Alles bewegt sich, Geschichte der Elektrotechnik Band 16, VDE Verlag Berlin, 1998

[3] H. Lindner, Elektromagnetismus als Triebkraft im zweiten Drittel des 19. Jahrhunderts, Dissertation TU Berlin, 1986

[4] O. Mahr, Die Entstehung der Dynamomaschine, Geschichtliche Einzeldarstellungen aus der Elektrotechnik, VDE, Verlag Julius Springer, 1941

[5] B. Bowers, Die Frühgeschichte des Elektromotors, Philips Technische Rundschau, 35. Jahrgang, 1975/76, Nr. 4, S. 85-104

[6] A. Imhof, Die ersten Elektromotoren, Bulletin des SEV Elektrotechnik, 70(1979)23, Seite 1241-1246

[7] T. Davenport, Improvement in propelling machinery by magnetism and electro-magnetism, United Stated Patent Office Patent No. 132, February 25, 1837

[8] J. Zöllner, Die elektromagnetischen Apparate, Buch der Erfindungen, Gewerbe und Industrien, Band 2, S. 360 – 380, Verlag Otto Spamer, Berlin/Leipzig, 1885

[9] M. Dolivo-Dobrovolsky, Aus der Geschichte des Drehstroms, ETZ Elektrotechnische Zeitschrift, Bd. 38 (1917), Heft 26, S. 341-344, Heft 27, S. 354-357, Heft 28, S- 366-369 und Heft 29, S. 376-377

[10] F. Hillebrand, Zur Geschichte des Drehstroms, ETZ-A Elektrotechnische Zeitschrift, Ausgabe A Bd. 80 (1959) Heft 13, Seite 409-421 und Heft 14, Seite 453-461

[11] M. H. Jacobi, Mémoire sur l’Application de l’Électro-Magnétisme au Mouvement des Machines, Potsdam, Frühjahr 1835

[12] T. D. Visser, Smalley-Davenport Shop Forestdale, Vermont, http://www.uvm.edu/~histpres/SD/hist.html, 1995

[13] W.J. King, The development of electrical technology in the 19th century. Part 1: The electrochemical cell and the electromagnet, Bulletin of the United States National Museum, 228(1962), S. 231 – 271

[14] J. Abele, G. Mener, Technikgeschichte – Der Tesla Motor, Deutsches Museum, 1995

[15] B. Silliman, Notice of the Electro-Magnetic Machine of Mr. Thomas Davenport, of Brandon, near Rutland, Vermont, American Journal of Science and Arts, Vol. 32, July 1837, Appendix, p. 1-8

[16] P. Hempel, Deutschsprachige Physiker im alten St. Petersburg: Georg Parrot, Emil Lenz und Moritz Jacobi im Kontext von Wissenschaft und Politik, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 1999

[17] W. R. Davenport, J. Hartness, Biography of Thomas Davenport, the Brandon Blacksmith: Inventor of the Electric Motor, Kessinger Publishing, 2010 (Faksimile Reprint)

[18] The Mechanics' Magazine, Museum, Register, Journal and Gazette, London; Ausgabe 1837, S. 159, 160, 404, 405; Ausgabe 1838, S. 115, 322, 323, 426-428, 441, 442; Ausgabe 1840, S. 407-408; Ausgabe 1852, S. 22-25   

[19] Journal of the Franklin Institute, Vol. 24, Issue 5, Nov. 1837, S. 340-343

[20] F. Watkins, On Magneto-electric Induction, Philosophical Magazine and Journal of Science, London and Edinburgh, Vol. 7, August 1835, S. 107-113

[21] F. Watkins, On Electro-magnetic Motive MachinesPhilosophical Magazine and Journal of Science, London and Edinburgh, Vol. 12, Februar 1838, S. 190-196

[22] C.G. Page, Magneto-Electric and Electro-Magnetic Apparatus and Experiments, American Journal of Science and Arts, Vol. 35, January 1839, p. 252-268 

[23] W. Siemens, Über eine neue Konstruktion magneto-elektrischer Maschinen, Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie, Ausgabe 101, 1857, S. 271-274

[24] F.L. Pope, The Inventors of the electric motor, The Electrical Engineer, Vol. XI, 1891, No. 140, S. 1-5 und No. 141, S. 33-39

[25] M.H. Jacobi, Notiz über Elektromagnete, Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie, Ausgabe 31, 1834, S. 367-368

[26] J.C. Poggendorff, Jacobi's Commutator, Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie, Ausgabe 36, 1835 , S. 366-369

[27] M.H. Jacobi, Ueber die Principien der elektro-magnetischen Maschinen, Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie, Ausgabe 51, 1840, S. 358-372 

[28] C.Th. Moncel, F. Geraldy, Electricity as a motive power, E.&F.N.Spon, London, 16, Charing Cross., 1883

[29] M.H. Jacobi, On the application of electro-magnetism to the moving of machines, The Annals of Electricity, Magnetism & Chemistry, Vol. 1, July 1837, S. 408 ff. and Vol. 1, October 1837, S. 419 ff.

[30] W. Sturgeon, His electro-magnetic engine, The Annals of Electricity, Magnetism & Chemistry, Vol. 1, October 1836, S. 76 ff.

[31] E. Lenz, Ueber die Bestimmung der Richtung der durch elektrodynamische Vertheilung erregten galvanischen Ströme, Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie, Ausgabe 31, 1834, S. 483-494

[32] E. Lenz, Ueber die Beziehung zwischen elektromagnetischen und magneto-elektrischen Strömen, Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie, Ausgabe 44, 1838, S.347-349