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Wie der Elektromotor unverzichtbar wurde

| Autor: Stefanie Michel

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.

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Dieser Generator von 1903 wurde von einer großen Wasserturbine gespeist und versorgte eine Mine in den USA mit Strom.
Dieser Generator von 1903 wurde von einer großen Wasserturbine gespeist und versorgte eine Mine in den USA mit Strom.
(Bild: Stefanie Michel)

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.

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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.

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.

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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.

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.

Kleine Maschinen nutzen erstmals elektrische Antriebe

Inzwischen war auch die Elektrifizierung weiter fortgeschritten, sodass mit der neuen Motorentechnik elektrische Antriebe nun in Handwerksbetrieben und Kleingewerbe Einzug fanden: Mit ihnenwurden beispielsweise Webstühle, Kaffeemühlen, Zahnbohrmaschinen, Knetmaschinen oder Zentrifugen ausgestattet. Durch die rasche Ausbreitung der Asynchronmotoren beschäftigten sich Forscher, Konstrukteure und Ingenieure immer intensiver mit den Produkten: Schnell entstanden die Grundformen aller bis heute bekannten Varianten, schnell konnte auch das Verhältnis von Masse zu Leistung gesenkt werden.

Mit den Asynchronmotoren begann eine neue Ära, denn sie revolutionierten die Fabriken erneut, indem sie das System aus Riemen, Riemenscheiben und Wellen beseitigten, das für den Betrieb von Maschinen mit Dampfmaschinen erforderlich war. In großem Umfang setzten sie sich allerdings erst nach dem Ersten Weltkrieg in der Industrie durch. Auch wenn häufig Gleichstrommotoren eingesetzt wurden – beispielsweise in der ersten Handbohrmaschine, die Fein 1895 präsentierte – nutzte man sie bereits als Antriebe für Werkzeugmaschinen, wie Bohrmaschinen oder Drehbänke. Ein Vorteil war, dass man nun die Arbeitsmaschine ohne Rücksicht auf die Transmissionen aufstellen konnte. Das erleichterte zudem den Bau von Fabriken.

Mechanisierung braucht regelbare Antriebe

Je mehr man die Vorteile solcher „Elektroarbeitsmaschinen“ erkannte, desto höher wurde die Nachfrage nach kleinen und mittelgroßen Motoren. Damit konnten vor allem auch in der Metallbearbeitung Arbeitsabläufe nach und nach mechanisiert werden. Ver- und Bearbeitungsmaschinen sollten die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöhen und damit die Produktionszeit senken. Der Anwender erwartete konstante, hohe Drehzahlen, die oft mit vorhandenen Gleichstrommotoren nicht möglich waren. So standen die Ingenieure erstmals vor der Herausforderung, Prozesse zu steuern und zu regeln. Bereits in den 1930er-Jahren konnten hierbei elektrische Antriebe gegenüber hydraulischen Anlagen punkten.

Die Regelungstechnik entwickelte sich in den 1920er- und 1930er-Jahren sehr schnell, was man für die Antriebstechnik nutzte. So setzte man seit Ende der 1930er-Jahre Tyrathrons (Vorläufer der Thyristoren) zur Leistungsverstärkung ein. Um beispielsweise den Gleichlauf von Antrieben in Maschinen zu ermöglichen, entstanden zudem verschiedene Lösungen zur Drehzahlregelung. Bei DC-Antrieben setzte man dafür die Leonard-Schaltung ein, bei der ein Drehstrommotor über einen Gleichstromgenerator einen Gleichstrommotor antrieb.

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Um die Drehzahl bei Drehstrommotoren zu beeinflussen, war allerdings ein größerer Aufwand nötig. Bereits 1905 hatte zwar Max Déri den Repulsionsmotor mit zwei Bürstensätzen vorgestellt, der eine feinstufigere Drehzahleinstellung ermöglichte, doch der Verschleiß von Kohlebürsten und Kollektor war hoch und der Wirkungsgrad eher niedrig. Hier entwickelte die Elektrotechnik ab den 1930er-Jahren unterschiedliche Lösungen, oft spezifisch für die Anwendung. Die Möglichkeiten waren allerdings begrenzt: die Änderung der Primärfrequenz, der Polzahl oder des Schlupfs. Hinzu kam der Einsatz von Getriebemotoren, die ebenfalls eine Möglichkeit boten, die Drehzahl zu verstellen.

Die Elektronik wird Teil des Antriebs

Auch wenn mit der Erfindung des Quecksilberdampf-Gleichrichters 1902 der Beginn der Leistungselektronik verankert wird, brachten erst die Leistungshalbleiter nach dem Zweiten Weltkrieg ganz neue Impulse in die Antriebstechnik. General Electric entwickelte 1957 den ersten steuerbare Leistungshalbleiter (Thyristor), die frühere Systeme schnell ablösten. Nun boten sich ganz andere Möglichkeiten: AC-Antriebe kamen jetzt auch für höhere Leistungen infrage, weil mit Umrichtern ein frequenzvariabler Drehstrom erzeugt und damit auf ein Getriebe verzichtet werden konnte.

Einen solchen getriebelosen Antrieb realisierte BBC erstmals 1969 für eine Zementmühle. Seit 1960 wurden umrichtergespeiste Drehstromantriebe entwickelt, einige Jahre später kamen auch Umrichter für Mehrmotorenantriebe in der Industrie zum Einsatz. Als erstes Unternehmen fertigte schließlich Danfoss ab 1968 Frequenzumrichter in Serie. Die damit mögliche stufenlose Drehzahlregelung für Asynchronmotoren gilt als Meilenstein der elektrischen Antriebstechnik. Durch die große Kühlung der Leistungselektronik waren die Geräte groß und schwer, die Inbetriebnahme dank Hartverdrahtung aber einfach.

Durch die einfachere Regelungstechnik auf Basis elektronischer Bauteile verbreiteten sich drehzahlveränderbare Antriebe rasch. Dennoch war die Regelung von Gleichstrommotoren einfacher und von hoher Güte, was zu ihrem Wiedererstarken führte. Erst die Einführung von Mikroprozessoren und die Entwicklung der feldorientierten Regelung, die 1973 von Felix Blaschke in seiner Doktorarbeit beschrieben wurde, ermöglichte eine Regelgüte von Drehstrommotoren, die derer von Gleichstrommotoren in nichts nachstand.

Motor als Komponente der Automatisierung

Aus Gründen der Wartung und Störanfälligkeit wünschten sich mehr und mehr Anwender bürstenlose Motoren, denn die Bürsten mussten regelmäßig ausgetauscht werden und verursachten durch das Bürstenfeuer Verluste. Auch die US-Raumfahrt suchte nach drehzahlveränderbaren Antrieben ohne Bürsten, sodass ab den 1960er-Jahre viele Entwicklungen in diese Richtung auf die Nasa zurückgehen. Statt mechanischer Kommutierung wurden nun elektronisch kommutierte Motoren (EC-Motoren) auf den Markt gebracht, die Permanentmagnete nutzen. Dadurch sind die Abmessungen bei gleicher Leistung kompakter und der Wirkungsgrad höher.

Ähnlich aufgebaut sind die permanenterregten Synchronmaschinen. Wie alle fremderregten Synchronmotoren müssen sie mit Umrichter betrieben werden, weil ein Anlauf am Netz nicht möglich ist. Obwohl Frequenzumrichter bereits auf dem Markt waren, wurden diese Antriebe für die Industrie erst ab den 1980er-Jahren interessant, weil die Elektronik günstiger und leistungsfähiger wurde. Erst dann konnte auch die Motorregelung implementiert werden.

Für die Industrie nutzte man diese Motoren dort, wo hohe Regelgenauigkeiten erforderlich waren. Erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden die Magnete aus Seltenen Erden durch den Markteintritt von China immer günstiger, sodass solche Motoren heute aus der Industrie nicht mehr wegzudenken sind. Permanenterregte Synchronmaschinen gehören nun zum Standard für dynamische Servoantriebe. Damit können die Anforderungen an Dynamik, schnelle Taktzeiten und hohe Flexibilität in der industriellen Fertigung erfüllt werden.

Durch den Einfluss der Leistungselektronik und den Einsatz von Frequenzumrichtern wurde der Elektromotor in den letzten Jahrzehnten mehr und mehr integriert in ein komplettes Antriebssystem, das Steuerungs- und Regelungsaufgaben übernimmt. Gerade in der Fertigungsindustrie sind solche Systeme eingebettet in Automatisierungsumgebungen, sodass die elektrische Antriebstechnik mehr und mehr verschmilzt mit der Automatisierung und Elektrotechnik. Dennoch erfüllt sie – auch in Zeiten der Digitalisierung – eine zentrale Aufgabe: Sie setzt Maschinen in Bewegung.

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal www.maschinenmarkt.de.

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