VDE-Chronik Elektrische Motoren und Antriebe

Davenport entwickelt seinen Motor weiter und meldet ihn am 5. Februar 1837 zum Patent an ("Verbesserung einer Drehmaschine durch Magnetismus und Elektromagnetismus"). Es ist das erste Patent auf einen Elektromotor.

Ein nochmals verbesserter Antrieb, den Davenport im August 1837 vorstellt, hat 6 inch Durchmesser, dreht mit rund 1000 Umdrehungen pro Minute und kann ein Gewicht von 200 Pfund in einer Minute um einen Fuß anheben. Umgerechnet entspricht dies einer Leistung von 4,5 W, also deutlich weniger, als der drei Jahre frühere Motor von Jacobi.

Charles G. Page beginnt, sich mit Elektromotoren zu beschäftigen. Über die nächsten rund 20 Jahre baut Page immer weiter verbesserte, leistungsstärkere Maschinen. Seine Motoren wurden in den USA per Katalog verkauft und erreichten einen hohen Bekanntheitsgrad.

In den Anfangsjahren empfinden viele Erfinder die Elektromotoren den Dampfmaschinen nach, also mit oszillierendem (hin- und hergehendem) Kolben. Auch Page baut eine solche Maschine, wendet sich dann aber den rotierenden Motoren zu.

Robert Davidson entwickelt seit 1837 ebenfalls Elektromotoren. Er fertigt später mehrere Antriebe für eine Drehbank und Modellfahrzeuge.

1839 gelingt ihm der Bau eines ersten elektrisch angetriebenen Wagens, der angeblich zwei Personen befördern kann. Die Rotoren seiner Motoren bestehen aus hölzernen Zylindern auf denen vier Eisenstäbe angebracht sind. Man kann also mit einer gewissen Berechtigung davon sprechen, dass Davidson die erste geschaltete Reluktanzmaschine gebaut hat.

Im September 1842 macht er Versuchsfahrten mit einer 5 Tonnen schweren, 4,8 m langen Lokomotive auf der Eisenbahnstrecke von Edinburgh nach Glasgow. Seine Maschine leistet etwa 1 PS (0,74 kW) und erreicht eine Geschwindigkeit von 4 mph (6,4 km/h).

Auf Initiative Wagners setzt der Deutsche Bund im Jahre 1841 unter Führung von Preußen, Bayern und Österreich eine Prämie von 100.000 Gulden für den Bau einer elektrischen Maschine aus, deren Antriebskraft günstiger als die von Pferden, Dampf oder Menschenkraft sei.

Bei der Prüfung der fertigen Wagnerschen Maschine im Mai und Juni 1844 in Frankfurt am Main stellt die eingesetzte Kommission eine Leistung von lediglich 50 Watt fest. Auch ist der Zinkverbrauch so hoch, dass Pferde-, Dampf- und Menschenkraft erheblich billiger kommen. Aufgrund dieses Fehlschlages wird Wagner die Prämie vorenthalten und er fällt in Ungnade. 

Nikola Tesla (Kroate) beschäftigt sich ab 1882 mit ein- und zweiphasigem Wechselstrom. Unabhängig von Ferraris erfindet er 1887 den zweiphasigen Induktionsmotor ein zweites Mal und demonstriert seine Erfindung im Mai 1888 in New York anlässlich eines Vortrags vor dem American Institute of Electrical Engineers (heute IEEE). Tesla reicht zahlreiche Patente ein, die ein Zweiphasen-Wechselstromsystem mit vier Leitungen, bestehend aus einem Generator, einem Übertragungssystem und einem Mehrphasenmotor betreffen.

George Westinghouse kauft Teslas Patente noch 1888 für 1 Mio $ und nimmt ihn als Berater in Dienst. In der Folgezeit arbeiten sie gemeinsam an der Entwicklung von ein- und zweiphasigen Wechselstrommaschinen mit höheren Frequenzen (125 Hz und 133 Hz). Die Bemühungen bleiben allerdings erfolglos, da die Probleme mit dem schlechten Wirkungsgrad und dem Selbstanlauf nicht gelöst werden können. Tesla verlässt Westinghouse schon nach einem Jahr und Westinghouse stellt die Entwicklung von Asynchronmotoren daraufhin erst einmal ein.

Michael Dolivo-Dobrowolsky (Russe, eingebürgerter Schweizer), später Leiter der Entwicklung bei der AEG in Berlin, entwickelt die Grundideen von Ferraris und Tesla weiter und konstruiert den bis heute weit verbreiteten Dreiphasen-Käfigläufermotor (Induktionsmotor). Durch umfangreiche Versuche stellt er fest, dass sich das Dreiphasensystem am besten für Mehrphasenmotoren und zur Energieübertragung eignet. Er verwendet als erster eine verteilte Drehstromwicklung und erfindet den Käfigläufer. Damit kann er die Schwierigkeiten von Ferraris und Tesla überwinden und einen zuverlässig selbstanlaufenden Motor mit hohem Wirkungsgrad bauen.

Dolivo-Dobrowolsky erfindet auch den Schleifringläufer mit Anlasswiderständen, der heute noch in vielen Windkraftanlagen zum Einsatz kommt. Auf ihn geht außerdem die Erfindung des Drehstromtransformators zurück.

Dolivo-Dobrowolsky baut 1891 zusammen mit Charles Brown von der Maschinenfabrik Oerlikon die erste Dreiphasen-Fernübertragungsleitung von Lauffen am Neckar nach Frankfurt am Main. Noch Jahre später arbeitet Tesla in den USA mit dem technisch unterlegenen Zweiphasensystem.

Jonas Wenström entwickelt ebenfalls und unabhängig von den anderen Erfindern das dreiphasige Drehstromsystem. Er baut seinen ersten Generator im Jahr 1890. Zusammen mit seinem jüngeren Bruder Göran gründet er in Schweden die ASEA, welche rund einhundert Jahre später , 1988, durch Zusammenschluss mit dem Schweizer Unternehmen BBC zur heutigen Asea Brown Boveri (ABB) verschmilzt. 

Schon 1893 baut ASEA die erste Dreiphasen-Leitung in Schweden (13 km von Hellsjön nach Grängesberg). Diese wird viele Jahre lang kommerziell betrieben und versorgt eine Eisenerz-Mine mit dem Strom eines Wasserkraftwerks. 

Der nach seinem Erfinder Harry Ward Leonard benannte Umformersatz besteht aus einem Maschinenumformer, in der Regel einem Drehstrom-Induktionsmotor und einem Gleichstromgenerator, sowie dem davon angetriebenen Gleichstrommotor. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts ist dies die Standardlösung für geregelte Gleichstromantriebe, bis der Leonardsatz durch leistungselektronische Schaltungen nach und nach abgelöst wird.

1901 erfindet K. Ilgner den Ilgner-Umformersatz, der mittels gekuppelter Schwungmassen für Anwendungen mit Stoßlasten (Walzwerke, Aufzüge) geeignet ist.

Für drehzahlstellbare Antriebe werden Maschinenkaskaden in verschiedenen Ausführungen entwickelt. Dabei wird die Schlupfleistung eines Induktionsmotors mit Schleifringläufer über eine gekuppelte Hintermaschine mit Kommutator oder einen getrennten Umformersatz dem speisenden Netz zugeführt. Verwendet wurden die Kaskaden nach A. Scherbius und Chr. Kraemer.

Spätere Lösungen sind die Stromrichterkaskaden. Gewisse Bedeutung erlangte die Unter­synchrone Stromrichterkaskade, bei der die Läuferleistung über einen Strom-Zwischenkreis-Umrichter mit Dioden-Gleichrichter und netzgeführtem Thyristor-Wechselrichter dem speisenden Netz zugeführt wird.

Beginn der Einführung von Haushaltsgeräten mit elektromotorischem Antrieb. Waschmaschinen werden in USA ab 1907 hergestellt; die Erfindung wird meist A.J. Fisher zugeschrieben. Vollautomaten gibt es ab 1946, in Deutschland ab 1951.

Tragbare Staubsauger für den Haushalt mit Elektromotor wurden zuerst nach einem Patent von J.M. Spangler ab 1908 von der Fa, Hoover in USA hergestellt. In Deutschland wurden Staubsauger 1910 (Siemens) und 1914 (AEG) eingeführt.

Nach dem Stand der Technik sind praktisch alle drehzahlveränderlichen Antriebe mit höheren Anforderungen an die Regelbarkeit Gleichstromantriebe. Für Antriebe mit Drehstromspeisung gibt es zu dieser Zeit zwei bevorzugte Lösungen.

Bei kleineren Leistungen werden als Stellglieder Magnetverstärker (Transduktoren)  eingesetzt. Das sind Anordnungen aus gleichstromvormagnetisierten Drosseln, deren Ausgang eine steuerbare Wechselspannung liefert, die über eine Dioden-Brückenschaltung ("Trockengleichrichter") den Gleichstrommotor speist.

Für Antriebe größerer Leistung dienen steuerbare Quecksilberdampf-Stromrichter als Stellglieder.

Beide Lösungen werden später durch Einrichtungen mit schaltbaren Leistungshalbleitern abgelöst.

Die Verfügbarkeit von Thyristoren führt zum Aufkommen leistungselektronischer Schaltungen auch in der Antriebstechnik.

Markantes Beispiel sind Stromrichtermotoren. Damit werden Synchronmaschinen bezeichnet, die von einem Drehstromnetz über einen Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom betrieben werden. Der netzseitige Stromrichter besteht aus einer vollgesteuerten Brückenschaltung; vom lastgeführten motorseitigen Stromrichter wird der Gleichstrom zyklisch auf die Motorstränge geschaltet. Hochpolige Ausführungen werden als Direktantriebe für Zementmühlen eingesetzt. Bei bürstenlosen Stromrichtermotoren wird der Erregerstrom von einer gekuppelten Drehstrom-Erregermaschine über mitrotierende Dioden geliefert (BL-Motor, AEG 1974).

Die Verfügbarkeit schaltbarer Leistungshalbleiter (MOSFETs 1976, IGBTs 1982) führt zur Entwicklung von Frequenzumrichtern, die als Spannungs-Zwischenkreisumrichter sowohl im Zweiquadranten- wie im Vierquadrantenbetrieb als Stellglieder für alle Antriebssysteme mit stellbarer Drehzahl zum Einsatz kommen.

Auf dem Gebiet der Servoantriebe setzen sich nach Gleichstrom-Stellmotoren jetzt Synchronmotoren, vorzugsweise mit Erregung durch Samarium-Cobalt Magnete durch.

Es werden besondere Bauformen von Maschinen entwickelt, die nach dem synchronen Prinzip arbeiten und durchweg über leistungselektronische Baugruppen gespeist werden. Davon haben eine gewisse Bedeutung erlangt:

• Transversalfeldmaschinen (H. Weh, 1982). Hier weist der Pfad des Hauptflusses (von rotierenden Maschinen) axiale Abschnitte auf; dadurch lässt sich ein sehr hoher Anker­strombelag und damit hohe Drehmomentdichte erzielen. Diese Maschinen sind konstruktiv anspruchsvoll und weisen hohe Streuflüsse auf.
• Geschaltete Reluktanzmotoren (P.J. Lawrenson, 1980). Vorteil dieser Maschinen ist der sehr einfache Läufer, der weder Wicklungen noch Magnete aufweist. Probleme mit Vibrationen durch die periodisch wirkenden magnetischen Kräfte erfordern jedoch erhöhten konstruktiven Aufwand.
• Maschinen mit Einzelzahnwicklung im Ständer und Permanentmagneten im Läufer, bei denen die Nutteilung nur wenig, z.B. um ±2 von der Polteilung abweicht. Mit den Spulen ist entweder jeder Zahn oder abwechselnd jeder zweite Zahn bewickelt. Im letzteren Fall spricht man von modularen Maschinen; diese lassen sich einfach segmentieren. Sie gehören zu den sog. Bürstenlosen Gleichstrommotoren und sind besonders geeignet für Direktantriebe mit hohen Drehmomenten bei niedrigen Drehzahlen (Torque-Motoren).

Während man unter elektrischen Motoren in der Regel Maschinen mit elektromagnetischer Leistungswandlung versteht, sind jedoch auch piezo-elektrisch arbeitender Motoren zu erwähnen (R. Magerl, 1975).

Rotierende Ausführungen solcher Piezomotoren sind überwiegend Wanderwellenmotoren. Im Stator befinden sich mindestens zwei piezoelektrische Wandler, die eine angelegte Wechselspannung in mechanische Schwingungen umwandeln. Die Wandler werden phasenversetzt angeregt, so dass sich eine Wanderwelle ausbildet. Diese versetzt über den Reibkontakt zwischen Stator und Rotor letzteren in Drehung. Zur Erzielung hoher Schwingungsamplituden wird der Stator üblicherweise in Resonanz bei Frequenzen im Ultraschall-Bereich betrieben. 

Für elektrische Leistungs-Antriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl (engl.: Power Drive Systems, PDS) werden von internationalen Normungsinstitutionen (IEC, CENELEC) Leitlinien für Käfigläufer-Induktionsmotoren angegeben, die speziell für Umrichterspeisung konstruiert sind.

Im Rahmen des Mandats zur Energieeinsparung werden Effizienzklassen sowohl für am Netz wie für drehzahlveränderlich betriebene Wechselstrommotoren definiert.