| PresseBLICK-Rezensionen | Geschichte (Strom u. a.) |
"Alle Räder stehen still, wenn dein starker Arm es will", dichtete Georg Herwegh 1863 in seinem Bundeslied für den Allgemeinen deutschen Arbeiterverein. Damals wurden alle Räder noch durch Dampfmaschinen, Wasserkraft oder reine Muskelkraft bewegt. Es bedurfte in jedem Falle starker Arme, um diese Maschinerie in Gang zu halten oder sie abzustellen.
Heute stehen alle Räder still, wenn der Strom ausfällt. Denn der Elektromotor hat praktisch überall die Rolle des mechanischen Energielieferanten übernommen. Aus Industrie und Gewerbe ist er sowieso nicht mehr wegzudenken. Aber auch jeder Haushalt bringt es inzwischen mühelos auf mehrere Dutzend Elektromotoren, von der Spülmaschine bis zum CD-Spieler. Sogar der Verbrennungsmotor im Auto springt erst dann an, wenn er von einem Elektromotor in Schwung gebracht worden ist.
So perfekt und diskret verrichten alle diese elektrischen Antriebe ihre Dienste, daß uns ihre Allgegenwart und Unentbehrlichkeit kaum bewußt ist. Erst recht verschwendet kaum jemand einen Gedanken an die verschiedenen Konstruktionsprinzipien des Elektromotors. Während beim Verbrennungsmotor auch der Laie normalerweise sehr wohl einen Viertakter von einem Zweitakter unterscheiden kann, bleibt der Elektromotor für ihn meist eine "black box", die eben irgendwie aus Strom eine Drehbewegung macht. Vielleicht ist ihm aus dem Physik-Unterricht noch das Induktionsprinzip bekannt, auf dem alle elektrischen Maschinen beruhen. Aber nur sehr wenige wissen - zum Beispiel -welche Eigenschaften die Reihenschluß-Schaltung beim Gleichstrommotor gegenüber der Nebenschluß-Schaltung bewirkt oder worin sich bei Wechselstrommaschinen der Asynchronmotor vom Synchronmotor unterscheidet. Ganz zu schweigen von solchen Begriffen wie Kompensationswicklung, Hilfsphase oder Kippmoment. Und sogar in Kreisen von Elektrotechnikern dürfte nur den Spezialisten für elektrische Antriebe auf Anhieb geläufig sein, daß sich etwa bei Wechselstrommaschinen die Untergruppe der Synchronmaschinen noch weiter in Reluktanzmaschinen, Klauenpolmaschinen, Magnetläufermotoren und Hysteresemotoren auffächern läßt ...
Das vorliegende Buch schließt insofern eine Lücke der Technikgeschichte, als die Bedeutung des Elektromotors für den zivilisatorischen Fortschritt meist nur pauschal gewürdigt wird. Man findet in technikhistorischen Darstellungen zwar sicher solche Marksteine wie die Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips, die Ablösung der dampfgetriebenen Transmissionen durch den elektrischen Einzelantrieb oder die Elektrifizierung des schienengebundenen Verkehrs. Es gibt aber kaum eine größere Monographie, die dem Elektromotor selber unter die Haube schaut und dessen eigene Entwicklung nachzeichnet.
Dabei offenbart sich der Fortschritt gerade in Details. Man denke an die große Bedeutung, welche geringfügige Veränderungen des Pflugs oder der Anspannung von Zugtieren für die Produktivität der Agrarwirtschaft hatten. Oder an die vielen kleinen Schritte zur Optimierung der Dampfmaschine, mit der das industrielle Zeitalter überhaupt erst begann und die bis heute über neunzig Prozent unseres Strombedarfs decken hilft, nachdem sie von der Kolbendampfmaschine zur neuen Gestalt der Dampfturbine gefunden hat.
Welche Neuerung die Einführung der Dreifelderwirtschaft oder des Kummets in der Landwirtschaft bedeutete, läßt sich für den Technikhistoriker ohne große Mühe allgemeinverständlich darstellen. Auch das Verständnis für die Nutzung und Bedeutung der Dampfkraft im Wandel der Zeiten setzt weder bei ihm noch beim Leser allzu große Spezialkenntnisse voraus. Anders bei einer Geschichte des Elektromotors: Hier bedeutet es für den Technikhistoriker fast die Quadratur des Kreises, wenn er sich auf die notwendigen elektrotechnischen Details einläßt und doch für den Nichtfachmann verständlich bleiben will. Denn so einfach das Grundprinzip von Elektromotor/Generator anmutet, so vielfältig und kompliziert sind seine konstruktiven Ausführungen in der Praxis.
Diesem Dilemma unterliegen naturgemäß auch die bisher 16 Bände der Reihe "Geschichte der Elektrotechnik" sowie andere Bücher aus dem VDE-Verlag, die erklärtermaßen über Fachkreise hinaus ein breiteres, allgemein an Technikgeschichte interessiertes Publikum ansprechen wollen. Freilich prägt es sich je nach Geschick des Autors unterschiedlich aus: Am gelungensten scheint noch immer "Die Entwicklung der Starkstromtechnik in Deutschland bis 1890" von Georg Dettmar zu sein, die erstmals 1940 im VDE-Verlag erschien und als Reprint den achten Band der heutigen Reihe bildet. Außerhalb der Reihe beeindrucken die Bücher von Albert Kloss zur Geschichte des Magnetismus, der Stromrichtertechnik und der Elektrofahrzeuge (PB 3/98) durch ihr intellektuelles Engagement und das Bemühen, bei aller Präzision im Detail nicht nur den Fachmann anzusprechen.
Vergleicht man die erwähnte Geschichte der Starkstromtechnik von Dettmar mit dem vorliegenden neuesten Band aus derselben Reihe - und besonders jene Passagen, in denen es hier wie dort um den Elektromotor geht - , so wird deutlich, daß es in punkto Rücksichtnahme auf den Leser noch einiges zu verbessern gäbe: Die beiden Autoren sind sichtlich eher historisch bewanderte Fachleute des Elektromaschinenbaues als elektrotechnisch bewanderte Historiker. Da ihre Arbeiten ursprünglich nicht für diesen Rahmen gedacht waren, wird man ihnen dies aber nicht vorhalten dürfen. Zum Teil wurde erst durch nachträgliche Bearbeitung versucht, die Lesbarkeit für ein nichtfachliches Publikum zu erhöhen.
Trotz des nicht voll eingelösten Anspruchs auf Verständlichkeit außerhalb des elektrotechnischen Fachpublikums war der Herausgeber Kurt Jäger aber sicher gut beraten, als er die Chance nutzte, zwei derart profunde und sich gegenseitig ergänzende wissenschaftliche Arbeiten zu einer Monographie der elektrischen Antriebe zu vereinigen. Das Buch beleuchtet mit der konstruktiven Vielfalt die ganze Leistungsbreite des Elektromotors. Im allgemeinen spricht man ab einer Leistung von weniger als 1 Kilowatt von Kleinmotoren und bei weniger als 1 Watt von Kleinstmotoren. Im ersten Teil untersucht Dr. Frank Dittmann die Entwicklung besonders der leistungsstarken Antriebe in Deutschland von den Anfängen im 19. Jahrhundert bis zur Gegenwart. Es handelt sich dabei um die bearbeitete Fassung einer Dissertationsschrift, die er 1993 an der TU Dresden vorlegte. Darauf folgt eine zweite Arbeit von Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter Stölting vom Institut für Elektrische Maschinen und Antriebe an der Universität Hannover, die sich speziell der Geschichte der elektrischen Kleinmaschinen widmet. Aus der Fülle von Lesefrüchten, die sich aus beiden Arbeiten ziehen lassen, sollen im folgenden einige vorgestellt werden.
Der Begriff "Elektromotor" wurde bereits von Alessandro Volta (1745 - 1827) geprägt. Doch verstand der Gelehrte vor zwei Jahrhunderten darunter etwas ganz anderes, nämlich ein galvanisches Element, das einen Stromfluß bzw. eine "elektromotorische Kraft" hervorbringen konnte. Ein Elektromotor war also zunächst nichts anderes als eine Batterie oder ein Akkumulator.
Was wir heute als Elektromotor bezeichnen, hieß dagegen "elektromagnetische Maschine". Man kannte die grundsätzliche Wirkungsweise solcher Maschinen bereits seit der Entdeckung des Induktionsgesetzes durch Faraday (1831). Wenn man sie an galvanische Elemente anschloß - damals die leistungsfähigste Stromquelle - , konnte man an ihnen studieren, wie die "elektromotorische Kraft" eine Drehbewegung verursachte. Praktische Bedeutung besaßen diese Maschinen aber nicht. Ihr Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit der galvanischen Stromquelle waren viel zu gering, als daß man darin mehr als ein Labor-Experiment erblickt hätte.
Seit Faraday wußte man auch, daß diese Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umformte, sich durch Umkehrung ihrer Betriebsrichtung in einen Generator verwandeln läßt, der aus mechanischer Energie Strom erzeugt. Analog zum Elektromotor als "elektromagnetischer Maschine" wurden solche Generatoren als "magnetoelektrische Maschinen" bezeichnet. Während der Elektromotor zunächst nicht aus den Experimentierstuben hinauskam, erlangte sein Zwillingsbruder schon in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts eine gewisse praktische Bedeutung, indem er zum Beispiel als "Gramme-Generator" den Gleichstrom für Galvanisierbetriebe lieferte. Allerdings kannte man nur permanenterregte Generatoren, was der Leistungsfähigkeit dieser Stromerzeuger von vornherein enge Grenzen setzte.
Einen der ersten Elektromotoren baute 1838 der deutsche Ingenieur Moritz Hermann Jacobi, der im Dienst des russischen Zaren stand. Der Motor leistete etwa 1 PS und wurde von 64 Platin-Zink-Elementen mit Gleichstrom versorgt. Er trieb ein mit 14 Personen besetztes Boot an, das auf der Newa bei St. Petersburg eine Geschwindigkeit von etwa vier Stundenkilometern erreichte.
Dennoch hielt Jacobi seinen Elektromotor praktisch für nutzlos: Die Elektrizität sei zur Leistung schwerer Arbeit nicht brauchbar, meinte er, weil der Strom aus den galvanischen Elementen viel zu teuer sei. - Eine ergiebigere und kostengünstigere Stromquelle als Batterien kannte man ja noch nicht.
Der Durchbruch - sowohl für den Generator als auch für den Elektromotor - konnte deshalb erst stattfinden, nachdem Werner Siemens 1866 das elektrodynamische Prinzip entdeckt hatte. Sein Dynamo war nicht auf Permanentmagneten angewiesen, sondern erregte sich mittels der zugeführten mechanischen Energie selbst. Die potentielle Leistungsfähigkeit übertraf alle Größenordnungen, die man bisher von galvanischen Elementen oder permanenterregten Generatoren gewohnt war.
Erst jetzt, da es eine wirklich leistungsfähige Stromquelle gab, wurde es auch sinnvoll, leistungsfähige Elektromotoren zu konstruieren, die den Strom wieder in mechanische Energie umwandelten. Im Prinzip brauchte man nur die Betriebsrichtung des Dynamos zu vertauschen, um einen genauso leistungsfähigen Elektromotor zu erhalten. Kein Wunder also, daß jeder der beiden Zwillingsbrüder von Fortschritten des anderen profitierte: Wie der Dynamo war nun auch der Elektromotor nicht mehr auf die Bestückung mit Permanentmagneten oder Fremderregung angewiesen. Die Einführung geschichteter Eisenkerne zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten, verbesserte Wickeltechniken und andere Fortschritte zur Erhöhung des Wirkungsgrads kamen dem Elektromotor wie dem Generator gleichermaßen zugute. Ebenso konnten durch die Nutzung des Drehstrom-Prinzips bei beiden die verschleißträchtigen und störanfälligen Stromwender entfallen.
Der Begriff "Elektromotor" für eine Maschine, die elektrische Energie in eine Drehbewegung verwandelt, tauchte erstmals 1887 in einer Preisliste von Siemens & Halske auf. Er bezog sich auf Gleichstrommotoren mit Leistungen von 1/10 bis 1 PS, die zwischen 100 und 400 Reichsmark kosteten. Man bezeichnete diese kleineren Maschinen so, weil sie auch mit der "elektromotorischen Kraft" galvanischer Elemente zufrieden waren. Die leistungsstärkeren Elektromotoren hießen dagegen "Sekundärmaschinen", weil sie eine "Primärmaschine" in Gestalt des stromliefernden Generators benötigten. Es gab ja noch keine zentrale Stromversorgung aus Kraftwerken. Bevor ein starker Elektromotor anlaufen konnte, mußte deshalb erst ein Generator die Energiewandlung in umgekehrter Richtung vollziehen. - Im Grunde nicht anders als heute, wo die Primärmaschine freilich weit entfernt in einem Kraftwerk steht und gleich Hunderttausende von Sekundärmaschinen in Industrie, Gewerbe und Haushalten mit Strom versorgt.
Der Einsatz von Elektromotoren lohnte sich trotz des verhältnismäßig großen Aufwands und der noch geringen Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung. Denn damit konnte endlich das große Problem der "Teilung der Kraft" gelöst werden: Bis dahin mußte in den Fabriken die mechanische Energie, die eine zentrale Dampfmaschine oder ein Wasserrad lieferte, über ein Transmissions-Gestänge mit Rädern an die einzelnen Arbeitsplätze übertragen werden. Wenn man stattdessen den mechanischen Kraftspender mit einem Generator koppelte, der dezentral aufgestellte Elektromotoren versorgte, konnte die Transmission samt ihrem höllischen Lärm, ihrer kompliziert-verlustträchtigen Mechanik und ihren tückischen Risiken für die Beschäftigten schrittweise entfallen - bis hin zu elektrischen Einzelantrieben für jeden Arbeitsplatz und sogar für jedes Werkzeug, die sich dann im 20. Jahrhundert durchsetzten.
Ein weiterer, teilweise noch entscheidenderer Vorteil war die bessere Dosierbarkeit der Kraft. Für besonders hohe Ansprüche an eine präzise, verlustarme Drehzahlregelung erfand schon Ende des 19. Jahrhunderts der Amerikaner Harry Ward Leonard die nach ihm benannte Schaltung, bei der ein Drehstrommotor über einen Gleichstromgenerator einen Gleichstrommotor antreibt. Ein wichtiges Einsatzgebiet solcher "Leonard-Umformer" waren Papierfabriken. Mitunter wurde der Drehstrommotor des "Leonard-Umformers" auch mit einem Schwungrad gekoppelt, um kurzzeitige Belastungsstöße, wie sie etwa an Walzstraßen auftraten, vom Netz fernzuhalten. Man sprach dann von einem "Ilgner-Umformer". - Wem das heute arg steinzeitlich vorkommen mag, sollte sich daran erinnern, daß die Abpufferung von kurzzeitigen Belastungsschwankungen durch Schwungrad-Speicherung noch immer eine große Rolle bei der Stromversorgung spielt: und zwar in Gestalt der mächtigen Schwungmassen der Generatoren in den Kraftwerken, welche die in ihnen gespeicherte kinetische Energie als "Sekundenreserve" bereitstellen, bevor mit der Drehzahl die Frequenz im Netz zu sinken beginnt.
Wie die Leonard-Schaltung und der Ilgner-Umformer ist heute manches Schnee von gestern, worauf Elektrotechniker und Maschinenbauer einst viel Erfindungsgeist und technisches Können verwandt haben. Die wohl bahnbrechendste Neuerung, von der im Zusammenhang mit dem Elektromotor die Rede sein muß, ist die Stromrichtertechnik mittels Halbleitern, wie sie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts üblich wurde und die Albert Kloss in seinem Buch " Auf den Spuren der Leistungselektronik" sehr kenntnisreich beschrieben hat. Die sogenannte Leistungselektronik machte nicht nur die rotierenden Umformer und die klobigen Quecksilberdampfgleichrichter museumsreif, sondern ermöglichte es in bislang unerreichter Weise, den jeweils optimalen Typ von Elektromotor unabhängig von der Art der vorhandenen Stromversorgung einzusetzen.
Ein gutes Beispiel dafür bietet der schienengebundene Verkehr: Hier bewährte sich im Nahbereich - d.h. bei Straßenbahnen und Untergrundbahnen - schon gegen Ende des 19. Jahrhunderts der Gleichstrom-Reihenschlußmotor mit seinem kräftigen Anzugsmoment. Dagegen bereitete die Elektrifizierung der Fernbahnen erhebliche technische Schwierigkeiten, weil sie aufgrund der wirtschaftlich-technischen Gegebenheiten nur mit einphasigem Wechselstrom bewerkstelligt werden konnte. Das größte Problem war das "Bürstenfeuer" an den Kommutatoren der einphasigen Wechselstrommotoren. Um wenigstens teilweise Abhilfe zu schaffen, entschlossen sich 1912 die Eisenbahnverwaltungen Deutschlands, Österreichs und der Schweiz, die Frequenz des Bahnstroms auf 16 2/3 Hertz abzusenken. - Inzwischen eine nur noch historisch nachvollziehbare Entscheidung, denn dank der Stromrichtung mit Thyristoren ist es überhaupt kein Problem mehr, den einphasigen Wechselstrom aus der Oberleitung an Bord der Lokomotive in Gleichstrom umzuwandeln. Thyristoren ermöglichen es ebenfalls, die zur Regulierung der Fahrgeschwindigkeit notwendige Änderung der Gleichspannung ohne Ohmsche Verluste herbeizuführen. Technisch noch eleganter ist es freilich, wenn - wie beim ICE - mit der Stromrichtertechnik aus dem einphasigen "Saft" der Oberleitung ein dreiphasiger Wechselstrom erzeugt wird, um die Lokomotive mit Drehstrom-Asynchronmotoren anzutreiben.
Neben den leistungsstarken Antrieben, wie sie für die industrielle Nutzung des Elektromotors typisch sind, eroberte der Elektromotor zunehmend auch den Privatbereich. Als Drehstrommotor ist er in den Haushalten allerdings bis heute eine Seltenheit, da bei der Elektroinstallation innerhalb von Wohngebäuden in aller Regel nur eine der drei Phasen des Netzes bis zur Steckdose geführt wird. Man findet hier deshalb einphasige Wechselstrommotoren oder Universalmotoren. Klassische Anwendungen sind der Staubsauger, allerlei Küchengeräte, die Waschmaschine oder die Bohrmaschine für den Heimwerker. Mit der wachsenden Bedeutung kleiner Antriebe für Regel- und Steuerzwecke sowie der Unterhaltungselektronik gewinnen außerdem auch hier neuerdings Gleichstrommotoren an Boden, die oft wahlweise mit Batterie oder einem vorgeschalteten Netzgerät betrieben werden können. Schon Anfang der siebziger Jahre verfügte ein bundesdeutscher Haushalt im statistischen Mittel über 15 bis 20 Elektromotoren. Inzwischen dürften es noch viel mehr sein, wobei der Benutzer oft gar nichts von ihrem Vorhandensein ahnt. Zum Beispiel wird ihm kaum bewußt sein, daß allein in seinem Computer mindestens drei verschiedene elektrische Antriebe für die Ventilation, für die Rotation des Massenspeichers und für die exakte Positionierung des Schreib-/Lesekopfes sorgen.
Keine einfache Lektüre also, aber doch eine sehr lohnende, um die geschichtliche Entwicklung der elektrischen Maschine zu begreifen, die als Generator praktisch unsere ganze Stromversorgung bestreitet und als Elektromotor zugleich ihr bester eigener Kunde ist.
(PB 9/98/*leu)