Die Erfindung des Elektromotors 1800-1854

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Doppelbauer

Zusammenfassung

Mit den Erfindungen der Batterie (Allessandro Volta, 1800), der Erzeugung eines magnetischen Feldes aus elektrischem Strom (Hans Christian Oersted, 1820) und des Elektromagneten (William Sturgeon, 1825) waren alle Grundlagen gelegt, um einen Elektromotor bauen zu können. Damals war noch nicht entschieden, ob Elektromotoren rotieren sollten oder ob es besser sei, das Prinzip einer Dampfmaschine nachzubauen, also oszillierende Bewegungen mittels Kolbenstangen in eine Drehung zu übersetzen.

Viele Erfinder arbeiteten weltweit an dieser Aufgabe, es war ein „Modeproblem“. Beinahe jeden Tag wurden neue Phänomene entdeckt. Die Erfindungen auf dem Gebiet der Elektrizitätslehre und ihrer Anwendungen lagen in der Luft.

Oftmals wussten die Erfinder nichts voneinander und entwickelten unabhängig ähnliche Lösungen. Die jeweiligen nationalen Geschichtsschreibungen sind bis zum heutigen Tag entsprechend geprägt. Nachfolgend soll versucht werden, ein möglichst umfassendes, neutrales Bild zu vermitteln.

Das erste, durch Elektromagnetismus angetriebene, drehende Gerät baute der Engländer Peter Barlow 1822 (Barlowsches Rad).

Nach vielen weiteren, mehr oder weniger erfolgreichen Versuchen mit kraftlosen oszillierenden und rotierenden Apparaten entwickelte Moritz Jacobi im Mai 1834 den ersten rotierenden Elektromotor, der tatsächlich eine bemerkenswerte mechanische Leistung abgab. Er stellte damit einen Weltrekord auf, der vier Jahre lang Bestand hatte und erst im September 1838 von ihm selbst verbessert wurde. Jacobis zweiter Motor war kräftig genug, um ein mit 14 Personen besetztes Boot über einen breiten Fluss zu fahren. Ab 1839/40 gelang es weltweit auch anderen Entwicklern Motoren zu bauen, die ähnliche und später auch höhere mechanische Leistungen aufwiesen. 

1835 bauten die beiden Holländer Sibrandus Stratingh und Christopher Becker einen Elektromotor, der ein kleines Modellfahrzeug antrieb. Dies ist die erste nachweisbare Nutzanwendung eines Elektromotors. Im Februar 1837 wurde in den USA das erste Patent auf einen Elektromotor erteilt (Thomas Davenport).

Letztlich führten alle frühen Entwicklungen von Elektromotoren durch Jacobi, Davenport und viele weitere Erfinder jedoch in eine Sackgasse. 

Der spätere Gleichstrommotor ist nicht aus diesen Motoren, sondern vielmehr aus dem Stromgenerator, der Dynamomaschine entstanden. Die Grundsteine dazu legten William Ritchie 1832 mit dem Stromwender und Werner Siemens 1856 mit dem Doppel-T-Anker und dem daraus 1872 von Friedrich Hefner-Alteneck weiterentwickelten Trommelanker. Gleichstrommotoren haben im kleinen Leistungsbereich (bis rund 1 kW) und im Kleinspannungsbereich (bis rund 60 V) auch heute noch eine marktbeherrschende Stellung.

In den Jahren 1885 bis 1889 wurde mit der Erfindung des dreiphasigen Drehstroms die Basis der modernen elektrischen Energieübertragung und für moderne Elektromotoren geschaffen. Auch beim Drehstromsystem kann man nicht einen einzelnen Erfinder angeben, sondern viele mehr oder weniger bekannte Namen (Bradley, Dolivo-Dobrowolsky, Ferraris, Haselwander, Tesla und Wenström).

Die vor allem für hochdynamische Anwendungen (zum Beispiel in Robotern) und zum Antrieb von Elektroautos beliebte Synchronmaschine geht zurück auf den ersten dreiphasigen Synchrongenerator, der erstmals 1887 von Friedrich August Haselwander gebaut wurde.

Der 1889 von Michael Dolivo-Dobrowolsky erfundene Käfigläufer-Asynchronmotor ist heute der mit großem Abstand am häufigsten gebaute Elektromotor im Leistungsbereich ab rund 1 kW.

Zeittafel 1800 - 1834: Erste Versuche mit elektromagnetischen Apparaten

1821	Michael Faraday (Engländer) entwirft zwei Anordnungen zum Nachweis der elektromagnetischen Rotation. Dabei bewegt sich ein senkrecht aufgehängter Draht in kreisförmiger Bahn um einen Magneten.	Rotierender Draht von Faraday, 1821  Foto mit freundlicher Genehmigung Division of Work & Industry, National Museum of American History, Smithsonian Institution
1822	Peter Barlow (Engländer) baut ein sich drehendes Rad (Barlowsches Rad = Unipolarmaschine).	Barlowsches Rad, 1822 Philosophical Magazine, 1822, vol. 59
1825- 1826	William Sturgeon (Engländer) erfindet den Elektromagneten, also eine Spule mit Eisenkern zur Feldverstärkung.	Erster Elektromagnet von Sturgeon, 1825 Transactions of the Society for the Encouragement of the Arts, Manufacturers and Commerce, 1824, vol. 43, pl.3
1827-1828	Istvan (Ányos) Jedlik (Ungar) baut einen Rotationsapparat mit Elektromagneten und Stromwender. Allerdings hat Jedlik erst Jahrzehnte später öffentlich über seine Maschine berichtet und der wirkliche Erfindungszeitpunkt ist somit unsicher. Dennoch glauben viele Ungarn, Jedlik habe den Elektromotor erfunden. Ein Funktionsmuster des Apparates steht im Kunstgewerbemuseum in Budapest. Auch wenn dies tatsächlich der erste Elektromotor gewesen sein könnte so muss man doch feststellen, dass davon keine Impulse für die weitere Entwicklung ausgingen. Jedliks Erfindung blieb lange Zeit verborgen und wurde auch vom Erfinder selbst nicht weiter verfolgt. Der Elektromaschinenbau verdankt Jedlik nichts.	Drehapparat von Jedlik, 1827/28 Foto: Wikipedia Jedliks elektrisches Auto, 1827/28 Foto: Wikipedia
vor 1830	Johann Michael Ekling, Mechaniker in Wien, baut einen Motor nach den Plänen und Ideen von Prof. Andreas von Baumgartner (Österreichischer Physiker; ab 1823 Professur für Physik und angewandte Mathematik in Wien). Der Apparat wird nachweislich 1830 von der Universität Innsbruck für 50 fl c.m. erworben. Das Baujahr ist unbekannt, muss aber offenbar vor 1830 gelegen sein.	Baumgartner Motor, gebaut von Ekling, vor 1830 Foto mit freundlicher Genehmigung der Universität Innsbruck, Museum für Experimentalphysik, Ao. Univ. Prof. Mag. Dr. Armin Denoth

1831	Joseph Henry (US-Amerikaner) findet unabhängig von Faraday ebenfalls das Induktionsgesetz und baut eine kleine, elektromagnetisch angetriebene oszillierende Wippe. Henry bezeichnet sie selbst als "philosophische Spielerei" ("philosophical toy").  1838 erscheint ein Artikel von F. Watkins im englischen Philosophical Magazine, in welchem er die Henrysche Wippe ausführlich würdigt und als ersten Elektromotor überhaupt bezeichnet. Diese Ansicht zieht sich bis heute vor allem durch die britisch geprägte Literatur.	Henrys magnetische Wippe, 1831 American Journal of Science, 1831, vol. 20, p. 342
April 1832	Savatore dal Negro (Italiener) baut ein Gerät, das 60 Gramm Gewicht in einer Sekunde um 5 Zentimeter heben kann und somit rund 30 mW mechanische Leistung entwickelt. Er war vermutlich inspiriert von Henrys Apparat und baut eine ähnliche, oszillierende Maschine, die allerdings durch ein Getriebe Rotation erzeugen konnte. Dal Negro beschreibt seine Versuche in einem Brief im April 1832 und später in der Abhandlung „Nuova Macchina élettro-magnetica“ im März 1834. Die Motoren Dal Negros lagern im Museum für Physikgeschichte der Universität Padua, sind aber leider nicht öffentlich zugänglich.	Dal Negros elektromagnetisches Pendel, 1832 Annali delle Scienze de Regno Lombardo-Veneto, März 1834, pl. 4
Juli 1832	Erste publizierte Beschreibung einer rotierenden magnetelektrischen Maschine. Der Autor ist ein anonymer Briefschreiber mit den Initialen P.M., den man mittlerweile mit hoher Wahrscheinlichkeit als den Iren Frederick Mc-Clintock aus Dublin identifiziert hat. Michael Faraday, der Empfänger des Briefes am 26. Juli 1832, veröffentlicht diesen sofort. Damit wird zum ersten Mal eine rotierende elektrische Maschine öffentlich beschrieben.	Erste Beschreibung einer rotierenden elektrischen Maschine von P.M., 1832 Philosophical Magazine, 1832, S. 161-162
Juli 1832	Hippolyte Pixii (Franzose) baut den ersten Rotationsapparat zur Erzeugung von Wechselstrom. Er wird im September 1832 bei einem Treffen der Académie des Sciences öffentlich vorgestellt. Die Beschreibung ist jedoch schon in der Juli Ausgabe der Annales de Chimie abgedruckt. Er verbessert sein Gerät noch im gleichen Jahr durch Hinzufügen eines Schaltgerätes und kann nun pulsierenden Gleichstrom erzeugen.	Erster DC-Generator von Pixii, 1832/33 F. Niethammer, Ein-und Mehrphasen-Wechselstrom-Erzeuger, Verlag S. Hirzel, Leipzig 1906
1832	William Ritchie (Engländer) berichtet im März 1833 über einen nach eigenen Angaben bereits neun Monate zuvor im Sommer 1832 gebauten drehenden elektromagnetischen Generator mit vier Rotorspulen, Stromwender und Bürsten. Ritchie wird daher allgemein als der Erfinder des Kommutators angesehen.   Am Ende seines Artikels beschreibt Ritchie, wie er einen Elektromagneten durch Ausnutzung des Magnetfeldes der Erde zum Drehen brachte und damit mehrere Unzen (zwischen 50 und 100 Gramm) Gewicht anhob.  Die Kommutierung (Stromwendung) erfolgte über die Drahtenden, die in zwei halbkreisförmigen Rinnen von Quecksilber liefen.	Erster DC-Generator mit Stromwender, 1832/33 Drehende Spule von Ritchie, 1833 Philosophical Trans. of the Royal Society of London, 1833, Vol. 132, p.316, pl.7
Jan. 1833	Ein Dr. Schulthess hält 1832 einen Vortrag bei der Ingenieursgesellschaft in Zürich und stellt seine Ideen über einen Elektromotor vor. Im Januar 1833 demonstriert er an gleicher Stelle seinen ersten Apparat. Weitere Einzelheiten sind nicht bekannt.
März 1833	William Sturgeon baut im Herbst 1832 einen elektrischen Drehapparat, den er am 21. März 1833 bei einem Vortrag in London öffentlich vorführt.  Sturgeon berichtet allerdings erst im Herbst 1836 in der ersten Ausgabe seiner eigenen Zeitschrift darüber.	Rotationsapparat von Sturgeon, 1832 Sturgeon's Annals of Electricity, 1836, vol. 1

1834	Guiseppe Domenico Botto (Italiener), ein Turiner Physikprofessor, veröffentlicht im Juli 1834 in der Genfer Zeitschrift Bibliothéque Universelle die Beschreibung eines Elektromotors, an dem er arbeitet. Auch sein Aufbau entspricht dem eines Metronoms (wie bei Henry und Dal Negro), bei dem auf das Pendel zwei Elektromagnete wirken. Über eine Kolbenstange wird eine drehende Bewegung erzeugt. Ein Nachbau des Geräts befindet sich heute im Museo Galileo in Florenz.	Drehapparat von Botto, Juli 1834 (Nachbau) Foto mit freundlicher Genehmigung Museo Galileo, Florenz

Zeittafel 1834 - 1837: Die ersten Elektromotoren

Mai 1834	Moritz Herman Jacobi (Preuße, eingebürgerter Russe) beginnt Anfang 1833 in Königsberg (damals Preußen, heute Russland) mit Versuchen an einem hufeisenförmigen Elektromagneten. Im Januar 1834 berichtet er in einem Brief an Poggendorff, dem Herausgeber der Annalen der Physik und Chemie, von seinen Erfolgen. Er wendet sich dem Bau eines Elektromotors zu, den er im Mai 1834 vollendet. Der Motor hebt ein Gewicht von 10 bis 12 Pfund mit einer Geschwindigkeit von einem Fuß pro Sekunde, was umgerechnet rund 15 Watt mechanischer Leistung entspricht. Im November 1834 sendet er einen Bericht darüber an die Akademie der Wissenschaften in Paris und veröffentlicht im Frühjahr 1835 eine ausführliche wissenschaftliche Denkschrift dazu, welche ihm später die Ehrendoktorwürde der Philosophischen Fakultät der Königsberger Universität einbringt. Seine Schrift ist in 23 Abschnitte geteilt und wird 1837 mit weiteren 15 Abschnitten ergänzt. Jacobi beanspruchte in der Denkschrift von 1835 ausdrücklich nicht für sich, der alleinige Erfinder der elektromagnetischen Maschine zu sein, sondern weist auf die Priorität der Erfindungen von Botto und Dal Negro hin.  Allerdings ist Jacobi zweifelsohne der Erste, der einen brauchbaren rotierenden Elektromotor zustande bringt. Ein voll funktionsfähiger Nachbau dieses Motors steht im Elektrotechnischen Institut (ETI) in der Engelbert-Arnold-Strasse 5 (Gebäude 11.10) in Karlsruhe am KIT.	Der erste richtige Elektromotor Moritz Jacobi, Königsberg, Mai 1834
Okt. 1834	Der US-Amerikaner T. Edmundson baut ein Rotationsgerät, das einem Wasserrad ähnelt, aber von Elektromagneten angetrieben wird	Elektromagnetisches Rotationsgerät von Edmundson American Journal of Science, 1834, vol. 26, p. 205
1834-1835	Im Dezember 1833 kauft der Hufschmied Thomas Davenport (US-Amerikaner) einen Elektromagneten direkt von Joseph Henry und beginnt daraufhin gemeinsam mit Orange Smalley (US-Amerikaner) in einer Werkstatt in Forestdale, Vermont mit Experimenten zum Elektromagnetismus. Im Juli 1834 gelingt es den beiden, einen ersten Rotationsapparat fertigzustellen. Sie verbessern das Gerät in mehreren Schritten bevor sie es im Dezember 1834 erstmals öffentlich vorstellen. Im Folgejahr trennt sich Davenport von Smalley.  Im Sommer 1835 macht sich Davenport auf den Weg nach Washington, D.C., um seine Maschine beim Patentamt vorzuführen und zum Patent anzumelden. Er muss jedoch aus Geldmangel wieder heimreisen.	Erster Motor von Davenport Abbildung aus seiner Patentschrift vom Juni 1835
Aug.  1835	Francis Watkins (Engländer) entwirft ein elektrisches "Spielzeug", mit dem er mehrere Magnetnadeln zum Rotieren bringen kann. Er beschreibt den Apparat in einem Aufsatz für das Philosophical Magazine.   Er gibt an, durch die elektro-magnetische Maschine (Stromgenerator) von Joseph Saxton inspiriert worden zu sein, die seit August 1833 in London in einer Gallerie öffentlich ausgestellt wird. Damit dürfte Watkins zu den ersten gezählt werden, die das Umkehrprinzip von Motor und Generator anwendeten.	Watkins Spielzeug, 1835 Philosophical Magazine, 1835, vol. 7, p. 112
1835	Sibrandus Stratingh und Christopher Becker (Holländer) bauen ein kleines (30 x 25 cm), elektrisch angetriebenes dreirädriges Fahrzeug von etwa 3 kg Gewicht, das rund 15 bis 20 Minuten lang auf einem Tisch umherfahren kann, bis die Batterie leer ist. Stratingh und Becker veröffentlichen noch im gleichen Jahr einen Bericht darüber. Stratingh kannte die Arbeiten von Jacobi und wollte 1840 ein richtiges elektrisches Auto bauen, was ihm allerdings nie gelang.	Elektrisches Modellauto von Stratingh und Becker, 1835

1836  1837	1836 findet Davenport einen neuen Partner in Ransom Cook und zieht nach Saratoga Springs, New York, um seinen Motor weiterzuentwickeln. Mit Hilfe Cooks baut er einen Modellmotor für das Patentamt. Am 24. Januar 1837 beantragt er in Washington ein Patent, das am 5. Februar 1837 erteilt wird: "Verbesserung einer Drehmaschine durch Magnetismus und Elektromagnetismus" ("Improvement in propelling machinery by magnetism and electromagnetism") ein. Es ist das erste Patent auf einen Elektromotor. Davenports Modellmotor steht heute im Smithsonian Institute in Washington, D.C. Davenports patentierte Konstruktion verwendet vier rotierende Elektromagneten, die von einem Kommutator umgeschaltet werden, und einen ringförmigen, feststehenden Permanentmagneten aus Weicheisen.  Ein verbesserter Antrieb, den er im August 1837 vorstellt, hat 6 inch Durchmesser, dreht mit rund 1000 Umdrehungen pro Minute und kann ein 200 Pfund Gewicht in einer Minute um einen Fuß anheben. Umgerechnet entspricht dies einer Leistung von 4,5 W. Zusammen mit Edwin Williams aus New York und seinem Partner Ransom Cook gründet Davenport am 3 März 1837 eine Kapitalgesellschaft. Allerdings schafft es Williams nicht, genügend Anteile zu verkaufen und so endet der Traum schon ein Jahr später vor dem Richter.	Motor aus Davenports Patentantrag, Februar 1837

Davenport - Der Erfinder des Elektromotors ?

In US-Amerikanischer Literatur kann man manche von Pathos triefende Texte finden, in denen Thomas Davenport als Erfinder des Elektromotors gefeiert wird. Diese Behauptung stützt sich auf die unbestrittenen Tatsachen, dass Davenport wohl der erste US-Amerikaner war, der einen brauchbaren Elektromotor zustande brachte und außerdem Anfang 1837 das erste Patent für ein solches Gerät bekam.

Allerdings war Davenport bei weitem nicht der Erste, der einen Elektromotor gebaut hat. In Europa (insbesondere in England, Italien und Preussen) war man damals schon viel weiter. Bereits drei Jahre vor der Patenterteilung Anfang 1837 stellte Moritz Jacobi einen Motor vor, der die dreifache Leistung gegenüber einer von Davenport bereits verbesserten Maschine vom Sommer 1837 aufwies. Hinzu kommt, dass Davenports Motor schneller lief. Das Drehmoment, die entscheidende Größe beim Vergleich elektrischer Maschinen, wird also kaum mehr als ein Zehntel des drei Jahre früheren Jacobischen Motors betragen haben. 

Kurz nach Jacobi demonstrierten die beiden Holländer Strating und Becker bereits die erste Nutzanwendung, indem sie einen kleinen Wagen elektrisch antrieben. Lange vorher gab es in Italien diverse Konstruktionen elektromagnetischer Dreh- und Pendelmaschinen, die allerdings keine nennenswerte mechanische Leistung zustande brachten.

Auch in den Jahren nach der Patenterteilung verringerte sich der Vorsprung Jacobis gegenüber Davenport kaum. Zur gleichen Zeit, als Jacobi im Herbst 1838 mit einem verbesserten 300 W Antrieb ein mit 14 Personen besetztes Boot über einen viele Kilometer breiten Fluss fahren ließ, stellte Davenport eine kleine Spielzeugeisenbahn vor.

Davenports Motor ist im historischen Kontext nicht bemerkenswert. Seine Konstruktion stellt keine substanzielle Verbesserung anderer zeitgenössischer Entwürfe dar.

Er baute im Laufe seines Lebens eine größere Anzahl an Maschinen. Anders als Werner Siemens, George Westinghouse oder Thomas Edison war Thomas Davenport aber nicht der Begründer eines bedeutsamen Unternehmens und er konnte, anders als zum Beispiel Nikola Tesla, sein Patent auch nicht verkaufen oder lizenzieren.

Davenport hat das Patent nicht etwa auf den Elektromotor an sich bekommen, sondern nur auf seine ganz spezielle Konstruktion. Alleine in England wurden zwischen 1837 und 1866 rund 100 Patente auf elektromagnetische Maschinen genommen. Nachdem Davenport seinen Motor schon im Verlauf des Jahres 1837 und auch danach immer weiter entwickelte, war sein Patent praktisch wertlos.

Somit bleibt ihm die Ehre, der erste von tausenden Konstrukteuren zu sein, die ein Patent auf einen Elektromotor bekamen. Er ist weder ihr Erfinder noch haben seine Arbeiten die weitere Entwicklung der Elektromotoren beeinflusst.

Zeittafel 1838 - 1854: Kräftigere Motoren, neue Anwendungen

Febr. 1838	Im Philosophical Magazine erscheint ein umfangreicher Aufsatz von Watkins, in dem er seinen Motor vorstellt.	Motor von Watkins, Februar 1838 Philosophical Magazine, 1838, vol. 12, pl. 4
Aug. 1838	Davenport zieht nach New York und beginnt in den folgenden Jahren mit der Vermarktung seiner Erfindung. Im August 1838 wird in London eine Modelleisenbahn mit einem seiner Motoren ausgestellt, die sich mit 3 mph bewegt.	Davenports Modellbahn, 1838 Foto mit freundlicher Genehmigung Division of Work & Industry, National Museum of American History, Smithsonian Institution
Sept. 1838	Jacobi war auf Bitte des russischen Zaren im August 1838 nach St. Petersburg übergesiedelt. Dort wird er an der Petersburger Akademie der Wissenschaften aufgenommen und vom Zaren großzügig in seinen weiteren Arbeiten am Elektromotor unterstützt. Am 13. September 1838 demonstriert Jacobi erstmals auf dem Fluss Neva bei St. Petersburg ein rund 8 m langes, elektrisch angetriebenes Boot mit Schaufelrädern.  Die Zink-Batterien aus 320 Plattenpaaren wog 200 kg und war längs der beiden Seitenwände des Schiffes aufgestellt. Der Antrieb erreicht 1/5 bis 1/4 PS Leistung (rund 300 W), fährt mit ca. 2,5 km/h eine 7,5 km lange Strecke und kann ein Dutzend Passagiere befördern. Er fährt ganze Tage auf der Neva herum. In zeitgenössischen Berichten heißt es, dass nach zwei bis drei Monaten Betriebszeit der Zinkverbrauch 24 Pfund beträgt.	Verbesserter Motor von Jacobi, 1838
1838	Charles G. Page (US-Amerikaner) 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 hohe 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 (siehe rechts), wendet sich dann aber den rotierenden Motoren zu.	Erster Motor von Page, 1838 American Journal of Science, 1838, vol. 35, p. 264

1837-  1842	Robert Davidson (Schotte) 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).	Erster elektrischer Wagen von Davidson, 1839 Aus T. du Moncel, Electricity as a Motive Power, London, 1883, fig. 32