Die Triebmotoren

Bisher haben wir alles nur für einen Zweck getan. Wir haben eine veränderbare Spannung geschaffen, die wir nun einem Motor zuführen können. Genau diese Motoren wollen wir nun ansehen, denn diese sorgen letztlich dafür, dass sich die Lokomotive bewegen kann. Der Triebmotor ist schliesslich an den mechanischen Antrieben angeschlossen und bewegt diese so, dass sich das Fahrzeug bewegt. So gesehen haben wir jetzt ein wichtiges Bauteil erreicht.

Die Triebmotoren elektrischer Lokomotiven haben sich im Lauf der Jahre zu sehr guten und geduldigen Motoren entwickelt. Die ersten Motoren können dabei nicht mehr mit den heute verwendeten Exemplaren verglichen werden, denn diese können mehr leisten und sind erst noch viel kleiner geworden. Es ist deshalb angebracht, dass wir nun diese Triebmotoren genauer ansehen. Nur so können wir auch deren Funktion kennen lernen, denn elektrische Motoren sind nicht gleich.

Das überrascht eigentlich nicht, denn wir haben drei unterschiedliche Motortypen, die verwendet werden. Mit der Art der Regelung und der Fahrleitungsspannung war auch der zu verwendende Motor vorgegeben. Baute man eine Lokomotive für Wechselstrom und regelte die Spannung mit Hüpfern war klar, dass der Motor ebenfalls mit Wechselstrom betrieben wurde. War ein Gleichrichter dazwischen geschaltet, kann ein Motor für Gleichstrom zur Anwendung. Drehstrom hatte wieder einen anderen Motor.

Deshalb gibt es drei Grundtypen. Damit Sie etwas überrascht sind, stelle ich die Motoren so vor, wie sie auch erschienen sind. Damit lernen wir auch etwas über die Entstehung dieser Motoren kennen. Daher darf ich Sie nun in der Welt der elektrischen Motoren begrüssen. Was Sie hier über den Motor einer Lokomotive kennen lernen, gilt eigentlich auch für den Motor in Ihrem Mixer. Der Aufbau ist identisch. Doch nun zum ersten Motor.

 

Der Gleichstrommotor

Nun, man könnte sich elegant aus der Affäre schummeln, wenn man behaupten würde, dass der gleiche Motor bei Gleich- und Wechselstrom verwendet wird. Das ist wirklich zu einfach um wahr zu sein. Aber es ist genau das, was stimmt, denn ein Wechselstrommotor könnte man unter Gleichstrom betreiben. Umgekehrt ist das jedoch nicht möglich. Daher haben wir einen Unterschied, den wir noch kennen lernen werden.

Gleichstrommotoren sind die ältesten Motoren die es gibt. Der erste elektrisch betriebene Zug der Welt fuhr mit Gleichstrom, also war auch ein Gleichstrommotor vorhanden. Er war für seine Leistung noch gross und funktionierte verblüffend einfach. Doch dazu später etwas mehr. Die Motoren für Gleichstrom funktionierten und so konnte man die ersten elektrischen Lokomotiven damit betreiben. Das hatte auch Auswirkungen auf den Bau der Fahrleitungen, denn die hing vom Entstehen der Motoren ab.

Die Entwicklung der Motoren für Gleichstrom war eine Arbeit von mehreren Leuten. 1860 wurde der erste funktionierende Motor für Gleichstrom gebaut. 1872 verbesserte man diesen Motor, so dass er die Form erhalten hat, die ich hier nun vorstellen werde. Letztlich fuhr 1879 der erste Zug, der von einer elektrischen Lokomotive gezogen wurde. Sie sehen, der Motor kann sehr schnell zur Eisenbahn und sorgte dort für Bewegung.

Letztlich wurde dieser Motor von Friedrich Franz Heinrich Phillip von Hefner-Altenbeck erschaffen. Von Hefner-Altenbeck wurde am 27. April 1848 bei Aschaffenburg geboren. Er entwickelte zusammen mit Werner von Siemens den Kollektor und somit den hier vorgestellten Motor. Es überrascht daher wenig, dass von Siemens mit dem ersten elektrischen Zug fuhr. Franz Heinrich Phillip von Hefner-Altenbeck verstarb am 6. Januar 1904 auf dem privaten Gut Biesdorf. Biesdorf gehörte Werner von Siemens und befand sich in der Nähe von Berlin.

Doch schauen wir uns diesen Gleichstrommotor etwas genauer an. Das erste was uns dabei auffällt, ist, dass der Motor aus zwei unterschiedlichen Bauteilen besteht und letztlich nur zu einem davon Kabel geführt werden. Dabei fällt auch auf, dass keine Kabel zu dem fest stehenden Teil des Motors führen und nur das drehende Bauteil angeschlossen wird. Doch damit wir die Funktion besser kennen lernen, beginnen wir mit dem stehenden Teil, dem Stator.

Der Stator: Der Stator bildet den äusseren fest stehenden Teil des Motors. Es steht daher stationär und bekam daher den Namen Stator. Diese Statoren sind bei allen Motoren vorhanden und sie verändern sich je nach verwendetem Stromsystem. Beim Modell für den Gleichstrom kommen stark magnetische Bauteile beim Stator zur Anwendung. Die Bauteile bestehen aus magnetisierten Eisen. Eine Entmagnetisierung dieses Eisens ist jedoch nicht vorgesehen.

Dieses durch den magnetischen Eisenkern des Stators erzeugte Magnetfeld, hat wie jedes Magnetfeld zwei Pole. So ist auf einer Seite der Pluspol und im gegenüber befindet sich der Negativpol.

Bei einem einfachen Motor reicht das aus. Jedoch kann man diese Pole erweitern und erhält so eine mehrpolige Version. Entscheidend ist, dass es immer die beiden Pole sind und sich diese richtig anordnen, denn nur so kann ein Motor korrekt arbeiten.

Sie werden es mit vermutlich nicht glauben, aber bei Gleichstrommotoren haben sich die Lösungen mit einem zweipoligen und daher speziell geformten Stator durchgesetzt.

Daher ist der Stator nahezu beliebig formbar, was den Aufbau bei den primitiven Werkzeugen von früher vereinfachte, daher kam es zur Situation, dass dieser Motor als erstes entwickelt wurde. Die restlichen Motoren waren etwas aufwendiger zum Bauen.

Mehr gibt es eigentlich zum Stator nicht zu sagen, denn klassisch aufgebaute Gleichstrommotoren arbeiten mit diesen festen Bauteilen. Eine weitere Lösung mit Spulen wird hier nicht benötigt, da man bei Gleichstrom eine feste Polarisierung hat und sich so ein festes Magnetfeld aufbauen würde. Daher wird der Stator sehr einfach aufgebaut und zeigt so eigentlich die Einfachheit dieses Motors auf. Wichtig ist, dass sich Plus und Minus immer gegenüber stehen.

Der Rotor: Auch hier ist es nicht schwer zu erraten, was für ein Bauteil wir vor uns haben. Es ist der rotierende Teil eines Motors und wird daher auch Rotor genannt. Auch in der Luftfahrt spricht man bei den rotierenden Teilen von einem Rotor, es ist daher ein universeller Begriff, der sich auch bei den Motoren und deren Bezeichnung durchsetzen konnte. Am Rotor wird die Welle angeschlossen, welche schliesslich den Antrieb der Lokomotive bewegt.

Der Rotor wird beim Gleichstrommotor als einziges Teil elektrisch versorgt. Dadurch wird die im Rotor befindliche Spule elektrisch erregt und es entsteht ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld baut sich, ähnlich wie beim Transformator, je nach Polung der Leiter auf und führt daher zu einem Magnetfeld. Die Polung zum Stator ist so, dass sich die Positiven und negativen Pole gegenüberstehen. Somit wollen sich diese Magnetfelder abstossen.

Das macht der Motor auch, weil der Rotor beweglich ist. Jedoch würde die Polung nach einer halben Umdrehung wieder stimmen. Daher müssen wir nun dafür sorgen, dass sich die Spule mit ihrem Magnetfeld wieder in die ursprüngliche Richtung umpolt. Nach dieser Umpolung haben wir wieder den ursprünglichen Zustand und der Motor dreht sich wiederum eine halbe Umdrehung. Wenn nun die Umpolung im Rotor dauernd ändert, beginnt sich der Rotor zu drehen.

Der Kollektor: Damit die Polung im Rotor immer abstossend ist, besitzt der Roter die Anschlüsse an einer zylindrischen Trommel. Diese Trommel nennt man korrekterweise Kollektor. In dem Kollektor werden die Anschlüsse der Spulen so gelegt, dass diese so ausgerichtet sind, dass der Rotor immer eine abstossende Polung hat. Der Rotor kann sich nun innerhalb des Stators drehen und so die Welle in Bewegung setzen. Er erreicht nie die passende Polung.

Die Leitungen, die zum Motor führen, werden am Kollektor über zwei Bürsten angeschlossen. Dieser Begriff hat mit den Bürsten, die Sie vielleicht zum Schuhe reinigen benötigen, nichts zu tun. Der Name kommt daher, dass diese Bauteile über den Kollektor gleiten und diesen so immer schön sauber und blank halten. Daher reinigen sie den Kollektor und werden deshalb als Bürste bezeichnet. Optisch unterscheiden sie sich jedoch von dem Modell zum Reinigen der Schuhe.

Es handelt sich beim Material für die Bürste meistens um Kohle, es können aber auch Geflechte aus Metall verwendet werden. Die Kohle ist weicher als der Kollektor und so wird die Abnützung an der Kohle erfolgen. Das führte dazu, dass sich der Anschluss mit Kohle durchsetzen konnte. Damit ist unser Motor richtig angeschlossen und kann sich nun frei drehen. Diese Bewegung überträgt sich auf die Welle und wir können den Antrieb bewegen. Die Lokomotive fährt.

Dabei funktioniert das Prinzip eigentlich ganz einfach. Das Magnetfeld im Rotor will sich immer an dem Magnetfeld des Stators ausrichten. Stimmt das nicht, dreht sich der Rotor so lange, bis es stimmt. Die Bürsten am Kollektor werden dadurch umgepolt und der gedrehte Rotor hat wiederum ein falsches Magnetfeld und muss sich wieder neu ausrichten. Das geht unendlich so weiter und der Rotor beginnt sich zu drehen, denn er erreicht die gewünschte Position nie.

Wir haben einen funktionierenden Motor für Gleichstrom erstellt. Er funktioniert, nur können wir damit noch nicht arbeiten. Warum das so ist? Wir können schlicht nicht wissen, in welche Richtung sich unser Motor dreht. Das ist reiner Zufall und kann weder durch den Strom noch durch die Spannung beeinflusst werden. Der Grund ist klar, der Rotor nimmt den kürzesten Weg um sich auszurichten. Der Motor ist für den Gebrauch deshalb noch ungeeignet, denn wir wollen klare Drehrichtungen erhalten.

Bestimmung der Drehrichtung: Bei kleinen Motoren löst man das mit einer simplen aber gut funktionierenden Lösung. Man hat bei den Rotoren eine ungerade Anzahl Pole. Diese sind so geschaltet, dass immer der Pol der in Richtung des Stators steht, eine abweisende Polung hat. Der Motor muss sich dadurch drehen. Die anderen Pole sind so gepolt, dass sie sich entweder um Positiven oder vom negativen Pol abstossen.

Der Motor erhält dadurch eine vorgegebene Drehrichtung. Diese kann sogar auf einfache Art geändert werden, denn der Rotor richtet sich im Magnetfeld immer auf die Grundpolung des Metalls aus. Die Drehrichtung wird dadurch durch die beiden nicht exakt ausgerichtet Pole vorgegeben. Polt man nun den Anschluss um, dreht der Motor in die andere Richtung. Der Motor funktioniert und kann sich in zwei Richtungen drehen.

Die Lösung mit den ungeraden Polen beim Rotor funktioniert recht gut. Jedoch kann man die Angelegenheit auch mit einer Spule beim Stator lösen. Diese Spule nennt man Wendepol. Dieser Wendepol steht leicht verschoben seitlich neben den Polen des Stators. Dadurch wird dem Rotor die Drehrichtung je nach Polung im Wendepol aufgezwungen. Wir können die Drehrichtung mit dem Wendepol bestimmen.

Wir haben einen funktionierenden Motor, der für die Eisenbahn geeignet ist, erhalten. Das heisst, der Gleichstrommotor war einfach zum entwickeln und er funktionierte eigentlich recht gut. Die Drehrichtung konnte man ebenfalls nach belieben wählen und so war es schnell klar, dass solche Motoren im grösseren Stil gebaut wurden. Dabei waren eigentlich nur die Kollektoren das Problem, denn je präziser diese gearbeitet werden konnten, desto kleiner und feiner konnten die Rotoren werden. Das bestimmt letztlich die Grösse und Leistung des Motors.

Der Wellenstrommotor: Bisher haben wir die Funktion des Motors unter den Bedingungen mit einem einfachen kontinuierlichen Gleichstrom betrachtet. Ist dieser jedoch aus einer Gleichrichtung von Wechselstrom entstanden, bilden sich Wellen, da die Halbwellen der Sinuskurve bleiben. Da dieser Motor nun auch mit diesen Wellen betrieben werden kann, bezeichnet man diesen Motor Wellenstrommotor.

Der Motor ist aber ein normaler Gleichstrommotor und könnte durchaus auch mit geglättetem Gleichstrom betrieben werden. Die Unterschiede zu unserem sehr einfach aufgebauten Motor sind überraschend gering. Wir haben nämlich mit dem Aufbau dieses Gleichstrommotors nichts anderes als einen Wellenstrommotor aufgebaut. Die Entwicklung dieser Motoren blieb natürlich nicht stehen und so gab es immer besser funktionierende Motoren für Gleichstrom.

Nur, kamen schon sehr bald neue und viel bessere Motoren auf den Markt. Noch wusste man damals nicht, dass man damit den perfekten Motor geschaffen hatte. Die Regelung bei den ersten Modellen war zwar schwer, aber man setzte diese Motoren bei der Eisenbahn ein und fuhr damit Züge. Ich spreche von den Motoren, die für den Betrieb unter Drehstrom gebaut wurden. Denn die kamen nach den Motoren für Gleichstrom.

 

Der Drehstrommotor

Nach den Erfolgen mit den Gleichstrommotoren und mit den Netzen mit Gleichstrom, begann sich der Drehstrom zu entwickeln. Hier gelang es einen funktionierenden Generator zu bauen. Damit konnten nun auch Netze mit Drehstrom aufgebaut werden. Was man jedoch noch nicht wusste war die Tatsache, dass man damit eigentlich auch schon den ersten Drehstrommotor hatte. Diese Entdeckung musste daher zuerst noch gemacht werden.

Drehstrommotoren sind wohl die besten und stabilsten elektrischen Motoren die es gibt. Man behauptet sogar, dass gewisse Drehstrommotoren auch ohne Wartung nicht zu zerstören seien. Das mag stimmen, nur muss man klar wissen, dass dies nicht für jeden Drehstrommotor gilt. Das mag überraschen, denn es gibt nur zwei Grundtypen und davon soll nur einer ohne Wartung auskommen. Das stimmt und damit erledigen wir erst noch den Schritt von Gleich- zu Wechselstrom.

Wenn wir die beiden Varianten der der Drehstrommotoren ansehen wollen, müssen wir, ob wir wollen oder nicht auch den Weg durch die Geschichte nehmen. Dabei stellt man fest, dass diese beiden Motoren innerhalb von zwei Jahren entwickelt wurden. Beginnen wir deshalb mit dem etwas älteren Modell der Motoren für Drehstrom und kommen dann erst zum besseren Modell. Sehen wir uns nun den Synchronmotor an.

Der Synchronmotor: Eigentlich dürften wir hier gar nicht von einem Motor sprechen, denn man kann auch von einer Synchronmaschine sprechen. Der Grund ist simpel, denn die genau gleichen Schaltungen werden auch bei einem Generator verwendet. Man kann diese Maschine daher sowohl als Motor, als auch als Generator verwenden. Änderungen an der Konstruktion sind dazu nicht einmal nötig. Doch wie kam es zu dem Motor?

Die Synchronmaschine, wie wir sie heute kennen, wurde von Charles Eugene Lancelot Brown 1887 entwickelt. Charles Brown wurde am 17. Juni 1863 in Winterthur geboren. Obwohl man es dem Namen nach nicht meinen könnte, war Brown ein Schweizer. Brown entwickelte die ersten Drehstrommaschinen weiter und verbesserte sie so. Zusammen mit Boveri bildete Charles Brown das erste B der Firma BBC, welche für Brown, Boveri und Cie steht. Charles Eugene Lancelot Brown verstarb am 2. Mai 1924 in Montagnola (Kanton Tessin).

Die drei Spulen im Stator erzeugen ein Drehfeld. Wie das geht? Ganz einfach, wir benennen die drei Spulen einfach 1, 2 und 3. Diese werden der Reihe nach mit der maximalen Spannung versorgt.

Sie wissen, dass dies bei Wechselstrom nur für einen kurzen Moment der Fall ist. Das Stichwort dabei lautet Sinuskurve. So erhält die Spule 1 bei 0° die maximale Spannung, Spule 2 erst bei 120° und letztlich Spule drei bei 240°. Bei 360°, haben wir wieder Null erreicht und es beginnt wieder von vorne. Es entsteht ein Drehfeld.

Dieses Drehfeld wird im Rotor ebenfalls erzeugt. Damit sind auch hier auf dem Rotor Spulen vorhanden. Wir haben also nun einen Motor, der an beiden Stellen eine Spule hat und daher ebenfalls einen Kollektor, der durch Brown auf dem Zylinder angeordnet wurde. Die Beschaltung in den Spulen ist so ausgelegt worden, dass sie dem Drehfeld des Stators synchronisiert folgten. Deshalb spricht man hier von einer Synchronmaschine.

Diese Synchronmotoren erzeugten automatisch Energie, wenn der Rotor bewegt wurde. Sie werden so zum Generator. Synchronmaschinen benötigen weiterhin einen Kollektor, denn nur so ist der saubere synchronisierte Betrieb möglich. Deshalb können Synchronmotoren nicht ohne Wartung auskommen, denn die Bürsten müssen regelmässig kontrolliert und erneuert werden. Geschieht das nicht, kommt es zu Schäden am Rotor. Doch kommen wir nun zum zweiten verbesserten Modell.

Der Asynchronmotor: Beim Asynchronmotor handelt es ich um eine Weiterentwicklung der Synchronmaschine. Der am 2. Januar 1862 in Gattschina Russland geborene Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski entwickelte den Asynchronmotor 1889. Damit schuf er den perfekten Motor. Doliwo-Dobrowolski verstarb am 15. November 1919 in Heidelberg. Er hinterliess uns den besten Motor, den es gibt.

Der Asynchronmotor ist sehr nahe mit dem Gleichstrommotor verwandt. Auch hier kommt ein permanentes Magnetfeld zur Anwendung. Der Unterschied liegt aber bei der Position, denn bei einem Asynchronmotor befindet sich das dauernde Magnetfeld nicht im Stator, sondern im Rotor. Sie haben richtig gelesen, das permanente Magnetfeld finden wir nun im Rotor. Durch benötigen wir keine Anschlüsse mehr.

Der Rotor wird beim Asynchronmotor auch Kurzschlussläufer genannt. Dieser etwas anders lautende Begriff erklärt deutlich, dass im Rotor ein unter Kurzschluss stehendes Magnetfeld entsteht. Hier liegt auch der Grund für die Bezeichnung des Motors, denn es entsteht eine kleine Verzögerung und der Rotor folgt dem Drehfeld nun etwas verzögert. Er läuft nicht synchron mit dem Drehfeld und ist daher eben asynchron, was dem Motor den Namen gab.

Beim Asynchronmotor versucht nun der mit einem dauernden Magnetfeld versehene Rotor dem Drehfeld zu folgen. So beginnt er automatisch zu drehen. Fehlt eine der Spulen, weiss der Rotor nicht in welche Richtung er drehen muss. Der Motor beginnt zu brummen, bewegt sich aber nicht und lässt sich auch nicht mehr bewegen, denn wegen der fehlenden dritten Spule fehlt das Drehfeld. Der Rotor richtet sich daher immer gleich aus.

Um den Vorteil des Asynchronmotors aufzuzeigen, müssen wir etwas ausholen. Bei jedem Motor, auch bei dem noch ausstehenden Wechselstrommotor, besteht das Hauptproblem beim Kollektor. Ein Kontakt im Kollektor wird immer nur sehr kurz mit dem maximalen Strom belastet, weil sich der Rotor dreht. Steht der Rotor ist der Kontakt dauernd belastet. Jetzt fliesst ein hoher Strom über die gleiche Stelle und der Kollektor wird beschädigt. Beim Asynchronmotor gibt es aber kein Kollektor.

Auch der Asynchronmotor kann sich ohne Umbau zu einem Generator wandeln. Wird die Welle bewegt, wird durch das permanente Magnetfeld in den Spulen ein Strom erzeugt. Wir haben einen Generator. Das erfolgt sogar automatisch, wenn sich der Rotor schneller dreht, als das Drehfeld. Der Motor schaltet automatisch um und muss daher um korrekt zu sein, als Asynchronmaschine bezeichnet werden. Doch sehen wir uns nun den Motor als Fahrmotor an.

Der Drehstromfahrmotor: Als Drehstromfahrmotoren für Lokomotiven werden sowohl Synchronmaschinen, als auch Asynchronmaschinen verwendet. Beide Motoren bieten bei der Eisenbahn den Vorteil, dass sie automatisch und ohne eine Änderung der Verdrahtung von einem Motor zu einem Generator werden können. Jedoch haben die Synchronmaschinen noch einen Kollektor, der regelmässig gewartet werden muss.

Da beim Asynchronmotor kein Kollektor vorhanden ist, wird er zum idealen Motor für Lokomotiven. Man kann sogar behaupten, dass der Asynchronmotor der ideale Drehstromfahrmotor ist. Er kann im Stillstand mit der vollen Leistung ohne Schaden betrieben werden und ist deshalb gut für Triebmotoren geeignet. Zudem ist bei dem Fahrmotor keine regelmässige Wartung nötig, was ihn im Unterhalt unschlagbar macht.

Das Problem beim Asynchronmotor ist, dass man diesen Motor nicht mit einphasigem Wechselstrom betreiben kann. Man musste zuerst eine Lösung dafür finden, bis man den Motor einsetzen konnte. Das schaffte erst die moderne Technik mit den Umrichtern. Dank den schrägt genuteten Kurzschlussläufern können die Drehzahlen der Drehstrommotoren mit Beeinflussung der Frequenz festgelegt werden. Mit unterschiedlicher Frequenz dreht sich das Drehfeld schneller oder langsamer.

Die schwere Regelung der ersten Fahrmotoren führte dazu, dass man Lokomotiven, die mit Wechselstrom betrieben wurden, mit speziellen für dieses System entwickelten Motoren ausrüstete. Noch wusste man nicht, dass man aus der Synchronmaschine auch einphasige Modelle bauen kann. Die Lokomotiven wurden daher mit den Motoren für Wechselstrom ausgerüstet. Daher sollten wir nun diesen Motor für Wechselstrom ansehen.

 

Der Wechselstrommotor

Willkommen in der wunderbaren Welt des Wechselstrommotors. Wir befinden uns nun bei einem der häufigsten Motoren die es überhaupt gibt. Ich behaupte einfach mal frech, dass es bei Ihnen zu Hause einen Wechselstrommotor gibt. Dabei werde ich vermutlich nicht mal falsch liegen, denn wer hat keinen Staubsauger? Genau, dort ist ein ganz normaler Wechselstrommotor eingebaut worden. Jedoch hatte er eine spannende Geschichte, die wir ansehen wollen.

Wer um 1900 etwas von Elektrotechnik verstand, oder zumindest glaubte davon etwas zu verstehen, wagte sich an einen Wechselstrommotor. Das System hatte sich durchgesetzt, aber noch fehlte ein Motor. Diesen Motor fand man schliesslich überraschend einfach. Man hatte ihn schon, wusste aber nicht, dass dem so war. Es wurden neue Ideen verwirklicht, die sich letztlich nicht durchsetzen konnten, weil der Motor schlicht zu kompliziert war.

Doch warum brauchte der Wechselstrommotor so lange, bis er entwickelt war? Man wusste beim Wechselstrom nicht, wie man die Probleme mit dem wechselnden Feld lösen konnte. Beim Motor für Gleichstrom hatte man das Problem nicht und beim Drehstrom konnte man mit einem Drehfeld arbeiten. Doch dort wusste man auch noch nicht, dass man den Motor leicht anpassen kann und dann einen Motor für Wechselstrom hat.

Es war schliesslich die Entdeckung, dass man den Motor für Gleichstrom anpassen konnte. Beide Teile, sowohl Stator, als auch Rotor mussten dabei mit einer Spule versehen sein. Schloss man die Spulen danach richtig an, hatte man einen einfachen und gut funktionierenden Motor. Genial war aber, dass dieser Motor weiterhin für Gleichstrom geeignet war. Man hatte einen Universalmotor, der sich Induktionsmotor nannte, erschaffen.

Der Durchbruch bei diesem Reihenschlussmotor gelang schliesslich Nikola Tesla. Damit hatte man einen funktionierenden und einfachen Motor erhalten. Was dann jedoch passierte, grenzt schon fast an ein Wunder, denn der neu erfundene Wechselstrommotor wurde in eine Lokomotive eingebaut. Die erste Lokomotive mit Triebmotoren für Wechselstrom, kam dann nur kurze Zeit später auf der Strecke zwischen Seebach und Wettingen zum Einsatz. So war es im Raum Zürich, wo die erste Wechselstromlokomotive der Welt verkehrte.

Der Seriemotor: Der Seriemotor war letztlich der Motor, der für die Eisenbahn ideal geeignet war. Zwar musste man gewisse Einschränkungen beachten, aber die konnten einfach gelöst werden. Seriemotor nennt man diesen Motor, weil die Spulen im Stator und im Rotor in Serie geschaltet wurden. Der weitere Aufbau entsprach hingegen dem Gleichstrommotor, wie wir ihn schon kennen gelernt haben.

Den Seriemotor nennt man auch Reihenschlussmotor. Dieser Name entstand, weil die Spulen statt in Serie, in Reihe geschaltet wurden. Es ist daher einfach eine etwas deutschere Version des Namens. Doch sehen wir uns nun diesen Motor mit zwei Spulen, die in Reihe angeschlossen werden, etwas genauer an. Dabei lernen wir den Seriemotor oder Reihenschlussmotor kennen und erfahren dann auch gleich, warum er auch bei Gleichstrom funktioniert.

Die beiden Spulen waren, wie es der Name schon sagt, einfach in Reihe geschaltet und so miteinander verbunden. Darin lag das Geheimnis dieses Motors. Die Spannung wurde dabei durch die Spule im Stator geleitet. So entstand dort das gewünschte Magnetfeld, der zweite Anschluss wurde zum Kollektor geführt und so an die Spule im Rotor angeschlossen. Danach ging es über den Kollektor zurück zum Kraftwerk. Das war die schlichte Schaltung der Reihenschlussmotoren, die eigentlich nicht mehr benötigten.

Für die Änderung der Drehrichtung hatte man auch hier zwei Lösungen. Man konnte einen Wendepol, wie beim Motor für Gleichstrom verwenden. Mit einer ungeraden Anzahl Spulen im Rotor musste jedoch die Spule des Stator umgekehrt angeschlossen werden. Dann dreht der Motor in die andere Richtung. Grosse Motoren arbeiten dabei meistens mit einem Wendepol, während bei kleinen Motoren aus Platzmangel die ungeraden Rotoren verwendet werden.

Dabei hatte der Reihenschlussmotor aber auch seine Vor- und Nachteile. Der Vorteil lag dabei klar in seinem stabilen Verhalten bei Kurzschlüssen. Bei einem Kurzschluss war er kaum zu zerstören und war deshalb gut für die Eisenbahn geeignet. Entstand ein Kurzschluss, schaltete die Lokomotive zwar aus, es kann aber nicht zu zusätzlichen Schäden am Fahrmotor. Die Reparatur konnte sich so nur auf den betroffenen Bereich beschränken. Trotzdem gab es einen Nachteil, den man lösen musste.

Der Nachteil des Seriemotors lag aber beim unbelasteten Motor. War der Motor ohne Last, begann er immer schneller zu drehen, dabei erreichte der Motor Drehzahlen, die durch den Kollektor nicht mehr beherrscht werden konnten. Der Kollektor flog buchstäblich auseinender und der Motor wurde zerstört. So musste man frei drehende Räder bei der Eisenbahn um jeden Preis verhindern. Das ging aber nicht so einfach, wie man meinen könnte und war nur mit der Höchstgeschwindigkeit zu regulieren.

Dieser Wechselstrommotor war letztlich der Motor, der sich bei der Eisenbahn durchsetzen konnte. Viele Lokomotiven waren damit ausgerüstet worden. So fand man schliesslich vom Gleichstrommotor über den Drehstrommotor den Weg zum Wechselstrommotor. Viele Jahre war der Motor für die Eisenbahn schlicht unverzichtbar. Sie glauben mir nicht. Die erste Lokomotive der schweizerischen Bundesbahnen SBB mit diesem Motor war ab 1919 im Einsatz. Die letzte Lokomotive mit diesen Motoren wurde 1985 an die SBB übergeben.

Spannend ist hingegen, dass man diesen Motor ohne Änderungen auch bei Gleichstrom verwenden kann. Der Strom durchfliesst die beiden Spulen und der Motor dreht sich.

Es bleibt dabei einfach der permanente Wechsel beim Magnetfeld aus. Wir haben einen Universalmotor geschaffen, der jedoch einen Kollektor hatte.

Schliesslich verschwand dieser Motor, als es gelang, Drehstrommotoren mit Hilfe der Umrichtertechnik zu verwenden.

Mit Hilfe des Umrichters konnte der Drehstrommotor und dort der Asynchronmotor endlich seine überlegenen Vorteile ausspielen, es verwundert deshalb nicht, dass in der Folge die anderen Motoren aus den Lokomotiven verschwanden.

Sie können sich daher einen einfachen Grundsatz merken. 90 Jahre lang gab es den Universalmotor und erst danach kam der Drehstrommotor.

Das stimmt nicht ganz genau, aber es soll ja auch nur eine Hilfe sein. Lokomotiven, die zwischen 1900 und 1990 gebaut wurden hatten meistens solche Motoren.

Bleibt eigentlich nur noch zu sagen, dass auch andere Motoren für Wechselstrom entwickelt wurden. Diese waren in ihrem Verhalten einfacher, mussten jedoch etwas komplizierter aufgebaut werden. Diese durchaus guten Motoren kamen jedoch bei der Eisenbahn nicht zum Einsatz, denn der Seriemotor war so einfach und so robust, dass man keinen anderen Motor mehr verbaute, vor allem dann, als man damit noch elektrisch bremsen konnte.

 

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