Nikola Tesla und der Drehstrom

Die historische Bedeutung des Erfinders Nikola Tesla wird im Zusammenhang mit dem von verschiedenen Forschern entdeckten Prinzip des elektrischen Drehstroms häufig ungenau, verfälscht oder auch völlig falsch dargestellt.

Ursache sind einerseits wirtschaftliche Interessen von Anbietern von Tesla-Literatur oder Tesla-Produkten, andererseits Bestrebungen nationalistischer serbischer und kroatischer Tesla-Bewunderer, die jeweils "ihren" Tesla aufwerten und vor Kritik schützen möchten. Hinzu kommen Anhänger pseudowissenschaftlicher Außenseiteransichten oder wissenschaftskritischer Ideologie, die den Studienabbrecher, aber gleichzeitig als Erfinder produktiven Sonderling Tesla als Vorbild und quasi als Zeuge benennen.

Das magnetische Drehfeld

Die Erfindung des durch mehrere getrennte Spulenwicklungen und mehrere Phasen erzeugten Drehfeldes fällt in die Zeit um 1885. Sie wurde vom Italiener Galileo Ferraris und von Nicola Tesla gemacht. Diese Erfindung war der Ausgangspunkt zur Erfindung entsprechender Mehrphasengeneratoren und Motoren.

Der einphasige Wechselstromgenerator

Dynamo von Søren Hjorth aus dem Jahre 1855

Tesla wird häufig als Erfinder des Wechselstromgenerators bezeichnet. Dieser wurde jedoch bereits vor seiner Geburt erfunden.

Die Grundlagen zur Nutzung von Wechselstrom wurden 1831 in England von Michael Faraday geschaffen, der die elektromagnetische Induktion entdeckte. Dadurch war es möglich, auf effektive Weise mechanische Leistung in elektrische Leistung umzusetzen. Die erste bekannt gewordene magneto-elektrische Wechselstrommaschine aus dem Jahr 1832 stammt vom französischen Instrumentenbauer Hippolyte Pixii. Der Generator bestand aus einem Hufeisenmagneten, der vor zwei hintereinander geschalteten Spulen rotierte. Dabei änderte sich das den Spulen zugeführte Magnetfeld und es wurde so eine Wechselspannung induziert. Da man zu dieser Zeit nur an Gleichstrom interessiert war, baute man einen Rotierenden Umschalter ein, der dann pulsierenden Gleichstrom lieferte. Ein erster Wechselstromgenerator für größere Leistungen mit Hufeisenmagneten wurde von dem belgischen Physiker und Erfinder Floris Nollet (1794-1853) im Jahre 1850 patentiert. Den Durchbruch erlebte der Generator nach Nollet im Jahre 1862 auf der Londoner Industrieausstellung.

Eine weitere Vorausetzung für effektive Wechselstromgeneratoren war die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips. Dieses wurde 1851 von dem dänischen Erfinder Søren Hjorth (1801-1870) entdeckt. Hjorth erhielt 1854 das erste Patent auf eine selbsterregte Dynamomaschine. Weitere Forschungen zum dynamoelektrischen Prinzip wurden 1861 vom ungarischen Physiker und Erfinder Ányos István Jedlik (auch Štefan Anián Jedlík oder Anton Štefan Jedlík, 1800-1895) betrieben. Bekannt wurde das Prinzip auch durch Werner Siemens im Jahre 1866. Eine größere Wirtschaftlichkeit wurde durch den Ersatz von Stahlmagneten durch selbst induzierende Elektromagnete erzielt.

Mehrphasen Wechselstromgenerator

Haselwander Dreiphasen-Drehstromgenerator (1887, Bild: Stadtarchiv Offenburg)

Zweiphasen-Generator nach Tesla (1893)

Die erstmalige Anwendung von mehrphasigem Wechselstrom ist mit mehreren Namen verbunden. Nikola Tesla soll sich einer Anekdote folgend, die in seinen Biographien häufig erwähnt wird, ab 1882 mit der Thematik von Mehrphasenströmen beschäftigt haben. Laut dieser von Biographen berichteten Legende soll er 1882 seinem Klassenkameraden Szigeti das Prinzip eines Mehrphasensystems in den Sand gemalt vorgestellt haben. 1887 reichte Tesla ein Patent zu einem Mehrphasengenerator und Mehrphasenmotor (2 Phasen) ein, das 1888 von Westinghouse aufgekauft wurde. Der Italiener Galileo Ferraris untersuchte bereits 1885 zweiphasige magnetische Wechselfelder (um 90 Grad versetzt) und führte eine öffentliche Vorstellung des Prinzips vor. Eine Beschreibung eines rotierenden magnetischen Wechselfeldes und eines darauf aufbauenden Motors erfolgte am 18. März 1888 vor der italienischen königlichen Akademie der Wissenschaften. Sie führte zu gerichtlichen Auseinandersetzungen mit Tesla-Patentaufkäufer Westinghouse, da Tesla ebenfalls die Entdeckung für sich beanspruchte. Das Tesla-Patent für einen Drehstrom-Wechselstrommotor mit der Nummer 381968 wurde erst nach dem Ferraris-Vortrag am 1. Mai 1888 erteilt, es war im November 1887 eingereicht worden. Nach Angaben des wissenschaftshistorischen Instituts der Universität Florenz (Italien) war Galileo Ferraris 1885 der Erstbeschreiber eines Drehfeldes. Im Werk "Alternating currents of electricity: their generation, measurement, distribution, and application" (1893) der Autoren Gisbert Kapp, William Stanley, Johnston wird Ferraris als erster Entdecker des Drehstrom angegeben (für das Jahr 1886)...This direction has been first indicated by Professor Galileo Ferraris, of Turin, some six years ago. Quite independent of Ferraris, the same discovery was also made by Nikola Tesla, of New York; and since the practical importance of the discovery has been recognized, quite a host of original discoverers have come forward, each claiming to be the first.. Weitere Quellen geben Ferraris und Tesla als gleichzeitige und unabhängige Erfinder an. Zahlreiche Internetprojekte beschäftigten sich mit der Frage nach der Urheberschaft.

Ein erster Dreiphasen-Stromgenerator wurde 1887 von dem deutschen Erfinder Friedrich August Haselwander (1859-1932) vorgestellt. Es handelte sich um einen Dreiphasenwechselstromgenerator, den er in der mechanischen Werkstatt der Firma Bilfinger entwickelte; dieser wurde ab 1887 drei Jahre in der Hutfabrik Adrion für Beleuchtungszwecke in Betrieb genommen. Die Post untersagte der Hutfabrik Adrion 1890 den weiteren Betrieb, da sie angeblich eine Telegrafenleitung störte. Den Generator führte Haselwander 1891 auf der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt vor. Er blieb jedoch ein Prototyp, den er noch zu Lebzeiten dem Deutschen Museum in München übergab, wo die Anlage sich bis heute befindet. Haselwander erhielt für seine Erfindung im Jahr 1889 ein Patent. Haselwander übertrug das Patent an eine ihn beschäftigende Firma "Wilhelm Lahmeyer & Co" in Frankfurt am Main. Als 1892 die AEG Lahmeyer übernahm, verlor Haselwander damit seine Patentrechte.

Tesla demonstrierte auf der Weltausstellung 1893 in Chicago einen eigenen Mehrphasen-Wechselstromgenerator. 1896 konnte Westinghouse an den Niagarafällen unter Nutzung der Wechselspannungspatente Teslas ein Zweiphasen-Wechselstromwasserkraftwerk errichten, was für die Einführung der Wechselspannungstechnik bei der Stromversorgung der USA entscheidend wurde.

Wechselstrom-Motoren

Wechselstrommotoren wurden im 19. Jahrhundert erfunden. Die Nutzung von Elektromotoren (Gleichstrom oder Wechselstrom) war jedoch im Gegensatz zu heute auf besondere Anwendungen begrenzt, etwa als Fahrstuhlmotoren. Für viele Betriebe der damaligen Zeit war es oftmals günstiger, Gasmotoren (in Städten gab es oft ein gut ausgebautes Gasleitungsnetz), Wasserkraft, Verbrennungsmotoren oder Dampfmaschinen einzusetzen.

• Einen ersten Zweiphasen-Wechselstrommotor baute der mit der ungarischen Firma Ganz als Berater verbundene italienische Physiker Galileo Ferraris im Frühjahr 1885. Es handelte sich dabei um eine Motorform, die später "Induktionsmotor" oder Asynchronmotor genannt wurde. Der Motor kam ohne Kommutator und ohne getrennte Erregung des Rotors aus. 1888 wurde bekannt, dass der Ferraris-Experimentiermotor bei einem Wirkungsgrad bei 50% knapp drei Watt Leistung hatte. Ferraris arbeitete offenbar mit einphasiger Wechselspannung und gewann die zweite Phase durch eine verlustbehaftete Phasenverschiebung. Bereits vor Ferraris hatte sich Marcel Deprez (1843-1918) mit Zweiphasen-Drehfeldern beschäftigt.
• 1887 entwickelte Friedrich Haselwander unabhängig von Ferraris einen Dreiphasen-Wechselstrommotor. Bedeutung erlangte die ursprünglich als Motor gedachte Maschine jedoch als Drehstromgenerator. Ein Patent wurde ihm verweigert. In Kommentaren ist später zu erfahren, dass offenbar die Patent-Gutachter das Drehstromverfahren nicht verstanden. Ein späterer Versuch, das Prinzip patentieren zu lassen, misslang, da Tesla inzwischen das Patent (1888) erhielt.
• 1888 erhielt Nikola Tesla Patente zu Mehrphasen-Generatoren und Motoren. Sein erster Motor zeigte bei einer Prüfung einen Wirkungsgrad von 50%. In den folgenden Jahren gelang es ihm, den Wirkungsgrad auf über 90% anzuheben.
• Einen dreiphasigen Asynchronmotor mit Käfigläufer baute auch 1889 Michael von Dolivo-Dobrowolski für die ihn beauftragende Firma AEG. Er prägte auch den Begriff Drehstrom. Zu Beginn der 90er Jahre des 19. Jahrhunderts wurden sowohl Motoren mit Schleifring- als auch mit Käfigläufern gefertigt.
• Mehrphasen-Synchronmotor.