Elektrische Antriebstechnik aus neuer Sicht
Das Prinzip der asynchronen Energiewandlung

Diesen Artikel habe ich zur Ankündigung meines Vortrags über Elektrostatik am 18. Mai 2003 anläßlich des Kongresses “Dezentrale Energiesysteme” in Breisach/Freiburg geschrieben. Er ist im NET-Journal 3/4 2003 erschienen.
Es ist dies eine Zusammenfassung der wichtigsten Punkte des von mir entwickelten elektrostatischen Asynchronmotors.

Geschichtliches
Die ersten elektrischen Maschinen, wie wir sie heute kennen, wurden bereits zu Beginn des 18. Jahrhunderts, nach Entdeckung der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes gebaut. Es waren dies zuerst Gleichstrommaschinen, mit denen Thomas Alva Edison die ersten Versuche zur Elektrifizierung unternahm.
Nikola Tesla hat dann gegen Anfang des 19. Jahrhunderts durch die Einführung des Wechsel- und des Drehstromsystems einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der elektrischen Maschinen und zur Revolutionierung der Energieübertragung geleistet. So wird heute ausschließlich Wechselstrom übertragen und ein Großteil der elektrischen Maschinen sind Drehstrommaschinen.

Eines haben die meisten elektrischen Maschinen gemeinsam, sie nutzen magnetische Kräfte zur Energiewandlung. Nun ist aus der Elektrotechnik allgemein bekannt, dass es immer eine Dualität zwischen magnetischen und elektrischen Feld gibt. Es liegt also nahe, auch Maschinen zu bauen, welche die elektrostatische Kraft zur Energiewandlung nutzen.
Solche elektrostatischen Maschinen wurden vor allem in der Frühzeit der Elektrotechnik, etwa ab dem 16. Jahrhundert in verschiedensten Ausführungen gebaut, haben aber heute wegen ihrer geringen Leistungsdichte kaum eine praktische Anwendung gefunden.

Analogie Magnettechnik / Elektrostatik

Scheibenläufer  Walzenläufer
Analog zu den aus der Magnettechnik bekannten Gleichstrommaschinen mit Kommutator gibt es in der Elektrostatik Motoren wie z.B. den elektrostatischen Scheiben- oder Walzenläufer. Die Kommutation erfolgt hier über Sprühentladungen in der Luft und das ist keineswegs kontaktlos im elektrischen Sinn, auch wenn keine leitenden Teile den Rotor berühren.
Auf der Generatorseite gibt es die Gleichstromgeneratoren als Umkehrung des Motorprinzips. Auf elektrostatische Maschinen ist das nur bedingt anwendbar und so sind z.B. bei der Influenzmaschine zusätzliche Einrichtungen wie z.B. die Neutralisatoren nötig, damit sie als Generator funktionieren kann.

Weit verbreitet in der heutigen Antriebstechnik sind die drehstrombetriebenen Asynchronmotore mit Kurzschlussläufer. Diese Maschinen nutzen die induktive Übertragung des Wechselstromes auf den Rotor und arbeiten daher völlig kontaktlos. In der Elektrostatik fehlt aber eine dazu analog aufgebaute Maschine, alle elektrostatischen Maschinen arbeiten ausnahmslos mit Gleichstrom und benötigen eine Kommutation. Die große Revolution, die der Wechsel- und Drehstrom in der Magnettechnik auslöste, ist bisher in der Elektrostatik ausgeblieben. Vor allem die kontaktlose Übertragung der Leistung zum Rotor, die dann nur auf kapazitivem Wege erfolgen kann, fand nie Verwendung und das führt in der Freien Energieforschung zu großen Problemen im Verständnis der Testatika, die ebenfalls völlig kontaktlos arbeitet.

Elektrostatischer Asynchronmotor
Asynchronmotor Um zu zeigen, dass auch ein mit Wechselspannung betriebener, elektrostatischer Asynchronmotor machbar ist, habe ich dieses Modell gebaut (in der Abb. ohne Rotor dargestellt). Hierbei ist eine völlig kontaktlose, kapazitive Leistungsübertragung verwirklicht. Es kann problemlos eine isolierende Folie zwischen Stator und Rotor gelegt werden, ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Dieser Motor könnte ohne weiteres auch im Hochvakuum funktionieren, wo andere elektrostatische Maschinen ihren Ladungstrasportmechanismus über die Sprühentladungen verlieren würden.
Da es hier systembedingt keine Sprühentladungen gibt, hört man auch keine knisternden oder zischenden Geräusche, wie sie typisch für elektrostatische Maschinen sind. Dieser Motor läuft nur unter dem leisen Brummen der Trafos an und erreicht eine Drehzahl von über 600U/min.

Schaltungsbeschreibung
Schaltung Der linke Schaltungsteil hat die Aufgabe, aus dem einphasigen 230V Netz eine Drehspannung zu erzeugen. Dazu werden zwei Hochspannungstrafos mit Mittelpunkt verwendet, wovon einer über eine 90° Phasenschieberschaltung versorgt wird. Mit Hilfe des geerdeten Mittelpunktes liefert jeder Trafo zwei, um 180° versetzte Ausgangsspannungen und in Summe erhalten wir so eine 4-phasige Drehspannung.
Diese wird über Strombegrenzungswiderstände zum Schutz des Bedieners folgerichtig auf die 8 Platten des Stators gelegt. Dadurch ergibt sich ein elektrostatisches Drehfeld, dessen Maximum bei 50Hz Speisung mit 1500U/min über den 2poligen Stator umläuft. Durch Umpolen eines Trafos kann die Drehrichtung geändert werden. 

Beschaffenheit des Rotors

Um damit jetzt den Rotor zu beeinflussen, muss dieser speziell gebaut sein. Ausgegangen wird von einer segmentierten Scheibe, wie sie bei elektrostatischen Maschinen üblich ist.
Ein Segment bekommt, solange es isoliert ist, immer die gegenpolige Ladung influenziert, wird also vom Maximum des Feldzeigers angezogen und mitgenommen. Damit ist nur ein synchroner Lauf möglich und der Motor kann nicht von selbst anlaufen, weil beim Vorbeiziehen des Feldes an dem stehenden Rotorsegment zuerst eine Anziehung gegen die Drehrichtung und dann eine gleich große in Drehrichtung erfolgt.
Ein solches Prinzip hat auch nichts mit den Synchron- oder Asynchronmaschinen zu tun, weil es nur aufgrund der inhomogenen Leitfähigkeit des Rotors funktioniert. Dieser Effekt wird in der Magnettechnik beim Reluktanzmotor ausgenutzt, der z.B. in netzsynchronisierten Uhren Verwendung findet. Er wird oft mit einem Asynchronmotor verwechselt, weil er zum Anlauf einen Kurzschlusskäfig besitzt. Er läuft aber mit synchroner Drehzahl und kann diese nur aufgrund einer unterschiedlichen magnetischen Leitfähigkeit im Rotor, meist durch spezielle Formgebung, erreichen. Nichts anderes ist in der Elektrostatik eine Scheibe mit hinreichend großen Segmenten.
Wenn im Folgenden von Asynchronmotoren gesprochen wird, meine ich damit immer einen von der Leitfähigkeit her völlig homogenen Rotor, der zumindest theoretisch mit unendlich vielen und unendlich kleinen Segmenten versehen werden könnte. Praktisch wird das dann so ausgeführt, dass Rotor und Stator je eine unterschiedliche Anzahl an Segmenten aufweisen, hier 9 zu 8. Dadurch sind synchrone Effekte weitgehend unterdrückt.

Rotor Um daraus jetzt einen Asynchronmotor zu machen, müssen analog zum Kurzschlusskäfig in der Magnettechnik hochohmige Widerstände, hier 1GOhm (=1000MOhm), in Sternschaltung zwischen die Segmente gebracht werden.
Jetzt werden sie sich fragen, warum es denn Widerstände sein müssen, wo es doch Kurzschlussläufer heißt. Wenn alle Segmente miteinander verbunden werden, oder eine komplett leitfähige Scheibe verwendet wird, so wird der Rotor nur zum Stator hin gezogen, jedoch keine Rotation ausbilden.

Drehfelder und ohmsche Verluste

Die Tatsache, dass es ohne Widerstände genauso wenig funktioniert, wie mit einer komplett leitenden Scheibe zeigt, dass ein asynchroner Effekt immer gewisse Verluste benötigt. Für den Normalbetrieb von Asynchronmotoren sind diese Rotorverluste relativ gering und man findet sich im Allgemeinen damit ab. Nur bei sehr großen Antrieben wird die so genannte untersynchrone Stromrichterkaskade verwendet, welche die Rotorleistung über Schleifringe auskoppelt und mit einem Stromrichter in das Netz zurückspeist. Das ist notwendig, da die Frequenz auf dem Rotor, je nach Drehzahl, immer geringer ist, als die Netzfrequenz und somit eine direkte Rückspeisung unmöglich ist.
Diese Überlegungen zeigen uns, dass ein idealisierter, magnetischer Asynchronmotor mit einem Klasse 1 Supraleiter als Kurzschlussläufer überhaupt nicht funktionsfähig wäre. Ein Supraleiter ist ein 100%iger Diamagnet und das äußert sich so, dass er gegen ein äußeres Feld einen Gegenstrom aufbaut, der es neutralisiert. Die Kraftwirkung erfolgt so nur in radialer Richtung und es kann keine Drehung entstehen. Nur durch den teilweisen Abbau des Gegenstromes kann die Symmetrie im Drehfeld gebrochen werden.
Wenn ein Asynchronmotor also immer einen gewissen Verlust im Rotor benötigt, um eine Drehung hervorzubringen, kann man umgekehrt auch sagen, dass es durch Abziehen von Energie aus einem idealen Rotor zur Ausbildung der Rotation kommt. Dieser Ansatz ist für die Freie Energieforschung interessant, weil man dadurch in einen Bereich vorstoßen kann, in dem normale Motoren nicht arbeiten. Das Ziel wäre es, jenen Bereich, zwischen dem nicht lauffähigen, idealen Rotor und dem optimalen Betriebspunkt so zu nutzen, dass man die dafür nötigen Rotorverluste nicht in Widerständen umsetzt, sondern nach dem Vorbild der untersynchronen Stromrichterkaskade wieder in die Versorgung zurückspeist.
Jetzt wird auch klar, warum die Testatika elektrostatisch arbeiten muss. Denn nur in der Elektrostatik ist der ideale Rotor mit einfachen Mitteln, also ohne Supraleiter, machbar. Ein fast völlig verlustfreier Rotor ist hier einfach eine isolierende Scheibe mit leitenden Segmenten, die ohne Widerstände nicht lauffähig ist. In der Magnettechnik wäre es undenkbar einen solchen Rotor zu fertigen, selbst ein Kurzschlusskäfig aus Kupfer hat immer noch genügend Verluste, sodass es zur Rotation kommt. Der Begriff des Kurzschlussläufers sollte daher auch in der Magnettechnik auf Widerstandsläufer relativiert werden, sonst müsste man in der Elektrostatik auch "Leerlaufläufer" sagen.

Erklärung der Kraftwirkung

Funktionsprinzip Zur Erklärung der Funktion betrachten wir ein Segment des Rotors, das sich gerade in einer Stellung zwischen zwei Statorsegmenten befindet. Auf dieses Rotorsegment koppeln die beiden Statorphasen 1~ und 2~ über C1 und C2 kapazitiv an. U1 und U2 sind die um 90° verschobenen Spannungen des speisenden, 4-phasigen Drehstromsystems. Im Widerstand R addieren sich die Ströme i1 und i2 zum Gesamtstrom i. Dieser verursacht den Spannungsabfall UR. Mit UR lassen sich die Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 gemäß den Maschengleichungen U1=UC1+UR und U2=UC2+UR zusammensetzen. Dabei wird der für die Kraftwirkung so wichtige Effekt sichtbar. Durch die 90° Phasenverschiebung von U2 gegenüber U1 erfolgt die Addition bei UC2 in einem anderen Winkel, wodurch sich für UC2 eine größere Spannung ergibt. Da der Betrag von UC2 größer ist, als der von UC1, ist in dem Teilkondensator C2 auch die elektrostatische Anziehung größer, als die in C1. Das führt zu einer Bewegung des Rotors nach rechts, was auch der für dieses Beispiel zugrunde gelegten Drehfeldrichtung entspricht.

Vereinfacht könnte man sagen, dass sich das Segment beim Vorbeilaufen des Spannungsmaximums durch den Widerstand nur langsam auflädt und der aktuellen Spannung nicht unmittelbar folgen kann. Durch die verzögerte Ableitung bleibt ein Ladungsüberschuss übrig, der den Rotor ein Stück mitnimmt, bis die Überschussladung abgebaut ist.
Die Analogie dazu sind in der Magnettechnik die Wirbelströme. Deren Magnetfeld versucht immer, dem erzeugenden Feld entgegen zu wirken, stößt sich also von ihm ab. In realen, mit einem Widerstand behafteten Materialien, ist das aber nur für kurze Zeit möglich, da sich die Wirbelströme rasch abbauen. Dadurch wird es erst möglich, mit einem Magnet, den man über ein Kupferblech hinwegzieht, dieses ein Stück in Bewegungsrichtung mitzuziehen. Das funktioniert nur, weil auf der ablaufenden Seite die Wirbelströme schon geringer sind, als auf der dem Magneten zulaufenden Seite. Würde ein Supraleiter anstelle des Kupfers verwendet werden, dann wären die abstoßenden Kräfte auf beiden Seiten genau gleich groß, der Supraleiter würde zwar hin- und hergeworfen, in Summe aber nicht von der Stelle kommen.

Ausblick

Versuch = HF-Motor
Noch viel interessanter und ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Testatika, ist die Anspeisung des elektrostatischen Asynchronmotors mit Hochfrequenz. In dessen Aufbau gibt es kein Material, wie in der Magnettechnik das Eisen, dass verhindert, die Frequenz extrem zu erhöhen. Durch die HF-Speisung kann über die relativ geringen Kapazitäten zwischen Rotor und Stator eine viel größere Leistung auf den Rotor übertragen werden.
Erste Versuch in dieser Richtung haben gezeigt, dass mit Hilfe von zwei Teslatrafos als Hochspanner eine Leistung von über 100W bei 1MHz auf den Rotor gebracht werden kann. Aufgrund der viel schnelleren Umladung in den Segmenten müssen die Rotorwiderstände bis auf 100kOhm herabgesetzt werden, was fast die gesamte zugeführte Leistung in den Widerständen umsetzt. Hier muss das Prinzip der Leistungsrückspeisung unbedingt verwirklicht werden, um ihn wirtschaftlich betreiben zu können.
Die Schleifringe könnte man sich ersparen, indem man auf eine induktive Kopplung zur Leistungsabnahme zurückgreift. Eine weitere kapazitive Kopplung würde wieder nur auf den Stator zugreifen und nicht die Rotorleistung abnehmen. Ein solches Prinzip, der kapazitiven Leistungsaufbringung und induktiver Leistungsabnahme wurde bis jetzt noch nie bei elektrischen Maschinen verwirklicht.

Das Problem der unterschiedlichen Frequenzen könnte man sich vielleicht sogar zunutze machen, indem man beide Frequenzen miteinander überlagert. Aus der Addition der beiden hohen Frequenzen, die nur um die wenigen Hz der mechanischen Drehzahl auseinander liegen, ergibt sich eine Schwebung. Wie ich bei Versuchen mit einem magnetischen Schleifringläufer gezeigt habe, ist das Trägersignal hoher Frequenz dann mit der Differenzfrequenz amplitudenmoduliert. Wenn das phasenrichtig für alle Stränge des Drehstromsystems gemacht wird, läuft das Modulationsmaximum ebenfalls wie ein Drehfeld um den Stator um.
Das könnte dazu benutzt werden, um die Scheibe in den Generatorbetrieb zu bringen. Denn bei einem HF-Drehfeld hat man immer das Problem, dass die Scheibe aus mechanischen Gründen niemals in den übersynchronen Lauf kommen kann, der für den Generatorbetrieb aber unerlässlich ist. Mit der Differenzfrequenz haben wir aber ein sehr langsam rotierendes Drehfeld in Form des Modulationsmaximums, über das die Scheibe im synchronen Generatorbetrieb Leistung abgeben könnte.

Ein solches System wäre ein völlig neues Konzept für den Betrieb von elektrischen Maschinen. Über eine mechanische Leistungszuführung in die tiefe Schwebungsfrequenz könnten so zwei Schwingkreise auf einer weitaus höheren Frequenz erregt werden, als das von der Drehzahl her möglich wäre. Die Spulen in den Schwingkreisen würden dann die Selbsterregung des Generators übernehmen, analog zu der Erregung eines magnetischen Asynchrongenerators über Kondensatoren. Dies wäre ein rein mechanisch betriebener HF-Generator, ohne weitere aktive Bauteile wie Transistoren oder Röhren. Für mich scheint die Testatika genau ein solcher Generator zu sein, der die beschriebenen Prinzipien in einer elektrostatischen Drehfeldmaschine verwirklicht.

Ich hoffe, damit das oft diskutierte Thema der Testatika einmal aus anderer Sicht dargestellt zu haben und den einen oder anderen zum Nachbau von solchen unkonventionellen Maschinen angeregt zu haben. Genauere Angaben zum Nachbau finden sich auf meiner Homepage beim elektrostatischen Asynchronmotor.


  Ing. Harald Chmela, März 2003

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