Der elektromagnetische Aufzug

Zwei Erfinder wetteiferten Ende des 19. Jahrhunderts um einen Vorläufer des heutigen Linearaufzugskonzepts.

Im letzten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts erforschten zwei amerikanische Ingenieure unabhängig voneinander die Verwendung von Elektromagneten als Mittel zum Antrieb von Aufzügen. Betrachtet man diese Bemühungen im Zusammenhang mit der Entwicklung des Linear-Induktionsmotors, so zeigt sich, dass zeitgenössische Innovationen, ähnlich wie bei Aufzügen für vertikale und horizontale Bewegungen, oft faszinierende historische Präzedenzfälle aufweisen. Die separate, aber fast gleichzeitige Arbeit dieser Ingenieure entspricht auch modernen Ereignissen, da ein Erfinder versuchte, ein für einen elektromagnetischen Zug entwickeltes System auf Aufzüge anzuwenden, während der andere versuchte, ein speziell für vertikale Transportsysteme entwickeltes System zu entwickeln.

Im Dezember 1893 gründete Paul W. Leffler (1853-1914) aus Chicago die Leffler Electro-Magnetic Railway Co Elektromagnete. Zwischen August 10 und März 1895 reichte er sechs Patentanmeldungen ein, von denen fünf am selben Tag, dem 1896. Dezember 22, ausgestellt wurden. Zu letzterer Gruppe gehörte das einzige nicht eisenbahnbezogene Patent, das er in dieser Zeit verfolgte: „Elektrischer Aufzug“ (US-Patent Nr. 1896). In seiner Einführung bezog sich Leffler auf seine Eisenbahnpatente und stellte fest:

„In diesen Patenten. . . Ich verwende ein Magnetfeld, das sich entlang der Fahrlinie erstreckt, das durch eine Reihe von voneinander beabstandeten Magneten erzeugt wird, wobei die benachbarten Elemente entgegengesetzter Polarität und ein nicht rotierender Anker, der vom Auto getragen wird, in Position ist, um dem Einfluss ausgesetzt zu sein des Feldes, deren Elektromagnete vorzugsweise in Reihen geschaltet und so zueinander und zu den Feldmagneten positioniert sind, dass die magnetischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte zusammenwirken, um das Auto in eine gemeinsame Richtung anzutreiben. Um die richtigen magnetischen Beziehungen zwischen dem Feld und den Ankermagneten zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten, verwende ich auch. . . ein automatischer Polumschaltmechanismus, der vorzugsweise in den Stromkreisverbindungen für die Ankermagnete verwendet wird. In meiner vorliegenden Erfindung organisiere ich die obige Kombination zusammen mit bestimmten zusätzlichen Merkmalen in einem Aufzug.“^[1].

Lefflers „Organisation“ seines Eisenbahnentwurfs „in einen Aufzug“ drückte sich in den zehn Seiten Zeichnungen (mit 10 Abbildungen) und sechseinhalb Seiten Text aus. Seine ausführliche Präsentation erlaubt eine gründliche Untersuchung seines elektromagnetischen Aufzugs.

Eine Analyse seines Entwurfs zeigt, dass er versuchte, einen möglichst normativen Aufzug zu produzieren. Leffler stellte fest, dass der "Aufzugwagen die gewöhnliche käfigartige Form hat".^[1]. Er erkannte, dass die wichtigsten Aspekte des Wagendesigns die Plattform, die Holme, das Querhaupt und die Sicherheitsplanke waren, und bezeichnete diese Komponenten als Boden, oberes Joch, vertikale Stangen bzw. unteres Joch. Er erklärte, das Auto werde „auf die übliche Weise aufgehängt und ausbalanciert“ (Abbildung 1).^[1]. Sein Patenttext besagt, dass das Gegengewicht dem Gewicht der Kabine entsprach, was etwas ungewöhnlich war, da in den 1890er Jahren die meisten Aufzüge ein übergewichtetes System verwendeten, wobei das Gegengewicht dem Gewicht der Kabine plus der Hälfte der typischen Last entsprach.

Ein weiterer ungewöhnlicher Aspekt seines Designs war das Vorhandensein sowohl einer Handhebelsteuerung als auch eines Transportseils im Auto. Typischerweise wurde nur ein Kontrollsystem verwendet.

Die Hauptkomponenten des elektromagnetischen Systems von Leffler wurden in die Führungsschienen und Wagenholme eingebettet. Die Führungsschienen verwendeten einen U-förmigen Metallkanal, um "eine Reihe von vorstehenden Polstücken aufzunehmen, auf denen Magnetspulen gewickelt sind".^[1]. Die Pole-Pieces waren mit Messing-Führungsstangen bedeckt, die als buchstäbliche Führungsschienen für den Wagen dienten (Abbildung 2). Die Seiten des U-förmigen Kanals wurden mit Holzleisten versehen, die eine Greiffläche für die Aufzugssicherung boten. Die Gegenstücke zu den Führungsschienen-Polstücken waren in den Wagenholmen untergebracht (Bild 3). Die Holme waren auch mit zwei Paaren von „geflanschten Führungs- oder Halterollen“ ausgestattet. . . getragen von gleitenden Kolben mit Jochkopf“, die mit Federn ausgestattet waren, um die Rollen „fest gegen die Führungsstangen zu halten und den Wagen in einer zentralen Position zwischen den Feldern federunterstützt“ zu halten.^[1]. Eine dritte kritische Komponente, der Kommutator, befand sich oben auf der Traverse. Da seine Funktion in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit des Wagens stand, wurde die Aktion des Kommutators durch "mittels eines Seils gesteuert, das über eine am hinteren Ende der Kommutatorwelle befestigte Scheibe und von dort über eine von der Rückseite getragene Führungsscheibe" geführt wurde Oberkante des Wagens, wobei beide Enden straff gezogen und an dem Gebäude oder einer anderen festen Stütze befestigt sind, wobei ein Ende oberhalb und das andere Ende unterhalb der äußersten Grenzen der Fahrt des Wagens liegt.^[1]. Der Betrieb des Kommutators ähnelte stark dem von zeitgenössischen Übergeschwindigkeitssicherungen; Somit stellte sein Entwurf eine interessante Anpassung der bestehenden Aufzugstechnik an eine neue Verwendung dar.

Lefflers Sicherheitsvorrichtung, die er als „Sicherheitskupplung“ bezeichnete, befand sich unter dem Auto. Die Sicherung bestand aus „zwei quer verlaufenden parallelen Felswellen oder -stangen, die in Lagern montiert waren. . . und an ihren Enden mit Greifnocken oder exzentrischen Reibklötzen versehen, die beim Loslassen in die Holzverkleidungen der Führungsschienen einrasten (Abbildung 4).^[1]. Die Nocken wurden durch elektrische Kontakte, die die Sicherheitsfedern zusammengedrückt hielten, von Holzverkleidungen ferngehalten. Wenn das Auto die Stromversorgung verliert, wird die Sicherung automatisch aktiviert. Somit funktionierte die Leffler-Sicherheit nur bei Stromausfall. Es hätte das Überdrehen des Autos nicht verhindert. Dieses offensichtliche Versehen war wahrscheinlich auf seine Überzeugung zurückzuführen, dass sein elektromagnetisches Design eine so präzise Kontrolle des Autos ermöglichte, dass es nicht überdrehen konnte. Er verließ sich auch auf dieses System, um das Auto an Ort und Stelle zu halten, wenn es bei einer Landung angehalten wurde. Mit anderen Worten, das Auto war nicht mit einer Bremse ausgestattet. Laut Leffler würden sich die Anziehungs- und Abstoßungskräfte (zwischen den Feldmagneten) gegenseitig neutralisieren, wenn sich der Steuerhebel in der Position „Stopp“ befand, und hätten keine Tendenz, das Auto in eine Richtung zu bewegen.^[1]. Eine vollständige Untersuchung der detaillierten Funktionsweise dieses Aufzugs würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Interessierte Leser können dieses System jedoch ausführlicher erkunden, indem sie das Patent von Leffler untersuchen (siehe die Online-Extras dieses Monats).

Während Leffler sein Design als Branchenfremder anging, der ein horizontales System an den vertikalen Transport anpassen wollte, war sein Rivale direkt mit der Aufzugsbranche verbunden. H. Russell Smith (Jahrgang 1864) schloss 1888 sein Studium des Maschinenbaus am Stevens Institute mit einem Bachelor ab. Der gebürtige Chicagoer kehrte nach seinem Abschluss nach Hause zurück und nahm eine Stelle beim Straßenbauunternehmen JB Smith & Co. an. Seine Karriere in der Aufzugsbranche begann er 1890, als er als stellvertretender Bauleiter bei der Hale Elevator Co. anfing. 1894 verließ er Hale und ging zu Winslow Brothers Elevator Co., wo er als Chefingenieur arbeitete. Er verließ Winslow Brothers im Jahr 1897 und trat nach kurzen Tätigkeiten bei Morse, Williams & Co. und Burdett-Rowntree Manufacturing Co. im Jahr 1900 in das Chicagoer Büro von Otis ein. Zwischen 1894 und 1898 erhielt er fünf Aufzugspatente, von denen eines die Konstruktion eines elektromagnetischen Aufzugs betraf: „Electric Elevator“, US-Patent Nr. 549,542 (6. Juni 1896).

Smiths Patent bietet mit seinen drei Bildern und vier Textseiten eine interessante Studie im Gegensatz zum Patent von Leffler. Die detaillierten Renderings des letzteren haben eine visuelle Kraft, die in Smiths einfachen Strichzeichnungen deutlich fehlt (Abbildung 5). Eine Untersuchung des Entwurfs von Smith offenbart jedoch ein praktisches Schema, das auf der Anwendung eines elektromagnetischen Antriebs auf eine Standard-Aufzugstypologie basiert. Smiths Aufzug war auch Gegenstand von zwei illustrierten Artikeln. Der erste, „Smith's Electromagnetic Elevator“, erschien in der Ausgabe vom 19. Dezember 1896 von Westlicher Elektriker, und der zweite, „Ascenseur Electro-Magnétique“, erschien in der Ausgabe vom 10. April 1897 von L'Électricien. Letzteres war eine der ersten Präsentationen eines elektromagnetischen Antriebssystems vor einem europäischen Publikum. (Diese Artikel und Smiths Patent wurden auch als Online-Extras aufgenommen.)

In beiden Artikeln wird darauf hingewiesen, dass die Entwicklungsphase des Aufzugs in der Fabrik von Winslow Brothers in Chicago stattfand. Die Arbeiten begannen Ende 1895 oder Anfang 1896. (Smiths Patentanmeldung wurde im März 1896 eingereicht.) Im Gegensatz zu Lefflers Schema, bei dem die gesamte Welle Teil des Antriebssystems war, entwarf Smith einen elektromagnetischen Motor, der das Auto über eine typische Welle antrieb . Seine Konstruktion wurde mit der eines vertikalen hydraulischen Aufzugs verglichen, bei dem das „Kernstück“ des elektromagnetischen Motors „dem Kolben entsprach“ und der hohle Kern, in dem sich das Kernstück „entsprechend dem Zylinder“ eines hydraulischen Aufzugs bewegte .^[2].

Die Patentzeichnung zeigte auch eine Multiplikationsscheibe, ein Merkmal, das in hydraulischen Maschinen zu finden ist. Wie Leffler entwarf Smith eine Bremse, die auf einer elektrischen Spule und einem Kolbenmagneten beruhte, die funktionierten, wenn der elektrische Strom von der Bremse unterbrochen wurde. Smiths Bremse (in seinem Patent nicht dargestellt) wurde jedoch durch den Fahrkorbsteuerhebel gesteuert, der, wenn er in die Stoppposition bewegt wurde, die Bremse aktivierte. Das Design wurde auch als fähig beschrieben, "vollständig mit den verbesserten Sicherheitsvorrichtungen ausgestattet zu sein, die an den Kabinen aller hergestellten hydraulischen Aufzüge verwendet werden" von Winslow Brothers, die eine "einfache Vorrichtung in der Kabinenluke [die das Auto automatisch bringt] enthalten". an der oberen und unteren Verfahrgrenze zum Stillstand kommen, wenn der Bediener nicht anhält.“^[2].

Das Westlicher Elektriker Artikel, der teilweise von Smith geschrieben wurde, fasst die Vorteile seines Designs wie folgt zusammen:

„Aus Sicht eines Architekten oder Bauherrn bietet der elektromagnetische Aufzug mehrere Vorteile: Er benötigt weder Platz für die Pumpen, Tanks, Rohre und Ventile eines hydraulischen Aufzugs noch für Motor, Trommel oder Schraube der meisten elektrischen Aufzüge. Bei einer Übersetzung von 2:1 und einem an den Deckenträgern des Aufzugs aufgehängten Kern beansprucht er – abgesehen von der Kabine selbst – überhaupt keinen Platz.“ Die Größe und Form des Magnetmotors ist so ausgelegt, dass er in den Stockwerken, durch die er sich bewegt, nur einen Raum einnimmt, der ungefähr dem Zylinderkörper eines vertikalen Zylinder-Hydraulikaufzugs entspricht.^[2].

Während das in diesen Aussagen zum Ausdruck gebrachte Vertrauen eine typische Werbeübertreibung widerspiegelt (und Lefflers Behauptungen in seinem Patent), hatten Smith und Winslow Brothers einen deutlichen Vorteil gegenüber ihrem Konkurrenten. Der Anstoß für den Artikel von 1896 war der erfolgreiche Bau eines voll funktionsfähigen Prototyps in der Fabrik von Winslow Brothers (Abbildungen 6 und 7). Leider zeigt das Foto, das die Kabinenplattform, den „Schacht“ und den Motor zeigt, nicht die Betriebshöhe des Aufzugs.

Lefflers fantasievolle Bemühungen und Smiths praktische Bemühungen – die in seinem Prototypen umgesetzt wurden – repräsentieren ein intensives Interesse an der Anpassung von Elektromagneten an Aufzugsantriebssysteme. Leider erwies sich die Herausforderung, über das Konzept und das Arbeitsmodell hinauszugehen, als zu schwierig zu bewältigen, und die Suche nach dem elektromagnetischen Aufzug wurde aufgegeben. Obwohl diese frühen Bemühungen bald in der Geschichte verloren gingen, dient ihre Wiederaufnahme und Präsentation hier als nützliche Erinnerung daran, dass es oft Präzedenzfälle für moderne Innovationen gibt und dass die Gegenwart der Vergangenheit uns umgibt – wenn wir wissen, wo wir suchen müssen.

Referenzen
[1] Paul W. Leffler. "Elektrischer Aufzug", US-Patent Nr. 573,820 22 (1896. Dezember XNUMX).
[2] „Smiths elektromagnetischer Aufzug“, Western Electrician (19. Dezember 1896).