L'ascensore elettromagnetico

Alla fine del XIX secolo, due inventori hanno gareggiato per produrre un precursore dell'odierno concetto di ascensore lineare.

Nell'ultimo decennio del 19° secolo, due ingegneri americani esplorarono indipendentemente l'uso degli elettromagneti come mezzo per alimentare gli ascensori. Questi sforzi, se considerati nel contesto dello sviluppo del motore lineare ad induzione, rivelano che, come nel caso degli ascensori progettati per muoversi verticalmente e orizzontalmente, le innovazioni contemporanee hanno spesso interessanti precedenti storici. Il lavoro separato ma quasi simultaneo intrapreso da questi ingegneri è anche parallelo agli eventi moderni in quanto un inventore ha cercato di applicare un sistema sviluppato per un treno elettromagnetico agli ascensori, mentre l'altro ha cercato di sviluppare un sistema specificamente progettato per i sistemi di trasporto verticale.

Nel dicembre 1893, Paul W. Leffler (1853-1914) di Chicago fondò la Leffler Electro-Magnetic Railway Co. Nel novembre dell'anno precedente, Leffler aveva depositato una domanda per il primo dei 10 brevetti che riguardavano il suo progetto per un treno alimentato da elettromagneti. Tra l'agosto 1895 e il marzo 1896, presentò sei domande di brevetto, cinque delle quali furono rilasciate nella stessa data: 22 dicembre 1896. Quest'ultimo gruppo includeva l'unico brevetto non ferroviario che perseguì durante questo periodo: "Ascensore elettrico" (Brevetto USA n. 573,820). Nella sua introduzione, Leffler ha fatto riferimento ai suoi brevetti ferroviari, osservando:

“In questi brevetti. . . Utilizzo un campo magnetico che si estende lungo la linea di marcia, che è prodotto da una serie di magneti distanziati l'uno dall'altro, con i membri adiacenti di polarità opposta, e un'armatura non rotante portata dall'auto in posizione per essere soggetta all'influenza di detto campo, i cui elettromagneti la cui armatura sono preferibilmente disposti in insiemi collegati in serie e posizionati in modo tale tra loro ed i magneti di campo che le forze magnetiche di attrazione e repulsione cooperano per spingere la vettura in una comune direzione. Per controllare e mantenere le corrette relazioni magnetiche tra il campo e i magneti dell'armatura, utilizzo anche. . . un meccanismo di cambio automatico dei poli applicato, preferibilmente, nelle connessioni circuitali per i magneti d'indotto. Nella mia presente invenzione, organizzo la combinazione di cui sopra, insieme ad alcune funzionalità aggiuntive, in un ascensore”.^[1]

L'"organizzazione" di Leffler del suo progetto ferroviario "in un ascensore" è stata espressa attraverso le 10 pagine di disegni del suo brevetto (contenenti 27 figure) e sei pagine e mezzo di testo. La sua presentazione dettagliata permette un esame approfondito del suo ascensore elettromagnetico.

Un'analisi del suo progetto rivela che ha tentato di produrre un ascensore il più normativo possibile. Leffler ha affermato che "l'ascensore può avere l'aspetto della normale forma simile a una gabbia".^[1] Riconobbe che gli aspetti più importanti del design dell'auto erano la piattaforma, i montanti, la traversa e la tavola di sicurezza, riferendosi a questi componenti rispettivamente come pavimento, giogo superiore, aste verticali e giogo inferiore. Ha affermato che l'auto sarebbe stata "sospesa e controbilanciata nel solito modo" (Figura 1).^[1] Il testo del suo brevetto implica che il contrappeso eguaglia il peso dell'auto, il che era alquanto insolito, poiché, negli anni 1890, la maggior parte degli ascensori utilizzava un sistema sbilanciato, con il contrappeso pari al peso dell'auto più metà del carico tipico.

Un altro aspetto insolito del suo design è stata la presenza nell'auto sia di un controller a leva manuale che di una fune per il trasporto. In genere, è stato utilizzato un solo sistema di controllo.

I componenti primari del sistema elettromagnetico di Leffler erano incorporati nelle rotaie di guida e nei montanti delle auto. Le rotaie di guida impiegavano un canale metallico a forma di U per alloggiare "una serie di espansioni polari sporgenti, su cui sono avvolte bobine magnetiche".^[1] Le espansioni polari erano coperte da barre di guida in ottone che fungevano da binari di guida letterali per l'auto (Figura 2). I lati del canale a forma di U sono stati dotati di listelli di legno che hanno fornito una superficie di presa per il dispositivo di sicurezza dell'ascensore. Le controparti delle espansioni polari della rotaia di guida erano alloggiate nei montanti della cabina (Figura 3). I montanti presentavano anche due coppie di "rulli di guida o di fissaggio flangiati". . . portati da pistoni scorrevoli con testa a giogo”, che erano dotati di molle per tenere i rulli “strettamente contro le barre di guida e ammortizzare la macchina in una posizione centrale tra i campi”.^[1] Un terzo componente critico, il commutatore, era situato sopra la traversa. Poiché il suo funzionamento era direttamente correlato alla velocità della vettura, l'azione del collettore era comandata “per mezzo di una fune passante su una puleggia, fissata all'estremità posteriore dell'albero-collettore, quindi su una guida-puleggia portata dalla parte posteriore bordo superiore dell'auto, e avendo entrambe le estremità tirate tese e fissate all'edificio o altro supporto fisso, con un'estremità sopra e l'altra estremità al di sotto dei limiti estremi della corsa dell'auto.^[1] Il funzionamento del commutatore somigliava molto a quello delle contemporanee sicurezze di sovravelocità; quindi, il suo design ha rappresentato un interessante adattamento della tecnologia degli ascensori esistente a un nuovo uso.

Il dispositivo di sicurezza di Leffler, che ha descritto come una "frizione di sicurezza", si trovava sotto l'auto. La sicurezza consisteva in “due aste o aste rocciose parallele trasversali, montate su cuscinetti. . . e provvisti alle loro estremità di camme di presa o pattini eccentrici, che, una volta rilasciati, impegnano i rivestimenti in legno” delle rotaie di guida (Figura 4).^[1] Le camme erano tenute lontane dai rivestimenti in legno da contatti elettrici che tenevano compresse le molle di sicurezza. Se l'auto perdesse energia elettrica, la sicurezza si attiverebbe automaticamente. Pertanto, la sicurezza di Leffler funzionava solo in caso di interruzione dell'alimentazione. Non avrebbe impedito all'auto di andare fuori velocità. Questa apparente svista era probabilmente dovuta alla sua convinzione che il suo design elettromagnetico consentisse un controllo così preciso dell'auto da non poter superare la velocità. Ha anche fatto affidamento su questo sistema per mantenere l'auto in posizione quando è stata fermata in un atterraggio. In altre parole, l'auto non era dotata di freno. Secondo Leffler, quando la leva di comando era in posizione "stop", "le forze di attrazione e repulsione (tra i magneti di campo) si neutralizzavano a vicenda e non avrebbero tendenza a spostare l'auto in nessuna delle direzioni".^[1] Un'esplorazione completa del funzionamento dettagliato di questo ascensore esula dallo scopo di questo articolo. Tuttavia, i lettori interessati possono esplorare questo sistema in modo più approfondito esaminando il brevetto di Leffler (vedi gli extra online di questo mese).

Mentre Leffler si avvicinò al suo progetto come un outsider del settore che cercava di adattare un sistema orizzontale al trasporto verticale, il suo rivale era direttamente collegato al settore degli ascensori. H. Russell Smith (nato nel 1864) si laureò in Ingegneria meccanica presso lo Stevens Institute nel 1888. Originario di Chicago, tornò a casa dopo la laurea e accettò un incarico presso l'appaltatore di pavimentazioni JB Smith & Co. Iniziò la sua carriera negli ascensori nel 1890, quando entrò nella Hale Elevator Co. come sovrintendente assistente alla costruzione. Nel 1894, lasciò la Hale per la Winslow Brothers Elevator Co., dove lavorò come ingegnere capo. Lasciò la Winslow Brothers nel 1897 e, dopo brevi periodi con la Morse, Williams & Co. e la Burdett-Rowntree Manufacturing Co., entrò nell'ufficio di Chicago della Otis nel 1900. Tra il 1894 e il 1898, ottenne cinque brevetti per ascensori, uno dei quali riguardava un progetto di ascensore elettromagnetico: "Electric Elevator", brevetto statunitense n. 549,542 (6 giugno 1896).

Il brevetto di Smith, con le sue tre immagini e quattro pagine di testo, offre un interessante studio in contrasto rispetto al brevetto di Leffler. I rendering dettagliati di quest'ultimo hanno un potere visivo chiaramente assente dai semplici disegni al tratto di Smith (Figura 5). Tuttavia, un esame del progetto di Smith rivela uno schema pratico basato sull'applicazione di un azionamento elettromagnetico a una tipologia di ascensore standard. L'ascensore di Smith è stato anche oggetto di due articoli illustrati. Il primo, "Smith's Electromagnetic Elevator", apparve nel numero del 19 dicembre 1896 di Elettricista occidentale, e la seconda, "Ascenseur Electro-Magnétique", apparve nel numero del 10 aprile 1897 di L'Electricien. Quest'ultima è stata una delle prime presentazioni di un sistema di azionamento a elettromagnete a un pubblico europeo. (Questi articoli e il brevetto di Smith sono stati inclusi anche come Extra online.)

Entrambi gli articoli rilevano che la fase di sviluppo del design dell'ascensore è avvenuta nello stabilimento Winslow Brothers di Chicago. I lavori iniziarono alla fine del 1895 o all'inizio del 1896. (La domanda di brevetto di Smith fu depositata nel marzo 1896.) A differenza dello schema di Leffler, in cui l'intero albero faceva parte del sistema di azionamento, Smith progettò un motore elettromagnetico che azionava l'auto attraverso un tipico albero . Il suo progetto è stato paragonato a quello di un ascensore idraulico verticale, con il “core” del motore elettromagnetico “corrispondente al pistone” e il nucleo cavo in cui viaggiava l'anima “corrispondente al cilindro” di un ascensore idraulico .^[2]

Il disegno del brevetto mostrava anche una puleggia moltiplicatrice, una caratteristica che si trova nelle macchine idrauliche. Come Leffler, Smith ha progettato un freno che si basava su una bobina elettrica e un magnete a stantuffo, che funzionava quando la corrente elettrica veniva interrotta dal freno. Tuttavia, il freno di Smith (non illustrato nel suo brevetto) era controllato dalla leva di comando dell'auto, che, quando spostata in posizione di arresto, azionava il freno. Il progetto è stato anche descritto come in grado di essere "completamente equipaggiato con i dispositivi di sicurezza migliorati utilizzati sulle vetture di tutti gli ascensori idraulici prodotti" da Winslow Brothers, che includeva un "semplice dispositivo situato nel portello della cabina [che porta automaticamente] la cabina fino all'arresto ai limiti superiore e inferiore della corsa se non fermato dall'operatore”.^[2]

Migliori Elettricista occidentale articolo, parti del quale potrebbero essere state scritte da Smith, riassumeva i vantaggi del suo progetto come segue:

“Dal punto di vista di un architetto o di un proprietario, l'ascensore elettromagnetico ha diversi vantaggi: non richiedendo spazio per le pompe, i serbatoi, i tubi e le valvole dell'ascensore idraulico, né per il motore, il tamburo o la vite della maggior parte degli ascensori elettrici, se dotato di un riduttore due a uno e con il nucleo sospeso dalle travi superiori dell'ascensore, non occuperà alcuno spazio, eccetto quello richiesto dalla cabina stessa... A causa della sua peculiarità costruzione, le dimensioni e la forma del motore magnetico sono tali da occupare nei piani attraverso i quali viaggia solo uno spazio circa uguale al corpo del cilindro di un ascensore idraulico a cilindro verticale.^[2]

Mentre la fiducia espressa in queste affermazioni echeggia la tipica iperbole pubblicitaria (e le affermazioni di Leffler nel suo brevetto), Smith e Winslow Brothers avevano un netto vantaggio rispetto al loro concorrente. L'impulso per l'articolo del 1896 fu la costruzione di successo di un prototipo perfettamente funzionante nella fabbrica dei fratelli Winslow (Figure 6 e 7). Sfortunatamente, la fotografia, che mostra la piattaforma della cabina, il "vano" e il motore, non indica l'altezza operativa dell'ascensore.

Gli sforzi immaginativi di Leffler e gli sforzi pratici di Smith, resi reali nel suo prototipo di macchina, rappresentano un'intensa esplosione di interesse per l'adattamento degli elettromagneti ai sistemi di azionamento degli ascensori. Sfortunatamente, la sfida di andare oltre il concetto e il modello di lavoro si è rivelata troppo difficile da superare e la ricerca dell'ascensore elettromagnetico è stata abbandonata. Tuttavia, mentre questi primi sforzi furono presto perduti nella storia, il loro recupero e presentazione qui serve come utile promemoria del fatto che spesso esistono precedenti per le innovazioni moderne e che la presenza del passato ci circonda, se sappiamo dove guardare.

Referenze
[1] Paul W. Leffler. "Ascensore elettrico", brevetto USA n. 573,820 (22 dicembre 1896).
[2] "L'ascensore elettromagnetico di Smith", Western Electrician (19 dicembre 1896).