Frank Sprague und seine Bedeutung für die Entwicklung von Aufzügen

Elektromotoren und ihre Anwendungen in der Personenbeförderung waren Frank Spragues Lebensinhalt. Nach seinem Abschluss an der U.S. Naval Academy und einem kurzen Einsatz auf Schiffen und in Europa schloss sich der junge Elektroingenieur Edisons Gruppe von Elektrikern, Mechanikern und Glasbläsern im Labor in Menlo Park an. Während Edison sich auf die Herstellung einer praktischen elektrischen Glühbirne konzentrierte, wollte Sprague einen Gleichstrommotor entwickeln, der die Drehzahl auch bei wechselnden Belastungen beibehalten würde. Edison war temperamentvoll, ließ sich aber auf diese Idee ein.

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Vor 1880 waren Elektromotoren wiederverwendete elektrische Generatoren, damals Dynamos genannt, die ihnen vorausgegangen waren. Es hatte sich herausgestellt, dass eine an die Ausgangsklemmen der Generatoren angelegte Spannung diese zum Drehen brachte. Diese Geräte liefen tatsächlich und konnten so konfiguriert werden, dass sie Arbeit verrichteten. Sprague hatte einige große Ideen. Ihm schwebte ein Gleichstrommotor vor, der einen Webstuhl, ein Hebezeug, eine Pumpe, ein Gebläse oder eine Werkzeugmaschine antreiben konnte. Sein größtes Ziel, das er schließlich verwirklichte, war der Bau leistungsfähiger und zuverlässiger Motoren, die die ineffizienten, rauchigen und gefährlichen Dampfmaschinen der damaligen Zeit ablösen und die Eisenbahn antreiben konnten.

Als Motoren umfunktionierte Dynamos gerieten bei starker Belastung ins Stocken, und während dies bei einigen Anwendungen keinen großen Unterschied machte, waren diese primitiven Geräte für andere Anwendungen nicht geeignet. Während der Betriebszeit war ein erfahrener Mechaniker erforderlich, um die Bürsten vor- oder zurückzuschalten und die Feldstärke für verschiedene Lasten und Drehzahlen einzustellen. Sprague zeigte zu diesem Zeitpunkt und während seines gesamten Lebens, dass Edison nicht das einzige elektrische und mechanische Genie war. Obwohl Sprague in der allgemeinen Vorstellung weniger Einfluss hatte als Edison, war er in vielerlei Hinsicht fortschrittlicher und einsichtiger. Sprague baute einen Elektromotor, der bei wechselnder Belastung eine konstante Geschwindigkeit beibehielt. Anstelle des mechanischen Reglers der Dampfmaschine verfügte Spragues Elektromotor über eine Umkehrwicklung, die die Feldstärke automatisch in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Belastung veränderte. Er löste das Problem der Bürstenposition nicht durch deren physische Bewegung, sondern durch die Drehung des Magnetfelds, um die erforderliche Ausrichtung zu erreichen.

Da Sprague für Edison arbeitete, gehörte der verbesserte Motorentwurf zu diesem Zeitpunkt Edison. Sprague sah offenbar die Zeichen der Zeit und reichte kurz darauf seine Kündigung ein. Während Edison seine Glühbirnen und sein Gleichstromerzeugungs- und -verteilungssystem weiterentwickelte, gründete Sprague nach elf Monaten Arbeit in Edisons Organisation die Sprague Electric Railway and Motor Company. Sein lebenslanges Projekt war es, den Schienenverkehr mit Hilfe von Elektromotoren zu bewegen. Dabei war er sehr erfolgreich und wurde unter Elektrikern und Transportarbeitern als „Vater der elektrischen Traktion“ bekannt. Er definierte diesen Begriff so, dass er sowohl die vertikale als auch die horizontale Traktion umfasste. Seine Arbeit an Aufzügen war ein relativ kurzes Zwischenspiel, aber ihre Wirkung war enorm.

Nachdem er einige schwierige frühe Straßenbahn- und Eisenbahnprojekte abgeschlossen hatte, wandte er sich 1889 der Konstruktion und dem Bau von Aufzügen zu.
Zusammen mit seinem alten Freund Ed Johnson und dem Aufzugshersteller Charles Pratt mietete Sprague ein Fabrikgebäude und gründete 1892 die Sprague Electric Elevator Company. Ed Johnson war der Rechts- und Finanzspezialist. Sprague lieferte das elektrische Fachwissen, und Pratt war der Maschinenbauingenieur. Gemeinsam planten sie, zwei sehr unterschiedliche Arten von Aufzügen anzubieten. Für niedrige Gebäude sollte ein herkömmlicher Trommelaufzug mit einem reversiblen Elektromotor mit einstellbarer Geschwindigkeit umgebaut werden, der die Dampfmaschine ersetzte.

Für Hochhausanwendungen würde eine schnellere Maschine aus einer großen, horizontal angeordneten Gewindestahlwelle bestehen, die über ein Getriebe von einem Elektromotor angetrieben wird. Eine große Mutter würde sich entlang der sich drehenden Welle bewegen und eine Seilrolle antreiben. Der Apparat funktionierte tatsächlich und beherrschte die Branche bis kurz vor der Jahrhundertwende. Nach dem Bau eines kleinen Prototyps in ihrem neuen Werk in Manhattan erhielt das Unternehmen den Auftrag, einen ähnlichen Aufzug im Grand Hotel in New York City zu installieren. Bei dieser Installation gab es Probleme. Das Steuerungssystem bot nicht die für einen Aufzug erforderliche reibungslose Leistung.

Spragues elektrisches Fachwissen wurde dabei stark beansprucht. Zunächst baute er ein verbessertes Widerstandsnetzwerk, das so genannte Gitter, für die Steuerung. Dies glättete die Aufzugsbewegung, aber das Widerstandsnetzwerk und der Steuerungsmechanismus erhitzten sich und die Kontakte mussten ersetzt werden. Der Aufzug wurde wieder in Betrieb genommen, aber nach einigen Tagen in einem oberen Stockwerk fiel die aufsteigende Kabine plötzlich ab, verdoppelte ihre Geschwindigkeit und kam nach dem Aufprall auf die Stoßstangen im unteren Stockwerk zum Stillstand. Glücklicherweise gab es keine Verletzten. Als Ursache wurde ein defekter Motor festgestellt, der den Umschalthebel in der Steuerung betätigte. Durch den plötzlichen Rückwärtsgang wurden die Sicherungen beschädigt, so dass der Fahrkorb umfallen konnte.

Schon bald wurden neu gestaltete Sicherheits- und Kontrollvorrichtungen installiert, und der Aufzug nahm seinen normalen Betrieb wieder auf. Das Netzwerkproblem war damit jedoch nicht gelöst. Schließlich baute und installierte das Unternehmen eine neue Steuerung mit schwereren Kontakten, aber das Problem blieb bestehen. Sprague entschied sich für ein Gusseisengitter, das sich langfristig bewährte. Das Grand Hotel stimmte dem Projekt zu, und die Sprague Electric Elevator Company wandte sich einem anderen Projekt zu, dem Postal Telegraph Building. Dieses sollte ganz in der Nähe am Broadway errichtet werden und weitaus größer und schneller sein als die Anlage im Grand Hotel. Es sollte vier Lokal- und zwei Expressaufzüge geben, die 14 Stockwerke über dem Straßenniveau liegen sollten.

Die riesige Schraube und der Mechanismus der beweglichen Mutter führten zu einer starken Belastung und erhöhten Reibung, die Sprague durch den Einbau von Stahlkugeln in den Muttern abmildern wollte. Nach Pannen und Verzögerungen hatte die Installation bei Tests einwandfrei funktioniert und konnte in Betrieb genommen werden. Es war ein prestigeträchtiges Projekt, und der Bauausschuss der Posttelegrafengesellschaft war sehr zufrieden. Doch leider befand sich das Land in einer schweren finanziellen Depression. Der Bau neuer Anlagen kam zum Stillstand, und die Aufträge blieben aus. Sprague, der nie nachließ, hatte einige Ideen zur Verbesserung der Sicherheit und Effizienz von Aufzügen, und die Konjunkturflaute gab ihm Zeit, daran zu arbeiten. Eine Innovation war die selbstzentrierende Totmannsteuerung“, die den Fahrkorb anhielt, wenn die Steuerung aus irgendeinem Grund vom Bediener losgelassen wurde.

Eine weitere Innovation war ein automatischer Aufzug mit Türverriegelung und Etagenausrichtung. Sprague blieb bei der Konstruktion mit Schrauben und Muttern, anstatt sich für einen verbesserten Traktionsantrieb zu entscheiden, der sich zusammen mit seinem Elektromotor als zukunftsweisend erwies. Das Geschäftsklima verbesserte sich, und bis 1895 stiegen die Auftragseingänge sprunghaft an, so dass das Unternehmen in eine größere Anlage auf der anderen Seite des Hudson River in New Jersey umzog. 1898 beschloss Sprague, sich wieder seiner ersten Liebe, der Elektrifizierung der Eisenbahn, zu widmen. Er verkaufte das Aufzugsgeschäft für 1.000.000 Dollar an Otis und behielt Lizenzrechte an zwei Dritteln des Auslandsgeschäfts von sowie das Recht, Anlagen und Ausrüstung für fünf Jahre zurückzuleasen. Mit dieser Transaktion war Sprague in der Welt der Aufzüge, in der Otis nun der wichtigste Akteur war, deutlich weniger präsent.