“很好。”柳生点点头,“河合,由你亲自负责跟进,提供必要的便利,确保投资顺利落地,这是一个很好的开端。”
“是,总统大人。”河合随即退下。
外部危机暂时解除,柳生的精力可以更多地集中于国内发展。
大半年的外交和军事紧张消耗了不少时间,转眼间1869年已近年尾。
之前因局势不稳而搁置的一些长远计划,现在可以重新提上日程了。其中一项,就是他思考已久的电力应用。
电的概念和基础实验在18世纪就已出现,伏打电池、电磁感应等原理已被揭示,手动或蒸汽驱动的直流发电机雏形也已问世。
就在三年前(1866年),德国的西门子公司制成了基于自激原理的世界上第一台实用工业发电机。
柳生知道,电力即将引发第二次工业革命的浪潮,照明、动力、通信……其应用将深刻改变社会生产和生活面貌。
北海国起步晚,但在电力这个近乎全新的赛道上,差距并非不可逾越。
他决定亲自推动此事。
很快,柳生召集了国内一批最好的铁匠、机械工匠、以及少数几位接触过西方物理、化学知识的学者,组成了一个临时研发小组。
在总统府旁腾出的一个旧仓库改成的工坊里,柳生向这些充满好奇又带着困惑的人们阐述了他的构想。
“我们需要制造一种机器,它能持续、稳定地产生‘电’。”
柳生用尽可能通俗的语言解释,“原理并不复杂,让铜线圈在强大的磁场里快速旋转,切割磁力线,就能在线圈里激发出电流。
关键在于如何实现高效、持续的旋转,以及如何收集和输出这股电流。”
他依据记忆和有限的技术资料,绘制了简略的草图:一个可以绕轴旋转的转子(电枢),上面缠绕着绝缘铜线,在转子两侧布置固定的强力磁铁,通过皮带轮和传动机构,与一台小型蒸汽机连接,提供旋转动力。
还需要一个关键部件便是换向器(整流子),用来将转子线圈中产生的交变电流转换为方向不变的直流电输出。
这些知识对于这些技术人员来说都是全新的知识,他们对于柳生展示的内容一脸茫然。
柳生也只能放慢脚步,做一些小实验,为大家讲解电的概念。
接下来的日子里,柳生每天都会花上几个小时待在工坊里。
不过半个月,技术人员在柳生填鸭式得教导下总算理解了电是什么东西,也理解了发电机得构造。
接下来,便是实际的制作发电机了。
他并非亲自动手操作每一个环节,而是提出方向,让工匠们去尝试和解决具体问题。
“磁力需要足够强,尝试用最好的熟铁锻造磁极,然后用通强电流的线圈对其进行充磁。”柳生对负责铁器的老工匠说。
“铜线必须包裹上可靠的绝缘材料,亚麻油浸泡过的绸布或者橡胶,一层层仔细包裹,绝不能有任何裸露导致短路。”他叮嘱负责绕制线圈的技术人员。
“这个换向器的铜片必须光滑,与碳刷的接触要紧密但摩擦又不能太大,需要反复调试材料和角度。”他对制作精密部件的匠人提出要求。
工匠们按照他的指示,结合自己的经验,一点点地摸索。
磁铁的形状和充磁方法试验了许多次,才达到初步满意的磁场强度。
线圈的绕制方法和绝缘处理也失败了好几次,才找到相对可靠的工艺。
最麻烦的是换向器和碳刷,要么接触不良火花四溅,要么磨损太快,调整了无数次。
蒸汽机是现成的小型机器,被小心地安装在基座上,通过皮带驱动那台越来越复杂的“发电机”转子。
当一切初步组装完成,进行第一次联动测试时,所有人都屏住了呼吸。蒸汽机噗噗地运作起来,皮带带动转子开始旋转。
连接在输出端的两根铜线靠近时,并没有立刻出现预想中的稳定火花。
“怎么回事?”
“不应该啊!”
“快检查一下,看看问题出在哪?”
经过紧张的检查,发现是换向器接触仍有问题。
“快调整一下!”
“抱歉,我重新调整一下!”
在众人注视下,发电机在调整之后再次启动,当转子转速达到一定程度时,铜线末端短暂碰触的瞬间,终于爆发出了一小簇耀眼的、持续的电弧光。
“成功了!”工坊里爆发出一阵欢呼。
“我们居然掌握电!”
“总统大人太厉害了!”
尽管这台原型机还非常粗糙、笨重,输出极不稳定,效率低下,但它的确持续产生了可用的电流。
柳生看着那簇跳跃的电光,心中也松了一口气。
接下来需要改进设计、提高功率和稳定性、研究如何储存(蓄电池)。
有了蓄电池就可以解决鱼雷动力的问题,直接淘汰掉压缩空气动力,增加鱼雷的速度和动力!
同时还可以运用到其他的行业!
比如电话,电灯,发电厂等等。
基础的一步已经迈出,后续的问题都可以迎刃而解。
“各位,这是一个值得铭记的时刻,待到日后,我们的子民在看到电的时候,就会想起我们这些先辈得努力!”
“是总统大人带着我们制造了这一切!”
“总统大人万岁!”
柳生看着欢呼的技术人员,摆了摆手:“功劳是大家共同努力的结果。
但这仅仅是开始,这台原型机证明了方向正确,但离实用还差得很远。
它太笨重,输出不稳定,功率也太小,我们需要研发出真正能投入使用的发电机。”
他走到画板前,拿起炭笔,画出了两个不同的简化结构图。“接下来,我们要分两个方向同时推进。
一种是直流发电机,它输出的电流方向始终不变,就像河流始终朝着一个方向流淌。
另一种是交流发电机,它输出的电流方向会周期性地交替变化,像潮水一样来回涨落。”
他详细解释道:“直流电的优势在于易于储存,我们可以研究配套的蓄电池,将发出的直流电储存起来,在需要时使用。
这对于未来某些需要独立、便携电源的场合至关重要,比如……我们正在筹划的某些特殊水下武器的动力系统。
而且,直流电机也更容易控制转速。
但它的缺点也很明显,难以进行远距离输送,电压转换困难,随着距离增加,电力损耗会非常严重。”
“交流电则相反。”柳生指向另一张图,“它最大的优势是便于变换电压。
我们可以用变压器轻松升高电压进行远距离输送,大大减少线路损耗,到了用电地点再降低电压供用户使用。
这对于我们未来建立覆盖城镇的发电厂和输电网络是必不可少的。交流电机的结构也相对更简单、坚固。
但它不易储存,直接用于蓄电池充电需要先整流为直流。”
技术人员们听着这前所未闻的区分,既有茅塞顿开之感,又感到任务艰巨。
柳生随即进行了分组:“现在,我要把诸位分成两组,第一组,由机械经验最丰富的山本师傅牵头,重点攻关直流发电机,目标是提高输出稳定性、减小体积重量,并为下一步研制大容量铅酸蓄电池做准备。
第二组,由对电磁原理理解最深的学者小林先生负责,主攻交流发电机,关键是要设计出能够产生稳定正弦波交流电的绕组和结构,并同步开始研究升压和降压变压器的原理样机。”
被点名的山本师傅和小林先生立刻上前,躬身领命。
山本师傅语气郑重:“总统大人信任,将如此重任交付,我等必竭尽所能,做出可用的机器!”
小林先生也紧接着表态:“定不负所托,我会尽快厘清原理,造出样机。”
柳生点了点头:“好,我随时跟进你们的研究进度。
所需物料、人手,我会直接让土方总理申请调拨。”
“是!”两人齐声应道。
任务既已下达,分组后的研发工作便迅速展开。
直流电组在原型机基础上进行改进。
他们尝试优化磁路设计,采用更科学的H形或U形电磁铁。
这是由绕有线圈的软铁芯构成,通过转子自身发出的部分电流进行激励,即自激式。
这取代了效果不稳定的永磁体,这使得磁场强度大幅提升且可控。
电枢绕组从简单的环形改为效率更高的鼓形绕组,并严格优化了绝缘工艺。
换向器和碳刷依然是难点,小组试验了不同硬度的碳材、调整了铜片的数量和弧度,并增加了弹簧压力调节机构,终于使火花和磨损控制在可接受范围内。
经过数次迭代,一台体积更紧凑、在额定转速下能输出相对稳定数十伏直流电的改良型号被制造出来。
柳生指导他们开始尝试用木板和铅板浸泡在稀硫酸溶液中,制作最原始的铅酸蓄电池单元,进行充放电测试,虽然容量和寿命都很有限,但验证了储能的可能性。
交流电组的挑战则不同。
他们首先要彻底理解交流电的产生原理,设计出能产生接近正弦波形交流电的电枢绕组分布。
这需要大量的计算和试验。
小林先生带领组员反复绘制绕组展开图,调整线圈的节距和分布。
他们放弃了复杂的换向器,转子简化为在磁场中旋转的线圈,电流通过滑环和电刷引出,结构确实简单了许多。
但他们很快遇到了新问题:输出的交流电频率不稳,随蒸汽机转速波动。
柳生提出需要为驱动蒸汽机加装简单的离心式调速器,以稳定转速,进而稳定频率。
同时,变压器组也开始工作,他们用硅钢片制作铁芯,在上面绕制初级和次级线圈,验证变压原理。
硅钢片是在柳生的提议下使用的。
最初几个样机效率极低、发热严重,通过改善铁芯叠压工艺、减少间隙和使用更粗的纯铜导线,情况才逐步改善。
数月之后,两个小组都取得了阶段性成果。
直流发电机组已经可以制造出能够为一系列新组装的、基于碳弧原理的实验性“电灯”供电,并能对小型蓄电池组进行有效充电的实用化机型。
柳生特别关注蓄电池的进展,因为这直接关系到未来鱼雷动力从落后的压缩空气发动机,转向更紧凑高效的电动机的可行性。
交流发电机组则成功制造出一台能够输出频率相对稳定、电压可达百余伏的交流发电机原型。
与之配套的简易变压器也已能实现电压的开降转换,虽然损耗依然较大,但证明了远距离输电理论的可行性。
在柳生的指示下,交流电研发组的小林先生带领组员开始着手搭建一个小型的演示系统。
他们在工坊的一端固定好那台交流发电机,用皮带与调速蒸汽机相连。
发电机输出端首先连接到一台自制的升压变压器初级绕组。
这台升压变压器的铁芯由精心叠压的薄铁片构成,次级绕组使用了更细的漆包线,匝数远多于初级绕组。
从升压变压器次级引出的两根较细导线,被刻意拉长,缠绕在工坊内预设的几个瓷绝缘子上,模拟了一段约三十米长的“输电线路”。
线路的末端,连接着另一台结构相似但匝数比相反的降压变压器的初级绕组。
最后,从降压变压器次级引出的导线,连接着一盏他们能找到的最稳定的碳丝实验灯泡。
整个系统看起来复杂而脆弱,接线处都用绝缘胶布仔细包裹。
启动当天,所有参与电力项目的人员,包括直流组的山本师傅等人,都围拢在工坊内,屏息注视着。
“启动蒸汽机,缓慢提升转速至额定值。”小林先生声音有些紧绷地发出指令。
蒸汽机噗噗地开始运转,带动发电机转子旋转。
发电机发出逐渐增高的嗡鸣声。
升压变压器输入端电压表指针开始摆动。
“初级电压约80伏……次级电压……正在升高,超过300伏了!”负责监视仪表的组员报告。
电流通过那段模拟线路,流向远处的降压变压器。
大家的目光紧跟着线路,又聚焦到降压变压器和那盏孤零零的灯泡上。
降压变压器输出端的电压表也开始有了读数。
“次级电压……约75伏!”读数比预想的略低,说明线路存在损耗,但电压确实被有效地降低到了适合灯泡的范围。
最关键的时刻到来。
小林先生深吸一口气,亲自合上了连接灯泡的闸刀。
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