半小时后,特斯拉才从自己的忘我工作状态中解脱出来,犹如禅师入定结束,脸上带着意犹未尽的平静。
福特忙招呼特斯拉“看看是谁来了”,而后者转眼看见拉里之后,脸上都是惊讶和笑容,
“利文斯顿先生,您来了!太好了。来来来,请允许我给你介绍一下我和福特先生一起打造的这辆电力列车!”
说着话,他不由分说地拉着拉里,走到了那个缺少蒙皮、半裸着、仿佛半截火车头一样的巨大车辆旁边。
拉里走过去,绕着那辆车走了一圈。
“先要跟您说清楚,我们的这个宝贝……”福特跟在拉里身后,伸手拍了拍车身侧面的钢板,笑着说道,“可是跟外面那些妖艳的贱货截然不同……尽管他们都叫‘有轨电车’。”(注1)
拉里沉默的点了点头。
第一条商业运营的有轨电车线路是1888年在弗吉尼亚州里士满开通的,由弗兰克·斯普拉格设计,采用的是直流电机和架空电线供电系统。
目前,纽约、费城、旧金山都已经拥有了实验性的有轨电车网络。
这就是“斯普拉格的直流系统有轨电车系统”。
当时的典型车辆:单节车厢,载客量约40-50人,时速约10-15英里,由直流串励电机驱动,钢轨取电,电压通常在500-600伏、直流。
拉里和邓巴先生来纽约的时候,就坐过这种电车。
但此时的电车非常简陋,并且有令人非常头疼的问题。
首先,就是直流串励电机有换向器和碳刷。必须定期开回车库进行电机维修,且维护的时间和经济成本都十分恐怖;
其次,铺轨成本非常高昂,每英里超过1.2万美元,而且因为铺设在现有道路上,路基、碎石垫层、枕木、钢轨、道岔信号系统完全照搬火车,特别影响道路通畅;
第三,此时的电车车采用钢铁骨架加木板蒙皮,自重就达12到15吨,载客量40多人。但直流电机的效率不稳定,导致电力能耗极大。
福特的总结非常精辟,
“眼下市面上所有的有轨电车,全都是畸形的落后产物!它们沿用老旧的钢轨回流供电,路面砂石、积水就能阻断电路,漏电伤人的事故层出不穷;
同时,笨重的直流电机马力孱弱,爬坡无力、速度缓慢,全程都是慢悠悠占道行驶。”
“更致命的是,它们硬生生霸占城市主干道。因为钢轨霸占路面,它彻底堵死马车、未来汽车(福特在这里加重语气)的通行空间,导致人车混行、机轨争道,拥堵和事故从未断绝。这跟发展电车的目的是相悖的。
加上老旧钢架车身粗笨厚重、噪音震耳、颠簸剧烈,不仅乘坐体验极差,长期震动还会损毁路面,沿线房产价值不涨反跌。”
拉里重重点头,他知道此时电车的弊端。
所以,拉里和福特一开始要做的,就不是“改进”斯普拉格的系统,而是从底层架构上重新设计一套全新的电车系统。
“但我和特斯拉耗时两个月打磨出的东西,根本不是世人认知里的老式有轨电车。”
福特语气铿锵,带着极致的自信。
“这是一种全新的、轻型高速轨道列车,是完全跨时代的产物——更轻便、更快速、更安全、更节能,适配城市全域通勤,是真正属于未来的城市轻轨!”
说着,他指向特斯拉——电车的最核心的动力系统由特斯拉提供。
特斯拉兴奋地抄起扳手指着自己刚刚还在调教的那个大型电机,对拉里说道,
“我一直说,在电机领域,交流感应电机与现在的直流电机相比,是具有碾压优势的。这次福特先生让我来这里制造大型的电车马达,再次证明了这一点!”
说着,他用扳手轻轻敲了敲电机,
“我的电机没有电刷、没有换向器。转子是简单的鼠笼结构,没有任何滑动接触部件。理论上,只要轴承不坏,电机可以连续运行数万小时无须维护。
同时,交流感应电机在满载时效率约90%,在50%负荷时,效率仍有85%以上;甚至到25%负荷,仍然能保持80%的效率。这意味着整体能耗降低约25%!”
拉里扬了扬眉,问道“您这是采用的……变频技术?”
特斯拉一怔,随即摇头,“不是变频——交流感应电机的转速取决于电源频率,无法像直流电机那样简单地通过调节电压来调速。我采用的是一套不调速的方法。”
拉里好奇了,“什么方法?”
“双绕组感应电机!定子上有两套独立的绕组,一套是4极,同步转速1500,60赫兹;另一套是8极,同步转速750。通过切换绕组连接,可以实现“高速档”和“低速档”两种运行模式!”
特斯拉解释了半天,才让拉里这个中学学历的耶鲁副教授明白了这其中的工程原理。
经典的机械时代,没有电脑的辅助,用的完全是巧妙的构思和物尽其用的机械特性。
就如同詹氏车钩、就如同变速齿轮,都是用最简单的机械结构,实现巧妙复杂的机械原理。
特斯拉的这个双绕组感应电机也是一样。
此时的交流电机不能“变频”,但特斯拉的解决方案是——不调速。
或者说,用极少的档位来实现“准调速”。
起步时用8极绕组——因为那时要用低速、大转矩。转到巡航时,则切换到4极绕组,这样可以实现高速低转矩。再加上串联电阻的辅助启动——只在起步时使用,时间很短,不会过热。
这样就可以实现一套简单、可靠、无需变频器的交流驱动系统。
这套系统的缺点是只有两个固定速度档位,加减速不如直流电机平滑。但优点是极其简单、极其可靠、几乎不需要维护。
对于此时的直流轨道电车,无论是建造成本还是维护成本,它都是碾压性的优势。
关键是,采用特斯拉的交流输电系统,可以实现高压远距离传输,这意味着不需要像直流系统那样每隔2-3英里就建一座整流变电站,而可以在城市边缘建一座较大的交流变电站,用高压线沿线路输送,在每个分段用小型变压器降压。
这种分布式供电方案的基建成本比直流系统低约30%。
听完特斯拉的介绍,拉里非常满意!
既然让福特做有轨电车系统,拉里肯定不是让他重复发明轮子,而是要整合他脑中的超前思维、以及现有的最强工艺,改进发明一个充满了未来感、但又能用现有科技“攒出来”的超级轨道电车。
否则怎么向摩根交待?
特斯拉介绍完毕,轮到福特了。
他的主要功能其实是项目总包,但在具体的技术改进上,他也提出了自己的“超级方案”。
“利文斯顿先生!”福特的语调非常正式,像是在做演讲,
“借鉴您所说的标准化、通用化,还有您说的——模块化,在我设计的标准化底盘平台基础上,可以组装不同长度的车体。
30英尺的平台载客30人、40英尺的载客45人、50英尺的,则可以载客60人。所有机械部件——包括电机、转向架、制动系统——都是通用的,这样,就可以让维修备件种类大幅减少,运营商的维护成本随之降低。”
说到这里,福特压低了声音,笑着说,“……关键是,这样一改,就能使我们生产的成本极大地降低!这意味着利润率的攀升!”
拉里笑着点了点头,用眼神鼓励他继续说下去。
“斯普拉格的有轨电车使用的是钢板弹簧,乘坐体验非常差。我在汽车研究中预研了一种简单的橡胶气囊弹簧!就是用多层橡胶和帆布制成的气囊,充气到一定压力后作为弹性元件。这套系统虽然需要定期补气——大概每周一次,但乘坐舒适性远胜钢板弹簧,而且结构简单、成本低廉。”
福特很自豪地继续说道,
“另外,我认为斯普拉格有轨电车最大的问题,是采用60磅的标准轨。但这是为货运准备的!我认为可以采用35磅的轻型钢轨,这样就能配合更浅的路基和更小的枕木。轻型钢轨的承载能力足以支撑自重减轻后的交流电车,但材料用量减少了约40%,每英里轨道铺设成本可以大大降低……”
“能降低多少成本?”
拉里扬了扬眉。他之所以让福特把关,最重要就是福特是企业家,知道以控制成本为核心,这样避免了很多冗余设计,并且在产品里追求的方向就跟科学家、工程师的思维截然不同。
福特取出一份用坐标纸绘制的统计图,挂在了有轨电车上。这张图已经统计了他能想到的系统整合后的新有轨电车价格对比。
“您看,首先是铺设成本!”福特指着“每英里轨道铺设成本”的字样说道,
“从之前的1.2万至1.5万美元每英里,降至7000到8500美元,光这项就降低约40%!另外,每辆车的采购成本,也从5000美元,降低约30%,来到3500美元左右!”
“很好!”拉里高声赞道。
福特点头,又伸展手臂指向了特斯拉,继续说道,
“另外,由于特斯拉先生的杰出发明交感电机,除了降低车辆的造价,关键的是,我们还降低了运营成本。百公里电耗降低约30千瓦时,降幅达35%;年均维护停运次数减少80%……关键是,我们可以让电机大修间隔从6000小时延长3倍以上,达到2万小时以上!这是质的提高!”
“非常棒的方法!这套系统的核心优势在于:用交流感应电机替代直流电机,用轻型轨道和预制构件降低基建成本,用模块化设计实现批量生产……”