变压器的发展历史
1变压器-感应线圈的原型
1888年，英国著名物理学家弗莱明(J.A.Fleming，1849-1945)在他的名著《交流变压器》( AC Transformer)的开篇就清楚地说:“在这一长串荒诞的调查者的头上站着法拉第和亨利这两个显赫的名字。真理的基石。由他们铺设完成的所有下属建筑者都已安于休息”(在一大批研究变形金刚的杰出人士中，领导者是巨人法拉第和亨利，他们奠定了真理的基石，而所有后来者都致力于建筑的完成)。
所以，追溯变压器的发明历史，还得从法拉第和亨利说起。
1831年8月29日，法拉第利用图1所示的实验装置进行了磁能发电实验。在图1中，圆环由7/8英寸的铁条制成，圆环的外径为6英寸；a是由三段24英尺长的铜线缠绕而成的线圈(三段可根据需要串联)；b是两个50英尺铜线制成的线圈(两个线圈可以串联)；1是电池；2是开关；3是电流检测器。实验中，当开关2闭合时，法拉第发现电流检测器3摆动，即线圈B和电流检测器3中有电流流动。换句话说，法拉第通过这个实验发现了电磁感应现象。法拉第用于这个实验的装置(法拉第感应线圈，图2)实际上是世界上第一个原型变压器。后来法拉第做了几次实验，同年6月28日10制成了第一台圆盘式DC发电机。同年，165438+10月24日，法拉第向英国皇家学会报告了他的实验和发现，这使得法拉第被公认为电磁感应现象的发现者，他也自然而然地成为了变压器的发明者。
但事实上，美国著名科学家亨利是第一个发明变压器的人。1830年8月，时任纽约奥尔邦学院教授的亨利利用学院放假时间，用如图3所示的实验装置进行了磁能发电实验。当他合上开关K时，发现检流计P的指针在摆动。打开开关K，发现检流计P的指针反方向摆动。在实验中，当开关K接通时，亨利还观察到线圈B两端之间有火花产生，亨利还发现，通过改变线圈A和B的匝数，可以把大强度的电流变成小数量的电流，小电流也可以变成大电流。其实亨利的实验是一个非常直观的电磁感应现象的重点实验，亨利的实验装置其实是一个变压器的原型。然而，亨利很谨慎。他不急于公布他的实验结果。他想做更多的实验。但是，假期已经过去了，他只好把这件事放在一边。后来他进行了多次实验，直到1832，他的实验论文才发表在第7期《美国科学与艺术杂志》上..但在此之前，法拉第先公布了他的电磁感应实验，介绍了他的实验装置，所以电磁感应现象的发明权只能属于法拉第，变压器的发明权也是违法的。虽然亨利不幸错过了电磁感应现象的发现权和变压器的发明权，但他对电学和变压器发明的贡献是有目共睹的。特别值得一提的是，亨利实验装置比法拉第感应线圈更接近现代的万能变压器。
首先公布了他的电磁感应实验，介绍了他的实验装置。所以电磁感应现象的发明权只能属于法拉第，变压器的发明权也是非法拉迪。虽然亨利不幸错过了电磁感应现象的发现权和变压器的发明权，但他对电学和变压器发明的贡献是有目共睹的。特别值得一提的是，亨利实验装置比法拉第感应线圈更接近现代的万能变压器。？
根据现代变压器的原理，法拉第感应线圈是单芯闭合磁路双绕组变压器。因为当时没有交流电源，所以是原始的脉冲变压器，而亨利变压器是原始的双芯开路磁路双绕组脉冲变压器。
1835年，美国物理学家佩奇(C.J. Page，1812 ~ 1868)做出了如图4所示的感应线圈。这个线圈是世界上第一个自耦变压器，它利用自动锤的振动使水银接通或断开电路。次级线圈中感应的电动势能使4.5英寸长的真空管产生电火花。
1837年，英国牧师N.J.Callan将Page transformer一分为二，没有电气连接(图5)。当开关M接通，线圈A的电路断开时，线圈b的两端之间就会产生火花。
和法拉第、亨利的变压器一样，佩奇和卡兰的变压器都是靠间歇性DC工作的装置，只能用于实验观察，没有实际应用价值。
德国技师H.D .科尔夫(1803 ~ 1877)是变压器发明史上的伟大贡献者。他出生在德国，后来定居巴黎，并建立了自己的精密机械制造车间。朗姆·科尔夫在理论上没有任何建树，但他善于研究别人的建议并利用自己的聪明才智付诸实践，做出了一些优秀的感应线圈。1842年，在Masson和Brequet的指导下，开始研究卡兰变压器。第一个感应线圈是在1850年制造的。1851年，他提出了第一个感应火花线圈(变压器)专利。Rum kolff感应线圈如图6和7所示。铁芯由软铁丝制成，初级线圈缠绕在铁芯上，次级线圈缠绕在初级线圈上。初级线圈由蓄电池供电，水银开关通过磁化的铁芯机构反复通断，使初级侧线圈通以脉动DC反复改变方向。次级线圈中感应出交流电。与之前的感应线圈相比，Rum kolff感应线圈有了很大的改进。首先，二次线圈的绝缘更可靠，线圈用漆包铜线绕制，线圈层用纸或漆绝缘，二次线圈和一次线圈之间用玻璃管隔开；其次，Rum kolff利用E.English和C.Bright的发明，把次级线圈分成几段，彼此分开，然后串在一起。这可以使电位差最大的点(出口端子S-S)之间的距离最远。后来Rum kolff对线圈进行了改进，比如将之前使用的水银开关改为酒精开关，既能消除开关火花，又能防止氧化；此外，他还在初级线圈上连接了一个电容器，以增加感应电压。由于其高功率，Rum kolff线圈不仅可用于实验，还可用于放电治疗。所以可以说Rum kolff感应线圈是第一个具有实用价值的变压器。
为了获得更大的火花，1856年，英国电工瓦利(C.F. Varley，1828 ~ 1883)也对卡兰变压器进行了改进。他用一个双刀双掷开关来回改变电流方向，使线圈A中的电流交替改变方向，在线圈b中感应出交流电，在1862年，Morris，Weave和Moncktom获得了利用感应线圈产生交流电的专利。
1868年，英国物理学家格罗夫(W.R. Grove，1811 ~ 1896)用图9所示的装置将交流电源V与线圈A相连，在线圈b中获得了不同电压的交流电流，所以格罗夫感应线圈实际上是世界上第一台交流变压器。
在格罗夫之后，许多人对感应线圈进行了研究，并提出了一些改进建议。比如美国人J.B.Fuller在65438-2009年对感应线圈做了一个70年代初的理论研究，提出感应线圈应该采用闭合铁芯，初级线圈应该并联，而不是像当时大多数感应线圈使用的那样串联。但是他的想法只在他去世前和他的老板谈过，直到他去世后不久他的手稿被发现。1879年2月，人们整理出版了他的手稿，他关于感应线圈的设想公之于众。
1876年，俄罗斯物理学家亚布洛赫科夫(лняълочков，1847 ~ 1894)。这个感应线圈实际上是一个单相变压器，没有闭合铁芯。
1882年，俄罗斯工程师ифUsagin在莫斯科首次展出了带升压和降压感应线圈的高压变压器。
2戈兰德-吉布斯二次发电机
19年80年代以后，交流电进入人类社会生活，变压器的原理也被很多人了解。人们很自然地想到在实际交流电路中使用变压器。法国的l . Gaul land(1850 ~ 1888)和英国的J.D.Gibbs在这方面先行一步，做出了巨大贡献。1882 12年9月3日，他们在英国申请了第一个感应线圈及其供电系统的专利(℞. 4362)，他们把这种感应线圈称为“二次发电机”。图12是戈兰德-吉布斯二次发生器的示意图。初级绕组的数量与次级绕组的数量之比为1: 1。一次绕组串联，二次绕组分成几段，分别接电灯1。Gorland-Gibbs二次发生器(变压器)是一种开路铁心变压器，通过推拉铁心来控制电压，对于一次线圈他们仍然坚持串联(虽然麦克斯韦在1865中证明了如果一次线圈串联，二次电压不能单独控制)。
1882，100年10月7日，他们制作了第一台3000V/100V二次发电机，1983年，他们制作了一台容量约为5kVA的二次发电机，在伦敦郊外的一个小型电工展览会上展出。当时他们为伦敦城市铁路提供了几台小型变压器。1884年，他们在意大利都灵展出了他们的变压器，并进行交流远距离输电。采用开放式磁路变压器串联交流输电系统，将30kW、133Hz的交流电输送到40km的距离。当年他们也卖过几个类似的变压器，是卖给意大利物理学家费拉里斯(1847 ~ 1897)的实验变压器。变压器铁芯是由铁丝组成的开路铁芯。初级线圈由0.25毫米厚的铜片缠绕的445圈(匝)组成，但它们在高度方向上被分成四段。次级线圈的四段通过前面的插头串联或并联，从而改变次级线圈的输出电压。另一个高Rand-Gibbs二次发电机，这个二次发电机可以通过调节输出电压来改变输出功率。
1884年3月4日，Gorland和Gibbs在美国申请了第一个关于开路铁心变压器的专利(℞. 297924)“产生和利用二次电流的装置”；
1885年，Gorland和Gibbs受到Guntz工厂变压器的启发，研究闭路铁芯结构的变压器。1886年3月6日，他们在美国申请了闭合磁路变压器专利(℞. 351589)。1886闭路铁芯戈兰德-吉布斯二次发电机。
齐伯罗夫斯基-德里-布拉什(Z-D-B)变压器
虽然Gorland-Gibbs二次发生器(变压器)开拓了变压器的实际应用领域，但这种变压器在前期存在一些固有的缺点，如铁芯开路、一次绕组串联等。匈牙利Ganz工厂的三位年轻工程师Blache (O.T. Blathy，1860 ~ 1939)和c . Zipernowsky(1853 ~ 1942)首先对此提出质疑并进行改进。
Blache于1883进入Gonz工厂，长期担任技术总监。他一生中做出了许多发明，获得了100多项专利，包括变压器、调压器、汽轮发电机等。Blache是最早研究交流发电机并联运行的人之一，他还发明了许多电机设计程序和设计计算方法。此外，他在1885中首次引入了“变压器”一词。这个简洁生动的术语很快被人们认识和接受，很快取代了以前的“感应线圈”、“次级发电机”等术语，一直沿用至今。
Zibonovsky是Gunz工厂电气部门的创始人之一，该工厂成立于1878。从65438到0893，他被任命为匈牙利布达佩斯技术大学的电学教授。他一生获得了40多项专利，并担任了30年的匈牙利电工学会主席。
德里在1882加入了冈萨雷斯工厂。他在销售部工作了很长时间，但他对电机和变压器很了解。他曾经设计了复合励磁交流发电机，并发明了以他的名字命名的双刷排斥电机——德里电机。
1884年，意大利都灵科技博览会举行。来自Blache和Gonz工厂的一组技术人员参观了博览会，并看到了展出的Gorland-Gibbs二次发电机。当时，Blache敏锐地意识到了这种二次发电机的巨大发展前景，并注意到了这种变压器的优缺点。在博览会上，布拉切曾问高兰德:“你的二次发电机为什么不用闭路铁芯？”高兰德不假思索地回答:“用闭路铁芯很危险，很不经济。”
1884年7月，布拉切从都灵回到布达佩斯后，立即把在都灵博览会上的所见所闻告诉了齐伯洛夫斯基和达里，他们决定立即进行变压器改进实验。Blache建议使用闭路铁芯，Zibnovsky建议将一次绕组的串联改为并联，并和德里一起进行了研究实验。1884年8月7日，他们在冈茨工厂的实验杂志上推出了闭合磁路铁芯的变压器(图18)。
1884年冬天，德里在维也纳贸易联合会上展示了他们的发明。1885 65438+10月2日，Zibernowski和德里在奥地利申请了第一个关于变压器并联运行的专利(℞. 37/101)。同年2月2日，他们三人在奥地利和德国申请了第二项变压器专利(奥地利专利℞. 35/2446，德国专利℞. 40414)。
1884年9月由Gonz厂制造的第一台变压器(1400W，f=Hz，120/72V，变比1.67)为单相外壳闭路铁芯(铁丝)变压器。同年，Gonz工厂还制造了其他四种变压器。
5月1885，1，匈牙利布拉佩斯国家博览会开幕。一台150V、70Hz的单相交流发电机产生的电流，通过冈萨雷斯工厂的75台5kVA变压器(闭路芯、并联、壳式)降压，点亮了世博会场馆内的1067只爱迪生灯泡，蔚为壮观。因此，后来人们把1885年5月1日纪念为现代实用变压器的诞生日。布达佩斯博览会让冈兹工厂闻名全球，工厂在博览会期间接到了一批订单。
Ziberovsky-Delhi-Blache (Z-D-B)变压器是变压器技术发展史上的重要里程碑，其基本结构如闭路铁芯、一次侧并联一直沿用至今。可以说，Z-D-B变压器基本上塑造了现代变压器的结构，从此变压器正式进入交流电流输配电领域，有力地推动了交流电流的普及和应用，促进了现代交流电机的发展。
1888年，冈兹工厂将变压器专利权转让给西门子-哈尔斯克公司。很快，另外两家德国公司也买下了冈萨雷斯工厂的变压器专利权。1890年，法国和西班牙的公司也购买了冈兹变压器的专利。从19的80年代后期开始，变压器在欧洲迅速普及。到1889，共生产了1000台变压器，到1899，数量已经超过10000台。20世纪20年代以前，冈萨雷斯工厂在变压器制造领域保持世界领先水平。
变压器技术在美国的传播和发展？
65438+80年代初，当欧洲人正在努力改进变压器，探索变压器的应用领域时，大洋彼岸的美国爱迪生公司陶醉于DC系统的成功及其带来的巨额利润，而忽略了交流系统和变压器。但此时，以列车空气制动起家的西屋公司(W. Westinghouse，1846 ~ 1914)正试图涉足交流领域。1885年春天，他漫游欧洲，访问了伦敦和布达佩斯，也在接触当时的欧洲发明家。他对Gorland-Burgis二次发电机非常感兴趣，并立即决定购买几台二次发电机。1885年5月，西屋空气制动公司年轻工程师潘塔莱奥尼因父亲去世，返回意大利参加葬礼。当他在都灵拜访他的大学老师时，他遇到了正在都灵技术博览会上的高兰德。当时，高兰德正在安装兰佐和喀尔刻之间的通信系统。潘塔连利对此非常感兴趣，并立即发电报给西屋公司，报告他的印象。西屋公司非常重视，把潘塔莱尼叫了回来，让他联系高兰公司，购买高兰公司和吉布斯公司在美国申请的变压器专有权。经过友好协商，戈兰德同意了西屋公司的要求。
9月1885，1，西屋空气制动公司订购的金兰-吉布斯二次发电机和西门子公司的单相交流发电机从欧洲运到美国。
1885 165438+10月23日，R.Belfield作为Goldland-Gibbs公司的全权代表抵达美国匹兹堡，将变压器技术转让给西屋空气制动公司，并帮助该公司设计了新型(闭路铁芯)变压器。1886 65438+10月5日，他去了大巴灵顿，帮助W.Stanley(当时是西屋的助理)施工。运行大巴林顿3000伏交流输电线路。1886年3月20日，美国第一条交流输电线路建成投运，标志着美国电气时代的真正开始！
西屋公司除了以实业家的勇气吸引人才、购买专利、订购设备、开发交流系统和变压器外，还致力于变压器的研究。1886 65438+10月8日，他成立了西屋电气公司(westinghouse Electric Company)，在电气领域(主要是交流电)大踏步前进，正式进入变压器的研究和工业生产。1886年2月申请了配电系统和闭路铁芯变压器两项美国专利(℞. 342552和℞. 342553)。图23显示了西屋公司最早的变压器。1888年，西屋公司制造了40台2kW电灯变压器。1891年，西屋制造了第一台充油变压器(电压10kV)(图24)。
与西屋公司积极探索和发展变压器行业形成鲜明对比的是爱迪生对变压器的冷漠和短视态度。当时，爱迪生电气公司的电灯和DC发电机统治了北美大陆，并出口到欧洲。爱迪生踌躇满志，对新出现的交流供电系统不屑一顾，还有点敌意(这为美国未来的交流-DC战争埋下了种子)。1885年，爱迪生公司代表J.W.Lieb参观都灵博览会，看到展出的交流配电系统和变压器。但是李波和爱迪生一样，是一个顽固的DC激进分子。他向爱迪生做了报告，汇报了自己的印象，并对会上展出的交流配电系统和变压器提出了批评。这个报告也坚定了爱迪生反对交流电的决心。1886年，布拉切去了美国，见到了爱迪生。双方签署协议，爱迪生公司出资2万美元购买美国冈茨工厂申请的变压器独家专利权。然而，爱迪生根本不想开发交流系统和变压器。签这个协议只是其他公司发展交流系统和变压器的一个策略。所以这一纸协议的直接后果就是阻碍了Z-D-B变压器在美国的推广应用。这种情况直到1892年爱迪生并入通用电气公司才得到根本改变。
在美国变压器发展史上，另外两个人也做出了不可磨灭的贡献。分别是斯坦利(W. Stanley，1856 ~ 1927)和斯特拉(N. Tesla，1856 ~ 1943)。
斯坦利在1883开始接触交流，对变压器在交流系统中的作用有过深刻的探讨。他多次将变压器称为“交流系统的心脏”。从1883到1884，他在自己的小实验室里研究变压器。1884年2月，他受聘于西屋公司，成为他的助手，主持交流系统和变压器的设计和制造。1885年9月29日，美国第一台一次绕组并联、闭合磁路铁芯的变压器(图25)在西屋空气制动公司的车间里制成并试验。1885，10年10月23日在美国申请了第一个关于闭路铁芯变压器的专利(℞. 49612)；同年165438+10月23日，他提出了三项专利，其中有变压器的配电系统专利两项(℞. 372943和℞. 372944)，开路铁芯变压器专利1项(℞. 3738+060)。1885 65438+2月，他主持建设了美国第一个交流输电系统——大巴林托交流输电系统。3月20日，1886，系统完成并投入运行。1890年离开西屋电气公司。1891年，他在皮茨菲尔德成立了斯坦利电气制造公司，继续开发变压器。图26示出了斯坦利公司的商用变压器。1891年斯坦利公司做了一台25kVA的商用变压器。1892年，斯坦利公司研制出15kV变压器，使美国的交流输电电压一举突破10kV，从而打开了高压输电的大门。斯坦利也赢得了“电气传动之父”的美誉。1903，将公司并入GE公司。在GE公司，他继续指导GE公司开发变压器。所以西屋和GE早期的变压器技术是一脉相承的，都采用壳式变压器结构。直到1918葛换了芯变，他们才分道扬镳。
特斯拉是被誉为“电工天才”的美国克罗地亚科学家，他在交流系统和交流电机方面的贡献举世闻名。1888年受聘西屋工作，在变压器方面也有建树。1890年离开西屋自主创业，继续研究变压器。图28是1891发明的特斯拉高频变压器原理，图29是特斯拉高频变压器复原图。变压器一次绕组为12匝φ5mm铜线，绕在55mm玻璃管上。次级线圈380匝，0.2mm铜线，绕在φ 113 mm玻璃管上。一次二次线圈放在高50cm，内径φ16.5cm的玻璃管中，浸在绝缘矿物油中。初级线圈接入振荡电路，次级线圈两端可获得105 ~ 106 Hz的高频电流，并可观察到明显的火花。这种变压器已被用来研究高频电振荡现象，并通过它观察到趋肤效应。
三相变压器的诞生
Gorant-Gibbs二次发电机和Z-D-B变压器都是单相变压器，有“三相交流电之父”之称的俄罗斯科学家多利沃-多布罗夫斯基发明了三相变压器。1888年，他提出三相电流可以产生旋转磁场，发明了三相同步发电机和三相鼠笼式电动机。1889年，为了解决三相电流传输和供电问题，他开始研究三相变压器。Dolivo-Dobrovski三相变压器与当时的单相变压器相比，一次绕组和二次绕组没有太大的区别，主要区别在于铁心的排列。当时他申请了第1号三相变压器铁芯的专利。三个芯柱沿圆周方向垂直对称布置，上下用两个轭环连接。这种结构类似于中世纪欧洲的修道院，所以称为“Tempeltype”，如图30(a)所示。如图30(b)和图30(c)所示，后来开发了“寺庙式”结构。在1891中，西门子公司首先采用了框架铁芯，如图30(d)所示。
世界上第一台三相变压器出现在1891。当年8月，世博会在德国法兰克福举行。为了展示交流电的传输和应用，主办方在德国劳芬的波特兰水泥厂安装了一套三相水轮发电机组(210kVA，175km/min，445 km远)。因此，德国通用电气公司(AEG)和瑞士欧瑞康工厂分别为劳芬-法兰克福项目提供了4台和2台三相变压器。在劳芬，AEG公司提供两台三相升压变压器(每台100kVA，变压比为1: 160，Y-Y接线)，欧瑞康厂提供一台升压变压器(150kVA，变压比为1: 65433)。法兰克福的两个降压变电站分别配置两台AEG生产的三相降压变压器(变比123: 1)向电动机供电，一台欧瑞康厂生产的三相降压变压器(变比116: 1)向电动机供电。被测变压器的最高效率达到了96%。图31所示为AEG公司生产的三相变压器。
6其他变形金刚？
除了上述的变形金刚之外，在19世纪末20世纪初，也有很多人对变形金刚进行了研究工作，制作了各种变形金刚，使早期的变形金刚多姿多彩，为后期各种变形金刚的发展积累了宝贵的经验和教训。
英国科学家费兰特(1864 ~ 1930)研究变压器，并于1885年获得了关于闭合磁路变压器的专利。1888年，研制出一种用铁片弯成圆形形成铁芯的变压器(图32)。1891年制作了一台10kV/2kV的大容量变压器，其铁心由10段组成，每段铁心由圆形铁片组成，段间空隙用于通风散热(图33)。
1884年，英国电工j·霍普金森(1849 ~ 1898)和弟弟e·霍普金森(1859 ~ 1922)申请闭合磁路。
1891年，M.W.Mordey为Blache公司设计制造了一台叠片铁芯变压器(图34)。
美国电工e·汤姆森(1853 ~ 1937)早在1879年就在富兰克林学院学习变压器。1886年，他制成了第一台焊接变压器，其二次绕组为单匝，不久他又制成了恒流变压器(图35)。
Disk和R . Kennedey发明了一种带有H形铁芯的变压器结构(图36)。
1889年，史文朋发明了“刺猬”油浸变压器，沿用至今。
除此之外，在19的八九十年代，还有其他研究变形金刚的人，比如马森、费尔德曼、w·斯特金、J.A弗莱明、W.B伊德之子、I·切纳特、g·费莱斯、r·鲁尔曼、w·佩克特、k·济奇。E. Hospital、F. Uppenborn、A. Urbanitzky、R. E. Crompton、K. D. Mackenzie、G. Forbes、s .施特劳布、f .威尔金、M. A.A. Roiti、M. Swinburne、Kittler等。
参考资料:
/dlsb/bdsb/byq/200805/36184 . html