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1、变压器发明简史变压器是根据电磁感应定律，将交流电变换为同频率、不同电压交流电的非旋转式电机因此，变压器是随着电磁感应现象的发现而诞生，经过许多科学家不断完善、改进而形成的1 变压器的雏形感应线圈 1888年，英国著名物理学家弗来明(J.A.Fleming,1849-1945)在他的名著The Alternating Current Transformers(交流变压器)中开宗明义地说：“At the head of this long line of illustrious investigators stand the pre-eminent names of Faraday and Hen
2、ry. On the foundation-stons of truth laid done by them all subsequent builders have been content to rest”(在一大批研究变压器的杰出人士中，领头的是巨人法拉第和亨利，他们奠定了真理的基石，而所有后来者则致力于大厦的完成)所以，追溯变压器的发明史，还得从法拉第和亨利说起1831年8月29日，法拉第采用图1所示的实验装置进行磁生电的实验图1中，圆环用7/8英寸的铁棍制成，圆环外径6英寸；A是三段各24英尺长铜线绕成的线圈(三段间可根据需要串联)；B是50英尺铜线绕成的2个线圈(2个线圈可以串联)
3、；1为电池；2为开关；3为检流器实验时，当合上开关2后，法拉第发现检流器3摆动，即线圈B和检流器3中有电流流过也就是说，法拉第通过这个实验发现了电磁感应现象法拉第进行这个实验的装置(法拉第感应线圈，图2)实际上是世界上第一只变压器雏形，以后法拉第又作了数次实验，同年10月28日还制成了第一台圆盘式直流发电机同年11月24日，法拉第向英国皇家学会报告了他的实验及其发现，从而使法拉第被公认为电磁感应现象的发现者，他也顺理成章地成为变压器的发明人图1 法拉第实验装置原理图(1831年8月29日) 但实际上最早发明变压器的是美国著名科学家亨利1830年8月，时为纽约奥尔巴尼(Albang)学院教授的亨
4、利利用学院假期，采用图3所示的实验装置进行磁生电实验当他合上开关K，发现检流计P的指针摆动；打开开关K，又发现检流计P的指针向相反方向摆动实验中，当打开开关K时，亨利还在线圈B的两端间观察到了火花亨利还发现，改变线圈A和B的匝数，可以将大(Intensity)电流变为小(Quantity)电流，也可将小电流变为大电流实际上，亨利这个实验是电磁感应现象的非常直观的关键性实验，亨利这个实验装置也实际上是一台变压器的雏形但是，亨利做事谨慎，他没有急于发表他的实验成果，他还想再做一些实验然而假期已过，他只得将这件事搁置一旁后来他又进行了多次实验，直到1832年才将实验论文发表在美国科学和艺术杂志第7期
5、上但是，在此以前，法拉第 图2 法拉第感应线圈图3 亨利实验装置原理图(1830年8月) 首先公布了他的电磁感应实验，介绍了他的实验装置，因此电磁感应现象的发明权只能归法拉第，变压器的发明权也非法拉第莫属了亨利虽然非常遗憾地与电磁感应现象的发现权和变压器的发明权擦肩而过，但他在电学上的贡献、对变压器发明的贡献则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于现代通用的变压器从现代变压器原理来看，法拉第感应线圈是一只单心闭合磁路双绕组式变压器由于当时没有交流电源，所以它是一种原始的脉冲变压器，而亨利变压器则是一种原始的双心开路磁路双绕组式脉冲变压器1835年，美国物理学家佩奇(
6、C.J.Page,18121868)制成图4所示的感应线圈，该线圈是世界上第一只自耦变压器，利用自动锤的振动使水银接通或断开电路在副边线圈感生的电动势能使一个真空管的电火花达4.5英寸长图4 佩奇感应线圈原理图1837年，英国牧师卡兰(N.J.Callan)将佩奇变压器分成无电气连接的两部分(图5)，当打开开关M、断开线圈A的电路时，则线圈B的两端间S将会产生火花图5 卡兰感应线圈原理图 与法拉第、亨利的变压器一样，佩奇和卡兰变压器都是利用断续直流工作的设备，只能用于实验观察，都无实际应用价值德国技师鲁姆科尔夫(H.D.Ruhmkorff,18031877)在变压器发明史上是一个贡献较大的人他
7、生于德国，后到巴黎定居，并自设精密机械制造工场鲁姆科尔夫在理论上并无建树，但他善于研究他人的建议，并利用他心灵手巧的特长付诸实践，制造了一些优良的感应线圈1842年，在Masson和Brequet的指导下，他开始对卡兰变压器进行研究1850年制成第一只感应线圈(Inductorium)1851年，他提出第一个感应火花线圈(变压器)的专利，鲁姆科尔夫感应线圈如图6、图7所示铁心用软铁丝制成，原边线圈包绕在铁心上，副边线圈则包绕在原边线圈上原边线圈由蓄电池供电，并通过一个磁化铁心机构反复开、合水银开关，使原边线圈中通以脉动直流电反复改变方向副边线圈中则感应一个交变电流与以前的感应线圈相比，鲁姆科尔
8、夫感应线圈有较大的改进首先副边线圈的绝缘更加可靠，线圈用涂漆铜线绕成，线圈层间用纸或漆稠绝缘，副边线圈与原边线圈则用一只玻璃管隔开；其次，鲁姆科尔夫采用E.English和C.Bright的发明，将副边线圈分成几段，各段间彼此分开，然后串在一起这样可使电位差最大的点(出线端SS)之间的距离最远后来，鲁姆科尔夫对该线圈进行了改进，如将以前采用的水银开关改为酒精开关，不但可消除开关火花，而且可防止氧化；此外，他还在原边线圈接入电容器以提高感应电压鲁姆科尔夫线圈由于功率较大，不但可用作实验，而且还可用于放电治疗因此可以说，鲁姆科尔夫感应线圈是第一个有实用价值的变压器 图6 鲁姆科尔夫感应线圈示意图图
9、7 鲁姆科尔夫感应线圈(1850年) 图8 鲁姆科尔夫感应线圈及复原图为了获得更大的火花，1856年，英国电工技师瓦里(C.F.Varley,18281883)也对卡兰变压器作了改进(图9、图10)，他采用一只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，从而线圈B中感应出一个交变电流，因此可以说，瓦里感应线圈是交流变压器的始祖图9 瓦里感应线圈原理图图10 瓦里感应线圈(1856年)1862年，莫里斯(Morris)、魏尔(Weave)和蒙克顿(Moncktom)取得一个将感应线圈用于交流电的专利权1868年，英国物理学家格罗夫(W.R.Grove,18111896)采用图9所
10、示的装置将交流电源V与线圈A相连，在线圈B中得到一个电压不同的交流电流因此格罗夫感应线圈实际上是世界上第一只交流变压器图11 格罗夫感应线圈原理图(1868年)继格罗夫之后，许多人对感应线圈进行了研究，提出了一些改进建议例如，美国人富勒(J.B.Fuller)在19世纪70年代初对感应线圈进行了理论研究，提出感应线圈应采用闭合铁心，原边线圈采用并联而不是当时大多数感应线圈所采用的串联但是他的想法生前只向他的上司谈过，直到他死后不久，人们发现他的手稿1879年2月，人们将他的手稿整理发表，他关于感应线圈的设想才得以公诸于世1876年，俄国物理学家雅勃洛奇科夫(.，18471894)发明“电烛”，
11、采用一只两个绕组的感应线圈，原边与交流电源相连，为高压侧，副边低压侧的交流电向“电烛”供电这只感应线圈实际上是一台不闭合磁芯的单相变压器1882年，俄国工程师.乌萨金在莫斯科首次展出了有升压、降压感应线圈的高压变电装置2 高兰德吉布斯二次发电机19世纪80年代后，交流电进入人类社会生活，变压器的原理也为许多人所了解，人们自然而然想到将变压器用于实际交流电路中在这方面迈出第一步并做出重大贡献的是法国人高兰德(L.Gauland,18501888)和英国人吉布斯(J.D.Gibbs)1882年9月13日，它们在英国申请了第一个感应线圈及其供电系统的专利(.4362)，他们称这种感应线圈为“Seco
12、ndary generator”(二次发电机)图12为高兰德吉布斯二次发电机原理图，原边线圈数与副边线圈数之比为11，原边线圈串联，而副边线圈均分为数段，分别与电灯1相连高兰德吉布斯二次发电机(变压器)是一种开路铁心变压器，它通过推进、拉出铁心来控制电压，原边线圈他们仍坚持采用串联(虽然麦克斯韦在1865年就证明，原边线圈如果采用串联，副边电压就不能单独控制)图12 高兰德吉布斯二次发电机原理图 1电灯 2开关 3交流电源1882年10月7日，他们制成了第一台3000V/100V的二次发电机，1983年又制成一台容量约5kVA的二次发电机在伦敦郊外一个小型电工展览会上展出表演当年，他们为伦敦市
13、区铁路提供了几台小型变压器(图13)1884年，他们在意大利都灵技术博览会上展出了图13 高兰德吉布斯二次发电机(1883年) 他们的变压器，并表演了交流远距离输电采用开磁路变压器串联交流输电系统，将30kW、133Hz的交流电输送到40km远处当年他们还售出了几台类似的变压器，其中图14为售给意大利物理学家费拉里斯(G.Ferraris,18471897)的实验用变压器该变压器铁心为铁丝组成的开路铁心，原边线圈由0.25mm厚铜片绕成的445个环(匝)组成，但它们在高度方向图14 高兰德吉布斯二次发电机(1884年) 分成4段，通过正前方的塞子将副边线圈的4段串联或并路，从而改变副边的输出电
14、压图15为另一种高兰德吉布斯二次发电机，这台二次发电机可以通过调节输出电压而改变输出功率的大小图15 高兰德吉布斯二次发电机 1884年3月4日，高兰德和吉布斯在美国申请第一个有关开路铁心变压器的专利(.297924)“产生和利用二次电流的装置”(图16)；1885年，高兰德和吉布斯受岗茨工厂变压器的启发，研究采用闭路铁心结构的变压器1886年3月6日，他们在美国申请有关闭合磁路变压器的专利(.351589)图17为1886年制造的闭路铁心式高兰德吉布斯二次发电机 图16 高兰德吉布斯在美国申请的第一个变压器专利(.297924)的附图 图17 高兰德吉布斯闭路铁心式二次发电机(1886年)
15、3 齐伯诺夫斯基德里布拉什(Z-D-B)变压器 高兰德吉布斯二次发电机(变压器)虽然开辟了变压器的实际应用领域，但早期这种变压器存在某些先天不足，如开路铁心、原边线圈串联等首先对此质疑和作出改进的是匈牙利岗茨工厂(Ganz)的三个年轻工程师布拉什(O.T.Blathy,18601939)、齐伯诺夫斯基(C.Zipernowsky, 18531942)和德里(M.Deri,18541938)布拉什1883年进入岗茨工厂，长期担任技术负责人他一生发明颇丰，曾获得100多项专利权，包括变压器、电压调整器、汽轮发电机等布拉什是首次研究交流发电机并联运行人之一，他还发明了许多电机设计程序和设计计算方法另外，他在1885年首先引入单词“Transformer”(变压器)，这一简明传神的术语很快为人们所认同和接受，迅速取代以往采用的“感应线圈”、“二次发电机”等术语，一直沿用至今齐伯诺夫斯基是1878年成立的岗茨工厂电气部的奠基人之一1893年，他提任匈牙利布达佩斯技术大学的电气教授他一生取得40多项专利权
