變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，將交流電變換為同頻率、不同電壓交流電的非旋轉(zhuǎn)式電機(jī)。因此，變壓器是隨著電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而誕生，經(jīng)過(guò)許多科學(xué)家不斷完善、改進(jìn)而形成的。

1 變壓器的雛形—感應(yīng)線圈

1888年，英國(guó)著名物理學(xué)家弗來(lái)明(J.A.Fleming,1849-1945)在他的名著《The Alternating Current Transformers》(交流變壓器)中開宗明義地說(shuō)：“At the head of this long line of illustrious investigators stand the pre-eminent names of Faraday and Henry. On the foundation-stons of truth laid done by them all subsequent builders have been content to rest”(在一大批研究變壓器的杰出人士中，領(lǐng)頭的是巨人法拉弟和亨利，他們奠定了真理的基石，而所有后來(lái)者則致力于大廈的完成)。

所以，追溯變壓器的發(fā)明史，還得從法拉弟和亨利說(shuō)起。

1831年8月29日，法拉第采用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行磁生電的實(shí)驗(yàn)。圖1中，圓環(huán)用7/8英寸的鐵棍制成，圓環(huán)外徑6英寸；A是三段各24英尺長(zhǎng)銅線繞成的線圈(三段間可根據(jù)需要串聯(lián))；B是50英尺銅線繞成的2個(gè)線圈(2個(gè)線圈可以串聯(lián))；1為電池；2為開關(guān)；3為檢流器。實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)合上開關(guān)2后，法拉第發(fā)現(xiàn)檢流器3擺動(dòng)，即線圈B和檢流器3中有電流流過(guò)。也就是說(shuō)，法拉第通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。法拉第進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置(法拉第感應(yīng)線圈，圖2)實(shí)際上是世界上第一只變壓器雛形，以后法拉第又作了數(shù)次實(shí)驗(yàn)，同年10月28日還制成了第一臺(tái)圓盤式直流發(fā)電機(jī)。同年11月24日，法拉第向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)報(bào)告了他的實(shí)驗(yàn)及其發(fā)現(xiàn)，從而使法拉第被公認(rèn)為電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者，他也順理成章地成為變壓器的發(fā)明人。

但實(shí)際上最早發(fā)明變壓器的是美國(guó)著名科學(xué)家亨利。1830年8月，時(shí)為紐約奧爾巴尼(Albang)學(xué)院教授的亨利利用學(xué)院假期，采用圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行磁生電實(shí)驗(yàn)。當(dāng)他合上開關(guān)K，發(fā)現(xiàn)檢流計(jì)P的指針擺動(dòng)；打開開關(guān)K，又發(fā)現(xiàn)檢流計(jì)P的指針向相反方向擺動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)打開開關(guān)K時(shí)，亨利還在線圈B的兩端間觀察到了火花。亨利還發(fā)現(xiàn)，改變線圈A和B的匝數(shù)，可以將大(Intensity)電流變?yōu)樾?Quantity)電流，也可將小電流變?yōu)榇箅娏?。?shí)際上，亨利這個(gè)實(shí)驗(yàn)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的非常直觀的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)，亨利這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置也實(shí)際上是一臺(tái)變壓器的雛形。但是，亨利做事謹(jǐn)慎，他沒有急于發(fā)表他的實(shí)驗(yàn)成果，他還想再做一些實(shí)驗(yàn)。然而假期已過(guò)，他只得將這件事擱置一旁。后來(lái)他又進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，直到1832年才將實(shí)驗(yàn)論文發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)和藝術(shù)雜志》第7期上。但是，在此以前，法拉第首先公布了他的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，介紹了他的實(shí)驗(yàn)裝置，因此電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)明權(quán)只能歸法拉弟，變壓器的發(fā)明權(quán)也非法拉弟莫屬了。亨利雖然非常遺憾地與電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)權(quán)和變壓器的發(fā)明權(quán)擦肩而過(guò)，但他在電學(xué)上的貢獻(xiàn)、對(duì)變壓器發(fā)明的貢獻(xiàn)則是有目共睹的。特別值得一提的是，亨利實(shí)驗(yàn)裝置比法拉弟感應(yīng)線圈更接近于現(xiàn)代通用的變壓器。

從現(xiàn)代變壓器原理來(lái)看，法拉弟感應(yīng)線圈是一只單心閉合磁路雙繞組式變壓器。由于當(dāng)時(shí)沒有交流電源，所以它是一種原始的脈沖變壓器，而亨利變壓器則是一種原始的雙心開路磁路雙繞組式脈沖變壓器。

1835年，美國(guó)物理學(xué)家佩奇(C.J.Page,1812～1868)制成圖4所示的感應(yīng)線圈，該線圈是世界上第一只自耦變壓器，利用自動(dòng)錘的振動(dòng)使水銀接通或斷開電路。在副邊線圈感生的電動(dòng)勢(shì)能使一個(gè)真空管的電火花達(dá)4.5英寸長(zhǎng)。

1837年，英國(guó)牧師卡蘭(N.J.Callan)將佩奇變壓器分成無(wú)電氣連接的兩部分(圖5)，當(dāng)打開開關(guān)M、斷開線圈A的電路時(shí)，則線圈B的兩端間S將會(huì)產(chǎn)生火花。

與法拉弟、亨利的變壓器一樣，佩奇和卡蘭變壓器都是利用斷續(xù)直流工作的設(shè)備，只能用于實(shí)驗(yàn)觀察，都無(wú)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

德國(guó)技師魯姆科爾夫(H.D.Ruhmkorff,1803～1877)在變壓器發(fā)明史上是一個(gè)貢獻(xiàn)較大的人。他生于德國(guó)，后到巴黎定居，并自設(shè)精密機(jī)械制造工場(chǎng)。魯姆科爾夫在理論上并無(wú)建樹，但他善于研究他人的建議，并利用他心靈手巧的特長(zhǎng)付諸實(shí)踐，制造了一些優(yōu)良的感應(yīng)線圈。1842年，在Masson和Brequet的指導(dǎo)下，他開始對(duì)卡蘭變壓器進(jìn)行研究。1850年制成第一只感應(yīng)線圈(Inductorium)。1851年，他提出第一個(gè)感應(yīng)火花線圈(變壓器)的專利，魯姆科爾夫感應(yīng)線圈如圖6、圖7所示。鐵心用軟鐵絲制成，原邊線圈包繞在鐵心上，副邊線圈則包繞在原邊線圈上。原邊線圈由蓄電池供電，并通過(guò)一個(gè)磁化鐵心機(jī)構(gòu)反復(fù)開、合水銀開關(guān)，使原邊線圈中通以脈動(dòng)直流電反復(fù)改變方向。副邊線圈中則感應(yīng)一個(gè)交變電流。與以前的感應(yīng)線圈相比，魯姆科爾夫感應(yīng)線圈有較大的改進(jìn)。首先副邊線圈的絕緣更加可靠，線圈用涂漆銅線繞成，線圈層間用紙或漆稠絕緣，副邊線圈與原邊線圈則用一只玻璃管隔開；其次，魯姆科爾夫采用E.English和C.Bright的發(fā)明，將副邊線圈分成幾段，各段間彼此分開，然后串在一起。這樣可使電位差最大的點(diǎn)(出線端S—S)之間的距離最遠(yuǎn)。后來(lái)，魯姆科爾夫?qū)υ摼€圈進(jìn)行了改進(jìn)，如將以前采用的水銀開關(guān)改為酒精開關(guān)，不但可消除開關(guān)火花，而且可防止氧化；此外，他還在原邊線圈接入電容器以提高感應(yīng)電壓。魯姆科爾夫線圈由于功率較大，不但可用作實(shí)驗(yàn)，而且還可用于放電治療。因此可以說(shuō)，魯姆科爾夫感應(yīng)線圈是第一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的變壓器。

為了獲得更大的火花，1856年，英國(guó)電工技師瓦里(C.F.Varley,1828～1883)也對(duì)卡蘭變壓器作了改進(jìn)(圖9、圖10)，他采用一只雙刀雙擲開關(guān)來(lái)回改變電流方向，使線圈A中的電流交替改變方向，從而線圈B中感應(yīng)出一個(gè)交變電流，因此可以說(shuō)，瓦里感應(yīng)線圈是交流變壓器的始祖。

1862年，莫里斯(Morris)、魏爾(Weave)和蒙克頓(Moncktom)取得一個(gè)將感應(yīng)線圈用于交流電的專利權(quán)。

1868年，英國(guó)物理學(xué)家格羅夫(W.R.Grove,1811～1896)采用圖9所示的裝置將交流電源V與線圈A相連，在線圈B中得到一個(gè)電壓不同的交流電流。因此格羅夫感應(yīng)線圈實(shí)際上是世界上第一只交流變壓器。

繼格羅夫之后，許多人對(duì)感應(yīng)線圈進(jìn)行了研究，提出了一些改進(jìn)建議。例如，美國(guó)人富勒(J.B.Fuller)在19世紀(jì)70年代初對(duì)感應(yīng)線圈進(jìn)行了理論研究，提出感應(yīng)線圈應(yīng)采用閉合鐵心，原邊線圈采用并聯(lián)而不是當(dāng)時(shí)大多數(shù)感應(yīng)線圈所采用的串聯(lián)。但是他的想法生前只向他的上司談過(guò)，直到他死后不久，人們發(fā)現(xiàn)他的手稿。1879年2月，人們將他的手稿整理發(fā)表，他關(guān)于感應(yīng)線圈的設(shè)想才得以公諸于世。

1876年，俄國(guó)物理學(xué)家雅勃洛奇科夫(Л.Н.Яълочков，1847～1894)發(fā)明“電燭”，采用一只兩個(gè)繞組的感應(yīng)線圈，原邊與交流電源相連，為高壓側(cè)，副邊低壓側(cè)的交流電向“電燭”供電。這只感應(yīng)線圈實(shí)際上是一臺(tái)不閉合磁芯的單相變壓器。

1882年，俄國(guó)工程師И.Ф.烏薩金在莫斯科首次展出了有升壓、降壓感應(yīng)線圈的高壓變電裝置。

2 高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)

19世紀(jì)80年代后，交流電進(jìn)入人類社會(huì)生活，變壓器的原理也為許多人所了解，人們自然而然想到將變壓器用于實(shí)際交流電路中。在這方面邁出第一步并做出重大貢獻(xiàn)的是法國(guó)人高蘭德(L.Gauland,1850～1888)和英國(guó)人吉布斯(J.D.Gibbs)。1882年9月13日，它們?cè)谟?guó)申請(qǐng)了第一個(gè)感應(yīng)線圈及其供電系統(tǒng)的專利(№.4362)，他們稱這種感應(yīng)線圈為“Secondary generator”(二次發(fā)電機(jī))。圖12為高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)原理圖，原邊線圈數(shù)與副邊線圈數(shù)之比為1∶1，原邊線圈串聯(lián)，而副邊線圈均分為數(shù)段，分別與電燈1相連。高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)(變壓器)是一種開路鐵心變壓器，它通過(guò)推進(jìn)、拉出鐵心來(lái)控制電壓，原邊線圈他們?nèi)詧?jiān)持采用串聯(lián)(雖然麥克斯韋在1865年就證明，原邊線圈如果采用串聯(lián)，副邊電壓就不能單獨(dú)控制)。

1—電燈 2—開關(guān) 3—交流電源

1882年10月7日，他們制成了第一臺(tái)3000V/100V的二次發(fā)電機(jī)，1983年又制成一臺(tái)容量約5kVA的二次發(fā)電機(jī)在倫敦郊外一個(gè)小型電工展覽會(huì)上展出表演。當(dāng)年，他們?yōu)閭惗厥袇^(qū)鐵路提供了幾臺(tái)小型變壓器(圖13)。1884年，他們?cè)谝獯罄检`技術(shù)博覽會(huì)上展出了他們的變壓器，并表演了交流遠(yuǎn)距離輸電。采用開磁路變壓器串聯(lián)交流輸電系統(tǒng)，將30kW、133Hz的交流電輸送到40km遠(yuǎn)處。當(dāng)年他們還售出了幾臺(tái)類似的變壓器，其中圖14為售給意大利物理學(xué)家費(fèi)拉里斯(G.Ferraris,1847～1897)的實(shí)驗(yàn)用變壓器。該變壓器鐵心為鐵絲組成的開路鐵心，原邊線圈由0.25mm厚銅片繞成的445個(gè)環(huán)(匝)組成，但它們?cè)诟叨确较蚍殖?段，通過(guò)正前方的塞子將副邊線圈的4段串聯(lián)或并路，從而改變副邊的輸出電壓。圖15為另一種高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)，這臺(tái)二次發(fā)電機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓而改變輸出功率的大小。

1884年3月4日，高蘭德和吉布斯在美國(guó)申請(qǐng)第一個(gè)有關(guān)開路鐵心變壓器的專利(№.297924)—“產(chǎn)生和利用二次電流的裝置。

1885年，高蘭德和吉布斯受崗茨工廠變壓器的啟發(fā)，研究采用閉路鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器。1886年3月6日，他們?cè)诿绹?guó)申請(qǐng)有關(guān)閉合磁路變壓器的專利(№.351589)。圖17為1886年制造的閉路鐵心式高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)。

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