变压器发明简史(一) 想继续看的请留言 我发续集

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 Henry. On the foundation-stons of truth laid done by them all subsequent builders have been content to rest”(在一大批研究变压器的杰出人士中，领头的是巨人法拉弟和亨利，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，还得从法拉弟和亨利说起。

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)；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弟，变压器的发明权也非法拉弟莫属了。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弟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，法拉弟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(C.J.Page,1812～1868)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

与法拉弟、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,1803～1877)在变压器发明史上是一个贡献较大的人。他生于德国，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S—S)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7 鲁姆科尔夫感应线圈(1850年)

图8为鲁姆科尔夫感应线圈复原图





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,1828～1883)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,1811～1896)采用图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(Л.Н.Яълочков，1847～1894)发明“电烛”，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И.Ф.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。