1變壓器-感應線圈的原型
1888年，英國著名物理學家弗萊明(J.A.Fleming，1849-1945)在他的名著《交流變壓器》( AC Transformer)的開篇就清楚地說:“在這壹長串荒誕的調查者的頭上站著法拉第和亨利這兩個顯赫的名字。真理的基石。由他們鋪設完成的所有下屬建築者都已安於休息”(在壹大批研究變形金剛的傑出人士中，領導者是巨人法拉第和亨利，他們奠定了真理的基石，而所有後來者都致力於建築的完成)。
所以，追溯變壓器的發明歷史，還得從法拉第和亨利說起。
1831年8月29日，法拉第利用圖1所示的實驗裝置進行了磁能發電實驗。在圖1中，圓環由7/8英寸的鐵條制成，圓環的外徑為6英寸；a是由三段24英尺長的銅線纏繞而成的線圈(三段可根據需要串聯)；b是兩個50英尺銅線制成的線圈(兩個線圈可以串聯)；1是電池；2是開關；3是電流檢測器。實驗中，當開關2閉合時，法拉第發現電流檢測器3擺動，即線圈B和電流檢測器3中有電流流動。換句話說，法拉第通過這個實驗發現了電磁感應現象。法拉第用於這個實驗的裝置(法拉第感應線圈，圖2)實際上是世界上第壹個原型變壓器。後來法拉第做了幾次實驗，同年6月28日10制成了第壹臺圓盤式DC發電機。同年，165438+10月24日，法拉第向英國皇家學會報告了他的實驗和發現，這使得法拉第被公認為電磁感應現象的發現者，他也自然而然地成為了變壓器的發明者。
但事實上，美國著名科學家亨利是第壹個發明變壓器的人。1830年8月，時任紐約奧爾邦學院教授的亨利利用學院放假時間，用如圖3所示的實驗裝置進行了磁能發電實驗。當他合上開關K時，發現檢流計P的指針在擺動。打開開關K，發現檢流計P的指針反方向擺動。在實驗中，當開關K接通時，亨利還觀察到線圈B兩端之間有火花產生，亨利還發現，通過改變線圈A和B的匝數，可以把大強度的電流變成小數量的電流，小電流也可以變成大電流。其實亨利的實驗是壹個非常直觀的電磁感應現象的重點實驗，亨利的實驗裝置其實是壹個變壓器的原型。然而，亨利很謹慎。他不急於公布他的實驗結果。他想做更多的實驗。但是，假期已經過去了，他只好把這件事放在壹邊。後來他進行了多次實驗，直到1832，他的實驗論文才發表在第7期《美國科學與藝術雜誌》上..但在此之前，法拉第先公布了他的電磁感應實驗，介紹了他的實驗裝置，所以電磁感應現象的發明權只能屬於法拉第，變壓器的發明權也是違法的。雖然亨利不幸錯過了電磁感應現象的發現權和變壓器的發明權，但他對電學和變壓器發明的貢獻是有目共睹的。特別值得壹提的是，亨利實驗裝置比法拉第感應線圈更接近現代的萬能變壓器。
首先公布了他的電磁感應實驗，介紹了他的實驗裝置。所以電磁感應現象的發明權只能屬於法拉第，變壓器的發明權也是非法拉迪。雖然亨利不幸錯過了電磁感應現象的發現權和變壓器的發明權，但他對電學和變壓器發明的貢獻是有目共睹的。特別值得壹提的是，亨利實驗裝置比法拉第感應線圈更接近現代的萬能變壓器。？
根據現代變壓器的原理，法拉第感應線圈是單芯閉合磁路雙繞組變壓器。因為當時沒有交流電源，所以是原始的脈沖變壓器，而亨利變壓器是原始的雙芯開路磁路雙繞組脈沖變壓器。
1835年，美國物理學家佩奇(C.J. Page，1812 ~ 1868)做出了如圖4所示的感應線圈。這個線圈是世界上第壹個自耦變壓器，它利用自動錘的振動使水銀接通或斷開電路。次級線圈中感應的電動勢能使4.5英寸長的真空管產生電火花。
1837年，英國牧師N.J.Callan將Page transformer壹分為二，沒有電氣連接(圖5)。當開關M接通，線圈A的電路斷開時，線圈b的兩端之間就會產生火花。
和法拉第、亨利的變壓器壹樣，佩奇和卡蘭的變壓器都是靠間歇性DC工作的裝置，只能用於實驗觀察，沒有實際應用價值。
德國技師H.D .科爾夫(1803 ~ 1877)是變壓器發明史上的偉大貢獻者。他出生在德國，後來定居巴黎，並建立了自己的精密機械制造車間。朗姆·科爾夫在理論上沒有任何建樹，但他善於研究別人的建議並利用自己的聰明才智付諸實踐，做出了壹些優秀的感應線圈。1842年，在Masson和Brequet的指導下，開始研究卡蘭變壓器。第壹個感應線圈是在1850年制造的。1851年，他提出了第壹個感應火花線圈(變壓器)專利。Rum kolff感應線圈如圖6和7所示。鐵芯由軟鐵絲制成，初級線圈纏繞在鐵芯上，次級線圈纏繞在初級線圈上。初級線圈由蓄電池供電，水銀開關通過磁化的鐵芯機構反復通斷，使初級側線圈通以脈動DC反復改變方向。次級線圈中感應出交流電。與之前的感應線圈相比，Rum kolff感應線圈有了很大的改進。首先，二次線圈的絕緣更可靠，線圈用漆包銅線繞制，線圈層用紙或漆絕緣，二次線圈和壹次線圈之間用玻璃管隔開；其次，Rum kolff利用E.English和C.Bright的發明，把次級線圈分成幾段，彼此分開，然後串在壹起。這可以使電位差最大的點(出口端子S-S)之間的距離最遠。後來Rum kolff對線圈進行了改進，比如將之前使用的水銀開關改為酒精開關，既能消除開關火花，又能防止氧化；此外，他還在初級線圈上連接了壹個電容器，以增加感應電壓。由於其高功率，Rum kolff線圈不僅可用於實驗，還可用於放電治療。所以可以說Rum kolff感應線圈是第壹個具有實用價值的變壓器。
為了獲得更大的火花，1856年，英國電工瓦利(C.F. Varley，1828 ~ 1883)也對卡蘭變壓器進行了改進。他用壹個雙刀雙擲開關來回改變電流方向，使線圈A中的電流交替改變方向，在線圈b中感應出交流電，在1862年，Morris，Weave和Moncktom獲得了利用感應線圈產生交流電的專利。
1868年，英國物理學家格羅夫(W.R. Grove，1811 ~ 1896)用圖9所示的裝置將交流電源V與線圈A相連，在線圈b中獲得了不同電壓的交流電流，所以格羅夫感應線圈實際上是世界上第壹臺交流變壓器。
在格羅夫之後，許多人對感應線圈進行了研究，並提出了壹些改進建議。比如美國人J.B.Fuller在65438-2009年對感應線圈做了壹個70年代初的理論研究，提出感應線圈應該采用閉合鐵芯，初級線圈應該並聯，而不是像當時大多數感應線圈使用的那樣串聯。但是他的想法只在他去世前和他的老板談過，直到他去世後不久他的手稿被發現。1879年2月，人們整理出版了他的手稿，他關於感應線圈的設想公之於眾。
1876年，俄羅斯物理學家亞布洛赫科夫(лняълочков，1847 ~ 1894)。這個感應線圈實際上是壹個單相變壓器，沒有閉合鐵芯。
1882年，俄羅斯工程師ифUsagin在莫斯科首次展出了帶升壓和降壓感應線圈的高壓變壓器。
2戈蘭德-吉布斯二次發電機
19年80年代以後，交流電進入人類社會生活，變壓器的原理也被很多人了解。人們很自然地想到在實際交流電路中使用變壓器。法國的l . Gaul land(1850 ~ 1888)和英國的J.D.Gibbs在這方面先行壹步，做出了巨大貢獻。1882 12年9月3日，他們在英國申請了第壹個感應線圈及其供電系統的專利(?. 4362)，他們把這種感應線圈稱為“二次發電機”。圖12是戈蘭德-吉布斯二次發生器的示意圖。初級繞組的數量與次級繞組的數量之比為1: 1。壹次繞組串聯，二次繞組分成幾段，分別接電燈1。Gorland-Gibbs二次發生器(變壓器)是壹種開路鐵心變壓器，通過推拉鐵心來控制電壓，對於壹次線圈他們仍然堅持串聯(雖然麥克斯韋在1865中證明了如果壹次線圈串聯，二次電壓不能單獨控制)。
1882，100年10月7日，他們制作了第壹臺3000V/100V二次發電機，1983年，他們制作了壹臺容量約為5kVA的二次發電機，在倫敦郊外的壹個小型電工展覽會上展出。當時他們為倫敦城市鐵路提供了幾臺小型變壓器。1884年，他們在意大利都靈展出了他們的變壓器，並進行交流遠距離輸電。采用開放式磁路變壓器串聯交流輸電系統，將30kW、133Hz的交流電輸送到40km的距離。當年他們也賣過幾個類似的變壓器，是賣給意大利物理學家費拉裏斯(1847 ~ 1897)的實驗變壓器。變壓器鐵芯是由鐵絲組成的開路鐵芯。初級線圈由0.25毫米厚的銅片纏繞的445圈(匝)組成，但它們在高度方向上被分成四段。次級線圈的四段通過前面的插頭串聯或並聯，從而改變次級線圈的輸出電壓。另壹個高Rand-Gibbs二次發電機，這個二次發電機可以通過調節輸出電壓來改變輸出功率。
1884年3月4日，Gorland和Gibbs在美國申請了第壹個關於開路鐵心變壓器的專利(?. 297924)“產生和利用二次電流的裝置”；
1885年，Gorland和Gibbs受到Guntz工廠變壓器的啟發，研究閉路鐵芯結構的變壓器。1886年3月6日，他們在美國申請了閉合磁路變壓器專利(?. 351589)。1886閉路鐵芯戈蘭德-吉布斯二次發電機。
齊伯羅夫斯基-德裏-布拉什(Z-D-B)變壓器
雖然Gorland-Gibbs二次發生器(變壓器)開拓了變壓器的實際應用領域，但這種變壓器在前期存在壹些固有的缺點，如鐵芯開路、壹次繞組串聯等。匈牙利Ganz工廠的三位年輕工程師Blache (O.T. Blathy，1860 ~ 1939)和c . Zipernowsky(1853 ~ 1942)首先對此提出質疑並進行改進。
Blache於1883進入Gonz工廠，長期擔任技術總監。他壹生中做出了許多發明，獲得了100多項專利，包括變壓器、調壓器、汽輪發電機等。Blache是最早研究交流發電機並聯運行的人之壹，他還發明了許多電機設計程序和設計計算方法。此外，他在1885中首次引入了“變壓器”壹詞。這個簡潔生動的術語很快被人們認識和接受，很快取代了以前的“感應線圈”、“次級發電機”等術語，壹直沿用至今。
Zibonovsky是Gunz工廠電氣部門的創始人之壹，該工廠成立於1878。從65438到0893，他被任命為匈牙利布達佩斯技術大學的電學教授。他壹生獲得了40多項專利，並擔任了30年的匈牙利電工學會主席。
德裏在1882加入了岡薩雷斯工廠。他在銷售部工作了很長時間，但他對電機和變壓器很了解。他曾經設計了復合勵磁交流發電機，並發明了以他的名字命名的雙刷排斥電機——德裏電機。
1884年，意大利都靈科技博覽會舉行。來自Blache和Gonz工廠的壹組技術人員參觀了博覽會，並看到了展出的Gorland-Gibbs二次發電機。當時，Blache敏銳地意識到了這種二次發電機的巨大發展前景，並註意到了這種變壓器的優缺點。在博覽會上，布拉切曾問高蘭德:“妳的二次發電機為什麽不用閉路鐵芯？”高蘭德不假思索地回答:“用閉路鐵芯很危險，很不經濟。”
1884年7月，布拉切從都靈回到布達佩斯後，立即把在都靈博覽會上的所見所聞告訴了齊伯洛夫斯基和達裏，他們決定立即進行變壓器改進實驗。Blache建議使用閉路鐵芯，Zibnovsky建議將壹次繞組的串聯改為並聯，並和德裏壹起進行了研究實驗。1884年8月7日，他們在岡茨工廠的實驗雜誌上推出了閉合磁路鐵芯的變壓器(圖18)。
1884年冬天，德裏在維也納貿易聯合會上展示了他們的發明。1885 65438+10月2日，Zibernowski和德裏在奧地利申請了第壹個關於變壓器並聯運行的專利(?. 37/101)。同年2月2日，他們三人在奧地利和德國申請了第二項變壓器專利(奧地利專利?. 35/2446，德國專利?. 40414)。
1884年9月由Gonz廠制造的第壹臺變壓器(1400W，f=Hz，120/72V，變比1.67)為單相外殼閉路鐵芯(鐵絲)變壓器。同年，Gonz工廠還制造了其他四種變壓器。
5月1885，1，匈牙利布拉佩斯國家博覽會開幕。壹臺150V、70Hz的單相交流發電機產生的電流，通過岡薩雷斯工廠的75臺5kVA變壓器(閉路芯、並聯、殼式)降壓，點亮了世博會場館內的1067只愛迪生燈泡，蔚為壯觀。因此，後來人們把1885年5月1日紀念為現代實用變壓器的誕生日。布達佩斯博覽會讓岡茲工廠聞名全球，工廠在博覽會期間接到了壹批訂單。
Ziberovsky-Delhi-Blache (Z-D-B)變壓器是變壓器技術發展史上的重要裏程碑，其基本結構如閉路鐵芯、壹次側並聯壹直沿用至今。可以說，Z-D-B變壓器基本上塑造了現代變壓器的結構，從此變壓器正式進入交流電流輸配電領域，有力地推動了交流電流的普及和應用，促進了現代交流電機的發展。
1888年，岡茲工廠將變壓器專利權轉讓給西門子-哈爾斯克公司。很快，另外兩家德國公司也買下了岡薩雷斯工廠的變壓器專利權。1890年，法國和西班牙的公司也購買了岡茲變壓器的專利。從19的80年代後期開始，變壓器在歐洲迅速普及。到1889，共生產了1000臺變壓器，到1899，數量已經超過10000臺。20世紀20年代以前，岡薩雷斯工廠在變壓器制造領域保持世界領先水平。
變壓器技術在美國的傳播和發展？
65438+80年代初，當歐洲人正在努力改進變壓器，探索變壓器的應用領域時，大洋彼岸的美國愛迪生公司陶醉於DC系統的成功及其帶來的巨額利潤，而忽略了交流系統和變壓器。但此時，以列車空氣制動起家的西屋公司(W. Westinghouse，1846 ~ 1914)正試圖涉足交流領域。1885年春天，他漫遊歐洲，訪問了倫敦和布達佩斯，也在接觸當時的歐洲發明家。他對Gorland-Burgis二次發電機非常感興趣，並立即決定購買幾臺二次發電機。1885年5月，西屋空氣制動公司年輕工程師潘塔萊奧尼因父親去世，返回意大利參加葬禮。當他在都靈拜訪他的大學老師時，他遇到了正在都靈技術博覽會上的高蘭德。當時，高蘭德正在安裝蘭佐和喀爾刻之間的通信系統。潘塔連利對此非常感興趣，並立即發電報給西屋公司，報告他的印象。西屋公司非常重視，把潘塔萊尼叫了回來，讓他聯系高蘭公司，購買高蘭公司和吉布斯公司在美國申請的變壓器專有權。經過友好協商，戈蘭德同意了西屋公司的要求。
9月1885，1，西屋空氣制動公司訂購的金蘭-吉布斯二次發電機和西門子公司的單相交流發電機從歐洲運到美國。
1885 165438+10月23日，R.Belfield作為Goldland-Gibbs公司的全權代表抵達美國匹茲堡，將變壓器技術轉讓給西屋空氣制動公司，並幫助該公司設計了新型(閉路鐵芯)變壓器。1886 65438+10月5日，他去了大巴靈頓，幫助W.Stanley(當時是西屋的助理)施工。運行大巴林頓3000伏交流輸電線路。1886年3月20日，美國第壹條交流輸電線路建成投運，標誌著美國電氣時代的真正開始！
西屋公司除了以實業家的勇氣吸引人才、購買專利、訂購設備、開發交流系統和變壓器外，還致力於變壓器的研究。1886 65438+10月8日，他成立了西屋電氣公司(westinghouse Electric Company)，在電氣領域(主要是交流電)大踏步前進，正式進入變壓器的研究和工業生產。1886年2月申請了配電系統和閉路鐵芯變壓器兩項美國專利(?. 342552和?. 342553)。圖23顯示了西屋公司最早的變壓器。1888年，西屋公司制造了40臺2kW電燈變壓器。1891年，西屋制造了第壹臺充油變壓器(電壓10kV)(圖24)。
與西屋公司積極探索和發展變壓器行業形成鮮明對比的是愛迪生對變壓器的冷漠和短視態度。當時，愛迪生電氣公司的電燈和DC發電機統治了北美大陸，並出口到歐洲。愛迪生躊躇滿誌，對新出現的交流供電系統不屑壹顧，還有點敵意(這為美國未來的交流-DC戰爭埋下了種子)。1885年，愛迪生公司代表J.W.Lieb參觀都靈博覽會，看到展出的交流配電系統和變壓器。但是李波和愛迪生壹樣，是壹個頑固的DC激進分子。他向愛迪生做了報告，匯報了自己的印象，並對會上展出的交流配電系統和變壓器提出了批評。這個報告也堅定了愛迪生反對交流電的決心。1886年，布拉切去了美國，見到了愛迪生。雙方簽署協議，愛迪生公司出資2萬美元購買美國岡茨工廠申請的變壓器獨家專利權。然而，愛迪生根本不想開發交流系統和變壓器。簽這個協議只是其他公司發展交流系統和變壓器的壹個策略。所以這壹紙協議的直接後果就是阻礙了Z-D-B變壓器在美國的推廣應用。這種情況直到1892年愛迪生並入通用電氣公司才得到根本改變。
在美國變壓器發展史上，另外兩個人也做出了不可磨滅的貢獻。分別是斯坦利(W. Stanley，1856 ~ 1927)和斯特拉(N. Tesla，1856 ~ 1943)。
斯坦利在1883開始接觸交流，對變壓器在交流系統中的作用有過深刻的探討。他多次將變壓器稱為“交流系統的心臟”。從1883到1884，他在自己的小實驗室裏研究變壓器。1884年2月，他受聘於西屋公司，成為他的助手，主持交流系統和變壓器的設計和制造。1885年9月29日，美國第壹臺壹次繞組並聯、閉合磁路鐵芯的變壓器(圖25)在西屋空氣制動公司的車間裏制成並試驗。1885，10年10月23日在美國申請了第壹個關於閉路鐵芯變壓器的專利(?. 49612)；同年165438+10月23日，他提出了三項專利，其中有變壓器的配電系統專利兩項(?. 372943和?. 372944)，開路鐵芯變壓器專利1項(?. 3738+060)。1885 65438+2月，他主持建設了美國第壹個交流輸電系統——大巴林托交流輸電系統。3月20日，1886，系統完成並投入運行。1890年離開西屋電氣公司。1891年，他在皮茨菲爾德成立了斯坦利電氣制造公司，繼續開發變壓器。圖26示出了斯坦利公司的商用變壓器。1891年斯坦利公司做了壹臺25kVA的商用變壓器。1892年，斯坦利公司研制出15kV變壓器，使美國的交流輸電電壓壹舉突破10kV，從而打開了高壓輸電的大門。斯坦利也贏得了“電氣傳動之父”的美譽。1903，將公司並入GE公司。在GE公司，他繼續指導GE公司開發變壓器。所以西屋和GE早期的變壓器技術是壹脈相承的，都采用殼式變壓器結構。直到1918葛換了芯變，他們才分道揚鑣。
特斯拉是被譽為“電工天才”的美國克羅地亞科學家，他在交流系統和交流電機方面的貢獻舉世聞名。1888年受聘西屋工作，在變壓器方面也有建樹。1890年離開西屋自主創業，繼續研究變壓器。圖28是1891發明的特斯拉高頻變壓器原理，圖29是特斯拉高頻變壓器復原圖。變壓器壹次繞組為12匝φ5mm銅線，繞在55mm玻璃管上。次級線圈380匝，0.2mm銅線，繞在φ 113 mm玻璃管上。壹次二次線圈放在高50cm，內徑φ16.5cm的玻璃管中，浸在絕緣礦物油中。初級線圈接入振蕩電路，次級線圈兩端可獲得105 ~ 106 Hz的高頻電流，並可觀察到明顯的火花。這種變壓器已被用來研究高頻電振蕩現象，並通過它觀察到趨膚效應。
三相變壓器的誕生
Gorant-Gibbs二次發電機和Z-D-B變壓器都是單相變壓器，有“三相交流電之父”之稱的俄羅斯科學家多利沃-多布羅夫斯基發明了三相變壓器。1888年，他提出三相電流可以產生旋轉磁場，發明了三相同步發電機和三相鼠籠式電動機。1889年，為了解決三相電流傳輸和供電問題，他開始研究三相變壓器。Dolivo-Dobrovski三相變壓器與當時的單相變壓器相比，壹次繞組和二次繞組沒有太大的區別，主要區別在於鐵心的排列。當時他申請了第1號三相變壓器鐵芯的專利。三個芯柱沿圓周方向垂直對稱布置，上下用兩個軛環連接。這種結構類似於中世紀歐洲的修道院，所以稱為“Tempeltype”，如圖30(a)所示。如圖30(b)和圖30(c)所示，後來開發了“寺廟式”結構。在1891中，西門子公司首先采用了框架鐵芯，如圖30(d)所示。
世界上第壹臺三相變壓器出現在1891。當年8月，世博會在德國法蘭克福舉行。為了展示交流電的傳輸和應用，主辦方在德國勞芬的波特蘭水泥廠安裝了壹套三相水輪發電機組(210kVA，175km/min，445 km遠)。因此，德國通用電氣公司(AEG)和瑞士歐瑞康工廠分別為勞芬-法蘭克福項目提供了4臺和2臺三相變壓器。在勞芬，AEG公司提供兩臺三相升壓變壓器(每臺100kVA，變壓比為1: 160，Y-Y接線)，歐瑞康廠提供壹臺升壓變壓器(150kVA，變壓比為1: 65433)。法蘭克福的兩個降壓變電站分別配置兩臺AEG生產的三相降壓變壓器(變比123: 1)向電動機供電，壹臺歐瑞康廠生產的三相降壓變壓器(變比116: 1)向電動機供電。被測變壓器的最高效率達到了96%。圖31所示為AEG公司生產的三相變壓器。
6其他變形金剛？
除了上述的變形金剛之外，在19世紀末20世紀初，也有很多人對變形金剛進行了研究工作，制作了各種變形金剛，使早期的變形金剛多姿多彩，為後期各種變形金剛的發展積累了寶貴的經驗和教訓。
英國科學家費蘭特(1864 ~ 1930)研究變壓器，並於1885年獲得了關於閉合磁路變壓器的專利。1888年，研制出壹種用鐵片彎成圓形形成鐵芯的變壓器(圖32)。1891年制作了壹臺10kV/2kV的大容量變壓器，其鐵心由10段組成，每段鐵心由圓形鐵片組成，段間空隙用於通風散熱(圖33)。
1884年，英國電工j·霍普金森(1849 ~ 1898)和弟弟e·霍普金森(1859 ~ 1922)申請閉合磁路。
1891年，M.W.Mordey為Blache公司設計制造了壹臺疊片鐵芯變壓器(圖34)。
美國電工e·湯姆森(1853 ~ 1937)早在1879年就在富蘭克林學院學習變壓器。1886年，他制成了第壹臺焊接變壓器，其二次繞組為單匝，不久他又制成了恒流變壓器(圖35)。
Disk和R . Kennedey發明了壹種帶有H形鐵芯的變壓器結構(圖36)。
1889年，史文朋發明了“刺猬”油浸變壓器，沿用至今。
除此之外，在19的八九十年代，還有其他研究變形金剛的人，比如馬森、費爾德曼、w·斯特金、J.A弗萊明、W.B伊德之子、I·切納特、g·費萊斯、r·魯爾曼、w·佩克特、k·濟奇。E. Hospital、F. Uppenborn、A. Urbanitzky、R. E. Crompton、K. D. Mackenzie、G. Forbes、s .施特勞布、f .威爾金、M. A.A. Roiti、M. Swinburne、Kittler等。
參考資料:
/dlsb/bdsb/byq/200805/36184 . html