变压器的产生和发展史

变压器是根据电磁感应定律，将交流电变换为同频率、不同电压交流电的静止式机电能量转换装置。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。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》中就开宗明义地说道：“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。”因此，变压器的雏形最早还要从法拉第说起。早在1831年，法拉第用图1-9所示的装置进行“磁生电”的实验：当合上开关2后，法拉第发现检流器3出现了摆动，证明此时线圈B和检流指示装置中有电流流过。法拉第通过这个试验发现了电磁感应现象，其实验装置也常被后来的学者称为“法拉第感应线圈”。法拉第感应线圈实际上就是世界上第一台变压器的雏形。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，并顺理成章地成为变压器的发明人。

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1-10所示的实验装置进行磁生电实验。当他合上开关S，发现检流计P的指针发生摆动；而打开开关S时，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S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，亨利这个实验装置实际上也是一台变压器的雏形。但是，亨利做事谨慎，他并没有急于发表他的实验成果，他还想再做一些实验加以验证。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，变压器的发明权也就非法拉第莫属了。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。

图1-9 法拉第实验装置原理图

图1-10 亨利实验装置原理图

从现代变压器原理来看，法拉第感应线圈是一只单芯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芯开路磁路双绕组式脉冲变压器。

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。鲁姆科尔夫尽管在理论上不甚建树，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。1850年，他制成了第一只感应线圈。1851年，他又提出了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1-11所示，其铁心用软铁丝制成，初级线圈包绕在铁心上，次级线圈则包绕在初级线圈上。初级线圈由蓄电池供电，并通过一个磁化铁心机构反复开、合水银开关，使初级线圈中通以脉动直流电反复改变方向。次级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。首先次级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，次级线圈与初级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，将次级线圈分成若干段，且各段之间彼此分开，然后串在一起。这样可使电位差最大的点之间的距离最远。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，而且还可防止氧化。此外，他还在初级线圈中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1-11 鲁姆科尔夫感应线圈

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，1850—1888）和英国人吉布斯（J.D.Gibbs）。1882年9月13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（No.4362），他们称这种感应线圈为“Secondary generator”（二次发电机）。图1-12所示为高兰德-吉布斯二次发电机原理图。其中，初级线圈数与次级线圈数之比为1∶1，初级线圈串联，而次级线圈均分为数段，分别与电灯1相连。高兰德-吉布斯二次发电机（变压器）是一种磁路开放式铁心变压器，它通过推进、拉出铁心来控制电压，初级线圈他们仍坚持采用串联（虽然麦克斯韦在1865年就证明，初级线圈如果采用串联，二次电压就不能单独控制）。

图1-12 高兰德-吉布斯二次发电机原理图

1884年3月4日，高兰德和吉布斯在美国申请了第一个有关开路铁心变压器的专利（No.297924）——“产生和利用二次电流的装置”，如图1-13a所示。

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（No.351589）。图1-13b为1886年制造的闭合磁路铁心式高兰德-吉布斯二次发电机。

图1-13 高兰德和吉布斯研制的变压器

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，但这种早期的变压器存在某些先天不足，如开路铁心、初级线圈串联等。首先对此质疑和做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，1860—1939）、齐伯诺夫斯基（C.Zipernowsky，1853—1942）和德里（M.Deri，1854—1938）。

1884年，布拉什和岗茨工厂的一批技术人员参观了意大利都灵技术博览会，见到了展会上展出的高兰德-吉布斯二次发电机。布拉什当时敏锐地觉察到这种二次发电机有很大的发展前途，并注意到了这种变压器的优点及不足之处。回到布达佩斯后，布拉什、齐伯诺夫斯基和德里决定对高兰德-吉布斯二次发电机进行改进。布拉什建议采用闭路铁心，齐伯诺夫斯基建议将初级线圈串联改为并联，并和德里一道进行了研究实验。1884年8月7日，他们在岗茨工厂实验杂志上介绍了有关闭合磁路铁心的变压器的原理，如图1-14a所示。1884年9月16日，岗茨工厂制成了第一台单相壳式、闭合磁路铁心的变压器（1400W，120/72V，电压比为1.67）。同年，岗茨工厂还制造了另外4台变压器。图1-14b所示为最原始的Z-D-B变压器样机。

1885年5月1日，匈牙利布达佩斯博览会开幕，一台150V、70Hz单相交流发电机发出的电流，经过75台岗茨工厂5kV·A变压器（闭路铁心，并联，壳式）降压，点燃了博览会场的1067只爱迪生灯泡，其绚烂夺目的壮观场面轰动了世界。后来人们把1885年5月1日作为现代实用变压器的诞生日而加以纪念。布达佩斯博览会使岗茨工厂名扬四海，博览会期间工厂就接到了一批订单。

图1-14 早期Z-D-B变压器

随后，在1885年6月至10月，Z-D-B变压器参加了伦敦发明展览会，并在会上做了演示。高兰德-吉布斯公司的工程师贝尔费尔德（R.Belfield）参观了伦敦发明展览会，对Z-D-B变压器很感兴趣。1885年5月7日，齐伯诺夫斯基、德里和布拉什在美国申请了第一个闭路铁心变压器及交流配电系统的专利。在接下来的两年里，岗茨工厂主要生产了图1-15所示的铁心式变压器。从图中可以看出，它们已经与现代变压器十分接近。其中，图1-15a所示变压器容量为3000V·A，电压比为1∶2或1∶4；而图1-15b所示为全金属变压器，采用的是E形铁心，容量为4000V·A，1926/105V，2.19/38A，42Hz。

图1-15 岗茨变压器

1888年，岗茨工厂向德国西门子-哈尔斯克（Simens-Halske）公司转让了变压器专利权。不久，另外两家德国公司也购买了岗茨工厂的变压器专利权。1890年，法国、西班牙的公司也购买了岗茨工厂的变压器专利。从19世纪80年代后期开始，变压器在欧洲迅速得到推广，到1889年已总共生产1000台变压器，到1899年已突破10000台。在20世纪20年代前，岗茨工厂在变压器制造领域一直保持着世界领先水平。

齐伯诺夫斯基-德里-布拉什（Z-D-B）变压器是变压器技术发展史上的重要里程碑，它所采用的闭合磁路铁心、初级线圈并联等基本结构一直沿用至今。可以说Z-D-B变压器确立了现代变压器的基本结构，从此变压器正式进入交流电流的输电、配电领域，有力地推动了交流电流的普及应用，促进了现代交流电力系统的发展。

19世纪80年代初，当欧洲人正致力于改进变压器、探索变压器应用领域的时候，大洋彼岸美国的爱迪生公司正沉醉于直流电系统方面的成功及由此带来的丰厚利润之中，并没有意识到交流电系统和变压器引发的深刻变革和带来的机遇。而由火车空气制动器起家的威斯汀豪斯（W.Westinghouse，1846—1914）正想涉足交流电领域，他与高兰德进行联系，并买下了高兰德、吉布斯在美国申请的有关变压器的独家专有权。1885年9月1日，西屋空气制动器公司订购的高兰德-吉布斯二次发电机和西门子（Siemens）公司单相交流发电机从欧洲运到了美国。

威斯汀豪斯除了以实业家的胆识招揽人才、购买专利、订购设备、发展交流电系统和变压器以外，还身体力行，潜心于变压器的研究。1886年1月8日，他组建威斯汀豪斯电气公司（西屋电气公司的前身），大踏步地进入电气（主要是交流电）领域，正式进行变压器的研究和工业化生产。1886年2月，他申请了有关配电系统和闭路铁心变压器的两项美国专利（No.342552和No.342553）。图1-16a所示为西屋电气公司最早生产的变压器。1888年，西屋公司制成40盏电灯用2kW变压器，用于40盏电灯供电照明。1891年，西屋公司制成第一台10kV电压等级的充油变压器，如图1-16b所示。

图1-16 西屋公司产变压器

对变压器的发展做出重要贡献的还有斯坦利（W.Stanley，1856—1927）和特斯拉。斯坦利1883年开始接触交流电，对变压器在交流电系统中的作用有深刻的论述。他曾多次称变压器是“heart of the alternating current system”（交流电系统的心脏）。1883—1884年，他在自己的小型实验室里就进行过变压器的研究。1884年2月，他受雇于威斯汀豪斯，成为他的助手，主持设计制造交流系统及变压器。1885年9月29日制成美国第一台初级线圈并联、闭合磁路铁心的变压器，如图1-17a所示，并在西屋空气制动器公司车间里进行了试验。1885年10月23日，他在美国申请第一个有关闭路铁心变压器的专利（No.349612）；同年11月23日，他又提出了3个专利，其中2个带变压器的配电系统的专利（No.372943和No.372944），1个是开路铁心变压器的专利（No.349611），这4个专利最终都转让给了威斯汀豪斯。1885年12月，斯坦利主持建设了美国第一个交流输电系统——Great Bar-rington交流输电系统。1886年3月20日，该系统建成投运。1890年他离开西屋电气公司之后在Pittsfield组建了斯坦利电气制造公司，继续研制变压器。图1-17b所示为斯坦利公司的一种商用变压器。1891年，斯坦利电气制造公司制成25kV·A商用变压器，如图1-17c所示。1892年，斯坦利电气制造公司研制成15kV变压器，使美国交流电输电电压一举突破了10kV，从而打开了高电压输电的大门。斯坦利也因而赢得了“电气传输之父”的美名。1903年，他将公司并入GE公司，继续在GE公司指导开发变压器。因此，西屋电气公司和GE电气公司早期的变压器技术同宗同源，都是采用壳式变压器结构。直到1918年，GE电气公司改用心式变压器后，两者才分道扬镳。

图1-17 斯坦利发明变压器

特斯拉是誉为“电工天才”的美籍科学家，他在交流电系统和交流电动机方面的贡献享誉世界。1888年，他受聘到西屋电气公司工作后，除开发交流电动机外，在变压器方面也做出了重要的贡献。1890年，他离开西屋电气公司自立门户，继续研究变压器。图1-18a所示为1891年发明的特斯拉高频交流发生器的原理图，图1-18b所示为复原的特斯拉高频变压器装置。特斯拉变压器的初级线圈为12匝ϕ5mm的铜线，绕在一个ϕ55mm的玻璃管

图1-18 特斯拉高频变压器

上。而次级线圈为380匝的ϕ0.2mm铜线，绕在一个ϕ113mm的玻璃管上。初级、次级线圈共同放入一个高50cm、内径ϕ16.5cm的玻璃管内，并浸入绝缘矿物油内。初级线圈与振荡电路相连，则次级线圈两端可获得105～106Hz的高频电流，并可观察到明显的火花。这台变压器曾用于研究高频电振荡现象，并通过它观察到了趋肤效应。

高兰德-吉布斯二次发电机和Z-D-B变压器都是单相变压器，而发明三相变压器的则是被誉为“三相交流电之父”的俄国科学家多利沃·多勃罗沃尔斯基。1888年，他提出三相电流可以产生旋转磁场，并发明了三相同步发电机和三相笼型电动机。1889年，他为解决三相电流的传输及供电问题，开始研究三相变压器。与当时的单相变压器相比，多利沃·多勃罗沃尔斯基三相变压器的初级线圈与次级线圈并无太大差别，主要区别是在铁心布置方面。1891年10月4日，他申请了第1个三相变压器铁心的专利，3个心柱在圆周方向上垂直对称布置，上、下与两个轭环相连。这种结构类似于欧洲中世纪的修道院，故称为“Tempeltype（寺院式）”，如图1-19所示。同年，德国通用电气公司（AEG）和瑞士Oerlikon工厂采用该结构为Lauffen-Frankfurt输电线路分别制成4台100kV·A和2台150kV·A的三相变压器。与此同时，西门子公司还在这一年率先使用了框式铁心。

图1-19 三相变压器铁心

除上面介绍的多种变压器外，19世纪后期至20世纪初期，还有许多人也进行了变压器的研究工作，制成了形形色色的变压器，使早期的变压器异彩纷呈，同时也为后期各型变压器的发展积累了宝贵的经验和教训。英国科学家费兰特（S.Z.Ferranti，1864—1930）对变压器进行了研究，并于1885年取得了有关闭合磁路变压器专利权。1888年，他成功研制了由铁片组成铁心的变压器，如图1-20a所示。1891年，又制成一台10kV/2kV的较大容量的变压器，如图1-20b所示。其铁心由10段组成，每段铁心均由弯成圆形的铁片组成，各段铁心之间留有一定的间隙，可用作通风冷却。1884年，英国电工学家J.霍普金森（J.Hopkinson，1849—1898）和他的弟弟E.霍普金森（E.Hopkinson，1859—1922）申请闭合磁路变压器的专利。

美国电工学家汤姆森（E.Thomson，1853—1937）早在1879年就在弗朗克林（Franklin）学院研究过变压器。1886年，他制成了第1台电焊接变压器，其次级线圈为单匝。不久又制成恒流变压器，如图1-21a所示。1891年，莫迪（M.W.Mordey）为布拉什（Brush）公司设计研制了一台采用叠片铁心的变压器，如图1-21b所示。迪克（Disk）和肯尼迪（R.Kennedey）发明了一种采用H形铁心的变压器，其结构如图1-21c所示。1889年，英国斯温伯恩（M.Swinburne）发明了“刺猬式”油浸变压器，这种变压器至今仍有应用。

图1-20 费兰特变压器

图1-21 早期其他类型变压器

除此之外，在19世纪80～90年代研究变压器的还有Masson、W.Sturgeon、J.A.Fleming、Feldmann、W.B.Esson、I.Chenut、G.Ferrais、R.Ruhlman、W.Peukert、K.Zickler、G.kapp、E.Hospitalier、F.uppenborn、A.urbanitzky、R.E.Crompton、K.D.Mackenzie、G.Forbes、S.Straub、F.Wilking、M.A.A.Roiti、M.Swinburne、Kittler等。