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，英國著名物理學(xué)家弗來明(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：“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，即線圈B和檢流器3中有電流流過。也就是說，法拉第通過這個(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日還制成了第一臺圓盤式直流發(fā)電機(jī)。同年11月24日，法拉第向英國皇家學(xué)會報(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。

圖1  法拉第實(shí)驗(yàn)裝置原理圖(1831年8月29日)

但實(shí)際上最早發(fā)明變壓器的是美國著名科學(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；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。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)榇箅娏鳌?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，他只得將這件事擱置一旁。后來他又進(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《美國科學(xué)和藝術(shù)雜志》第7期上。但是，在此以前，法拉第

圖2  法拉第感應(yīng)線圈

圖3  亨利實(shí)驗(yàn)裝置原理圖(1830年8月)

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，但他在電學(xué)上的貢獻(xiàn)、對變壓器發(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，利用自動錘的振動使水銀接通或斷開電路。在副邊線圈感生的電動勢能使一個(gè)真空管的電火花達(dá)4.5英寸長。

圖4  佩奇感應(yīng)線圈原理圖

    1837年，英國牧師卡蘭(N.J.Callan)將佩奇變壓器分成無電氣連接的兩部分(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將會產(chǎn)生火花。

圖5  卡蘭感應(yīng)線圈原理圖

    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，都無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

    德國技師魯姆科爾夫(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，后到巴黎定居，并自設(shè)精密機(jī)械制造工場。魯姆科爾夫在理論上并無建樹，但他善于研究他人的建議，并利用他心靈手巧的特長付諸實(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，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，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。 

圖6  魯姆科爾夫感應(yīng)線圈示意圖

圖7  魯姆科爾夫感應(yīng)線圈(1850年)

圖8  魯姆科爾夫感應(yīng)線圈及復(fù)原圖

    為了獲得更大的火花，1856年，英國電工技師瓦里(C.F.Varley,1828～1883)也對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，瓦里感應(yīng)線圈是交流變壓器的始祖。

圖9  瓦里感應(yīng)線圈原理圖

圖10  瓦里感應(yīng)線圈(1856年)

    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。

圖11  格羅夫感應(yīng)線圈原理圖(1868年)

    繼格羅夫之后，許多人對感應(yīng)線圈進(jìn)行了研究，提出了一些改進(jìn)建議。例如，美國人富勒(J.B.Fuller)在19世紀(jì)70年代初對感應(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，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)際上是一臺不閉合磁芯的單相變壓器。

    1882年，俄國工程師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)的是法國人高蘭德(L.Gauland,1850～1888)和英國人吉布斯(J.D.Gibbs)。1882年9月13日，它們在英國申請了第一個(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，它通過推進(jìn)、拉出鐵心來控制電壓，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)。

圖12  高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)原理圖

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3000V/100V的二次發(fā)電機(jī)，1983年又制成一臺容量約5kVA的二次發(fā)電機(jī)在倫敦郊外一個(gè)小型電工展覽會上展出表演。當(dāng)年，他們?yōu)閭惗厥袇^(qū)鐵路提供了幾臺小型變壓器(圖13)。1884年，他們在意大利都靈技術(shù)博覽會上展出了

圖13  高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)(1883年)

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，但它們在高度方向

圖14  高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)(1884年)

分成4段，通過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)，這臺二次發(fā)電機(jī)可以通過調(diào)節(jié)輸出電壓而改變輸出功率的大小。

圖15  高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)

1884年3月4日，高蘭德和吉布斯在美國申請第一個(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”(圖16)；

    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，他們在美國申請有關(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)。 

圖16  高蘭德—吉布斯在美國申請的第一個(gè)變壓器專利(№.297924)的附圖

圖17  高蘭德—吉布斯閉路鐵心式二次發(fā)電機(jī)(1886年)

3  齊伯諾夫斯基—德里—布拉什(Z-D-B)變壓器

    高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)(變壓器)雖然開辟了變壓器的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，但早期這種變壓器存在某些先天不足，如開路鐵心、原邊線圈串聯(lián)等。首先對此質(zhì)疑和作出改進(jìn)的是匈牙利崗茨工廠(Ganz)的三個(gè)年輕工程師布拉什(O.T.Blathy,1860～1939)、齊伯諾夫斯基(C.Zipernowsky, 1853～1942)和德里(M.Deri,1854～1938)。

    布拉什1883年進(jìn)入崗茨工廠，長期擔(dān)任技術(shù)負(fù)責(zé)人。他一生發(fā)明頗豐，曾獲得100多項(xiàng)專利權(quán)，包括變壓器、電壓調(diào)整器、汽輪發(fā)電機(jī)等。布拉什是首次研究交流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行人之一，他還發(fā)明了許多電機(jī)設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。另外，他在1885年首先引入單詞“Transformer”(變壓器)，這一簡明傳神的術(shù)語很快為人們所認(rèn)同和接受，迅速取代以往采用的“感應(yīng)線圈”、“二次發(fā)電機(jī)”等術(shù)語，一直沿用至今。

   齊伯諾夫斯基是1878年成立的崗茨工廠電氣部的奠基人之一。1893年，他提任匈牙利布達(dá)佩斯技術(shù)大學(xué)的電氣教授。他一生取得40多項(xiàng)專利權(quán)，曾任匈牙利電工學(xué)會主席30年。

    德里1882年加入崗茨工廠，他長期在銷售部工作，但對電機(jī)和變壓器頗有研究。他曾設(shè)計(jì)復(fù)激交流發(fā)電機(jī)，還發(fā)明了以他名字命名的雙電刷推斥式電動機(jī)—德里電動機(jī)。

    1884年，意大利都靈技術(shù)博覽會召開，布拉什和崗茨工廠一批技術(shù)人員參觀了該博覽會，見到了會上展出的高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)。布拉什當(dāng)時(shí)敏銳地覺察到這種二次發(fā)電機(jī)有很大發(fā)展前途，注意到這種變壓器的優(yōu)點(diǎn)及不足之處。在博覽會上，布拉什曾問高蘭德：“為什么你們的二次發(fā)電機(jī)不采用閉路鐵心?”高蘭德不假思索地回答：“采用閉路鐵心非常危險(xiǎn)，而且很不經(jīng)濟(jì)。”

    1884年7月，布拉什從都靈回到布達(dá)佩斯后，立即將都靈博覽會上的所見所聞告訴了齊伯諾夫斯基和達(dá)里，他們決定立即進(jìn)行變壓器的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。布拉什建議采用閉路鐵心，齊伯諾夫斯基建議將原邊線圈串聯(lián)改為并聯(lián)，并和德里一道進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)。1884年8月7日，他們在崗茨工廠實(shí)驗(yàn)雜志上介紹了有關(guān)閉合磁路鐵心的變壓器(圖18)。

圖18  Z-D-B變壓器示意圖

1884年冬，德里在維也納貿(mào)易聯(lián)合會展示了他們的發(fā)明。1885年1月2日，齊伯諾夫斯基和德里在奧地利申請第一個(gè)有關(guān)并聯(lián)運(yùn)行變壓器的專利(№.37/101)，圖19為該專利中的附圖。同年2月2日他們?nèi)嗽趭W地利和德國申請第二個(gè)變壓器專利(奧地利專利№.35/2446，德國專利№.40414)。

圖19  奧地利專利№.37/101的附圖

1884年9月16日，崗茨工廠制成的第一臺變壓器(1400W，f=Hz,120/72V，變比1.67)，它是一臺單相殼式、閉路鐵心(鐵絲)變壓器。同年，崗茨工廠還制造了另外4臺變壓器。圖20為最原始的Z-D-B變壓器。

    1885年5月1日，匈牙利布拉佩斯國家博覽會開幕，一臺150V、70Hz單相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流，經(jīng)過75臺崗茨工廠5kVA變壓器(閉路鐵心，并聯(lián)，殼式)降壓，點(diǎn)燃了博覽會場的1067只愛迪生燈泡，其光耀奪目的壯觀場面轟動了世界。所以，后來人們把1885年5月1日作為現(xiàn)代實(shí)用變壓器的誕生日而加以紀(jì)念。布達(dá)佩斯博覽會使崗茨工廠名揚(yáng)四海，博覽會期間工廠就接到一批訂單。

圖20  最原始的Z-D-B變壓器(1884年)

圖21和圖22分別為1885年和1887年的崗茨變壓器。從圖可以看出，它們均為心式變壓器，與現(xiàn)代變壓器已十分接近。

   21  Z-D-B為G.費(fèi)蘭里斯實(shí)驗(yàn)室制造的變壓器(1885年)(3000W，變比1∶2或1∶4)

  1885年6月至10月，Z-D-B變壓器參加了倫敦發(fā)明展覽會，并在會上作了演示。高蘭德—吉布斯公司的工程師貝爾費(fèi)爾德(R.Belfield)參觀了倫敦發(fā)明展覽會，對Z-D-B變壓器很感興趣。1885年5月7日，齊伯諾夫斯基、德里和布拉什在美國申請第一個(gè)閉路鐵心

圖22  Z-D-B全金屬變壓器(1887年) (E形鐵片鐵心，4000VA，1926/105V，2.19/38A，42Hz)

變壓器及交流配電系統(tǒng)的專利(№.352105)。

   齊伯諾夫斯基—德里—布拉什(Z-D-B)變壓器是變壓器技術(shù)發(fā)展史上的重要里程碑，它所采用的閉路鐵心、原邊并聯(lián)等基本結(jié)構(gòu)一直沿用至今。可以說Z-D-B變壓器已使現(xiàn)代變壓器的結(jié)構(gòu)基本定型，從此變壓器正式進(jìn)入交流電流的輸電、配電領(lǐng)域，有力地推動了交流電流的普及應(yīng)用，促進(jìn)了現(xiàn)代交流電機(jī)的發(fā)展。

1888年，崗茨工廠向德國西門子—哈爾斯克(Simens-Halske)公司轉(zhuǎn)讓變壓器專利權(quán)。不久，另外兩家德國公司也購買了崗茨工廠的變壓器專利權(quán)。1890年，法國、西班牙的公司也購買了崗茨的變壓器專利。從19世紀(jì)80年代后期開始，變壓器在歐洲迅速推廣，到1889年已總共生產(chǎn)1000臺變壓器，到1899年突破10000臺。在20世紀(jì)20年代前，崗茨工廠在變壓器制造領(lǐng)域一直保持世界領(lǐng)先水平。

4  變壓器技術(shù)在美國的傳播和發(fā)展

    19世紀(jì)80年代初，當(dāng)歐洲人正致力于改進(jìn)變壓器、探索變壓器應(yīng)用領(lǐng)域的時(shí)候，大洋彼岸美國的愛迪生公司正沉醉于在直流電系統(tǒng)方面的成功及由此帶來的豐厚利潤之中，對交流電系統(tǒng)、對變壓器不屑一顧。但此時(shí)，由火車空氣制動器起家的威斯汀豪斯(W.Westinghouse,1846～1914)正想涉足交流電領(lǐng)域。1885年春，他漫游歐洲，參觀了倫敦和布達(dá)佩斯，與當(dāng)時(shí)歐洲發(fā)明家也有接觸，對高蘭德—布吉斯二次發(fā)電機(jī)很感興趣，當(dāng)即決定購買幾臺二次發(fā)電機(jī)。1885年5月，西屋空氣制動器公司的年輕工程師潘塔倫里(Pantaleoni)因父親病逝，回意大利奔喪，他到都靈拜會他的大學(xué)老師時(shí)，遇到正在都靈技術(shù)博覽會的高蘭德，當(dāng)時(shí)高蘭德正安裝Lanzo和Circe間的交流系統(tǒng)。潘塔倫里對此十分感興趣，立即給威斯汀豪期打電報(bào)，報(bào)告他的觀感。威斯汀豪斯十分重視，回電潘塔倫里，要他與高蘭德聯(lián)系，買下高蘭德、吉布斯在美國申請的有關(guān)變壓器的獨(dú)家專有權(quán)。經(jīng)友好協(xié)商，高蘭德同意了威斯汀豪斯的要求。

    1885年9月1日，西屋空氣制動器公司訂購的高蘭德—吉布斯二次發(fā)電機(jī)和西門子Siemens公司單相交流發(fā)電機(jī)從歐洲運(yùn)到美國。

    1885年11月23日，貝爾費(fèi)爾德(R.Belfield)作為高蘭德—吉布斯的全權(quán)代表到達(dá)美國匹茲堡，向西屋空氣制動器公司轉(zhuǎn)讓變壓器技術(shù)，并幫助該公司設(shè)計(jì)新型(閉路鐵心)變壓器。1886年1月5日，他到Great Barrington，幫助斯坦利(W.Stanley，時(shí)為威斯汀豪斯的助手)建設(shè)。運(yùn)行Great Barrington 3000V交流輸電線。1886年3月20日，美國第一條交流輸電線建成投入運(yùn)行，這標(biāo)志美國電氣時(shí)代的真正開始!

    威斯汀豪斯除了以實(shí)業(yè)家膽識招攬人才、購買專利、訂購設(shè)備、發(fā)展交流電系統(tǒng)和變壓器外，還身體力行，潛心于變壓器的研究。1886年1月8日，他組建威斯汀豪斯電氣公司(西屋電氣公司)，大踏步地進(jìn)入電氣(主要是交流電)領(lǐng)域，正式進(jìn)入變壓器的研究和工業(yè)化生產(chǎn)。1886年2月，他申請了有關(guān)配電系統(tǒng)和閉路鐵心變壓器的2項(xiàng)美國專利(№.342552和№.342553)。圖23為西屋公司最早的變壓器。1888年，西屋公司制成40盞電燈用2kW變壓器。1891年，西屋公司制成第一臺充油變壓器(10kV電壓)(圖24)。

圖23  西屋公司早期變壓器

圖24  西屋公司充油變壓器(1891年)

    與威斯汀豪斯積極開拓、發(fā)展變壓器工業(yè)成為鮮明對照的，是愛迪生對變壓器的漠視和短視態(tài)度。當(dāng)時(shí)，愛迪生電燈公司的電燈和直流發(fā)電機(jī)獨(dú)霸北美大陸，遠(yuǎn)銷歐洲。愛迪生躊躇滿志，對剛剛出現(xiàn)的交流電供電系統(tǒng)既不屑一顧，又懷有一絲敵意(這為以后的美國交直流之戰(zhàn)埋下了種子)。1885年，愛迪生公司代表李博(J.W.Lieb)參觀都靈博覽會，見到了展出的交流電配電系統(tǒng)和變壓器。但李博與愛迪生一樣，是一名頑固的直流主義者，他向愛迪生打了一報(bào)告，報(bào)告了他的觀感，對會上展出的交流配電系統(tǒng)和變壓器橫加挑剔指責(zé)。這份報(bào)告也更堅(jiān)定了愛迪生反對交流電的決心。1886年，布拉什到美國，會見愛迪生，雙方簽訂了一個(gè)協(xié)議，由愛迪生公司出資2萬美元購買崗茨工廠在美國申請的變壓器的的獨(dú)家專利使用權(quán)。但是，愛迪生公司出資壓根就不想發(fā)展交流電系統(tǒng)和變壓器，簽訂這項(xiàng)協(xié)議只不過是讓其它公司發(fā)展交流電、發(fā)展變壓器的一種策略。因此，這一紙協(xié)議的直接后果是阻礙了Z-D-B變壓器在美國的推廣應(yīng)用。這種情況直到1892年，愛迪生公司合并為通用電氣公司后才得以根本改變。

    在美國變壓器發(fā)展史上，還有兩個(gè)人也作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。他們是斯坦利(W.Stanley,1856～1927)和斯特拉(N.Tesla,1856～1943)。

    斯坦利1883年開始接觸交流電，對變壓器在交流電系統(tǒng)中的作用有深刻的論述。他曾多次稱變壓器是“heart of the alternating current system”(交流電系統(tǒng)的心臟)。1883～1884年，他在自己的小型實(shí)驗(yàn)室里就進(jìn)行過變壓器的研究。1884年2月，他受雇于威斯汀豪斯，成為他的助手，主持設(shè)計(jì)制造交流系統(tǒng)及變壓器。1885年9月29日制成美國第一臺原邊線圈并聯(lián)、閉合磁路鐵心的變壓器(圖25)，并在西屋空氣制動器公司車間里進(jìn)行了試驗(yàn)。1885年10月23日，他在美國申請第一個(gè)有關(guān)閉路鐵心變壓器的專利(№.349612)；同年11月23日，他提出3個(gè)專利，其中2個(gè)帶變壓器的配電系統(tǒng)的專利(№.372943和№.372944)，1個(gè)是開路鐵心變壓器的專利(№.349611)，這4個(gè)專利都轉(zhuǎn)讓給了威斯汀豪斯。1885年12月，他主持建設(shè)美國第一個(gè)交流輸電系統(tǒng)—Great Barringto交流輸電系統(tǒng)。1886年3月20日，該系統(tǒng)建成投運(yùn)。1890年他離開西屋電氣公司，1891年他在Pittsfield組建斯坦利電氣制造公司，繼續(xù)研制變壓器。圖26為斯坦利公司的一種商用變壓器。1891年，斯坦利公司制成25kVA商用變壓器(圖27)。1892年，斯坦利公司研制成15kV變壓器，使美國交流電輸電電壓一舉突破10kV，從而打開了高電壓輸電的大門。斯坦利也因而贏得了“電氣傳輸之父”的美名。1903年，他將公司并入GE公司。在GE公司，他繼續(xù)指導(dǎo)GE公司開發(fā)變壓器。因此使西屋公司和GE公司早期的變壓器技術(shù)同宗同源，都是采用殼式變壓器結(jié)構(gòu)，直到1918年GE公司改用心式變壓器后，兩者才分道揚(yáng)轆。

圖25  斯坦利主持設(shè)計(jì)制造的第一臺變壓器(1885年)(500V/100V)    

圖26  斯坦利公司商用變壓器

圖27  斯坦利公司25kVA變壓器(1891年)

特斯拉是譽(yù)為“電工天才”的美籍克羅地亞科學(xué)家，他在交流電系統(tǒng)和交流電動機(jī)方面的貢獻(xiàn)享譽(yù)世界。1888年，他受聘到西屋公司工作后也在變壓器方面作出了成績。1890年，他離開西屋公司自立門戶，繼續(xù)研究變壓器。圖28為1891年發(fā)明的特斯拉高頻變生器原理，圖29為特斯拉高頻變壓器復(fù)原圖。變壓器原邊線圈為12匝Φ5mm的銅線，繞在一個(gè)Φ55mm的玻璃管上。副邊線圈380匝，Φ0.2mm銅線，繞在一個(gè)Φ113mm的玻璃管上。原副邊線圈放入一個(gè)高1250px、內(nèi)徑Φ412.5px的玻璃管內(nèi)，浸入絕緣礦物油內(nèi)。原邊線圈與振蕩電路相連，副邊線圈兩端可獲得10⁵～10⁶Hz的高頻電流，并可觀察到明顯的火花。這臺變壓器曾用于研究高頻電振蕩現(xiàn)象，并曾藉此觀察到集膚效應(yīng)。

圖28  特斯拉高頻發(fā)生器原理圖(1891年)

5  三相變壓器的誕生

高蘭特—吉布斯二次發(fā)電機(jī)和Z-D-B變壓器都是單相變壓器，發(fā)明三相變壓器的則是被

圖29  特斯拉高頻變壓器(1891年)

　　譽(yù)為“三相交流電之父”的俄國科學(xué)家多利沃—多布羅夫斯基。1888年，他提出三相電流可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并發(fā)明三相同步發(fā)電機(jī)和三相鼠籠式電動機(jī)。1889年，他為解決三相電流的傳輸及供電問題，開始研究三相變壓器。與當(dāng)時(shí)的單相變壓器相比，多利沃—多布羅夫斯基三相變壓器的原邊、副邊線圈并無太大差別，主要區(qū)別是在鐵心布置方面。當(dāng)年，他申請第1個(gè)三相變壓器鐵心的專利，3個(gè)心柱在周向垂直對稱布置，上、下與兩個(gè)軛環(huán)相連。這種結(jié)構(gòu)類似歐洲中世紀(jì)的修道院，故稱為“Tempeltype(寺院式)”，如圖30(a)所示。“寺院式”結(jié)構(gòu)后來又發(fā)展出圖30(b)和圖30(c)式。1891年，西門子公司又首先采用了框式鐵心，見圖30(d)。

圖30  三相變壓器鐵心

　　世界上第一臺三相變壓器出現(xiàn)于1891年。當(dāng)年8月，世界博覽會在德國法蘭克福(Frankfurt)召開，會議組織者為了展示交流電的輸送和應(yīng)用，在175km外的德國勞芬(Lauffen)的波特蘭(Portland)水泥廠內(nèi)裝設(shè)了一套三相水輪發(fā)電機(jī)組(210kVA，150r/min，40Hz，相電壓55V)，向博覽會上的1000盞電燈和一臺100馬力的三相感應(yīng)電動機(jī)供電。為此，德國通用電氣公司(AEG)和瑞士奧立康(Oerlikon)廠分別為勞芬-法蘭克福工程提供了4臺和2臺三相變壓器。在勞芬，AEG公司提供了2臺三相升壓變壓器(每臺100kVA，變比為1∶160，Y-Y接)，Oerlikon工廠提供了一臺升壓變壓器(150kVA，變比為1∶155)；在法蘭克福的兩座降壓變電所，則分別裝有2臺AEG公司生產(chǎn)的三相降壓變壓器(變比為123∶1)向電動機(jī)供電，以及一臺Oerlikon工廠生產(chǎn)的三相降壓變壓器(變比為116∶1)向1000盞電燈供電。實(shí)測變壓器的最高效率已達(dá)到96%。圖31為AEG公司制造的三相變壓器。

6  其它變壓器

    除上面介紹的多種變壓器外，19世紀(jì)后期及20世紀(jì)初期，還有許多人也進(jìn)行了變壓器的研究工作，制成了形形色色的變壓器，使早期變壓器異彩紛呈，也為后期各型變壓器的發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

英國科學(xué)家費(fèi)蘭特(S.Z.Ferranti,1864～1930)對變壓器進(jìn)行了研究，并于1885年取得有關(guān)閉合磁路變壓器專利權(quán)。1888年研制成鐵片彎成圓形組成鐵心的變壓器(圖32)。1891年制成一臺10kV/2kV的較大容量的變壓器，其鐵心由10段組成，每段鐵心均由彎成圓形的鐵片組成，各段鐵心間的間隙用作通風(fēng)冷卻(圖33)。   

圖31  AEG公司三相變壓器(1891年)

圖32  費(fèi)蘭特變壓器(1888年)

    1884年，英國電工學(xué)家J.霍普金森(J.Hopkinson,1849～1898)和他的弟弟E.霍普金森(E.Hopkinson,1859～1922)申請閉合磁路變壓器的專利。

    1891年，莫迪(M.W.Mordey)為布拉什(Brush)公司設(shè)計(jì)制成一臺采用疊片鐵心的變壓器(圖34)。

    美國電工學(xué)家湯姆森(E.Thomson,1853～1937)早在1879年就在弗朗克林(Franklin)學(xué)院研究過變壓器。1886年，他制成第一臺電焊變壓器，其副邊線圈為單匝，不久又制成恒流變壓器(圖35)。

迪克(Disk)和肯尼迪(R.Kennedey)發(fā)明了一種采用H形鐵心的變壓器結(jié)構(gòu)(圖36)。

    1889年，英國斯溫伯恩(M.Swinburne)發(fā)明“刺猬式”油浸變壓器，這種變壓器現(xiàn)在仍有應(yīng)用。

    除此之外，在19世紀(jì)80、90年代研究變壓器的人士還有Masson, Feldmann, W.Sturgeon, J.A.Fleming, W.B.Esson, I.Chenut, G.Ferrais, R.Ruhlman, W.Peukert, K.Zickier, 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,等等。 

圖33  費(fèi)蘭特10kV/2kV變壓器(1891年)

 
圖34  莫迪疊片鐵心變壓器(1891年)

圖35  湯姆森恒流變壓器(1886年)

圖36  迪克—肯尼迪變壓器剖面圖