3.1 变形金刚（transformer）

1820年4月，丹麦哥本哈根大学的年轻科学家奥斯特在进行科学讲座时无意将一枚小磁针放在了一段导线的下方，当给导线通入电流时，意外发现与之平行的小磁针发生了转动，由此发现了电和磁的紧密关系，即电流可以产生磁场。他在数月后在法国的科学杂志《化学与物理学年鉴》上发表了著名的“Experiments on the effect of the electric conflict on the magnetic needle”（《关于磁针上电流碰撞的实验》），介绍了电流的磁效应，由此揭开了电磁学研究的新篇章 ^[1] 。在此之后，法拉第电磁感应定律、麦克斯韦方程组等相继如雨后春笋般在短短几十年内被发现，各种磁性元件，如变压器、磁放大器开始逐步进入人们的视野，对大众的生活产生了深刻的变革。

在第1章中，我们介绍了在19世纪30年代初美国科学家亨利和英国物理学家法拉第先后利用变压器的原形发现了电磁感应现象，此后对变压器原形迈向实用化贡献较大的是德国发明家鲁姆科尔夫（Heinrich Daniel Ruhmkorff），他采用了很多改进措施，发明了感应线圈（也被称为Ruhmkorff线圈），如图3-1所示 ^[2] ，线圈由一次绕组和二次绕组组成，在二次绕组中产生高电压，以进行气体击穿或引爆，并将其成果进行商业化，广泛用于X光机、无线电发射器、电弧照明和医疗电疗等设备，以及现在的内燃机点火线圈。他还因其发明于1858年被拿破仑三世皇帝授予50000法郎的奖金，他的事迹在1864年法国作家儒勒·凡尔纳（Jules Gabriel Verne）所著的著名科幻小说《地心游记》中都有提及。

后面对变压器作出重要贡献的是法国人高拉德和英国人吉布斯，他们为变压器找到了一个应用场合，那就是交流输配电系统（见第1章相关内容），他们引入了开路铁心充当磁路部件，大大提升了变压器的功能。他们种下的变压器种子在美国和欧洲都得到了开花结果。花开两朵，各表一枝。先说在美国，西屋电气公司买了高拉德和吉布斯的专利后，公司工程师斯坦利（William Stanley）认识到变压器系统的缺陷——没法自我调节，因为这套系统采用了串联结构。于是在1886年申请了变压器的美国专利“Induction coil，US0349611”，如图3-2a所示，后来斯坦利又不断对变压器进行改进，如图3-2b所示 ^[3] 。由于斯坦利在交流变压器及交流系统的杰出贡献，他在1912年被授予AIEE（American Institute of Electrical Engineers，即为IEEE前身）爱迪生奖章，以表彰其在发明和发展交流电系统和设备方面的杰出成就。

再说在欧洲，当高拉德和吉布斯在1884年意大利都灵国际博览会期间展出他们的变压器时，吸引了当时匈牙利岗茨（Gangz）工厂工程师布拉什（O.T.Blathy）的注意，他敏锐地感觉到这种设备有很大的发展前途，回去之后，他和工厂的工程师齐伯诺夫斯基（C.Zipernowsky）以及德里（M.Der）一起对变压器结构进行了改进，他们将开磁路铁心改进为闭合磁路，并将一次侧串联改为并联，简称为ZDB变压器（Z、D、B分别为三位工程师姓氏的第一个字母），如图3-3所示。闭心变压器最终使为家庭、企业和公共场所的照明提供电力在技术上和经济上变得可行。

1885年5月1日，在匈牙利布达佩斯国家博览会上，75台岗茨工厂的ZDB变压器通过将一台150V的单相交流电机电压进行降压，点燃了博览会现场的1067只灯泡，展示效果引起了轰动，这一天也标志着现代实用变压器的诞生，三位工程师及岗茨工厂也声名鹊起。布拉什在1885年首先引入单词“Transformer”（美国好莱坞大片“Transformers”在国内译作“变形金刚”），并被沿用至今。此外，三位工程师还发明了铁心叠片结构，通过叠片形式大大降低了铁心的涡流损耗，进一步提升了效率。ZDB变压器的发明是一个重要的里程碑事件，它奠定了现代变压器的基本原形，在此以后，变压器在欧洲迅速推广，1899年突破10000台。由ZDB变压器组构的交流电网推动了交流系统的应用。以上讨论的主要是单相变压器，俄国人多布罗沃利斯基则发明了三相变压器（见第1章）。

另一位在变压器领域有较大贡献的就是大家熟知的特斯拉，他在1891年发明了能产生高压高频低电流的谐振变压器电路，俗称特斯拉线圈，被广泛应用在X光机、无线电传输等场合。特斯拉线圈的原理如图3-4所示。运行时，高压电源及变压器向一次侧谐振电容器上充电，然后通过火花隙以火花形式放电，放电过程中在一次侧电路中产生振荡脉冲电流，经过谐振变压器的电压放大而传递到二次侧，最后在二次侧形成振荡的高电压。这种原理产生的电压频率通常为较低的射频范围，在50kHz～1MHz左右。

1889年伦敦大学学院的弗莱明教授撰写了 The Alternate Current Transformer in Theory and Practice 一书（他由于发明真空二极管而被世人熟知，见第2章），从交流/瞬时电流实验、互感原理、线圈理论、电流感应动态特性等诸多方面对当时的变压器研究进行了总结。1890年Oliver J.Lodge在 Nature 杂志专栏“books received”对其进行了详细的评论 ^[4] ，系统回顾了其内容并指出相关观点，如图3-5所示。最后给出了“the average level of the book is high”的评价，可见变压器技术在当时绝对属于科学前沿。

变压器的逐步广泛应用也伴随着磁心及绕组技术的不断进步。1900年，英国人Hadfield发明了硅钢，1903年出现热轧叠片式硅钢片，1930年，日本东京理工学院的Yogoro Kato博士和Takeshi Takei博士发明了铁氧体材料，1960年美国开发非晶合金、1964年日本又发明了冷轧硅钢片、1974年美国发明铁基非晶合金、1988年日本研制出纳米晶合金 ^[5] ，使得变压器的损耗不断降低，引领了变压器的推广应用。

我国的变压器生产制造事业于20世纪40年代发展，其基本技术脉络见表3-1。

而我国变压器的历史不得不提沈阳变压器有限责任公司，它成立于1938年，是我国变压器行业的发源地，于2003年被特变电工重组。沈变于1951年接受国家制造大型变压器任务，1952年我国第一台自主生产的5000kVA大容量变压器终于下线，被称为“五千号”，这是我国制造的第一台大型变压器。2009年我国首台±800kV特高压换流变压器在特变电工沈阳变压器集团有限公司研制成功。2018年5月26日，世界首台±1100kV特高压换流变压器由特变电工试制成功，单台容量607500kVA，再次刷新了该领域的世界纪录，如图3-6所示。