耦合电感和谐振电路

第4章 耦合电感和谐振电路

（inductor of coupling and resonance circu it ）

本章主要介绍:

① ①

耦合电感元件，耦合电感的串、并联; ② ②

含有耦合电感的正弦电流电路的分析, 理想变压器的初步概念; ③ ③

串联谐振、并联谐振的物理现象，谐振条件，谐振特点。

4.1耦合电感元件(coupled inductors)

磁耦合：两个线圈的磁场存在着相互作用，这种现象称为磁耦合，亦具有互感。 本节只讨论一对线圈相耦合的情况。

一.互感（mutual inductance ）

1.互感：当两个电感线圈物理上相互靠近，一个线圈所产生的磁通与另一个线圈相交链，使之产生感应电压的现象。

图为两个有耦合的线圈。设线圈芯子及其周围的磁介质为非铁磁性物质。线圈1的匝数为1N ,线圈2的匝数为2N 。规定每个线圈电流与电压为关联参考方向，电流与其产生的磁链（或电流与磁通）的参考方向符合右手螺旋法则，也是相关联。

耦合线圈 无耦合线圈 ①自感磁链： 1i 在线圈1中产生的磁通为11Φ及磁链为11Ψ，即：11111ΦN Ψ=

2i 在线圈2中产生的自感磁链22Ψ，即：2222i L Ψ=

②互感磁链： 1i 在线圈2中产生的磁链21Ψ，即：21221ΦN Ψ=，21M ——线圈1与2的互感。

2i 在线圈1中产生的磁链12Ψ，即：21212i M Ψ=，12M ——线圈2与1的

互感。

由于磁场耦合作用，每个线圈的磁链不仅与线圈本身的电流有关，也和与之耦合的线圈电流有关，即

),(2111i i f Ψ= 及 ),(2122i i f Ψ=

由于线圈周围磁介质为非铁磁性物质，上两式均为线性的，即磁链是电流的线性函数。

2.结论：①互感系数：只要磁场的介质是静止的，根据电磁场理论可以证明2112M M =，所以，统一用M 表示，简称互感，其SI 单位：亨利（H ）。

②互感的量值反映了一个线圈在另一个线圈产生磁链的能力。互感的大小不仅与两线圈的匝数、形状及尺寸有关，还与两线圈的相对位置有关。如果两线圈使其轴线平行放置，则相距越近，互感便越大，反之越小。而两线圈轴线相互垂直，如图所示

在这种情况下，线圈1产生的磁力线几乎不与线圈2相交链，互感磁链接近零，所以互感接近零。

③耦合系数：一对耦合线圈的电流产生的磁通只有部分磁通相交链，而彼此不交

链的那一部分磁通称为漏磁通。表征耦合线圈的紧密程度，用耦合系数

k 表示，其定义为 21L L M k = 0≤k ≤1 1=k 时称为全耦合（紧耦合）

0=k 称为无耦合

k 值较小称为松耦合

④线圈1、2同时分别有电流1i 和2i 时，线圈1、2的总磁链可以看作是1i 和2i 单独作用时磁链的叠加。取电流和磁通的参考方向符合右手螺旋法则，电压和电流为关联参考方向，则两个耦合线圈的磁链可表示为

21112111Mi i L ΨΨΨ±=+= 12221222Mi i L ΨΨΨ±=+=

当自感磁链和互感磁链参考方向一致时，线圈的磁链是增强的，M 前面取的是“+”号； 当自感磁链和互感磁链参考方向相反时，线圈的磁链是减弱的，M 前面取的是“－”号。 二．同名端（dotted terminals ）

1.同名端定义：当1i 和2i 在耦合线圈中产生的磁场方向一致时，即线圈的总磁链是增强的，电流1i 和2i 流入（或流出）的两个端钮称为同名端。

2.同名端标注的原则：当两电感元件电流参考方向都是由同名端进入（或流出）元件时，互感为正。

3.同名端标注的符号：用一对“·”或“*”、“△”标记。

两个耦合线圈的同名端可以根据线圈绕向和相对位置来判别，也可以通过实验方法确定。

两个耦合线圈的同名端确定之后，便可用图（b ）所示的电路模型来表示。

例 电路如图所示，试确定开关S 打开瞬间，22'间电压的实际极性。

解：假定i 及电压M u 的参考方向如图所示，

根据同名端原则可得

t i u d d M M =

当开关S 打开瞬间，正值电流减小，即 t i

d d ＜0，所以M u ＜0，其极性与假设极性相反，

所以，22'间的电压的实际极性是2'为高电位端，

2为低电位端

。 三．互感电压（mutual inductance voltage ）

忽略互感线圈的内阻后，线圈1对线圈2的互感电压可表示为

t

ψu d d 21

21=

(a) (b) 选择互感电压与互感磁链的参考方向符合右手螺旋法则，如图所示，则上式为 t i t ψu d d M d d 1

2121==

因为 000d d 0d d 2121211>→<→>→>u e t ψt i

000d d 0d d 2121211<→>→<→

1M 121jX M j I I U =ω=

式中M X M =ω称为互感电抗，单位：欧姆。

结论：①互感电压的方向与两耦合线圈的实际绕向有关。

②互感电压与产生该电压的电流的参考方向对同名端一致（即相关联）时，互感电压取正，不一致（非关联）时为负。

4.2含有耦合电感的正弦电流电路

（sinusoidal current circuit with coupled inductors ）

互感电路：含有耦合电感的电路。

（简称互感电路）的正弦稳态计算可采用相量法。分析时要注意耦合电感上的电压是由自感电压和互感电压叠加而成的。根据电压，电流的参考方向及耦合电感的同名端确定互感电压的正、负是互感电路分析计算的难点。由于耦合电感支路的电压不仅与本支路电流有关，还和与之有耦合支路的电流有关，所以互感电路的分析计算一般采用支路电流法或网孔电流法。

一．耦合电感的串联（series connection of coupled inductors ）

耦合电感的串联联接有两种方式：顺向串联和反向串联。

1.顺向串联

①电路图及方程：耦合电感的顺向串联是异名端相接，如图（a ）所示。电流是从两电感的同名端流入（或流出），其线圈磁链是增强的。

(a) (b) 按图示参考方向，KVL 方程为：

••••+ω=ω+ω=I M L I M I L U )(j j j 111

••••+ω=ω+ω=I M L I M I L U )(j j j 222

•••••ω=++ω=+=I L I M L L U U U j )2(j 2121

其中L=L 1+L 2+2M