n个串并联自感线圈等效自感系数的计算要点

n个串并联线圈等效自感系数的计算

摘要：本文首先阐述了自感现象、互感现象的概念。然后运用等效自感电动势法以及串联电路和并联电路的特点,分别对n个线圈串联和并联的总等效自感系数进行分析和讨论,进而得出比较简单的总等效自感系数的计算式。这对分析复杂的混连电路有一定的指导意义。

关键词：串联线圈；并联线圈；等效自感系数

目录

引言 (1)

一、绪论 (1)

1.1 自感现象 (1)

1.2 互感现象 (2)

二、n个线圈串联时的等效自感系数 (2)

2.1 n个线圈的顺接串联 (2)

2.2 n个线圈的反接串联 (4)

2.3 两个串联线圈等效自感系数 (5)

三、n个线圈并联时的等效自感系数 (5)

3.1 两线圈的顺接并联 (6)

3.2 两线圈的反接并联 (7)

3.3 两个并联线圈等效自感系数 (8)

小结 (9)

参考文献 (9)

致谢 (10)

引言

在电工、电子技术等实际应用中，经常会遇到n 个无铁芯、不变形的线圈串联或并联的情况，而且各个线圈之间都存在有互感，对于这种在不忽略互感的前提下，如何将其进行等效处理，如何计算n 个串联、并联线圈的等效自感系数一直受到人们的广泛关注。

电磁学教材中只计算了单个线圈的自感现象和两个线圈的互感现象,很少提到n 个线圈的情况。对于n 个串、并联线圈，当它等效为一个自感线圈时，其等效自感系数除了与各个线圈的自感有关外, 还与各线圈彼此之间的互感和连接方式有关。计算n 个串联线圈等效自感系数的方法有磁链法、磁能法、等效自感电动势法。但磁链法和磁能法在计算并联线圈的等效自感系数时，是比较复杂的，所以选择等效自感电动势法来计算]12-1[。

本文是在不忽略互感的前提下, 应用等效自感电动势法，求解n 个串联、并联线圈的等效自感系数L ，并对计算结果作了进一步的讨论。 一、绪论]1613[-

众所周知，电磁感应现象分为自感现象和互感现象。自感现象在电工、无线电技术中有广泛的应用。日光灯镇流器是自感用于电工技术的简单例子。在电子线路中广泛使用自感线圈，特别是用它与电容器组成各种谐振电路来完成特定的任务。互感现象在电工和电子学技术中有广泛的应用，变压器就是一个重要例子。本章从自感现象和互感现象的概念出发，解释了何为自感现象和互感现象。

1.1 自感现象

电流通过线圈时，其磁场给线圈自身提供磁通。如果电流随时间的改变而改变，磁通就会随时间而变化，线圈便会出现感应电动势。像这种由自身的电流变化而引起的电磁感应现象叫做自感现象。

根据线圈的大小、形状和匝数的不同，那么它产生自感现象的能力也不同，假设有一个N 匝密绕的线圈，则每匝可以近似为一个闭合曲线，因此才可研究它的磁通。设穿过每匝线圈的磁通相等，由法拉第电磁感应定律，每匝线圈的自感电动势应为：

dt

d φ

ε-

= （1）

根据毕奥—萨法尔定律: LI =自φ （2） L 为线圈的自感，它仅与线圈本身的因素有关而与电流无关，由（3）、（4）可得：

dt dI

L -=自ε （3）

1.2 互感现象

设有两个彼此靠近的线圈1 和 2，分别通入电流1I 和2I 。当线圈1 的电流发生改变时，由它所激发的磁场也将随之改变，因而通过线圈2的磁通量也发生改变，这样线圈2中就产生感应电动势。因此在线圈2 激起的感应电动势为：

12121=-M dI

dt ε （4）

同样, 当线圈2 的电流2I 发生改变时，也会造成通过线圈1 的磁通量发生改变，这样线圈1中就产生感应电动势。 在线圈1 中激起的感应电动势为：

21212-M dI

dt ε= （5）

像这种由于一个线圈中的电流变化，使得其周围的磁场也发生变化，从而在邻近线圈中产生感应电动势的现象，叫做互感现象。由于互感现象产生的感生电动势称为互感电动势。公式（4）中的12M 称为线圈2 对线圈1 的互感系数,同样公式（5）中的21M 称为线圈1 对线圈2 的互感系数；对于给定的线圈及磁介质（非铁磁质）有：1221M M = ,互感系数仅仅与两线圈的结构（如形状、大小、匝数）有关, 这个物理量是表示互感的强弱。

二、n 个线圈串联时的等效自感系数]9-1[

线圈串联的方式有两种，即顺接串联和反接串联。假设有n 个理想的线圈，分别称为线圈1、线圈2、…、线圈 n ,它们的自感系数分别为123....n L L L L 、、,它们之间的互感分别为121312123212(1)....,....,...n n n n n n M M M M M M M M M -、、、,现在把n 个线圈串联在一起,运用等效自感电动势法以及串并联电路的特点,分别对n 个线圈顺接和反接的等效自感系数进行计算,进而得出等效自感系数的计算式。 2.1 n 个线圈的顺接串联

若两线圈之间首尾相连叫做线圈的顺接, 如图1 所示，此时各线圈中的电流方向相同。

设线圈中通入的电流为 I ,并且使电流随时间增加,那么在线圈1 中产生自感电动势1L ε和线圈2、3、4 ...n 对线圈1 的互感电动势21ε、31ε...1n ε。这 n 个电动势方向相同, 并与电流的方向相反。因此，线圈 1 中的感应电动势1ε是自感电动势和互感电动势之和, 即：

1L121311...n εεεεε=++++

3121

21311-...n n dI dI dI dI

L M M M dt dt dt dt

=++++（） （6） 对于线圈 2 中的感应电动势2ε为：

2L212322...n εεεεε=++++

3212

12322-...n n dI dI dI dI

L M M M dt dt dt dt

=++++（） （7） 同理，对于线圈 n 有:

L 12(1)...n n n n n n εεεεε-=++++

11212(1)-...n n n

n n n n dI dI dI dI

L M M M dt dt dt dt

--=++++（） （8） 由串联电路性质:I I I I １２ｎ＝＝＝．．．＝,12...n εεεε=+++。

那么n 个顺接串联的线圈, 等效为一个自感线圈后, 等效自感系数L 为：

123....d d d d n

L I t

I t εεεεε

++++=-

=-

1

2

12....d d d d d n

n I t

I t

I t

εεε=-

-

--

11213122123212(1)....(....)....(....)n n n n n n n L M M M L M M M L M M M -=+++++++++++++++（）1

11

()n

n

n

i ij i i j L M j i ====+≠∑∑∑

（9） 即等效自感系数L 等于所有线圈总自感之和加所有线圈互感之和。