并聯(lián)耦合線圈的等效自感的行列式求法

周國全 沈黃晉

（武漢大學物理科學與技術學院，湖北武漢 430072）

并聯(lián)耦合線圈的等效自感的行列式求法

周國全 沈黃晉

（武漢大學物理科學與技術學院，湖北武漢 430072）

文章以3個相互耦合的并聯(lián)自感線圈為例，應用法拉第電磁感應定律和齊次線性微分方程的非平庸解的存在性條件，并借助行列式技術，推導出其等效的自感系數(shù)，并推廣到n個并聯(lián)耦合線圈的情形.其等效自感系數(shù)是由各自的自感系數(shù)與互感系數(shù)構成的兩個分別為n階與n-1階矩陣的行列式之比，并討論了存在反向并聯(lián)情形的符號規(guī)則及若干特例情形的具體結論.

自感；互感；等效自感；電磁感應；耦合線圈；并聯(lián)；并聯(lián)耦合線圈

相互耦合的并聯(lián)與串聯(lián)線圈的等效自感問題，是電磁學與電工學研究中有關電磁感應與耦合線圈的重要內容之一［1-5］.多個串聯(lián)耦合線圈的等效自感系數(shù)可用磁場等效儲能法簡單求出，兩線圈耦合情形的結論已見諸文獻［1］，并可簡單地推廣到多個耦合線圈的情形［1-4］；在并聯(lián)耦合情形，文獻［3-5］給出了無直流內阻的兩個自感線圈并聯(lián)耦合時的等效自感公式

其中，L1，L2為兩線圈的自感系數(shù)；M為兩線圈的互感系數(shù)，分母最后一項前面的減號適合于順向正耦合，加號適合于逆向負耦合.在多個線圈之間自感與互感交叉并存的情形，我們無法通過公式（1）歸納推得.本文基于電磁感應的基本定理，運用行列式技術，和齊次線性方程組的非平庸解的存在性條件，成功地推導出3個相互耦合的并聯(lián)線圈的等效自感，即由各自感與互感系數(shù)構成的兩個分別為3階與2階矩陣的行列式之比，并討論了若干特例情形的具體結論，并指出可推廣到n個并聯(lián)線圈的情形.

1 3個并聯(lián)耦合線圈的等效自感的行列式求法

首先注意到第i，j兩個線圈之間的互感系數(shù)滿足Neumann關系:Mij=Mji，i，j=1，2，3，出于理論推導與數(shù)學表達的簡潔、緊湊與對稱性的考慮，可將3個線圈的自感系數(shù)重新標記為L1= M11，L2=M22，L3=M33；即自感系數(shù)亦可理解為一個線圈對自己的互感.在3線圈情形，如圖1所示，運用法拉第電磁感應定律，根據(jù)并聯(lián)耦合電路的總感應電動勢ε（t）與各支路感應電動勢εi（t），（i=1，2，3）、瞬時總電流與瞬時支路電流Ii（t），i=1，2，3的關系，忽略各線圈的直流內阻，考慮自感與互感同時存在的一般情形，并設Le代表3個并聯(lián)耦合線圈的等效自感系數(shù)，我們有如下等式

圖1 并聯(lián)耦合感應線圈示意圖

根據(jù)式（2～3），方程組（4～6）可改寫為如下齊次三元一階微分方程組

方程組（7）又可改寫為如下矩陣形式的齊次三元一階微分方程

注意方程組（8）中的系數(shù)矩陣是一個實對稱矩陣，這是因為其中Mij=Mji，Mii=Li，i，j=1，2，3.方程組（8）的平庸解對應于穩(wěn)恒直流，即各電流導數(shù)為零的情形.如果對任意的時變電流（如任意頻率的交流電），方程組（8）均有非平庸解（導數(shù)不全為零），根據(jù)三元齊次線性微分方程組的非平庸解的存在性條件，其系數(shù)矩陣的行列式必定為零，即

這一方程表觀上是Le的一元三次方程，難以求解.研究發(fā)現(xiàn)，實際上它只是Le的一元一次方程.運用行列式的性質，將式（9）左邊第2，3行減去第1行，其值不變，即得

再運用行列式的行加法性質，將上式左邊按第一行拆分為兩項之差，并移項，提取右邊行列式第一行的公因子Le，可得

將上式左邊第二、三行加上第一行，其行列式之值不變；將上式右邊第二、三列減去第一列，其行列式之值不變，并按第一行余子式展開，即得

將式（11）左右兩側行列式分別記為

當det N3≠0時，即得如下公式

這就是3個線圈并聯(lián)耦合時的等效自感系數(shù).

2 存在反向耦合情形的符號規(guī)則

在用基爾霍夫回路定理處理有互感的交流回路時，應遵守同名端規(guī)則［1］.當并聯(lián)線圈反向耦合時，我們面對同樣的復雜問題.基于如下兩個基本事實:即兩個順向（反向）耦合的并聯(lián)載流線圈的互感儲能為正（負）的，以及無論兩線圈是順向或反向耦合，每個載流感應線圈的自感儲能均為正值，可以推斷公式（14）與行列式（12～13）中線圈之間的互感項的符號取法，即應落腳于互感項相對于其自感項的符號的比較而定，可在每個自感與互感系數(shù)前添加一符號因子εij=±1，當兩個順向（或反向）耦合的并聯(lián)耦合線圈的互感系數(shù)前應乘上符號因子εij=1（或εij=-1）；由此可訂立如下符號規(guī)則

3 完全不耦合的并聯(lián)線圈的等效自感系數(shù)

當N個線圈并聯(lián)但完全不耦合時，即Mij= Mji=0，i，j=1，2，3，且i≠j，此時并聯(lián)線圈的等效自感系數(shù)由

即得

這顯然與用交流電的復阻抗的并聯(lián)公式計算去耦（Decoupled）并聯(lián)感應線圈的等效復阻抗的結果相一致，這證明了本文公式（14）的正確性與有效性.

4 全同對稱的并聯(lián)耦合情形的等效自感系數(shù)

所謂全同對稱的并聯(lián)耦合情形，即L1=L2= L3≡L，Mij=Mji=M，（i，j=1，2，3），但L≠M的情形，此時，

5 完全耦合的并聯(lián)線圈的等效自感的一點討論

文獻［1-6］等均指出或證明兩個線圈之間若完全耦合，則其互感系數(shù)必為彼此自感系數(shù)的比例中項.即此時若3個線圈的自感系數(shù)之間不全相等，易證行列式det M3的任意兩行對應元素之比相等，因而det M3=0，而det N3≠0，進而導致Le=0；而對于相同線圈之間完全耦合情形，自感系數(shù)之間彼此相等，L1=L2=L3，行列式det N3=0.此時公式（14）所給出等效自感系數(shù)表觀上具有不確定的形式，但從本文關于全同對稱的并聯(lián)耦合情形的等效自感系數(shù)出發(fā)，可得到相同線圈在順向完全耦合情形的等效自感系數(shù)，即先取Li≡L；Mij= Mji=M，（i，j=1，2，3），且L≠M時的結果（20～21）式，再消除公式（14）的分子分母的行列式的公因子（L-M）2，然后在式（22）消除公因子之后的表達式中，令，可得完全耦合并聯(lián)線圈的等效自感系數(shù)

THE DETERMINANT METHOD TO FIND THE EQUIVALENT SELF-INDUCTANCE OF N COUPLED PARALLEL COILS

Zhou Guoquan Shen Huangjin

（School of Physics and Technology，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072）

Based upon Faraday’s law of electromagnetic induction and the existence condition of non-trivial solution to a homogeneous and linear differential system of equations，the equivalent self-inductance of three coupled parallel coils has been derived by use of some determinant techniques.It can be expressed as the ratio of the determinants of two matrices.Meanwhile，specific conclusions are deduced and discussed in detail about 1，the completely noncoupled case；2，the identical and symmetrical case，and 3，the completely coupled case，which are coincident with the existent results in the

.

self-inductanc；mutual-inductance；equivalent self-inductance；electromagnetic induction；coupling coil；parallel coupling coil

2016-04-25

國家級教學團隊基金資助項目（202276003）；武漢大學2016年教學改革項目資助.

周國全，男，副教授，主要從事理論物理與普物教學，及場論與非線性可積方程的研究.zgq@whu.edu.cn

周國全，沈黃晉.并聯(lián)耦合線圈的等效自感的行列式求法［J］.物理與工程，2016，26（4）:109-111.