目前越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)及高校對(duì)機(jī)器魚(yú)展開(kāi)研究。機(jī)器魚(yú)需要在水中進(jìn)行活動(dòng)，當(dāng)機(jī)器魚(yú)中的電能用完后，就需要對(duì)其進(jìn)行充電。但是目前的充電方式大都使用接插式充電或更換電池的方法，這些充電方法帶來(lái)的弊端：(1)破壞機(jī)器魚(yú)的防水性。以上的充電方式都需要打開(kāi)機(jī)器魚(yú)的電氣部分，盡管有好的防水密封方式，但是泡在水中時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或多次插裝后必然會(huì)對(duì)防水機(jī)構(gòu)構(gòu)成威脅；(2)存在安全隱患。對(duì)機(jī)器魚(yú)進(jìn)行充電時(shí)，目前的技術(shù)必須由人進(jìn)行操作，而剛從水中拿上岸的機(jī)器魚(yú)外殼必然是濕的，若充電器漏電會(huì)對(duì)人及機(jī)器魚(yú)的安全構(gòu)成威脅。而使用無(wú)線(xiàn)輸電方式進(jìn)行充電，當(dāng)對(duì)機(jī)器魚(yú)及水下無(wú)線(xiàn)充電裝置一次性密封后便不需要再對(duì)其進(jìn)行拆卸，還能通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制或編程控制使機(jī)器魚(yú)自動(dòng)移動(dòng)到充電裝置上進(jìn)行自主充電。目前，研究機(jī)構(gòu)及高校對(duì)無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)進(jìn)行研究的方向主要有增大無(wú)線(xiàn)輸電的距離[1]、提高無(wú)線(xiàn)輸電的效率[2]、無(wú)線(xiàn)輸電裝置輸入輸出特性研究[3]以及無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)在不同載體上的應(yīng)用[4]等。其研究對(duì)象都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即線(xiàn)圈間的距離不變而且大多數(shù)都在水上。當(dāng)無(wú)線(xiàn)輸電技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器魚(yú)時(shí)，由于機(jī)器魚(yú)在水中受到水的沖擊，發(fā)射與接收線(xiàn)圈之間的距離會(huì)不斷變化，限制了無(wú)線(xiàn)輸電的應(yīng)用。本文對(duì)機(jī)器魚(yú)的水下無(wú)線(xiàn)輸電裝置進(jìn)行研究與分析。

1 無(wú)線(xiàn)輸電裝置的設(shè)計(jì)
1.1 機(jī)器魚(yú)無(wú)線(xiàn)輸電裝置的總體結(jié)構(gòu)
    無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。電網(wǎng)中的工頻電經(jīng)過(guò)整流濾波所獲得的直流電在逆變器中進(jìn)行高頻逆變，高頻交變電流通過(guò)一次側(cè)補(bǔ)償電路后進(jìn)入發(fā)射線(xiàn)圈；線(xiàn)圈將產(chǎn)生跟隨逆變器變化的高頻交變電磁場(chǎng)，接收線(xiàn)圈進(jìn)入該電磁場(chǎng)后通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生相同頻率交變電流；該交變電流在無(wú)線(xiàn)供電接收裝置中又產(chǎn)生相同頻率的交變電磁場(chǎng)；由于兩個(gè)裝置的振蕩頻率相同，故兩者產(chǎn)生共振作用使能量的傳遞作用得到加強(qiáng)，最終使電能最大程度地從無(wú)線(xiàn)供電發(fā)送線(xiàn)圈通過(guò)電磁耦合方式傳送到無(wú)線(xiàn)供電接收線(xiàn)圈（機(jī)器魚(yú)端）上并對(duì)外電池充電和對(duì)機(jī)器魚(yú)提供電能。為提高整流效率，在系統(tǒng)中使用高頻同步整流電路，從而提高系統(tǒng)的總效率。

1.2 線(xiàn)圈形式設(shè)計(jì)
    線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)制作是無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，將決定傳輸?shù)男省Ｄ壳肮舱袷綗o(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)木€(xiàn)圈形式有以下三種：磁芯形式、螺旋彈簧式和扁平螺旋線(xiàn)圈[5]。
    機(jī)器魚(yú)中空間大小受到限制，而扁平螺旋線(xiàn)圈體積小、能夠較方便地安裝到機(jī)器魚(yú)當(dāng)中，且對(duì)線(xiàn)圈進(jìn)行密封也較為容易，故機(jī)器魚(yú)中多采用扁平螺旋式的線(xiàn)圈。扁平線(xiàn)圈示意圖如圖2所示，扁平線(xiàn)圈能做出矩形、圓形等形狀。采用矩形平面螺旋線(xiàn)圈時(shí)，若中心沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)，則互感系數(shù)會(huì)比相同情況下的圓形螺旋線(xiàn)圈要強(qiáng)。但是在中心水平對(duì)準(zhǔn)的情況下，圓形螺旋線(xiàn)圈的互感系數(shù)卻比矩形螺旋線(xiàn)圈的互感系數(shù)強(qiáng)，所以要根據(jù)實(shí)際情況采用不同形狀的線(xiàn)圈。在諧振補(bǔ)償電路的輔助下能夠?qū)⒛芰總鬟f得更遠(yuǎn)一些，其程度取決于線(xiàn)圈的寬度。從式（1）可以看出，當(dāng)兩線(xiàn)圈距離不變時(shí)，增大線(xiàn)圈面積能夠增大兩線(xiàn)圈間的磁通量，從而增大線(xiàn)圈間的耦合；而當(dāng)磁通量不變時(shí)，接收、發(fā)送兩個(gè)線(xiàn)圈的面積越大，電磁場(chǎng)所傳輸?shù)木嚯xd越大。
  
1.3 線(xiàn)圈電感量計(jì)算
    線(xiàn)圈電感量的取值要根據(jù)實(shí)際的輸入、輸出電壓和輸出功率進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)的線(xiàn)圈工作在較高的頻率下，頻率過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的集膚效應(yīng)，即電流高度集中在導(dǎo)線(xiàn)表面一薄層中通過(guò)，線(xiàn)圈內(nèi)阻會(huì)增大并使系統(tǒng)效率降低。所以實(shí)際應(yīng)用中要考慮集膚效應(yīng)的影響。導(dǎo)線(xiàn)電阻R為：
    
    無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)補(bǔ)償拓?fù)湫问降倪x用由實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)的應(yīng)用需求和不同補(bǔ)償形式中所具有的電路特性所決定，當(dāng)接收線(xiàn)圈電感LS與電容CS采用串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)鋾r(shí)，LS與CS產(chǎn)生電壓諧振，使諧振頻率與開(kāi)關(guān)的操作頻率接近，因而使得電感與電容的電壓、電流波形近乎正弦波[7]，輸出特性等效于電壓源；當(dāng)接收線(xiàn)圈電感與電容采用并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)鋾r(shí)，LS與CS產(chǎn)生電流諧振，輸出特性等效于電流源。補(bǔ)償電容值的選擇按照參考文獻(xiàn)[7]中的計(jì)算方法得出。
    根據(jù)上述討論，本文所研究的負(fù)載需要穩(wěn)定的電壓，故本文中使用串聯(lián)-串聯(lián)補(bǔ)償式電路對(duì)機(jī)器魚(yú)水下無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)進(jìn)行研究。
2 無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的控制
2.1 線(xiàn)圈間距離變化對(duì)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的影響
    無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)中需要使系統(tǒng)線(xiàn)圈產(chǎn)生共振，而線(xiàn)圈間共振的條件為線(xiàn)圈電感與補(bǔ)償電容產(chǎn)生諧振，諧振工作條件為：
    

    從實(shí)驗(yàn)過(guò)程及表1的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：(1)本設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的供電裝置仍然有不夠準(zhǔn)確的地方，有待改進(jìn)；(2)裝置逆變效率較低(通過(guò)改進(jìn)逆變電路結(jié)構(gòu)和線(xiàn)圈的制作方式有望能解決這個(gè)問(wèn)題)；(3)使用逆變橋效率相對(duì)過(guò)低；(4)當(dāng)距離超過(guò)10 cm時(shí)，本研究的方法會(huì)變得不準(zhǔn)確，這個(gè)問(wèn)題是以后的研究當(dāng)中最需要解決的。

參考文獻(xiàn)
[1] IMURA T，HORI Y.Maximizing air gap and efficiency of  magnetic resonant coupling for wireless power transfer using equivalent circuit and neumann formula[C].IEEE Transaction.on Industrial Electronics，2011.
[2] SUN T J，XIE X，LI G L，et al.An omnidirectional wireless power receiving IC with 93.6% efficiency CMOS rectifier and skipping booster for implantable bio-microsystems[C]. A-SSCC，2011.
[3] Zhou Wenqi，Ma Hao.Winding structure and circuit design of contactless power transfer platform industrial electronics [C].Annual Conference of IEEE 2008，2008.
[4] JOURAND P，CARTA R，PUERS R.Dedicated class-E driver  for large area wireless medical inspection capsules[C]. Proceedings of Eurosensors XXV Conference，2011.
[5] 郭言平.無(wú)線(xiàn)充電的關(guān)鍵技術(shù)和研究[J].合肥學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22(1)：72-74.
[6] CHEON S.Circuit model based analysis of a wireless energy  transfer system via coupled magnetic resonances[J].Industrial  Electronics，2011，58(7)：2906-2914.
[7] ZHU C，LIU K.Simulation and experimental analysis on wireless energy transfer based on magnetic resonances[J].Vehicle Power and Propulsion Conference，2008(3)：1-4.
[8] VILLA J L.Practical development of a 5 kW ICPT system SS compensated with a large air gap[J].Industrial Electronics，2007：1219-1223.