目前越來越多的研究機(jī)構(gòu)及高校對(duì)機(jī)器魚展開研究。機(jī)器魚需要在水中進(jìn)行活動(dòng)，當(dāng)機(jī)器魚中的電能用完后，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，這些充電方法帶來的弊端：(1)破壞機(jī)器魚的防水性。以上的充電方式都需要打開機(jī)器魚的電氣部分，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)器魚外殼必然是濕的，若充電器漏電會(huì)對(duì)人及機(jī)器魚的安全構(gòu)成威脅。而使用無線輸電方式進(jìn)行充電，當(dāng)對(duì)機(jī)器魚及水下無線充電裝置一次性密封后便不需要再對(duì)其進(jìn)行拆卸，還能通過無線控制或編程控制使機(jī)器魚自動(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)無線輸電技術(shù)進(jìn)行研究的方向主要有增大無線輸電的距離[1]、提高無線輸電的效率[2]、無線輸電裝置輸入輸出特性研究[3]以及無線輸電技術(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)，即線圈間的距離不變而且大多數(shù)都在水上。當(dāng)無線輸電技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器魚時(shí)，由于機(jī)器魚在水中受到水的沖擊，發(fā)射與接收線圈之間的距離會(huì)不斷變化，限制了無線輸電的應(yīng)用。本文對(duì)機(jī)器魚的水下無線輸電裝置進(jìn)行研究與分析。

1 無線輸電裝置的設(shè)計(jì)
1.1 機(jī)器魚無線輸電裝置的總體結(jié)構(gòu)
    無線供電系統(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，高頻交變電流通過一次側(cè)補(bǔ)償電路后進(jìn)入發(fā)射線圈；線圈將產(chǎn)生跟隨逆變器變化的高頻交變電磁場(chǎng)，接收線圈進(jìn)入該電磁場(chǎng)后通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生相同頻率交變電流；該交變電流在無線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線供電發(fā)送線圈通過電磁耦合方式傳送到無線供電接收線圈（機(jī)器魚端）上并對(duì)外電池充電和對(duì)機(jī)器魚提供電能。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 線圈形式設(shè)計(jì)
    線圈的設(shè)計(jì)制作是無線供電系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，將決定傳輸?shù)男?。目前共振式無線電能傳輸?shù)木€圈形式有以下三種：磁芯形式、螺旋彈簧式和扁平螺旋線圈[5]。
    機(jī)器魚中空間大小受到限制，而扁平螺旋線圈體積小、能夠較方便地安裝到機(jī)器魚當(dāng)中，且對(duì)線圈進(jìn)行密封也較為容易，故機(jī)器魚中多采用扁平螺旋式的線圈。扁平線圈示意圖如圖2所示，扁平線圈能做出矩形、圓形等形狀。采用矩形平面螺旋線圈時(shí)，若中心沒有對(duì)準(zhǔn)，則互感系數(shù)會(huì)比相同情況下的圓形螺旋線圈要強(qiáng)。但是在中心水平對(duì)準(zhǔn)的情況下，圓形螺旋線圈的互感系數(shù)卻比矩形螺旋線圈的互感系數(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，其程度取決于線圈的寬度。從式（1）可以看出，當(dāng)兩線圈距離不變時(shí)，增大線圈面積能夠增大兩線圈間的磁通量，從而增大線圈間的耦合；而當(dāng)磁通量不變時(shí)，接收、發(fā)送兩個(gè)線圈的面積越大，電磁場(chǎng)所傳輸?shù)木嚯xd越大。
  
1.3 線圈電感量計(jì)算
    線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)。由于無線供電系統(tǒng)的線圈工作在較高的頻率下，頻率過高會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的集膚效應(yīng)，即電流高度集中在導(dǎo)線表面一薄層中通過，線圈內(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)線電阻R為：
    
    無線電能傳輸系統(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)器魚水下無線輸電系統(tǒng)進(jìn)行研究。
2 無線充電系統(tǒng)的控制
2.1 線圈間距離變化對(duì)無線充電系統(tǒng)的影響
    無線充電系統(tǒng)中需要使系統(tǒng)線圈產(chǎn)生共振，而線圈間共振的條件為線圈電感與補(bǔ)償電容產(chǎn)生諧振，諧振工作條件為：
    

    從實(shí)驗(yàn)過程及表1的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)如下問題：(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(通過改進(jìn)逆變電路結(jié)構(gòu)和線圈的制作方式有望能解決這個(gè)問題)；(3)使用逆變橋效率相對(duì)過低；(4)當(dāng)距離超過10 cm時(shí)，本研究的方法會(huì)變得不準(zhǔn)確，這個(gè)問題是以后的研究當(dāng)中最需要解決的。

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