目前越來越多的研究機構及高校對機器魚展開研究。機器魚需要在水中進行活動，當機器魚中的電能用完后，就需要對其進行充電。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)破壞機器魚的防水性。以上的充電方式都需要打開機器魚的電氣部分，盡管有好的防水密封方式，但是泡在水中時間過長或多次插裝后必然會對防水機構構成威脅；(2)存在安全隱患。對機器魚進行充電時，目前的技術必須由人進行操作，而剛從水中拿上岸的機器魚外殼必然是濕的，若充電器漏電會對人及機器魚的安全構成威脅。而使用無線輸電方式進行充電，當對機器魚及水下無線充電裝置一次性密封后便不需要再對其進行拆卸，還能通過無線控制或編程控制使機器魚自動移動到充電裝置上進行自主充電。目前，研究機構及高校對無線輸電技術進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]以及無線輸電技術在不同載體上的應用[4]等。其研究對象都有一個共同的特點，即線圈間的距離不變而且大多數都在水上。當無線輸電技術應用于機器魚時，由于機器魚在水中受到水的沖擊，發射與接收線圈之間的距離會不斷變化，限制了無線輸電的應用。本文對機器魚的水下無線輸電裝置進行研究與分析。

1 無線輸電裝置的設計
1.1 機器魚無線輸電裝置的總體結構
    無線供電系統電路框圖如圖1所示。電網中的工頻電經過整流濾波所獲得的直流電在逆變器中進行高頻逆變，高頻交變電流通過一次側補償電路后進入發射線圈；線圈將產生跟隨逆變器變化的高頻交變電磁場，接收線圈進入該電磁場后通過電磁感應產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生相同頻率的交變電磁場；由于兩個裝置的振蕩頻率相同，故兩者產生共振作用使能量的傳遞作用得到加強，最終使電能最大程度地從無線供電發送線圈通過電磁耦合方式傳送到無線供電接收線圈（機器魚端）上并對外電池充電和對機器魚提供電能。為提高整流效率，在系統中使用高頻同步整流電路，從而提高系統的總效率。

1.2 線圈形式設計
    線圈的設計制作是無線供電系統中最為關鍵的部分，將決定傳輸的效率。目前共振式無線電能傳輸的線圈形式有以下三種：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器魚當中，且對線圈進行密封也較為容易，故機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，若中心沒有對準，則互感系數會比相同情況下的圓形螺旋線圈要強。但是在中心水平對準的情況下，圓形螺旋線圈的互感系數卻比矩形螺旋線圈的互感系數強，所以要根據實際情況采用不同形狀的線圈。在諧振補償電路的輔助下能夠將能量傳遞得更遠一些，其程度取決于線圈的寬度。從式（1）可以看出，當兩線圈距離不變時，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；而當磁通量不變時，接收、發送兩個線圈的面積越大，電磁場所傳輸的距離d越大。
  
1.3 線圈電感量計算
    線圈電感量的取值要根據實際的輸入、輸出電壓和輸出功率進行設計。由于無線供電系統的線圈工作在較高的頻率下，頻率過高會產生較強的集膚效應，即電流高度集中在導線表面一薄層中通過，線圈內阻會增大并使系統效率降低。所以實際應用中要考慮集膚效應的影響。導線電阻R為：
    
    無線電能傳輸系統補償拓撲形式的選用由實際應用的系統的應用需求和不同補償形式中所具有的電路特性所決定，當接收線圈電感LS與電容CS采用串聯補償拓撲時，LS與CS產生電壓諧振，使諧振頻率與開關的操作頻率接近，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；當接收線圈電感與電容采用并聯補償拓撲時，LS與CS產生電流諧振，輸出特性等效于電流源。補償電容值的選擇按照參考文獻[7]中的計算方法得出。
    根據上述討論，本文所研究的負載需要穩定的電壓，故本文中使用串聯-串聯補償式電路對機器魚水下無線輸電系統進行研究。
2 無線充電系統的控制
2.1 線圈間距離變化對無線充電系統的影響
    無線充電系統中需要使系統線圈產生共振，而線圈間共振的條件為線圈電感與補償電容產生諧振，諧振工作條件為：
    

    從實驗過程及表1的數據中發現如下問題：(1)本設計方法實現的供電裝置仍然有不夠準確的地方，有待改進；(2)裝置逆變效率較低(通過改進逆變電路結構和線圈的制作方式有望能解決這個問題)；(3)使用逆變橋效率相對過低；(4)當距離超過10 cm時，本研究的方法會變得不準確，這個問題是以后的研究當中最需要解決的。

參考文獻
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[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.
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