目前越来越多的研究机构及高校对机器鱼展开研究。机器鱼需要在水中进行活动，当机器鱼中的电能用完后，就需要对其进行充电。但是目前的充电方式大都使用接插式充电或更换电池的方法，这些充电方法带来的弊端：(1)破坏机器鱼的防水性。以上的充电方式都需要打开机器鱼的电气部分，尽管有好的防水密封方式，但是泡在水中时间过长或多次插装后必然会对防水机构构成威胁；(2)存在安全隐患。对机器鱼进行充电时，目前的技术必须由人进行操作，而刚从水中拿上岸的机器鱼外壳必然是湿的，若充电器漏电会对人及机器鱼的安全构成威胁。而使用无线输电方式进行充电，当对机器鱼及水下无线充电装置一次性密封后便不需要再对其进行拆卸，还能通过无线控制或编程控制使机器鱼自动移动到充电装置上进行自主充电。目前，研究机构及高校对无线输电技术进行研究的方向主要有增大无线输电的距离[1]、提高无线输电的效率[2]、无线输电装置输入输出特性研究[3]以及无线输电技术在不同载体上的应用[4]等。其研究对象都有一个共同的特点，即线圈间的距离不变而且大多数都在水上。当无线输电技术应用于机器鱼时，由于机器鱼在水中受到水的冲击，发射与接收线圈之间的距离会不断变化，限制了无线输电的应用。本文对机器鱼的水下无线输电装置进行研究与分析。

1 无线输电装置的设计
1.1 机器鱼无线输电装置的总体结构
    无线供电系统电路框图如图1所示。电网中的工频电经过整流滤波所获得的直流电在逆变器中进行高频逆变，高频交变电流通过一次侧补偿电路后进入发射线圈；线圈将产生跟随逆变器变化的高频交变电磁场，接收线圈进入该电磁场后通过电磁感应产生相同频率交变电流；该交变电流在无线供电接收装置中又产生相同频率的交变电磁场；由于两个装置的振荡频率相同，故两者产生共振作用使能量的传递作用得到加强，最终使电能最大程度地从无线供电发送线圈通过电磁耦合方式传送到无线供电接收线圈（机器鱼端）上并对外电池充电和对机器鱼提供电能。为提高整流效率，在系统中使用高频同步整流电路，从而提高系统的总效率。

1.2 线圈形式设计
    线圈的设计制作是无线供电系统中最为关键的部分，将决定传输的效率。目前共振式无线电能传输的线圈形式有以下三种：磁芯形式、螺旋弹簧式和扁平螺旋线圈[5]。
    机器鱼中空间大小受到限制，而扁平螺旋线圈体积小、能够较方便地安装到机器鱼当中，且对线圈进行密封也较为容易，故机器鱼中多采用扁平螺旋式的线圈。扁平线圈示意图如图2所示，扁平线圈能做出矩形、圆形等形状。采用矩形平面螺旋线圈时，若中心没有对准，则互感系数会比相同情况下的圆形螺旋线圈要强。但是在中心水平对准的情况下，圆形螺旋线圈的互感系数却比矩形螺旋线圈的互感系数强，所以要根据实际情况采用不同形状的线圈。在谐振补偿电路的辅助下能够将能量传递得更远一些，其程度取决于线圈的宽度。从式（1）可以看出，当两线圈距离不变时，增大线圈面积能够增大两线圈间的磁通量，从而增大线圈间的耦合；而当磁通量不变时，接收、发送两个线圈的面积越大，电磁场所传输的距离d越大。
  
1.3 线圈电感量计算
    线圈电感量的取值要根据实际的输入、输出电压和输出功率进行设计。由于无线供电系统的线圈工作在较高的频率下，频率过高会产生较强的集肤效应，即电流高度集中在导线表面一薄层中通过，线圈内阻会增大并使系统效率降低。所以实际应用中要考虑集肤效应的影响。导线电阻R为：
    
    无线电能传输系统补偿拓扑形式的选用由实际应用的系统的应用需求和不同补偿形式中所具有的电路特性所决定，当接收线圈电感LS与电容CS采用串联补偿拓扑时，LS与CS产生电压谐振，使谐振频率与开关的操作频率接近，因而使得电感与电容的电压、电流波形近乎正弦波[7]，输出特性等效于电压源；当接收线圈电感与电容采用并联补偿拓扑时，LS与CS产生电流谐振，输出特性等效于电流源。补偿电容值的选择按照参考文献[7]中的计算方法得出。
    根据上述讨论，本文所研究的负载需要稳定的电压，故本文中使用串联-串联补偿式电路对机器鱼水下无线输电系统进行研究。
2 无线充电系统的控制
2.1 线圈间距离变化对无线充电系统的影响
    无线充电系统中需要使系统线圈产生共振，而线圈间共振的条件为线圈电感与补偿电容产生谐振，谐振工作条件为：
    

    从实验过程及表1的数据中发现如下问题：(1)本设计方法实现的供电装置仍然有不够准确的地方，有待改进；(2)装置逆变效率较低(通过改进逆变电路结构和线圈的制作方式有望能解决这个问题)；(3)使用逆变桥效率相对过低；(4)当距离超过10 cm时，本研究的方法会变得不准确，这个问题是以后的研究当中最需要解决的。

参考文献
[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.无线充电的关键技术和研究[J].合肥学院学报，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.