一种无源介电弹性体发电机结构及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种无源介电弹性体发电机结构，包括至少一个发电机结构单元；每个发电机结构单元包括一两端开口的圆筒，固定在所述圆筒的至少一端开口上的可变电容，设置在所述圆筒内的磁铁，和缠绕在所述圆筒外周表面上的磁感应线圈；其中，所述可变电容包括依次层叠设置的第一电极、介电弹性体层和第二电极；振动状态时，所述磁铁在所述圆筒内往复运动，引起所述磁感应线圈的磁通量变化，产生感应电流，且所述磁铁撞击所述可变电容，产生电能。该无源介电弹性体发电机可以在没有外加电场的条件下，采集振动能量，并实现振动能向电能的转换。本发明专利技术还提供了该无源介电弹性体发电机结构的应用。

A Passive Dielectric Elastomer Generator Structure and Its Application

【技术实现步骤摘要】
一种无源介电弹性体发电机结构及其应用
本专利技术涉及发电机
，尤其涉及一种无源介电弹性体发电机结构及其应用。
技术介绍
能源已经成为现代社会可持续发展的关键因素。随着世界范围内资源、能源及环境问题日益凸显，新型能源的开发和利用对于降低环境污染和现代社会可持续发展具有重要意义。近来发展的介电弹性体(Dielectricelastomer，DE)功能材料，其具有优异性能的新型电场活化聚合物，特别适于针对低频、大变形的能量源而发电的场合，例如潮汐能、风能等等清洁的振动能量。由介电弹性体发展的介电弹性体发电机(Dielectricelastomergenerator，DEG)也具有变形范围大、能量密度高、价格低及机电转换效率高等优点。然而，传统介电弹性体发电机需外界电压输入，极大地限制了其在无源环境下的运用场所。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种无源介电弹性体发电机结构及其应用。该无源介电弹性体发电机可以在没有外加电场的条件下，采集振动能量，并实现振动能向电能的转换。具体地，第一方面，本专利技术提供了一种无源介电弹性体发电机结构，包括至少一个发电机结构单元；每个发电机结构单元包括一两端开口的圆筒，固定在所述圆筒的至少一端开口上的可变电容，设置在所述圆筒内的磁铁，和缠绕在所述圆筒外周表面上的磁感应线圈；其中，所述可变电容包括依次层叠设置的第一电极、介电弹性体层和第二电极；振动状态时，所述磁铁在所述圆筒内往复运动，引起所述磁感应线圈的磁通量变化，产生感应电流，且所述磁铁撞击所述可变电容，产生电能。本专利技术中，所述无源介电弹性体发电机结构的工作原理是：振动状态下，所述磁铁在所述圆筒内往复运动，通过穿过所述磁感应线圈，引起磁感应线圈的圈磁通量变化，产生感应电流，为所述可变电容提高偏置电荷，实现系统无源化。所述磁铁撞击所述可变电容时，可以使可变电容中的介电弹性体层的产生形变，导致介电弹性体层的表面积增大、厚度减小及电容增大；当所述磁铁撞击完所述可变电容后，介电弹性体层电容恢复初始值，从而产生输出电能，实现振动能量采集。可选地，所述发电机结构单元中，所述圆筒的一端开口上的可变电容，所述圆筒的另一端开口设有一弹性层。所述弹性层用于将所述磁铁弹向所述可变电容。可选地，所述发电机结构单元中，所述圆筒的两端开口上可以各设有一可变电容。振动状态时，所述磁铁在所述圆筒内往复运动，分别撞击所述圆筒的两端开口上的可变电容，产生电能。可选地，所述第一电极和所述第二电极的表面均设有与所述圆筒两端开口相对设置的通孔，所述磁铁穿过所述第一电极或所述第二电极表面的所述通孔，直接撞击所述介电弹性体层。可选地，所述磁感应线圈与所述可变电容的所述第一电极和所述第二电极电连接，所述磁感应线圈与所述第一电极或所述第二电极之间设有晶体二极管。可选地，所述无源介电弹性体发电机结构还包括负载组件，所述负载组件与所述可变电容电连接，所述负载组件与所述可变电容之间设有稳压二极管。可选地，所述负载组件包括连接在电路中的电子元件，例如，所述负载组件可以但不限于为电动机、储能部件、电阻、电灯泡或扬声器等。可选地，所述无源介电弹性体发电机结构包括至少两个所述发电机结构单元，相邻两个所述发电机结构单元中的所述圆筒的中轴线之间的夹角为0-90°。例如，多个所述发电机结构单元并列设置，或垂直设置，或成60°夹角设置。可选地，相邻两个所述发电机结构单元中的所述圆筒的中轴线之间的夹角为15-60°。本专利技术中，由于所述无源介电弹性体发电机结构可以包括多个发电机结构单元，且多个所述发电机结构单元之间可以按不同的角度相互固定，因此，所述无源介电弹性体发电机结构可以在多个方向上实现振动能量的采集，并转化为电能。可选地，所述第一电极与所述介电弹性体层之间设有导电涂层，所述第二电极与所述介电弹性体层之间设有导电涂层，所述导电涂层的材质包括石墨烯。可选地，所述圆筒的至少一端开口上的可变电容可以是可拆卸连接。可选地，所述圆筒和每个所述可变电容之间可以设有连接部，所述连接部用于实现所述圆筒与每个所述可变电容固定连接。可选地，所述磁感应线圈的宽度小于所述圆筒的高度，所述磁感应线圈与所述圆筒两端的间距相等。可选地，所述磁铁的形状为圆柱形，所述磁铁的两端为半球形。可选地，所述磁铁可以为永磁铁。可选地，所述圆筒内壁和/或所述磁铁表面设有润滑涂层；所述润滑涂层的平均摩擦系数为0.08-0.20。进一步地，可选地，所述润滑涂层的平均摩擦系数为0.08-0.12。例如，所述润滑涂层的平均摩擦系数为0.08，或为0.10，或为0.12，或为0.15，或为0.16，或为0.18，或为0.20。优选地，所述圆筒内壁和所述磁铁表面均设有润滑涂层。可选地，所述润滑涂层的材质包括氟碳漆、对环苯烷类化合物和聚四氟乙烯中的一种或多种。本专利技术中所述润滑涂层除了具有很低表面能和平均摩擦系数外，所述润滑涂层还具有硬度高、耐冲击和耐磨性好的特点。本专利技术一实施方式中，所述润滑涂层的材质为氟碳漆。所述氟碳漆润滑涂层还不易粘尘结垢，防污性好；并且具有超长耐候性，涂层中含有大量的F-C键，决定了其超强的稳定性，不粉化、不褪色，使用寿命可以长达20年。所述润滑涂层可以大大延长无源介电弹性体发电机的使用寿命，更重要的是所述润滑涂层可以有效减少振动能量的损耗，提升提高无源介电弹性体发电机的机电转化效率。可选地，所述润滑涂层的厚度为50μm-1000μm。进一步地，可选地，所述润滑涂层的厚度为100μm-600μm。例如，所述润滑涂层的厚度为50μm，或为100μm，或为150μm，或为200μm，或为300μm，或为400μm，或为500μm，或为600μm，或为700μm，或为800μm，或为900μm，1000μm。可选地，所述圆筒的材质为绝缘材料。例如，所述圆筒的材质为聚合物材料或陶瓷；所述聚合物材料包括树脂材料、聚氯乙烯、聚酰亚胺。所述圆筒的材质还可以为有机玻璃。本专利技术第一方面所述的无源介电弹性体发电机结构，其包括至少一个发电机结构单元，每个发电机结构单元的包括一个具有空腔结构的圆筒和固定在圆筒两端开口上的可变电容，圆筒的空腔内放置有磁铁，在圆筒外周表面缠绕有感应线圈，在外界通过振动能时，磁铁的移动引起磁场位置的变化，从而在感应线圈上形成感应电流，并通过导线传输到介电弹性体薄膜。与此同时，磁铁间歇性碰撞介电弹性体薄膜，实现振动能向电能的转换；本专利技术所述无源介电弹性体发电机结构可以采集任何能转变成振动形式的能量，无需外加电压输入，可在宽频范围进行工作。第二方面，本专利技术还提供了如本专利技术第一方面所述的无源介电弹性体发电机结构在电器设备中的应用。所述电器设备是指需要电能提高动能的设备。通过本专利技术所述的无源介电弹性体发电机结构，所述电器设备可以实现无需外接电源的情况下运作。例如，所述电器设备可以是可穿戴设备、医疗植入式电子器械、无线传感设备或汽车和航空仪器仪表供电设备等。本专利技术所述无源介电弹性体发电机结构在振动能发电领域也具有广阔的应用前景。由于振动能量(如机械振动能量)是自然环境中广泛存在的一种能量，其具有总量大，环境友好等优点；且相对于太阳能，振动能量不受天气影响，具有较好的功率输出稳定性；因此，本专利技术所述无源介电弹性体发电机结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无源介电弹性体发电机结构，其特征在于，包括至少一个发电机结构单元；每个发电机结构单元包括一两端开口的圆筒，固定在所述圆筒的至少一端开口上的可变电容，设置在所述圆筒内的磁铁，和缠绕在所述圆筒外周表面上的磁感应线圈；其中，所述可变电容包括依次层叠设置的第一电极、介电弹性体层和第二电极；振动状态时，所述磁铁在所述圆筒内往复运动，引起所述磁感应线圈的磁通量变化，产生感应电流，且所述磁铁撞击所述可变电容，产生电能。

【技术特征摘要】
1.一种无源介电弹性体发电机结构，其特征在于，包括至少一个发电机结构单元；每个发电机结构单元包括一两端开口的圆筒，固定在所述圆筒的至少一端开口上的可变电容，设置在所述圆筒内的磁铁，和缠绕在所述圆筒外周表面上的磁感应线圈；其中，所述可变电容包括依次层叠设置的第一电极、介电弹性体层和第二电极；振动状态时，所述磁铁在所述圆筒内往复运动，引起所述磁感应线圈的磁通量变化，产生感应电流，且所述磁铁撞击所述可变电容，产生电能。2.如权利要求1所述的无源介电弹性体发电机结构，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的表面均设有与所述圆筒两端开口相对设置的通孔，所述磁铁穿过所述第一电极或所述第二电极表面的所述通孔，直接撞击所述介电弹性体层。3.如权利要求1所述的无源介电弹性体发电机结构，其特征在于，所述磁感应线圈与所述可变电容的所述第一电极和所述第二电极电连接，所述磁感应线圈与所述第一电极或所述第二电极之间设有晶体二极管。4.如权利要求1所述的无源介电弹性体发电机结构，其特征在于，所述无源介电弹性体发电机结构还包括负...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖志慧，张才亮，章建伟，丹尼尔·尤先科，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44