電活性聚合物能量轉換器的製造方法

2023-06-14 12:28:26 1

電活性聚合物能量轉換器的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種被配置成將能量從機械能的源轉換成電能的能量轉換裝置。該能量轉換裝置包括換能器，其包括介電彈性體模塊，所述介電彈性體模塊由可拉伸電活性聚合物材料製成。包括至少一個介電彈性體膜層的介電彈性體模塊被部署在至少第一和第二電極之間。傳輸耦合機構被配置成耦合機械能的源，並且操作地附接到換能器以便響應於作用於傳輸耦合機構上的機械能來周期性地使換能器變形和鬆弛。調節電路被耦合到至少第一和第二電極，並且被配置成當介電彈性體膜處於變形的狀態下時將電荷施加到介電彈性體膜，當介電彈性體膜從變形狀態轉變成鬆弛狀態時從介電彈性體膜斷開，以及當介電彈性體膜達到鬆弛狀態時從介電彈性體膜移除電荷。
【專利說明】電活性聚合物能量轉換器
[0001]相關申請的交叉引用
根據35 USC § 119(e)本申請要求下述美國臨時專利申請的權益:2011年3月9日提交的申請號為 61/450，756、名稱為 「SMPLIFIED EPAM ENERGY HARVESTING CIRCUITWITH OVERVOLTAGE PROTECTION」的美國臨時專利申請；2011年3月9日提交的申請號為61/450，758、名稱為 「EPAM GENERATOR ARRAYS TO IMPROVE MECHANICAL-TO-ELECTRICALCONVERSION」的美國臨時專利申請；2011年3月9日提交的申請號為61/450，762、名稱為「HIGH EFFICIENCY ENERGY TRANSFER CIRCUIT FOR EPAM GENERATORS」 的美國臨時專利申請；2011年3月9日提交的申請號為61/450，764、名稱為「EPAM ENERGYHARVESTING CONTROL UTILIZING MICROCONTROLLER ELECTRONICS」 的美國臨時專利申請；2011年5月26日提交的申請號為61/490，418、名稱為「DIELECTRIC ELASTOMERGENERATORS」的美國臨時專利申請；和2011年10月10日提交的申請號為61/545,295、名稱為 「COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED, RIGID, INSULATOR COVEREDWITH THIN, SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS, AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERSINCORPORATING SUCH ELECTRODES」的美國臨時專利申請，它們中的每一個的整個公開都通過引用由此被併入。
【技術領域】
[0002]在各種實施例中，本公開一般地涉及能量轉換設備。在一個方面，本公開涉及被配置成將機械能轉換成電能的設備。特別地，本公開涉及被配置在多相布置中以便以高效方式將機械能轉換成電能的電活性聚合物陣列。更特別地，本公開涉及用於被配置成將機械能轉換成電能的電活性聚合物陣列的能量轉移和能量採集電路和技術。
【背景技術】
[0003]加利福尼亞州的Menl`o Park的SRI International (SRI)已經致力於使用電活性聚合物用於發電達近十年，並且已經在使用電活性聚合物來發電的主題上發表了大量的論文和專利。來自SRI的發電拓撲技術的例子包括單個電活性聚合物薄片、足跟著地(hee 1-strike)發電機、驅動發電機的小水輪、和驅動衝浪板發電機(boogie boardgenerator)的六十英尺波浪水槽的實驗室測試。然而，迄今為止，所生成的功率水平一直較小(小於50瓦)並且SRI的大量努力看起來已經指向其足跟著地發電機或者用於從海洋波浪發電以便為導航浮標供電的浮標發電機。
[0004]一般來說，諸如發電機之類的電活性聚合物能量轉換設備(例如滾動發電機)需要高水平的無功機械功率來產生電功率。單個電活性聚合物能量生成器元件可以將機械功率的僅15%轉換成電功率。有報導稱SRI已經開發了將該轉換改進成高達近30%的兩相系統。然而，這樣的系統不能充分地獲得高於80%的整體系統效率。
[0005]此外，電活性聚合物通常需要高壓電子設備來產生電力。對於一些應用，簡單是重要的，但是不能以可靠性為代價。通常需要簡單的高壓電路來提供功能和保護。基本的電活性聚合物發電機電路包括低壓點火電源、連接二極體、電活性聚合物發電機、第二連接二極體和高壓集電極電源。然而，這樣的電路在捕獲與根據本公開的電活性聚合物發電機所需的一樣多的每循環的能量方面不是高效的，並且需要相對較高電壓的點火電源。
[0006]此外，電活性聚合物能量採集發電機可以具有高電阻。這一般歸因於對機械順從性(mechanical compliance)的附加電極需求。該電極必須在處於循環應變的同時保持其導電性。因此，當設計電極時，必須在導電性和順從性之間進行電極折衷。高導電電極(例如銀)非常硬並且不允許許多的機械移動。較低導電電極(諸如例如預印導電油墨)是順從的並且允許機械移動，但是是電阻性的並且在試圖為電活性聚合物發電機充電或放電時導致電損耗。簡化的電活性聚合物發電機電子設備可以被採用，以便通過以低電極電流進行操作來使電極損耗最小化。這樣的簡化的電活性聚合物電路(儘管被設計用於高電極電阻)不會優化完全的機械到電轉換能力，並且導致與優化的轉換器電子設備相比更低得多的特定能量密度，一般對於簡單的電子設備是0.04至0.06J每克，相比較對於複雜的電子設備是0.4至0.6J每克。
[0007]此外，為了使電活性聚合物類型的發電機中的能量密度最大化，複雜的控制電子設備是必需的。複雜控制可以使電活性聚合物發電機的能量密度改進超過一個數量級。然而，當前不存在針對電活性聚合物發電機的複雜電子設備控制的已發表的例子。
[0008]波浪和風能是每年能夠遞送數千兆瓦小時電力的可再生資源。即使採集該能量的一個小的百分比就可以提供顯著的電力源。諸如例如利用基於電活性聚合物的發電機的新概念可以幫助解決若干這些挑戰。
[0009]本公開提供採用電活性聚合物的改進的能量轉換器。本公開提供與常規技術相比在目標成本、效率、可靠性和整體性能方面改進的基於電活性聚合物的能量轉換器的各種實施例。

【發明內容】

[0010]在一個實施例中，本公開提供一種基於電活性聚合物的能量轉換設備。在一個實施例中，能量轉換裝置被配置成將能量從機械能的源轉換成電能。該能量轉換裝置包括換能器，其包括介電彈性體模塊，所述介電彈性體模塊由可拉伸電活性聚合物材料製成。介電彈性體模塊包括至少一個介電彈性體膜層，其部署在至少第一和第二電極之間。被配置成耦合機械能的源的傳輸耦合機構操作地附接到換能器以便響應於作用於傳輸耦合機構上的機械能來周期性地使換能器變形和鬆弛。調節電路被耦合到至少第一和第二電極，並且被配置成當介電彈性體膜處於變形的狀態下時將電荷施加到介電彈性體膜，當介電彈性體膜從變形狀態轉變成鬆弛狀態時從介電彈性體膜斷開，以及當介電彈性體膜達到鬆弛狀態時從介電彈性體膜移除電荷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是可以被用於從機械能的源採集電力的能量轉換設備的框圖；
圖2圖示通過使用包括某種類型的電活性聚合物膜的能量轉換設備來轉換能量的循
環；
圖3A圖示根據一個實施例的換能器部分的頂部透視圖；圖3B圖示包括響應於電場的變化的偏斜的換能器部分的頂部透視圖；
圖4A-4F圖示通過使用包括電活性聚合物膜(例如介電彈性體膜)的能量轉換設備來轉換機械能的電活性聚合物發電機的一個循環；
圖5是針對各種矽樹脂介電彈性體材料的介電常數的測量結果的圖形表示；
圖6是介電常數與電場的關係的圖形表示。垂直軸對應於介電常數(ε )並且水平軸對應於電場E (V/μ--);
圖7是對於大約100個彈性體已經被校準的矽樹脂彈性體(SSF4930)擬合的Ogden模型的圖形表示；
圖8圖示簡單的發電電路的一個實施例；
圖9Α和9Β圖示電活性聚合物發電機的定義的坐標系；
圖10是能量與電活性聚合物發電機中的恆定電荷循環的拉伸率的關係的圖形表示； 圖11是純剪切模式發電機衝程-力關係和曲線擬合的圖形表示1100 ；
圖12圖示用於機械非線性純剪切電活性聚合物發電機的PSPICE模型；
圖13是位移和力的關係的PSSPICE建模結果的圖形表示；
圖14是耦合到非線性彈簧模型的非線性電容器的耦合PSPICE模型；
圖15是能量採集模擬的圖形表示；
圖16是能量採集循環理想和非理解的關係(洩漏電流)的圖形表示；
圖17是對於理想和非理想循環的恢復電能的圖形表示；
圖18是利用微控制器電子設備的電活性聚合物發電機能量採集控制系統的一個實施例的框圖；
圖19是用於電活性聚合物發電機的高效能量轉移電路的一個實施例的框圖；
圖20和21是六相電活性聚合物發電機的一個實施例的透視圖；
圖22是圖20-21中示出的發電機的側視圖；
圖23是在圖20-22中示出的使大多數DEG模塊移除的六相電活性聚合物發電機的透視圖；
圖24和25是在圖23中示出的六相電活性聚合物發電機的端部視圖；
圖26是圖23中示出的六相電活性聚合物發電機的側視圖；
圖27圖示在圖20-26中示出的DEG模塊的一個實施例；
圖28圖示在圖27中示出的DEG模塊的堆疊彈性體膜部件部分的一個實施例；
圖29是堆疊彈性體膜部件的前視圖；
圖30是前板被移除的堆疊彈性體膜部件的透視圖；
圖31是圖30中示出的堆疊彈性體膜部件的詳細的端部視圖；
圖32是堆疊彈性體膜部件的局部透視圖；
圖33是圖32中示出的堆疊彈性體膜部件的局部透視圖的詳細視圖；
圖34-37圖示根據一個實施例在圖20-24和26中示出的頂部吊板的詳細視圖；
圖38-40圖示與結合圖20-26描述的六相電活性聚合物發電機一起使用的軸的一個實施例；
圖41-48圖示多相介電彈性體發電機中的平衡反作用轉矩的原理；
圖49圖示具有附接到中央凸輪的八個相的徑向介電彈性體發電機； 圖50是當附接到一點的線性彈簧繞中心軸運轉時每個相的近似的圖；
圖51是使用方程(51)計算的被動式轉矩的圖形表示，其中r=0.5 ；10=1 ;以及k=l ；
圖52是來自六個相中的每個的轉矩的圖形表示；
圖53是來自具有一個(最大)相到六個(最小)相的系統的淨被動式轉矩的圖形表示； 圖54是來自六相系統的波動轉矩的圖形表不；
圖55是具有η個相的系統與具有一個相的系統的最大波動轉矩的比率的圖形表示； 圖56是包括多個形成在介電膜上的電極的電活性聚合物膜的圖；
圖57是包括多個形成在介電膜上的電極的電活性聚合物膜的圖；
圖58是已經逐漸產生裂縫的電極的圖；以及 圖59是已經逐漸產生裂縫的電極的圖。
【具體實施方式】
[0012]在解釋被配置成將機械能轉換成電能的基於電活性聚合物的能量轉換設備和基於電活性聚合物的陣列的實施例之前，應該注意的是，所公開的實施例在應用或者使用中不限於在附圖和說明書中圖示的部分的構造和布置的細節。所公開的實施例可以在其它實施例、變化和修改中實施或者併入到其它實施例、變化和修改中，並且可以以各種方式實踐或實行。此外，除非以其它方式指示，本文所採用的術語和表述已為了描述實施例的目的、說明性目的以及讀者的方便而選擇，並且不意圖達到將實施例中的任一個限制成所公開的特定實施例的目的。此外，應該理解的是，在沒有限制的情況下，所公開的實施例、實施例的表述以及例子中的任何一個或多個可以與其它公開的實施例、實施例的表述以及例子中的任何一個或多個組合。因此，在一個實施例中公開的元件與在另一實施例中公開的元件的組合可以被看作在本公開和所附權利要求的範圍內。
[0013]在各種實施例中，本公開提供基於電活性聚合物的能量轉換設備，其可以被用來以雙向方式在電能和機械能之間進行轉換。將領會的是，遍及本公開術語「電活性聚合物」、「介電彈性體(dielectric elastomer)」和 / 或「彈性介電兀件(elastomeric dielectricelement)」可以可交換地使用。在一個實施例中，本公開提供具有一個或多個換能器的發電機，其採用被配置成將機械能轉換成電能的電活性聚合物膜。在另一個實施例中，本公開提供採用以多相布置被配置以便以高效方式將機械能轉換成電能的電活性聚合物膜的換能器陣列。在還有其它的實施例中，本公開提供能量轉移和能量採集電路和技術，用於採用被配置成將機械能轉換成電能的電活性聚合物膜陣列的換能器。在下文中圖示和描述這些和其它具體實施例。
[0014]本公開提供具有一個或多個採用電活性聚合物膜來將機械能轉換成電能的換能器的發電機以及用於更高效地將機械能轉換成電能的電路技術的各種實施例。在一個實施例中，發電機模塊包括電活性聚合物換能器，所述電活性聚合物換能器包括可從加利福尼亞州的Sunnyvale的Artificial Muscle, Inc.(AMI)獲得的集成的介電彈性體元件。這樣的發電機在本文中可以被稱為電活性聚合物發電機模塊。這樣的電活性聚合物發電機模塊具有適用於實現能量轉換技術(包括例如機械到電能轉換)的特性。這樣的電活性聚合物發電機模塊包括具有夾在兩個電極層之間的介電彈性體膜的可拉伸彈性材料。施加機械力來使電活性聚合物發電機模塊變形(拉伸電活性聚合物發電機模塊)會改變各電極之間的介電彈性體膜的電容。施加於變形的膜的種子電荷上升到當電活性聚合物發電機模塊鬆弛時可以採集的較高膜電壓。電活性聚合物發電機模塊適用於直接驅動應用，是高度可縮放、可靠且高效的。
[0015]除了提供電活性聚合物發電機的各種實施例之外，在各種方面，本公開還提供連同電活性聚合物發電機模塊採用以便增加發電機的效率的調節電子設備邏輯和電路以及技術。在下文中將分別描述這些技術中的每個。
[0016]發電機可以包括一個或多個傳輸機構，其耦合到機械能的源並且轉換該機械能的一部分以便驅動發電機的一個或多個換能器部分。換能器連同電耦合到發電機的調節電子設備將機械能轉換成電能。除了別的以外，常見的機械能的源包括例如處於靜止或運動的水、潮汝、波浪、風、太陽、地熱。
[0017]用於通過利用電活性聚合物來從機械功率生成電功率的基本機構是介電彈性體在響應於機械功率而周期性地拉伸和收縮時經受的電容的改變。為了要成為重要的電功率發電機，電活性聚合物發電機應該從鬆弛的收縮狀態到拉伸狀態經受至少3倍到4倍的電容改變。對合適的電活性聚合物發電機的性能、效率和可靠性作出貢獻的因素包括介電材料、電極、機械配置、電子設備以及能量密度和效率。
[0018]電活性聚合物能暈轉換設備。
[0019]圖1是可以被用於從機械能的源102採集電力的能量轉換設備100 (發電機100)的框圖。該機械能的源102可以以某種方式經由一個或多個傳輸耦合機構104輸入到發電機100中。然後，連同調節電子設備108，採用電活性聚合物的一個或多個換能器106將機械能轉換成電能。同樣，機械能的一部分可以被用來執行附加的機械功。調節電子設備108可以將所採集的電能110轉移到電能輸出。在一些實施例中，發電機100可以反過來操作以便根據電活性聚合物換能器106上的電功率施加來執行機械功。
[0020]用來生成電力的機械能可以從若干源提供。例如，機械能的源102可以從環境源中採集，除了別的源之外，所述環境源諸如處於靜止或運動的水、潮汐、波浪、風、太陽、地熱。通過諸如水或空氣之類的的工作流體，環境能量的源可以被轉移到換能器106以便生成機械功或能量。可以通過使用本公開的一個或多個電活性聚合物換能器106來採集機械能以便轉換成電力110。對發電機100的工作流體以及其它部件的選擇可以取決於該發電機100的一個或多個操作和設計參數，諸如發電機的操作環境(例如商業、住宅、陸地、海洋、可攜式、非可攜式等等)、發電機的尺寸、成本需求、耐久性需求、效率需求、功率源的溫度和功率輸出需求。
[0021]在一個實施例中，驅動發電機100的機械能可以從處於靜止或運動的水中導出，如在水力發電廠中接進機械能並且將其轉換成電能。這樣的機械能的源102的主要部件將包括水壩、蓄水池、水渠、傳輸耦合機構104、一個或多個電活性聚合物換能器106、調節電子設備108、變壓器和管道。水壩是高效地採集水的機械能(勢能和動能)的系統，它可以被建造在具有自然海拔的水體(諸如河)上。該機械能也可以從移動的水(諸如被用來碾磨穀物的移動的水)中被導出。
[0022]在另一個實施例中，驅動發電機100的機械能可以從潮汐中被導出。海洋的潮汐產生兩個不同類型的能量，包括熱能(或者來自太陽的熱量)和機械能(通過波浪和潮汐的運動)。從潮汐的移動來開發機械能。潮汐機械能的源102的部件將包括捕獲機械能的機構、傳輸I禹合機構104、一個或多個電活性聚合物換能器106、以及調節電子設備108,以便將機械能轉換成電力。這可以通過使用例如浮標、能量攔水壩和水車來完成。
[0023]在另一個實施例中，驅動發電機100的機械能可以從風車和風力渦輪機中導出。風車和風力渦輪機使用可再生的風能來產生機械能。風車以將由其葉片的轉動生成的動能轉換成轉動機械能的原理工作。傳輸耦合機構104將轉動機械能耦合到一個或多個電活性聚合物換能器106和調節電子設備108，以便將機械能轉換成電力。風車通常被安裝在多山並且沿海的區域，在那裡風速的範圍是從每小時5英裡到每小時15.5英裡。根據本公開的發電機100通過使用一個或多個電活性聚合物換能器106和調節電子設備108來利用風的功率來產生電力。存在兩種類型的風力渦輪機，包括垂直軸風力渦輪機和水平軸風力渦輪機。
[0024]將領會的是，機械能的源的例子的上述描述不是詳盡的，並且諸如熱能的源之類的其它的源可以被採用來驅動一個或多個電活性聚合物換能器106和調節電子設備108以便生成電力。可以從各種熱量源(諸如太陽能、地熱能、內部燃燒、外部燃燒、或廢熱)中生成熱能。熱能可以被轉換成機械能，使得它可以被用來驅動位於發電機100中的一個或多個換能器106。
[0025]圖2圖示了用於通過使用包括某種類型的電活性聚合物膜的能量轉換設備來轉換能量的循環200。垂直軸描繪與E2成比例的電場，而水平軸描繪應變。當能量轉換設備被操作為機械到電發電機時，機械能被轉換成電力。通常來說，機械能的源被用來以某種方式使電活性聚合物膜偏斜或拉伸。本公開的能量轉換設備也可以被用來執行機械功。在這種情況下，電能可以被用來使電活性聚合物膜偏斜。在偏斜過程中由電活性聚合物膜執行的機械功可以被用來施加機械過程。為了在延伸的時間周期內生成電能或者為了執行熱功，電活性聚合物膜可以在許多個循環上被拉伸和鬆弛。
[0026]在圖2中，示出了電活性聚合物膜拉伸和鬆弛以便將機械能轉換成電能的一個循環200。該循環僅用於說明目的。本公開的能量轉換設備可以採用許多不同類型的循環，並且能量轉換設備不限於圖2中示出的循環。在202中，用聚合物上的零電場壓力來拉伸電活性聚合物膜。該拉伸可以源於施加到該膜的機械力，所述機械力從輸入到能量轉換設備的外部能量的源中生成。例如，機械過程可以被用來使電活性膜偏斜。在204中，將聚合物膜上的電場壓力增加到某一最大值。參考圖8、18和19來描述執行該功能必需的調節電子設備。在該例子中，電場壓力的最大值僅低於電活性聚合物的電擊穿強度。該擊穿強度可以以某一速率隨著時間改變，該速率取決於但不限於以下各項:1)使用能量轉換設備的環境，2)能量轉換設備的操作歷史和在能量轉換設備中使用的聚合物的類型。
[0027]在206中，在電場壓力維持接近其最大值時電活性聚合物鬆弛。鬆弛過程可以對應於允許電活性膜鬆弛的電活性聚合物的彈性恢復屬性。當電活性聚合物鬆弛時，電活性聚合物膜上的電荷的電壓增加。如由其較高的電壓所指示的電活性聚合物膜上的電荷的電能的增加被採集成所生成的電能。在208中，當電場壓力被減小到零時電活性聚合物膜完全鬆弛，並且循環可以重複。例如，當轉動機械力和凸輪機構被用來拉伸和鬆弛電活性聚合物膜時，可以發起循環。
[0028]本公開的設備中的電能和機械能之間的變換基於電活性聚合物(諸如例如電活性聚合物介電彈性體)的一個或多個活性區域的能量轉換。當由電能致動時，電活性聚合物偏斜。為了幫助圖示在將電能轉換成機械能中的電活性聚合物的性能，圖3A圖示了根據一個實施例的換能器部分300的頂部透視圖。該換能器部分300包括用於在電能和機械能之間轉換的電活性聚合物302。在一個實施例中，電活性聚合物指的是充當兩個電極之間的絕緣電介質並且可以根據兩個電極之間電壓差的施加來偏斜的聚合物。頂部和底部電極304和306被附接到電活性聚合物302 (分別在其頂部和底部表面上)，以便在聚合物302的一部分的兩端上提供電壓差。聚合物302隨著由頂部和底部電極304和306提供的電場改變而偏斜。響應於由電極304和306提供的電場的改變，換能器部分300的偏斜被稱為致動。當聚合物302在尺寸上改變時，該偏斜可以被用來產生機械功。
[0029]圖3B圖示了包括響應於電場的改變的偏斜的換能器部分300的頂部透視圖。一般來說，偏斜指的是聚合物302的一部分的任何位移、膨脹、收縮、扭曲、線性或區域應變、或者任何其它變形。對應於施加到電極304和306或由電極304和306施加的電壓差的電場的改變在聚合物302內產生機械壓力。在這種情況下，由電極304和306產生的不同電荷彼此吸引，並且提供電極304和306之間的壓縮力和聚合物302上沿著平面方向308、310的膨脹力，從而使得聚合物302在電極304、306之間壓縮並且在平面方向308、310上拉伸。
[0030]在一些情況下，電極304和306覆蓋相對於聚合物的總面積的聚合物302的有限部分。這可以被完成以便防止聚合物302的邊緣周圍的電擊穿，或者實現聚合物的一個或多個部分的定製的偏斜。如術語在本文中使用那樣，活性區域被定義為包括聚合物材料302和至少兩個電極的換能器的一部分。當活性區域被用來將電能轉換成機械能時，該活性區域包括聚合物302的一部分，其具有足夠靜電力以便實現該部分的偏斜。當活性區域被用來將機械能轉換成電能時，該活性區域包括聚合物302的一部分，其具有足夠的偏移以便實現靜電能的改變。如下面將描述的那樣，本發明的聚合物可以具有多個活性區域。在一些情況下，在活性區域之外的聚合物302材料可以充當在偏斜期間該活性區域上的外部彈簧力。更具體地，活性區域之外的聚合物材料可以通過其收縮或膨脹來抵抗活性區域偏斜。電壓差和所感應的電荷的移除引起相反的效果。
[0031]電極304和306是順從的，並且隨著聚合物302改變形狀。聚合物302和電極304和306的配置提供了隨著偏斜的增加的聚合物302響應。更具體地，當換能器部分300偏斜時，聚合物302的壓縮使得電極304和306的相反電荷更靠近，並且聚合物302的拉伸將每個電極中類似的電荷分開。在一個實施例中，電極304和306中的一個接地。
[0032]一般來說，換能器部分300繼續偏斜，直到機械力與驅動偏斜的靜電力平衡為止。機械力包括聚合物302材料的彈性恢復力、電極304和306的順從性、以及由耦合到換能器部分300的負載和/或設備提供的任何外部阻力。作為所施加的電壓的結果的換能器部分300的偏斜也可以取決於若干其它的因素，諸如聚合物302介電常數和聚合物302的尺寸。
[0033]根據本公開的電活性聚合物能夠在任何方向上偏斜。在於電極304和306之間施加電壓之後，聚合物302在平面方向308和310 二者上膨脹(拉伸)。在一些情況下，聚合物302是不可壓縮的，例如在應力下具有基本上恆定的體積。對於不可壓縮聚合物302，作為平面方向308和310上的膨脹的結果，聚合物302在厚度上減少。應該注意的是，本發明不限於不可壓縮的聚合物，並且聚合物302的偏斜可能不會遵守這樣的簡單關係。
[0034]圖3A中示出的換能器部分300上的電極304和306之間的相對大的電壓差的施加將使換能器部分300變成如圖3B中示出的較薄、較大面積的形狀。也這種方式，換能器部分300將電能轉換成機械能。換能器部分300還可以被用來以雙向方式將機械能轉換成電能。
[0035]圖3A和3B可以被用來示出換能器部分300將機械能轉換成電能的一種方式。例如，如果換能器部分300被外力機械拉伸成諸如圖3B中示出的較薄、較大面積的形狀，並且在電極304、306之間施加相對小的電壓差(小於將膜致動成圖3B中的配置所必需的電壓差)，則當外力被移除時，換能器部分300將在電極之間在面積上收縮成諸如圖3A中那樣的形狀。拉伸換能器指的是使換能器300從其原始靜止位置偏斜，一般導致電極之間較大的淨面積，例如在電極之間由方向308、310定義的平面中。靜止位置指的是換能器部分300的不具有外部電或機械輸入的位置，並且可以包括聚合物中的任何預應變。一旦換能器部分300被拉伸，就會提供相對小的電壓差，以使得最終得到的靜電力不足以平衡該拉伸的彈性恢復力。換能器部分300因此收縮，並且它變得更厚，並在由方向308、310定義的平面中具有更小的平面面積(與在方向312上電極之間的厚度正交)。當聚合物302變得更厚時，它使得電極304、306以及其對應的不同電荷分開，因此提高了電荷的電壓和電能。此外，當電極304,306收縮成較小的面積時，每個電極內的相同電荷壓縮，從而也提高了電荷的電壓和電能。因此，用電極304、306上的不同電荷，從諸如圖3B中示出的形狀那樣的形狀到諸如圖3A中示出的形狀那樣的形狀的收縮提高了電荷的電能。也就是說，機械偏斜被變成機械能並，且換能器部分300充當發電機。
[0036]在一些情況下，從電學方面來說換能器部分300可以被描述成可變電容器。對於從圖3B中示出的形狀到圖3A中示出的形狀的形狀改變，電容會減小。一般，電極304、306之間的電壓差將通過收縮而提高。例如如果在收縮過程期間附加的電荷沒有被添加到電極304、306或者沒有從電極304、306減去附加的電荷，則這是通常的情況。可以通過方程U=0.5Q2/C來說明電能U的增加，其中Q是正電極上的正電荷的量，並且C是涉及聚合物302的固有介電屬性以及其幾何形狀的可變電容。如果Q被固定且C減小，則電能U增加。在與電極304、306的電通信的合適的設備或電子電路中，電能和電壓的增加可以被恢復或使用。另外，換能器部分300可以機械耦合到使聚合物偏斜並且提供機械能的機械輸入。
[0037]當換能器部分300收縮時，其將把機械能轉換成電能。當換能器部分300在由方向308、310限定的平面中完全收縮時，可以移除電荷和能量的中一些或全部。可替換地，可以在收縮期間移除電荷和能量中的一些或全部。如果在收縮期間聚合物302中的電場壓力增加並且達到與機械彈性恢復力和外部負載平衡，則該收縮將在完全收縮之前停止，並且將不會使另外的彈性機械能轉換成電能。移除一些電荷和所存儲的電能會減小電場壓力，因此允許收縮繼續。因此，移除一些電荷可能進一步將機械能轉換成電能。當換能器部分300操作為發電機時其的確切電行為取決於任何電和機械加載以及聚合物302和電極304、306的固有屬性。
[0038]在一個實施例中，電活性聚合物302可以被預應變。聚合物的預應變在一個或多個方向上可以被描述為在預應變之後沿某方向上的維度相對於在預應變之前沿該方向上的維度的改變。預應變可以包括聚合物302的彈性變形，並且例如通過以張力拉伸聚合物且在拉伸的同時固定邊緣中的一個或多個來形成。對於許多聚合物，預應變改進電能和機械能之間的轉換。改進的機械響應能夠實現對於電活性聚合物的更大的機械功，例如更大偏斜和致動壓力。在一個實施例中，預應變改進聚合物302的介電強度。在另一個實施例中，預應變是彈性的。在致動之後，彈性預應變的聚合物理論上將是不固定的並且返回到其原始狀態。可以通過使用剛性構架來在邊界處強加預應變，或者也可以針對聚合物的一部分局部地實現該預應變。
[0039]在一個實施例中，將預應變均勻地施加在聚合物302的一部分上，以產生各項同性的預應變聚合物。舉例來說，可以在兩個平面方向上將丙烯酸彈性體聚合物拉伸百分之200到400。在另一個實施例中，可以在不同的方向上對聚合物302的一部分不均等地施加預應變，以產生各向異性預應變聚合物。例如，矽樹脂膜可以在一個平面方向上被拉伸O到10%，而在另一個平面方向上被拉伸10%到100%。在這種情況下，當被致動時，聚合物302可以在一個方向上比在另一個方向上偏斜更大。儘管不希望通過理論來束縛，但是本發明人推測，在一個方向上使聚合物預應變可以增加該聚合物在預應變方向上的硬度。因此，聚合物在高預應變方向上相對較硬，而在低預應變方向上更順從，並且在致動時更多偏斜發生在低應變方向上。在一個實施例中，換能器部分300在方向308上的偏斜可以通過在垂直方向310上運用大的預應變來增強。例如，被用作換能器部分300的丙烯酸彈性體聚合物可以在方向308上被拉伸百分之300，並且在垂直方向310上被拉伸百分之500。針對聚合物的預應變的量可以基於聚合物材料和應用中該聚合物的期望性能。
[0040]各向異性預應變還可以改進換能器300在發電機模式中將機械能轉換成電能的性能。除了增加聚合物的介電擊穿強度並且允許更多電荷被放置在聚合物上之外，高預應變可以改進在低預應變方向上機械到電的耦合。也就是說，進入低預應變方向的更多機械輸入可以被轉換成電輸出，因此提高了發電機的效率。
[0041]圖4A-4F圖示用於通過使用包括電活性聚合物膜402 (例如介電彈性體膜)的能量轉換設備來轉換機械能的電活性聚合物發電機400的一個循環。圖形表示伴隨說明性循環，其中垂直軸對應於電場(電壓)，而水平軸對應於應變率(λ )以便圖示機械到電功率轉換循環。可拉伸電極404、406被形成在電活性聚合物膜402上。當介電彈性體膜402鬆弛時，由電活性聚合物膜402存儲的電荷408處於第一電平。然後通過任何合適的機械功在方向410上拉伸電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406。電荷408保持在第一電平。如圖4Β中所示，電活性聚合物發電機400處於拉伸狀態下。當被拉伸時，電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406改變電容。在一個方面，處於拉伸狀態下，可拉伸電極404、406更靠近在一起並且提高電容。當電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406處於拉伸狀態時(如圖4C中所示)，電極404、406耦合到能量源412 (例如直流(DC)電池)，並且將偏置電壓施加到電活性聚合物膜402以便將電荷408提高到更高電壓。如圖4D中所示，能量源被移除，並且電活性聚合物膜402保持以較高的電壓被充電。如圖4Ε中所示，當電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406在方向414上鬆弛時，電活性聚合物膜402和可拉伸電極404,406縮小並分開。因此，電活性聚合物膜402的電容被降低，並且電壓被提高到更高的電平。如圖4F中所示，當電活性聚合物膜402和可拉伸電極404、406回到鬆弛狀態下時，電極404、406被耦合到負載416並且所存儲的電壓(或電荷)被遞送到負載416，因此對電活性聚合物膜402進行放電。根據施加到電活性聚合物發電機400的輸入處的機械功，循環重複。
[0042]現在參考圖4A-4F，不管電活性聚合物膜402被用作致動器還是電活性聚合物發電機400，該電活性聚合物膜402的基本結構是在每個側上圖案化有可拉伸電極404、406的高介電彈性體膜。在致動器模式下，當電壓被施加到電活性聚合物402時，通過來自兩個電極404、406上的不同電荷的靜電力的影響，該聚合物在厚度上壓縮並且在面積上膨脹。發電機模式基本上與致動器模式相反。將機械能410施加到電活性聚合物膜402以將其拉伸引起厚度的壓縮以及表面積的膨脹。在這點上，電壓412被施加到電活性聚合物膜402。所施加的電能412被存儲在聚合物402上作為電荷408。當機械能減小414時，電活性聚合物膜402的彈性恢復力用來恢復原始厚度並且減小面積。該機械改變增加兩個電極404、406層之間的電壓勢，從而導致靜電能的增加。
[0043]下面描述分析等式，該分析等式描述電活性聚合物發電機400模式。可以通過注意基於電活性聚合物膜402的發電機400 (例如電活性聚合物人工肌肉(EPAM?)發電機)基本上是其電容隨著電活性聚合物膜402拉伸和收縮而變化的電容器來理解這些等式。電活性聚合物膜402的電容是:
【權利要求】
1.一種被配置成將能量從機械能的源轉換成電能的能量轉換裝置，該能量轉換裝置包括: 換能器，其包括介電彈性體模塊，所述介電彈性體模塊包括可拉伸電活性聚合物材料，所述介電彈性體模塊包括至少一個介電彈性體膜層，所述至少一個介電彈性體膜層具有至少一部分部署在至少第一和第二電極之間； 傳輸耦合機構，其被配置成耦合機械能的源並且操作地附接到換能器以便響應於作用於傳輸耦合機構上的機械能來周期性地使換能器變形和鬆弛；以及 調節電路，其被耦合到至少第一和第二電極，並且被配置成當介電彈性體膜處於變形的狀態下時將電荷施加到介電彈性體膜，當介電彈性體膜從變形狀態轉變成鬆弛狀態時從介電彈性體膜斷開，以及當介電彈性體膜達到鬆弛狀態時從介電彈性體膜移除電荷。
2.根據權利要求1所述的能量轉換裝置，其中， 介電彈性體模塊包括多個介電彈性體膜元件層，其分層放置在多個框架元件和形成在每個層上的多個電極之間。
3.根據權利要求2所述的能量轉換裝置，還包括位於框架元件中的至少一個上的匯流電極，以便將調節電路耦合到多個電極。
4.根據權利要求3所述的能量轉換裝置，還包括電連接在匯流電極和至少一個電極之間的聚合物保險絲。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的能量轉換裝置，其中， 介電彈性體膜具有小於約IOOMPa的模量和大於約2的介電常數，並且包括從包括以下各項的組中選擇的一個或多個材料:丙烯酸脂、矽樹脂、氨基甲酸乙酯、烴橡膠、含氟彈性體、苯乙烯共聚物和其組合。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的能量轉換裝置，其中， 第一和第二電極中的至少一個包括從包括以下各項的組中選擇的至少一個:圓齒狀加固珠、蜿蜒狀加固珠、壓延複合材料和織物。
7.根據權利要求1至6中的任一項所述的能量轉換裝置，其中， 傳輸耦合機構包括第一軸，其具有被配置成耦合到機械能的源的第一部分和包括操作地耦合到換能器的第一凸輪的第二部分。
8.根據權利要求7所述的能量轉換裝置，其中， 第一軸包括第二凸輪，其圍繞軸以相對於第一軸上的第一凸輪180°的角度部署。
9.根據權利要求8所述的能量轉換裝置，其中， 傳輸耦合機構包括第二軸，其具有第一部分和第二部分，所述第一部分被配置成耦合到機械能的源，所述第二部分包括操作地耦合到換能器並且圍繞軸以相對於第二軸上的第一凸輪180°的角度部署的第二凸輪。
10.根據權利要求9所述的能量轉換裝置，其中， 當機械能的源被耦合到第一和第二軸的第一部分時，第一軸被配置成以順時針方向轉動並且第二軸被配置成以逆時針方向轉動，並且其中第一和第二軸上的第一和第二凸輪形成一對相對反向轉動的彈性元件。
11.根據權利要求10所述的能量轉換裝置，還包括: 限定孔徑以便將第一軸的第一凸輪容納在其中的第一吊板，所述第一吊板具有操作地耦合到第一軸的第一凸輪的第一端和連接到換能器的第一端的第二端；以及 限定孔徑以便將第二軸的第一凸輪容納在其中的第二吊板，所述第二吊板具有操作地耦合到第二軸的第一凸輪的第一端和連接到換能器的第二端的第二端； 其中耦合到換能器並且操作耦合到位於各自的第一和第二軸上的第一凸輪的第一和第二吊板限定第一發電機元件。
12.根據權利要求11所述的能量轉換裝置，還包括: 限定孔徑以便將第一軸的第二凸輪容納在其中的第三吊板，所述第三吊板具有操作地耦合到第一軸的第二凸輪的第一端和連接到第二換能器的第一端的第二端；以及 限定孔徑以便將第二軸的第二凸輪容納在其中的第四吊板，所述第四吊板具有操作地耦合到第二軸的第二凸輪的第一端和連接到第二換能器的第二端的第二端； 其中耦合到第二換能器並且操作地耦合到位於各自的第一和第二軸上的第二凸輪的第三和第四吊板限定第二發電機元件；並且 其中第一和第二發電機元件限定第一對平衡反向轉動彈性元件。
13.根據權利要求12所述的能量轉換裝置，還包括至少第三和第四發電機元件，其中至少第三和第四發電機元件至少限定第二對平衡反向轉動彈性元件。
14.根據權利要求1至13中的任一項所述的能量轉換裝置，其中， 調節電路包括: 控制器； 充電控制器； 能量存儲兀件；並且 其中當所述機械循環已達到循環的最大應變時，充電控制器從能量存儲元件移除電能並且將其轉移到介電彈性體膜。
15.根據權利要求14所述的能量轉換裝置，其中， 調節電路還包括: 放電控制器； 其中當機械循環已達到循環的最小應變時，放電控制器從介電彈性體膜移除電能。
16.根據權利要求14和15所述的能量轉換裝置，還包括電壓監視器或應變監視器中的至少一個，以便確定介電彈性體膜上的電壓或應變狀況中的至少一個，並且將電壓或應變測量結果中的至少一個提供給控制器。
17.一種電活性聚合物能量轉換設備，至少包括: 第一對相對反向轉動發電機兀件； 第二對相對反向轉動發電機元件；以及 第三對相對反向轉動發電機元件； 其中至少三對相對反向轉動發電機元件限定平衡反向轉動電活性聚合物能量轉換設備。
18.—種從機械能的源生成電能的方法，該方法包括: 通過使用機械能的源來使介電彈性體膜變形到循環的預定最大應變； 通過應變控制器來監視介電彈性體膜何時達到循環的預定最大應變； 當機械循環已達到循環的最大應變時通過充電控制器來將電荷轉移到介電彈性體膜； 使介電彈性體膜鬆弛到循環的預定最小應變；以及 當機械循環達到循環的最小應變時通過放電控制器來移除介電彈性體上的電荷。
19.根據權利要求18所述的方法，還包括: 通過充電控制器來從能量存儲元件移除電荷；以及 當機械循環已達到循環的最大應變時將從能量存儲元件移除的電荷轉移到介電彈性體膜。
20.根據權利要求18和19中的一項所述的方法，還包括: 由電壓監視器或應變監視器中的至少一個來確定介電彈性體膜的電壓或應變狀況中的至少一個；以及 將電壓或應變測量結果中的至少一個提供給控制器。
【文檔編號】H02N2/18GK103563236SQ201280012300
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年3月9日 優先權日:2011年3月9日
【發明者】R.N.希奇科克, S.J.比格斯, W.延寧格 申請人:拜耳智慧財產權有限責任公司