电活性聚合物能量转换器的制造方法

电活性聚合物能量转换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种被配置成将能量从机械能的源转换成电能的能量转换装置。该能量转换装置包括换能器，其包括介电弹性体模块，所述介电弹性体模块由可拉伸电活性聚合物材料制成。包括至少一个介电弹性体膜层的介电弹性体模块被部署在至少第一和第二电极之间。传输耦合机构被配置成耦合机械能的源，并且操作地附接到换能器以便响应于作用于传输耦合机构上的机械能来周期性地使换能器变形和松弛。调节电路被耦合到至少第一和第二电极，并且被配置成当介电弹性体膜处于变形的状态下时将电荷施加到介电弹性体膜，当介电弹性体膜从变形状态转变成松弛状态时从介电弹性体膜断开，以及当介电弹性体膜达到松弛状态时从介电弹性体膜移除电荷。
【专利说明】电活性聚合物能量转换器
[0001]相关申请的交叉引用
根据35 USC § 119(e)本申请要求下述美国临时专利申请的权益:2011年3月9日提交的申请号为 61/450，756、名称为 “SMPLIFIED EPAM ENERGY HARVESTING CIRCUITWITH OVERVOLTAGE PROTECTION”的美国临时专利申请；2011年3月9日提交的申请号为61/450，758、名称为 “EPAM GENERATOR ARRAYS TO IMPROVE MECHANICAL-TO-ELECTRICALCONVERSION”的美国临时专利申请；2011年3月9日提交的申请号为61/450，762、名称为“HIGH EFFICIENCY ENERGY TRANSFER CIRCUIT FOR EPAM GENERATORS” 的美国临时专利申请；2011年3月9日提交的申请号为61/450，764、名称为“EPAM ENERGYHARVESTING CONTROL UTILIZING MICROCONTROLLER ELECTRONICS” 的美国临时专利申请；2011年5月26日提交的申请号为61/490，418、名称为“DIELECTRIC ELASTOMERGENERATORS”的美国临时专利申请；和2011年10月10日提交的申请号为61/545,295、名称为 “COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED, RIGID, INSULATOR COVEREDWITH THIN, SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS, AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERSINCORPORATING SUCH ELECTRODES”的美国临时专利申请，它们中的每一个的整个公开都通过引用由此被并入。
【技术领域】
[0002]在各种实施例中，本公开一般地涉及能量转换设备。在一个方面，本公开涉及被配置成将机械能转换成电能的设备。特别地，本公开涉及被配置在多相布置中以便以高效方式将机械能转换成电能的电活性聚合物阵列。更特别地，本公开涉及用于被配置成将机械能转换成电能的电活性聚合物阵列的能量转移和能量采集电路和技术。
【背景技术】
[0003]加利福尼亚州的Menl`o Park的SRI International (SRI)已经致力于使用电活性聚合物用于发电达近十年，并且已经在使用电活性聚合物来发电的主题上发表了大量的论文和专利。来自SRI的发电拓扑技术的例子包括单个电活性聚合物薄片、足跟着地(hee 1-strike)发电机、驱动发电机的小水轮、和驱动冲浪板发电机(boogie boardgenerator)的六十英尺波浪水槽的实验室测试。然而，迄今为止，所生成的功率水平一直较小(小于50瓦)并且SRI的大量努力看起来已经指向其足跟着地发电机或者用于从海洋波浪发电以便为导航浮标供电的浮标发电机。
[0004]一般来说，诸如发电机之类的电活性聚合物能量转换设备(例如滚动发电机)需要高水平的无功机械功率来产生电功率。单个电活性聚合物能量生成器元件可以将机械功率的仅15%转换成电功率。有报道称SRI已经开发了将该转换改进成高达近30%的两相系统。然而，这样的系统不能充分地获得高于80%的整体系统效率。
[0005]此外，电活性聚合物通常需要高压电子设备来产生电力。对于一些应用，简单是重要的，但是不能以可靠性为代价。通常需要简单的高压电路来提供功能和保护。基本的电活性聚合物发电机电路包括低压点火电源、连接二极管、电活性聚合物发电机、第二连接二极管和高压集电极电源。然而，这样的电路在捕获与根据本公开的电活性聚合物发电机所需的一样多的每循环的能量方面不是高效的，并且需要相对较高电压的点火电源。
[0006]此外，电活性聚合物能量采集发电机可以具有高电阻。这一般归因于对机械顺从性(mechanical compliance)的附加电极需求。该电极必须在处于循环应变的同时保持其导电性。因此，当设计电极时，必须在导电性和顺从性之间进行电极折衷。高导电电极(例如银)非常硬并且不允许许多的机械移动。较低导电电极(诸如例如预印导电油墨)是顺从的并且允许机械移动，但是是电阻性的并且在试图为电活性聚合物发电机充电或放电时导致电损耗。简化的电活性聚合物发电机电子设备可以被采用，以便通过以低电极电流进行操作来使电极损耗最小化。这样的简化的电活性聚合物电路(尽管被设计用于高电极电阻)不会优化完全的机械到电转换能力，并且导致与优化的转换器电子设备相比更低得多的特定能量密度，一般对于简单的电子设备是0.04至0.06J每克，相比较对于复杂的电子设备是0.4至0.6J每克。
[0007]此外，为了使电活性聚合物类型的发电机中的能量密度最大化，复杂的控制电子设备是必需的。复杂控制可以使电活性聚合物发电机的能量密度改进超过一个数量级。然而，当前不存在针对电活性聚合物发电机的复杂电子设备控制的已发表的例子。
[0008]波浪和风能是每年能够递送数千兆瓦小时电力的可再生资源。即使采集该能量的一个小的百分比就可以提供显著的电力源。诸如例如利用基于电活性聚合物的发电机的新概念可以帮助解决若干这些挑战。
[0009]本公开提供采用电活性聚合物的改进的能量转换器。本公开提供与常规技术相比在目标成本、效率、可靠性和整体性能方面改进的基于电活性聚合物的能量转换器的各种实施例。

【发明内容】

[0010]在一个实施例中，本公开提供一种基于电活性聚合物的能量转换设备。在一个实施例中，能量转换装置被配置成将能量从机械能的源转换成电能。该能量转换装置包括换能器，其包括介电弹性体模块，所述介电弹性体模块由可拉伸电活性聚合物材料制成。介电弹性体模块包括至少一个介电弹性体膜层，其部署在至少第一和第二电极之间。被配置成耦合机械能的源的传输耦合机构操作地附接到换能器以便响应于作用于传输耦合机构上的机械能来周期性地使换能器变形和松弛。调节电路被耦合到至少第一和第二电极，并且被配置成当介电弹性体膜处于变形的状态下时将电荷施加到介电弹性体膜，当介电弹性体膜从变形状态转变成松弛状态时从介电弹性体膜断开，以及当介电弹性体膜达到松弛状态时从介电弹性体膜移除电荷。
【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1是可以被用于从机械能的源采集电力的能量转换设备的框图；
图2图示通过使用包括某种类型的电活性聚合物膜的能量转换设备来转换能量的循
环；
图3A图示根据一个实施例的换能器部分的顶部透视图；图3B图示包括响应于电场的变化的偏斜的换能器部分的顶部透视图；
图4A-4F图示通过使用包括电活性聚合物膜(例如介电弹性体膜)的能量转换设备来转换机械能的电活性聚合物发电机的一个循环；
图5是针对各种硅树脂介电弹性体材料的介电常数的测量结果的图形表示；
图6是介电常数与电场的关系的图形表示。垂直轴对应于介电常数(ε )并且水平轴对应于电场E (V/μ--);
图7是对于大约100个弹性体已经被校准的硅树脂弹性体(SSF4930)拟合的Ogden模型的图形表示；
图8图示简单的发电电路的一个实施例；
图9Α和9Β图示电活性聚合物发电机的定义的坐标系；
图10是能量与电活性聚合物发电机中的恒定电荷循环的拉伸率的关系的图形表示； 图11是纯剪切模式发电机冲程-力关系和曲线拟合的图形表示1100 ；
图12图示用于机械非线性纯剪切电活性聚合物发电机的PSPICE模型；
图13是位移和力的关系的PSSPICE建模结果的图形表示；
图14是耦合到非线性弹簧模型的非线性电容器的耦合PSPICE模型；
图15是能量采集模拟的图形表示；
图16是能量采集循环理想和非理解的关系(泄漏电流)的图形表示；
图17是对于理想和非理想循环的恢复电能的图形表示；
图18是利用微控制器电子设备的电活性聚合物发电机能量采集控制系统的一个实施例的框图；
图19是用于电活性聚合物发电机的高效能量转移电路的一个实施例的框图；
图20和21是六相电活性聚合物发电机的一个实施例的透视图；
图22是图20-21中示出的发电机的侧视图；
图23是在图20-22中示出的使大多数DEG模块移除的六相电活性聚合物发电机的透视图；
图24和25是在图23中示出的六相电活性聚合物发电机的端部视图；
图26是图23中示出的六相电活性聚合物发电机的侧视图；
图27图示在图20-26中示出的DEG模块的一个实施例；
图28图示在图27中示出的DEG模块的堆叠弹性体膜部件部分的一个实施例；
图29是堆叠弹性体膜部件的前视图；
图30是前板被移除的堆叠弹性体膜部件的透视图；
图31是图30中示出的堆叠弹性体膜部件的详细的端部视图；
图32是堆叠弹性体膜部件的局部透视图；
图33是图32中示出的堆叠弹性体膜部件的局部透视图的详细视图；
图34-37图示根据一个实施例在图20-24和26中示出的顶部吊板的详细视图；
图38-40图示与结合图20-26描述的六相电活性聚合物发电机一起使用的轴的一个实施例；
图41-48图示多相介电弹性体发电机中的平衡反作用转矩的原理；
图49图示具有附接到中央凸轮的八个相的径向介电弹性体发电机； 图50是当附接到一点的线性弹簧绕中心轴运转时每个相的近似的图；
图51是使用方程(51)计算的被动式转矩的图形表示，其中r=0.5 ；10=1 ;以及k=l ；
图52是来自六个相中的每个的转矩的图形表示；
图53是来自具有一个(最大)相到六个(最小)相的系统的净被动式转矩的图形表示； 图54是来自六相系统的波动转矩的图形表不；
图55是具有η个相的系统与具有一个相的系统的最大波动转矩的比率的图形表示； 图56是包括多个形成在介电膜上的电极的电活性聚合物膜的图；
图57是包括多个形成在介电膜上的电极的电活性聚合物膜的图；
图58是已经逐渐产生裂缝的电极的图；以及 图59是已经逐渐产生裂缝的电极的图。
【具体实施方式】
[0012]在解释被配置成将机械能转换成电能的基于电活性聚合物的能量转换设备和基于电活性聚合物的阵列的实施例之前，应该注意的是，所公开的实施例在应用或者使用中不限于在附图和说明书中图示的部分的构造和布置的细节。所公开的实施例可以在其它实施例、变化和修改中实施或者并入到其它实施例、变化和修改中，并且可以以各种方式实践或实行。此外，除非以其它方式指示，本文所采用的术语和表述已为了描述实施例的目的、说明性目的以及读者的方便而选择，并且不意图达到将实施例中的任一个限制成所公开的特定实施例的目的。此外，应该理解的是，在没有限制的情况下，所公开的实施例、实施例的表述以及例子中的任何一个或多个可以与其它公开的实施例、实施例的表述以及例子中的任何一个或多个组合。因此，在一个实施例中公开的元件与在另一实施例中公开的元件的组合可以被看作在本公开和所附权利要求的范围内。
[0013]在各种实施例中，本公开提供基于电活性聚合物的能量转换设备，其可以被用来以双向方式在电能和机械能之间进行转换。将领会的是，遍及本公开术语“电活性聚合物”、“介电弹性体(dielectric elastomer)”和 / 或“弹性介电兀件(elastomeric dielectricelement)”可以可交换地使用。在一个实施例中，本公开提供具有一个或多个换能器的发电机，其采用被配置成将机械能转换成电能的电活性聚合物膜。在另一个实施例中，本公开提供采用以多相布置被配置以便以高效方式将机械能转换成电能的电活性聚合物膜的换能器阵列。在还有其它的实施例中，本公开提供能量转移和能量采集电路和技术，用于采用被配置成将机械能转换成电能的电活性聚合物膜阵列的换能器。在下文中图示和描述这些和其它具体实施例。
[0014]本公开提供具有一个或多个采用电活性聚合物膜来将机械能转换成电能的换能器的发电机以及用于更高效地将机械能转换成电能的电路技术的各种实施例。在一个实施例中，发电机模块包括电活性聚合物换能器，所述电活性聚合物换能器包括可从加利福尼亚州的Sunnyvale的Artificial Muscle, Inc.(AMI)获得的集成的介电弹性体元件。这样的发电机在本文中可以被称为电活性聚合物发电机模块。这样的电活性聚合物发电机模块具有适用于实现能量转换技术(包括例如机械到电能转换)的特性。这样的电活性聚合物发电机模块包括具有夹在两个电极层之间的介电弹性体膜的可拉伸弹性材料。施加机械力来使电活性聚合物发电机模块变形(拉伸电活性聚合物发电机模块)会改变各电极之间的介电弹性体膜的电容。施加于变形的膜的种子电荷上升到当电活性聚合物发电机模块松弛时可以采集的较高膜电压。电活性聚合物发电机模块适用于直接驱动应用，是高度可缩放、可靠且高效的。
[0015]除了提供电活性聚合物发电机的各种实施例之外，在各种方面，本公开还提供连同电活性聚合物发电机模块采用以便增加发电机的效率的调节电子设备逻辑和电路以及技术。在下文中将分别描述这些技术中的每个。
[0016]发电机可以包括一个或多个传输机构，其耦合到机械能的源并且转换该机械能的一部分以便驱动发电机的一个或多个换能器部分。换能器连同电耦合到发电机的调节电子设备将机械能转换成电能。除了别的以外，常见的机械能的源包括例如处于静止或运动的水、潮汝、波浪、风、太阳、地热。
[0017]用于通过利用电活性聚合物来从机械功率生成电功率的基本机构是介电弹性体在响应于机械功率而周期性地拉伸和收缩时经受的电容的改变。为了要成为重要的电功率发电机，电活性聚合物发电机应该从松弛的收缩状态到拉伸状态经受至少3倍到4倍的电容改变。对合适的电活性聚合物发电机的性能、效率和可靠性作出贡献的因素包括介电材料、电极、机械配置、电子设备以及能量密度和效率。
[0018]电活性聚合物能暈转换设备。
[0019]图1是可以被用于从机械能的源102采集电力的能量转换设备100 (发电机100)的框图。该机械能的源102可以以某种方式经由一个或多个传输耦合机构104输入到发电机100中。然后，连同调节电子设备108，采用电活性聚合物的一个或多个换能器106将机械能转换成电能。同样，机械能的一部分可以被用来执行附加的机械功。调节电子设备108可以将所采集的电能110转移到电能输出。在一些实施例中，发电机100可以反过来操作以便根据电活性聚合物换能器106上的电功率施加来执行机械功。
[0020]用来生成电力的机械能可以从若干源提供。例如，机械能的源102可以从环境源中采集，除了别的源之外，所述环境源诸如处于静止或运动的水、潮汐、波浪、风、太阳、地热。通过诸如水或空气之类的的工作流体，环境能量的源可以被转移到换能器106以便生成机械功或能量。可以通过使用本公开的一个或多个电活性聚合物换能器106来采集机械能以便转换成电力110。对发电机100的工作流体以及其它部件的选择可以取决于该发电机100的一个或多个操作和设计参数，诸如发电机的操作环境(例如商业、住宅、陆地、海洋、便携式、非便携式等等)、发电机的尺寸、成本需求、耐久性需求、效率需求、功率源的温度和功率输出需求。
[0021]在一个实施例中，驱动发电机100的机械能可以从处于静止或运动的水中导出，如在水力发电厂中接进机械能并且将其转换成电能。这样的机械能的源102的主要部件将包括水坝、蓄水池、水渠、传输耦合机构104、一个或多个电活性聚合物换能器106、调节电子设备108、变压器和管道。水坝是高效地采集水的机械能(势能和动能)的系统，它可以被建造在具有自然海拔的水体(诸如河)上。该机械能也可以从移动的水(诸如被用来碾磨谷物的移动的水)中被导出。
[0022]在另一个实施例中，驱动发电机100的机械能可以从潮汐中被导出。海洋的潮汐产生两个不同类型的能量，包括热能(或者来自太阳的热量)和机械能(通过波浪和潮汐的运动)。从潮汐的移动来开发机械能。潮汐机械能的源102的部件将包括捕获机械能的机构、传输I禹合机构104、一个或多个电活性聚合物换能器106、以及调节电子设备108,以便将机械能转换成电力。这可以通过使用例如浮标、能量拦水坝和水车来完成。
[0023]在另一个实施例中，驱动发电机100的机械能可以从风车和风力涡轮机中导出。风车和风力涡轮机使用可再生的风能来产生机械能。风车以将由其叶片的转动生成的动能转换成转动机械能的原理工作。传输耦合机构104将转动机械能耦合到一个或多个电活性聚合物换能器106和调节电子设备108，以便将机械能转换成电力。风车通常被安装在多山并且沿海的区域，在那里风速的范围是从每小时5英里到每小时15.5英里。根据本公开的发电机100通过使用一个或多个电活性聚合物换能器106和调节电子设备108来利用风的功率来产生电力。存在两种类型的风力涡轮机，包括垂直轴风力涡轮机和水平轴风力涡轮机。
[0024]将领会的是，机械能的源的例子的上述描述不是详尽的，并且诸如热能的源之类的其它的源可以被采用来驱动一个或多个电活性聚合物换能器106和调节电子设备108以便生成电力。可以从各种热量源(诸如太阳能、地热能、内部燃烧、外部燃烧、或废热)中生成热能。热能可以被转换成机械能，使得它可以被用来驱动位于发电机100中的一个或多个换能器106。
[0025]图2图示了用于通过使用包括某种类型的电活性聚合物膜的能量转换设备来转换能量的循环200。垂直轴描绘与E2成比例的电场，而水平轴描绘应变。当能量转换设备被操作为机械到电发电机时，机械能被转换成电力。通常来说，机械能的源被用来以某种方式使电活性聚合物膜偏斜或拉伸。本公开的能量转换设备也可以被用来执行机械功。在这种情况下，电能可以被用来使电活性聚合物膜偏斜。在偏斜过程中由电活性聚合物膜执行的机械功可以被用来施加机械过程。为了在延伸的时间周期内生成电能或者为了执行热功，电活性聚合物膜可以在许多个循环上被拉伸和松弛。
[0026]在图2中，示出了电活性聚合物膜拉伸和松弛以便将机械能转换成电能的一个循环200。该循环仅用于说明目的。本公开的能量转换设备可以采用许多不同类型的循环，并且能量转换设备不限于图2中示出的循环。在202中，用聚合物上的零电场压力来拉伸电活性聚合物膜。该拉伸可以源于施加到该膜的机械力，所述机械力从输入到能量转换设备的外部能量的源中生成。例如，机械过程可以被用来使电活性膜偏斜。在204中，将聚合物膜上的电场压力增加到某一最大值。参考图8、18和19来描述执行该功能必需的调节电子设备。在该例子中，电场压力的最大值仅低于电活性聚合物的电击穿强度。该击穿强度可以以某一速率随着时间改变，该速率取决于但不限于以下各项:1)使用能量转换设备的环境，2)能量转换设备的操作历史和在能量转换设备中使用的聚合物的类型。
[0027]在206中，在电场压力维持接近其最大值时电活性聚合物松弛。松弛过程可以对应于允许电活性膜松弛的电活性聚合物的弹性恢复属性。当电活性聚合物松弛时，电活性聚合物膜上的电荷的电压增加。如由其较高的电压所指示的电活性聚合物膜上的电荷的电能的增加被采集成所生成的电能。在208中，当电场压力被减小到零时电活性聚合物膜完全松弛，并且循环可以重复。例如，当转动机械力和凸轮机构被用来拉伸和松弛电活性聚合物膜时，可以发起循环。
[0028]本公开的设备中的电能和机械能之间的变换基于电活性聚合物(诸如例如电活性聚合物介电弹性体)的一个或多个活性区域的能量转换。当由电能致动时，电活性聚合物偏斜。为了帮助图示在将电能转换成机械能中的电活性聚合物的性能，图3A图示了根据一个实施例的换能器部分300的顶部透视图。该换能器部分300包括用于在电能和机械能之间转换的电活性聚合物302。在一个实施例中，电活性聚合物指的是充当两个电极之间的绝缘电介质并且可以根据两个电极之间电压差的施加来偏斜的聚合物。顶部和底部电极304和306被附接到电活性聚合物302 (分别在其顶部和底部表面上)，以便在聚合物302的一部分的两端上提供电压差。聚合物302随着由顶部和底部电极304和306提供的电场改变而偏斜。响应于由电极304和306提供的电场的改变，换能器部分300的偏斜被称为致动。当聚合物302在尺寸上改变时，该偏斜可以被用来产生机械功。
[0029]图3B图示了包括响应于电场的改变的偏斜的换能器部分300的顶部透视图。一般来说，偏斜指的是聚合物302的一部分的任何位移、膨胀、收缩、扭曲、线性或区域应变、或者任何其它变形。对应于施加到电极304和306或由电极304和306施加的电压差的电场的改变在聚合物302内产生机械压力。在这种情况下，由电极304和306产生的不同电荷彼此吸引，并且提供电极304和306之间的压缩力和聚合物302上沿着平面方向308、310的膨胀力，从而使得聚合物302在电极304、306之间压缩并且在平面方向308、310上拉伸。
[0030]在一些情况下，电极304和306覆盖相对于聚合物的总面积的聚合物302的有限部分。这可以被完成以便防止聚合物302的边缘周围的电击穿，或者实现聚合物的一个或多个部分的定制的偏斜。如术语在本文中使用那样，活性区域被定义为包括聚合物材料302和至少两个电极的换能器的一部分。当活性区域被用来将电能转换成机械能时，该活性区域包括聚合物302的一部分，其具有足够静电力以便实现该部分的偏斜。当活性区域被用来将机械能转换成电能时，该活性区域包括聚合物302的一部分，其具有足够的偏移以便实现静电能的改变。如下面将描述的那样，本发明的聚合物可以具有多个活性区域。在一些情况下，在活性区域之外的聚合物302材料可以充当在偏斜期间该活性区域上的外部弹簧力。更具体地，活性区域之外的聚合物材料可以通过其收缩或膨胀来抵抗活性区域偏斜。电压差和所感应的电荷的移除引起相反的效果。
[0031]电极304和306是顺从的，并且随着聚合物302改变形状。聚合物302和电极304和306的配置提供了随着偏斜的增加的聚合物302响应。更具体地，当换能器部分300偏斜时，聚合物302的压缩使得电极304和306的相反电荷更靠近，并且聚合物302的拉伸将每个电极中类似的电荷分开。在一个实施例中，电极304和306中的一个接地。
[0032]一般来说，换能器部分300继续偏斜，直到机械力与驱动偏斜的静电力平衡为止。机械力包括聚合物302材料的弹性恢复力、电极304和306的顺从性、以及由耦合到换能器部分300的负载和/或设备提供的任何外部阻力。作为所施加的电压的结果的换能器部分300的偏斜也可以取决于若干其它的因素，诸如聚合物302介电常数和聚合物302的尺寸。
[0033]根据本公开的电活性聚合物能够在任何方向上偏斜。在于电极304和306之间施加电压之后，聚合物302在平面方向308和310 二者上膨胀(拉伸)。在一些情况下，聚合物302是不可压缩的，例如在应力下具有基本上恒定的体积。对于不可压缩聚合物302，作为平面方向308和310上的膨胀的结果，聚合物302在厚度上减少。应该注意的是，本发明不限于不可压缩的聚合物，并且聚合物302的偏斜可能不会遵守这样的简单关系。
[0034]图3A中示出的换能器部分300上的电极304和306之间的相对大的电压差的施加将使换能器部分300变成如图3B中示出的较薄、较大面积的形状。也这种方式，换能器部分300将电能转换成机械能。换能器部分300还可以被用来以双向方式将机械能转换成电能。
[0035]图3A和3B可以被用来示出换能器部分300将机械能转换成电能的一种方式。例如，如果换能器部分300被外力机械拉伸成诸如图3B中示出的较薄、较大面积的形状，并且在电极304、306之间施加相对小的电压差(小于将膜致动成图3B中的配置所必需的电压差)，则当外力被移除时，换能器部分300将在电极之间在面积上收缩成诸如图3A中那样的形状。拉伸换能器指的是使换能器300从其原始静止位置偏斜，一般导致电极之间较大的净面积，例如在电极之间由方向308、310定义的平面中。静止位置指的是换能器部分300的不具有外部电或机械输入的位置，并且可以包括聚合物中的任何预应变。一旦换能器部分300被拉伸，就会提供相对小的电压差，以使得最终得到的静电力不足以平衡该拉伸的弹性恢复力。换能器部分300因此收缩，并且它变得更厚，并在由方向308、310定义的平面中具有更小的平面面积(与在方向312上电极之间的厚度正交)。当聚合物302变得更厚时，它使得电极304、306以及其对应的不同电荷分开，因此提高了电荷的电压和电能。此外，当电极304,306收缩成较小的面积时，每个电极内的相同电荷压缩，从而也提高了电荷的电压和电能。因此，用电极304、306上的不同电荷，从诸如图3B中示出的形状那样的形状到诸如图3A中示出的形状那样的形状的收缩提高了电荷的电能。也就是说，机械偏斜被变成机械能并，且换能器部分300充当发电机。
[0036]在一些情况下，从电学方面来说换能器部分300可以被描述成可变电容器。对于从图3B中示出的形状到图3A中示出的形状的形状改变，电容会减小。一般，电极304、306之间的电压差将通过收缩而提高。例如如果在收缩过程期间附加的电荷没有被添加到电极304、306或者没有从电极304、306减去附加的电荷，则这是通常的情况。可以通过方程U=0.5Q2/C来说明电能U的增加，其中Q是正电极上的正电荷的量，并且C是涉及聚合物302的固有介电属性以及其几何形状的可变电容。如果Q被固定且C减小，则电能U增加。在与电极304、306的电通信的合适的设备或电子电路中，电能和电压的增加可以被恢复或使用。另外，换能器部分300可以机械耦合到使聚合物偏斜并且提供机械能的机械输入。
[0037]当换能器部分300收缩时，其将把机械能转换成电能。当换能器部分300在由方向308、310限定的平面中完全收缩时，可以移除电荷和能量的中一些或全部。可替换地，可以在收缩期间移除电荷和能量中的一些或全部。如果在收缩期间聚合物302中的电场压力增加并且达到与机械弹性恢复力和外部负载平衡，则该收缩将在完全收缩之前停止，并且将不会使另外的弹性机械能转换成电能。移除一些电荷和所存储的电能会减小电场压力，因此允许收缩继续。因此，移除一些电荷可能进一步将机械能转换成电能。当换能器部分300操作为发电机时其的确切电行为取决于任何电和机械加载以及聚合物302和电极304、306的固有属性。
[0038]在一个实施例中，电活性聚合物302可以被预应变。聚合物的预应变在一个或多个方向上可以被描述为在预应变之后沿某方向上的维度相对于在预应变之前沿该方向上的维度的改变。预应变可以包括聚合物302的弹性变形，并且例如通过以张力拉伸聚合物且在拉伸的同时固定边缘中的一个或多个来形成。对于许多聚合物，预应变改进电能和机械能之间的转换。改进的机械响应能够实现对于电活性聚合物的更大的机械功，例如更大偏斜和致动压力。在一个实施例中，预应变改进聚合物302的介电强度。在另一个实施例中，预应变是弹性的。在致动之后，弹性预应变的聚合物理论上将是不固定的并且返回到其原始状态。可以通过使用刚性构架来在边界处强加预应变，或者也可以针对聚合物的一部分局部地实现该预应变。
[0039]在一个实施例中，将预应变均匀地施加在聚合物302的一部分上，以产生各项同性的预应变聚合物。举例来说，可以在两个平面方向上将丙烯酸弹性体聚合物拉伸百分之200到400。在另一个实施例中，可以在不同的方向上对聚合物302的一部分不均等地施加预应变，以产生各向异性预应变聚合物。例如，硅树脂膜可以在一个平面方向上被拉伸O到10%，而在另一个平面方向上被拉伸10%到100%。在这种情况下，当被致动时，聚合物302可以在一个方向上比在另一个方向上偏斜更大。尽管不希望通过理论来束缚，但是本发明人推测，在一个方向上使聚合物预应变可以增加该聚合物在预应变方向上的硬度。因此，聚合物在高预应变方向上相对较硬，而在低预应变方向上更顺从，并且在致动时更多偏斜发生在低应变方向上。在一个实施例中，换能器部分300在方向308上的偏斜可以通过在垂直方向310上运用大的预应变来增强。例如，被用作换能器部分300的丙烯酸弹性体聚合物可以在方向308上被拉伸百分之300，并且在垂直方向310上被拉伸百分之500。针对聚合物的预应变的量可以基于聚合物材料和应用中该聚合物的期望性能。
[0040]各向异性预应变还可以改进换能器300在发电机模式中将机械能转换成电能的性能。除了增加聚合物的介电击穿强度并且允许更多电荷被放置在聚合物上之外，高预应变可以改进在低预应变方向上机械到电的耦合。也就是说，进入低预应变方向的更多机械输入可以被转换成电输出，因此提高了发电机的效率。
[0041]图4A-4F图示用于通过使用包括电活性聚合物膜402 (例如介电弹性体膜)的能量转换设备来转换机械能的电活性聚合物发电机400的一个循环。图形表示伴随说明性循环，其中垂直轴对应于电场(电压)，而水平轴对应于应变率(λ )以便图示机械到电功率转换循环。可拉伸电极404、406被形成在电活性聚合物膜402上。当介电弹性体膜402松弛时，由电活性聚合物膜402存储的电荷408处于第一电平。然后通过任何合适的机械功在方向410上拉伸电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406。电荷408保持在第一电平。如图4Β中所示，电活性聚合物发电机400处于拉伸状态下。当被拉伸时，电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406改变电容。在一个方面，处于拉伸状态下，可拉伸电极404、406更靠近在一起并且提高电容。当电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406处于拉伸状态时(如图4C中所示)，电极404、406耦合到能量源412 (例如直流(DC)电池)，并且将偏置电压施加到电活性聚合物膜402以便将电荷408提高到更高电压。如图4D中所示，能量源被移除，并且电活性聚合物膜402保持以较高的电压被充电。如图4Ε中所示，当电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406在方向414上松弛时，电活性聚合物膜402和可拉伸电极404,406缩小并分开。因此，电活性聚合物膜402的电容被降低，并且电压被提高到更高的电平。如图4F中所示，当电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406回到松弛状态下时，电极404、406被耦合到负载416并且所存储的电压(或电荷)被递送到负载416，因此对电活性聚合物膜402进行放电。根据施加到电活性聚合物发电机400的输入处的机械功，循环重复。
[0042]现在参考图4A-4F，不管电活性聚合物膜402被用作致动器还是电活性聚合物发电机400，该电活性聚合物膜402的基本结构是在每个侧上图案化有可拉伸电极404、406的高介电弹性体膜。在致动器模式下，当电压被施加到电活性聚合物402时，通过来自两个电极404、406上的不同电荷的静电力的影响，该聚合物在厚度上压缩并且在面积上膨胀。发电机模式基本上与致动器模式相反。将机械能410施加到电活性聚合物膜402以将其拉伸引起厚度的压缩以及表面积的膨胀。在这点上，电压412被施加到电活性聚合物膜402。所施加的电能412被存储在聚合物402上作为电荷408。当机械能减小414时，电活性聚合物膜402的弹性恢复力用来恢复原始厚度并且减小面积。该机械改变增加两个电极404、406层之间的电压势，从而导致静电能的增加。
[0043]下面描述分析等式，该分析等式描述电活性聚合物发电机400模式。可以通过注意基于电活性聚合物膜402的发电机400 (例如电活性聚合物人工肌肉(EPAM?)发电机)基本上是其电容随着电活性聚合物膜402拉伸和收缩而变化的电容器来理解这些等式。电活性聚合物膜402的电容是:
【权利要求】
1.一种被配置成将能量从机械能的源转换成电能的能量转换装置，该能量转换装置包括: 换能器，其包括介电弹性体模块，所述介电弹性体模块包括可拉伸电活性聚合物材料，所述介电弹性体模块包括至少一个介电弹性体膜层，所述至少一个介电弹性体膜层具有至少一部分部署在至少第一和第二电极之间； 传输耦合机构，其被配置成耦合机械能的源并且操作地附接到换能器以便响应于作用于传输耦合机构上的机械能来周期性地使换能器变形和松弛；以及 调节电路，其被耦合到至少第一和第二电极，并且被配置成当介电弹性体膜处于变形的状态下时将电荷施加到介电弹性体膜，当介电弹性体膜从变形状态转变成松弛状态时从介电弹性体膜断开，以及当介电弹性体膜达到松弛状态时从介电弹性体膜移除电荷。
2.根据权利要求1所述的能量转换装置，其中， 介电弹性体模块包括多个介电弹性体膜元件层，其分层放置在多个框架元件和形成在每个层上的多个电极之间。
3.根据权利要求2所述的能量转换装置，还包括位于框架元件中的至少一个上的汇流电极，以便将调节电路耦合到多个电极。
4.根据权利要求3所述的能量转换装置，还包括电连接在汇流电极和至少一个电极之间的聚合物保险丝。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量转换装置，其中， 介电弹性体膜具有小于约IOOMPa的模量和大于约2的介电常数，并且包括从包括以下各项的组中选择的一个或多个材料:丙烯酸脂、硅树脂、氨基甲酸乙酯、烃橡胶、含氟弹性体、苯乙烯共聚物和其组合。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的能量转换装置，其中， 第一和第二电极中的至少一个包括从包括以下各项的组中选择的至少一个:圆齿状加固珠、蜿蜒状加固珠、压延复合材料和织物。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的能量转换装置，其中， 传输耦合机构包括第一轴，其具有被配置成耦合到机械能的源的第一部分和包括操作地耦合到换能器的第一凸轮的第二部分。
8.根据权利要求7所述的能量转换装置，其中， 第一轴包括第二凸轮，其围绕轴以相对于第一轴上的第一凸轮180°的角度部署。
9.根据权利要求8所述的能量转换装置，其中， 传输耦合机构包括第二轴，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机械能的源，所述第二部分包括操作地耦合到换能器并且围绕轴以相对于第二轴上的第一凸轮180°的角度部署的第二凸轮。
10.根据权利要求9所述的能量转换装置，其中， 当机械能的源被耦合到第一和第二轴的第一部分时，第一轴被配置成以顺时针方向转动并且第二轴被配置成以逆时针方向转动，并且其中第一和第二轴上的第一和第二凸轮形成一对相对反向转动的弹性元件。
11.根据权利要求10所述的能量转换装置，还包括: 限定孔径以便将第一轴的第一凸轮容纳在其中的第一吊板，所述第一吊板具有操作地耦合到第一轴的第一凸轮的第一端和连接到换能器的第一端的第二端；以及 限定孔径以便将第二轴的第一凸轮容纳在其中的第二吊板，所述第二吊板具有操作地耦合到第二轴的第一凸轮的第一端和连接到换能器的第二端的第二端； 其中耦合到换能器并且操作耦合到位于各自的第一和第二轴上的第一凸轮的第一和第二吊板限定第一发电机元件。
12.根据权利要求11所述的能量转换装置，还包括: 限定孔径以便将第一轴的第二凸轮容纳在其中的第三吊板，所述第三吊板具有操作地耦合到第一轴的第二凸轮的第一端和连接到第二换能器的第一端的第二端；以及 限定孔径以便将第二轴的第二凸轮容纳在其中的第四吊板，所述第四吊板具有操作地耦合到第二轴的第二凸轮的第一端和连接到第二换能器的第二端的第二端； 其中耦合到第二换能器并且操作地耦合到位于各自的第一和第二轴上的第二凸轮的第三和第四吊板限定第二发电机元件；并且 其中第一和第二发电机元件限定第一对平衡反向转动弹性元件。
13.根据权利要求12所述的能量转换装置，还包括至少第三和第四发电机元件，其中至少第三和第四发电机元件至少限定第二对平衡反向转动弹性元件。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的能量转换装置，其中， 调节电路包括: 控制器； 充电控制器； 能量存储兀件；并且 其中当所述机械循环已达到循环的最大应变时，充电控制器从能量存储元件移除电能并且将其转移到介电弹性体膜。
15.根据权利要求14所述的能量转换装置，其中， 调节电路还包括: 放电控制器； 其中当机械循环已达到循环的最小应变时，放电控制器从介电弹性体膜移除电能。
16.根据权利要求14和15所述的能量转换装置，还包括电压监视器或应变监视器中的至少一个，以便确定介电弹性体膜上的电压或应变状况中的至少一个，并且将电压或应变测量结果中的至少一个提供给控制器。
17.一种电活性聚合物能量转换设备，至少包括: 第一对相对反向转动发电机兀件； 第二对相对反向转动发电机元件；以及 第三对相对反向转动发电机元件； 其中至少三对相对反向转动发电机元件限定平衡反向转动电活性聚合物能量转换设备。
18.—种从机械能的源生成电能的方法，该方法包括: 通过使用机械能的源来使介电弹性体膜变形到循环的预定最大应变； 通过应变控制器来监视介电弹性体膜何时达到循环的预定最大应变； 当机械循环已达到循环的最大应变时通过充电控制器来将电荷转移到介电弹性体膜； 使介电弹性体膜松弛到循环的预定最小应变；以及 当机械循环达到循环的最小应变时通过放电控制器来移除介电弹性体上的电荷。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括: 通过充电控制器来从能量存储元件移除电荷；以及 当机械循环已达到循环的最大应变时将从能量存储元件移除的电荷转移到介电弹性体膜。
20.根据权利要求18和19中的一项所述的方法，还包括: 由电压监视器或应变监视器中的至少一个来确定介电弹性体膜的电压或应变状况中的至少一个；以及 将电压或应变测量结果中的至少一个提供给控制器。
【文档编号】H02N2/18GK103563236SQ201280012300
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年3月9日 优先权日:2011年3月9日
【发明者】R.N.希奇科克, S.J.比格斯, W.延宁格 申请人:拜耳知识产权有限责任公司