磁力式多稳态介电弹性体换能器的制作方法

本发明涉及的是一种换能器领域的技术，具体是一种磁力式多稳态介电弹性体换能器。

背景技术：

随着传统能源的不断消耗，低能耗和高能量密度的新型换能技术受到越来越多的关注。压电陶瓷材料在高频、小应变信号下电能转换效率较高，但是对潮流运动等低频、较大变形能量源形式，耦合效率及发电能力较低，而且材料本身脆性影响了工作寿命。

技术实现要素：

本发明针对现有技术主要是通过屈曲梁本身双稳态结构再结合介电弹性体固有特性实现的，只能实现两个稳态且只能完成电能到机械能的转变的缺陷，提出一种磁力式多稳态介电弹性体换能器，能够实现多个稳态，而且通过增减磁铁阵列数量可以改变稳态的数量以满足不同使用情况。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：上介电弹性体膜、下介电弹性体膜、移动杆和移动磁铁，其中：上介电弹性体膜两端分别与上底膜夹板和上顶膜夹板相连，下介电弹性体膜的两端分别与下底膜夹板和下顶膜夹板相连，上顶膜夹板和下顶膜夹板通过移动磁铁相连，上底膜夹板和下底膜夹板之间设有环形磁铁阵列；移动杆中部固定于移动磁铁中心处且同时位于环形磁铁阵列的内环中心，其上端穿过上顶膜夹板、上介电弹性体膜和上底膜夹板，其下端穿过下顶膜夹板、下介电弹性体膜和下底膜夹板。

所述的上介电弹性体膜和下介电弹性体膜都为圆锥形。

所述的上介电弹性体膜和下介电弹性体膜的介电常数为5。

所述的环形磁铁阵列包括四块均匀环布的圆形固定磁铁，固定磁铁轴向两面由磁铁夹板固定，其径向由磁铁安装板固定。

所述的上底膜夹板和下底膜夹板之间设有一组环形磁铁阵列，环形磁铁阵列与上底膜夹板和下底膜夹板之间分别通过上驱动支架和下驱动支架相连。

所述的上底膜夹板和下底膜夹板之间设有上环形磁铁阵列和下环形磁铁阵列，两组环形磁铁阵列之间通过连接支架相连，上底膜夹板与上环形磁铁阵列之间通过上驱动支架相连，下底膜夹板与下环形磁铁阵列通过下驱动支架相连。

技术效果

与现有技术相比，本发明利用磁铁的斥力和介电弹性体膜的拉力平衡保持稳态而无能耗，在外界电场激励下，完成稳态间的过度，同时实现电能到机械能的转变，在外界机械振动的激励下，可以实现机械能到电能的转换，利用本身不具有双稳态的磁铁斥力，结合介电弹性体固有特性，可以实现多个稳态，而且通过增减磁铁阵列数量可以改变稳态的数量以满足不同使用情况。

附图说明

图1为双稳态换能器立体示意图；

图2为双稳态换能器处于稳态一剖面图；

图3为双稳态换能器处于稳态二剖面图；

图4为环形磁铁阵列俯视图；

图5为三稳态换能器立体示意图；

图6为三稳态换能器处于稳态一剖面图；

图7为三稳态换能器处于稳态二剖面图；

图8为三稳态换能器处于稳态三剖面图；

图中：1 上底膜夹板、2 下底膜夹板、3 上介电弹性体膜、4 下介电弹性体膜、5 上顶膜夹板、6 下顶膜夹板、7 移动磁铁、8 移动杆、9 上驱动支架、10 下驱动支架、11 连接支架、12 环形磁铁阵列、13 固定磁铁、14 磁铁夹板、15 磁铁安装板。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：上介电弹性体膜3、下介电弹性体膜4、移动杆8和移动磁铁7，其中：上介电弹性体膜3两端分别与上底膜夹板1和上顶膜夹板5相连，下介电弹性体膜4的两端分别与下底膜夹板2和下顶膜夹板6相连，上顶膜夹板5和下顶膜夹板6通过移动磁铁7相连，上底膜夹板1和下底膜夹板2之间设有环形磁铁阵列12。移动杆8中部固定于移动磁铁7中心处且同时位于环形磁铁阵列12的内环中心，其上端穿过上顶膜夹板5、上介电弹性体膜3和上底膜夹板1，其下端穿过下顶膜夹板6、下介电弹性体膜4和下底膜夹板2。

如图2～4所示，所述的上介电弹性体膜3和下介电弹性体膜4都为锥形，上介电弹性体膜3的底部固定于上底膜夹板1。上底膜夹板1固定于上驱动支架9的上部。上介电弹性体膜3的尖部固定有圆形的上顶膜夹板5。下介电弹性体膜4的底部固定于下底膜夹板2。下底膜夹板2固定于下驱动支架10的下部。下介电弹性体膜4的尖部固定有圆形的下顶膜夹板6。上顶膜夹板5和下顶膜夹板6之间连有圆形的移动磁铁7。所述的上介电弹性体膜和下介电弹性体膜的介电常数为5。

所述的上驱动支架9和下驱动支架10之间设有一组环形磁铁阵列12，形成双稳态换能器，即有两个稳态。环形磁铁阵列12包括四个圆形的固定磁铁13，四个固定磁铁13围绕移动磁铁7的中轴均匀环布。四个固定磁铁13的轴向通过磁铁夹板14固定，径向固定于磁铁安装板15中。

所述的移动杆8固定于整个装置的中心处，移动杆8中部与移动磁铁7固定相连。移动磁铁7带动移动杆8上下滑动。

实现电能到机械能的转换过程为：双稳态换能器初始时处于如图2所示的状态为稳态一，此时上介电弹性体膜3和下介电弹性体膜4均没有收到外界电压，上介电弹性体膜3和下介电弹性体膜4对移动磁铁7的拉力和固定磁铁13对移动磁铁7的斥力相平衡。对上介电弹性体膜3施加7000V电压，上介电弹性体膜3产生本征应变，导致上介电弹性体膜3上的拉力迅速减小，而下介电弹性体膜4没有受到外界刺激仍处于预紧状态，则下介电弹性体膜4将移动磁铁7迅速下拉，并停留在如图3所示的状态及稳态二。由于移动杆8和移动磁铁7固定连接，移动磁铁7带动移动杆8同步移动。撤去上介电弹性体膜3上的电压后，换能器将维持在稳态二的状态。在下介电弹性体膜4上施加电压，移动磁铁7向上移动恢复到稳态一的状态。

实现机械能向电能转换的过程为：初始状态即稳态一下，上介电弹性体膜3没有受到外界电压，下介电弹性体膜4和低压电源相连，使其表面分布一定量的电荷。而后，下介电弹性体膜4和低压电源断开，外界力推动移动杆8向下运动，使得下介电弹性体膜4弹性的弹性恢复，异性电荷分离，同性电荷靠近，麦克斯韦静电力做负功，电压增加，使得机械能转化为电能，下介电弹性体膜4上的高压电能通过电路导出储存或使用。当恢复到稳态一时，上介电弹性体膜3将机械能转化为电能。整个装置可以作为阀门或直线驱动器。

与现有技术相比，本装置利用本身不具有双稳态的磁铁斥力，结合介电弹性体固有特性，可以实现两个稳态，稳态保持是利用磁铁的斥力和介电弹性体膜的拉力平衡保持稳态而无能耗，在外界电场激励下，完成稳态间的过度，同时实现电能到机械能的转变，在外界机械振动的激励下，可以实现机械能到电能的转换。

实施例2

如图5所示，本实施例包括：上介电弹性体膜3、下介电弹性体膜4、移动杆8和移动磁铁7，其中：上介电弹性体膜3两端分别与上底膜夹板1和上顶膜夹板5相连，下介电弹性体膜4的两端分别与下底膜夹板2和下顶膜夹板6相连，上顶膜夹板5和下顶膜夹板6通过移动磁铁7相连，上底膜夹板1和下底膜夹板2之间设有两个环形磁铁阵列12，即下环形磁铁阵列12和上环形磁铁阵列12。移动杆8中部固定于移动磁铁7中心处且同时位于环形磁铁阵列12的内环中心，其上端穿过上顶膜夹板5、上介电弹性体膜3和上底膜夹板1，其下端穿过下顶膜夹板6、下介电弹性体膜4和下底膜夹板2。

本实施例与实施例1相比的不同之处在于：

如图6～8所示，所述的两组环形磁铁阵列12之间通过连接支架11相连，上部的环形磁铁阵列12上部与上驱动支架9相连，下部的环形磁铁阵列12下部与下驱动支架10相连，实现三稳态换能器，形成三个稳态即稳态一、稳态二和稳态三。

如图6所示，此时的换能器处于稳态一，上介电弹性体膜3和下介电弹性体膜4均没有受到外界的电压，移动磁铁7处于平衡状态。对上介电弹性体膜3施加一500V电压时，上介电弹性体膜3产生应变，移动磁铁7向下移动到如图7所示的稳态二状态。当加大电压到7000V时，移动磁铁7继续向下运动，使得整个换能器达到图8中的稳态三的状态。同样的，在下介电弹性体膜4上施加两个不同的电压可以使得换能器恢复到稳态二或稳态一。本实施例中的装置可以作为潮流能量采集器。

与实施例1相比，本实施例进一步的技术效果在于：有三个稳态位置，俘能带宽相对双稳态更大，俘能效率更高。