一种伸缩式介电弹性体能量采集装置及其应用的制作方法

本申请涉及发电机技术领域，尤其涉及一种伸缩式介电弹性体能量采集装置及其应用。

背景技术：

近年来，能源已经成为现代社会可持续发展的关键因素；同时随着环保意识的进步，各种清洁能源的有效利用受到社会的广泛关注。其中，介电弹性体(dielectricelastomer)是一种新型功能材料，具有能量密度高、变形范围大、价格低及机电转换效率高等优点；在输入电压条件下，外部激励引起薄膜的形变并导致电容变化，从而进一步将机械能转化为电能。然而，现有基于电弹性体能量采集装置普遍存在电能输出效率低、能量输出密度低和输出性能不稳定的特点。

技术实现要素：

为解决上述问题，本申请提供了一种伸缩式介电弹性体能量采集装置及其应用。该伸缩式介电弹性体能量采集装置在外加电场的条件下，能够高效将任何形式的位移激励转换成电能，且电能输出效率高。

具体地，第一方面，本申请提供了一种伸缩式介电弹性体能量采集装置，包括框体，伸缩柱，弹性支撑件和至少两个可变电容，所述框体内设有含有开口的空腔，所述开口用于通过所述伸缩柱，所述伸缩柱的一端位于所述所述空腔内，所述弹性支撑件的一端固定在所述伸缩柱的所述一端，所述弹性支撑件的另一端固定在所述空腔底部，所述至少两个可变电容沿空腔的轴向间隔固定在所述空腔侧壁上，每个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，所述至少两个可变电容的所述介电弹性体层均与所述伸缩柱固定连接，所述伸缩柱沿所述空腔的轴向往复运动至任意位置时，至少一个所述可变电容的所述介电弹性体层处于形变状态。

可选地，所述介电弹性体层两侧设有导电涂层。所述导电涂层可以使所述介电弹性体层分别与所述第一电极和所述第二电极电连接。所述导电涂层包括石墨烯涂层。

可选地，所述至少两个可变电容的介电弹性体层不同位置间隔距离不同。以有利于所述伸缩柱沿所述空腔的轴向往复运动至任意位置时，至少一个所述可变电容的所述介电弹性体层处于形变状态。这里的空腔的轴向是指开口至空腔底部的方向或垂直于空腔底部表面的方向。

可选地，所述至少两个可变电容与所述空腔底部表面平行设置，所述介电弹性体层设有一固定孔，所述固定孔套设于所述伸缩柱上，所述伸缩柱带动所述介电弹性体层朝远离所述空腔底部方向或靠近所述空腔底部方向移动。

可选地，，所述至少两个可变电容与所述空腔底部表面平行设置，所述介电弹性体层设有一固定孔，所述固定孔套设于所述伸缩柱上，所述伸缩柱带动所述介电弹性体层朝远离所述空腔底部方向或靠近所述空腔底部方向移动。

可选地，所述凸起部表面设有外螺纹，所述凹槽部的内壁设于与所述外螺纹相匹配的内螺纹，相邻两个所述分段部相互旋合。

可选地，所述弹性支撑件包括支撑板和弹性件，所述支撑板连接有多个贯穿所述空腔底部的高度调节螺栓，所述高度调节螺栓用于调节所述支撑板与所述空腔底部表面之间的距离，所述弹性件的一端固定在所述支撑板上，所述弹性件的另一端固定在所述伸缩柱上。

可选地，所述弹性支撑件包括弹簧或弹片。

可选地，所述框体由多个框体分部组装形成，所述多个框体分部包括一个框体上分部、至少一个框体中分部和一个框体下分部，相邻两个所述框体分部之间固定有一个所述可变电容。

可选地，所述多个框体分部和所述可变电容均对应设有多个螺栓通孔，所述框体与所述可变电容通过多个固定螺栓固定。

可选地，所述伸缩式介电弹性体能量采集装置还包括负载组件，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。

本申请第一方面所述伸缩式介电弹性体能量采集装置，在外接电压条件下，该装置能采集任何形式的能引起所述伸缩柱进行往复伸缩运动的位移激励，伸缩柱带动可变电容的介电弹性体层发生形变，导致表面积增大、厚度减小及电容增大；当可变电容的介电弹性体层未形变，电容恢复初始值时，可以产生输出电能，实现能量采集；同时，该装置内设有至少两个可变电容，可以实现至少两个可变电容轮流输出电能，大大提高电能的输出效率。本申请所述伸缩式介电弹性体能量采集装置精简，成本低，可适用于大规模生产。

第二方面，本申请还提供了如本申请第一方面所述的伸缩式介电弹性体能量采集装置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。所述伸缩式介电弹性体能量采集装置在外接电压下，可以实现采集任何形式的产生位移激励的能量，并转化为电能输出；所述伸缩式介电弹性体能量采集装置的电能输出效率高，且实现高密度的能量输出密度高，输出性能稳定。

本申请所述伸缩式介电弹性体能量采集装置采集的位移激励能量，相对于风能、振动能量等具有更高的稳定性，从而提高了输出电能的稳定性。例如，所述伸缩式介电弹性体能量采集装置可广泛运用道路、人体运动装置组件和车辆减震器等领域的能量采集。本申请所述伸缩式介电弹性体能量采集装置在相关发电领域也具有广阔的应用前景。

本申请的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本申请实施例的实施而获知。

附图说明

为更清楚地阐述本申请的内容，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

图1为本申请一实施方式提供的伸缩式介电弹性体能量采集装置100的截面结构示意图；

图2为本申请另一实施方式提供的伸缩式介电弹性体能量采集装置100的截面结构示意图；

图3为本申请一实施方式提供的可变电容的结构示意图；

图4为本申请另一实施方式提供的伸缩式介电弹性体能量采集装置200的截面结构示意图；

图5为本申请另一实施方式提供的伸缩式介电弹性体能量采集装置200的结构示意图；

图6为本申请一实施方式提供的伸缩式介电弹性体能量采集装置的伸缩柱的结构示意图；

图7为本申请另一实施方式提供的伸缩式介电弹性体能量采集装置300的截面结构示意图。

具体实施方式

以下所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

请一并参照图1-图3，本申请一实施方式提供的伸缩式介电弹性体能量采集装置100，包括框体10，伸缩柱20，弹性支撑件30和两个可变电容40，所述两个可变电容40分别为第一可变电容41和第二可变电容42；所述框体10内设有含有开口11的空腔12，所述伸缩柱20的一端穿过所述开口11进入所述空腔12内，所述弹性支撑件30的一端固定在所述伸缩柱20的所述一端，所述弹性支撑件30的另一端固定在所述空腔12底部13，用于使所述伸缩柱20沿空腔12的轴向往复伸缩，所述至少两个可变电容40沿空腔12的轴向间隔固定在所述空腔12侧壁上，第一可变电容41和第二可变电容42均包括依次层叠设置的第一电极401、介电弹性体层402和第二电极403，全部可变电容40的介电弹性体层402均与所述伸缩柱20固定连接，所述伸缩柱20沿所述空腔12的轴向往复运动至任意位置时，至少一个所述可变电容40的所述介电弹性体层402处于形变状态。

一实施方式中，当所述伸缩柱20从远离所述空腔12底部13位置运动至靠近所述空腔12底部13位置时，第一可变电容41的所述介电弹性体层由非形变状态转变为形变状态，第二可变电容42的介电弹性体层由形变状态转变为非形变状态。

其中，图1为所述伸缩柱20处于远离所述空腔12底部13的位置，此时，所述第一可变电容41的介电弹性体层为形变状态；所述第二可变电容42的介电弹性体层处于初始状态，未发生形变。图2为所述伸缩柱20处于靠近所述空腔12底部13的位置，此时，所述第一可变电容41的介电弹性体层恢复至初始状态，未发生形变；而所述第二可变电容42的介电弹性体层为形变状态。

本申请实施方式中，所述伸缩式介电弹性体能量采集装置，在外接电压条件下，该装置能采集任何形式的能引起所述伸缩柱进行往复伸缩运动的位移激励，伸缩柱带动可变电容的介电弹性体层发生形变，导致表面积增大、厚度减小及电容增大；当可变电容的介电弹性体层未形变，电容恢复初始值时，可以产生输出电能，实现能量采集；同时，该装置内设有至少两个可变电容，可以实现至少两个可变电容轮流输出电能，大大提高电能的输出效率。

本申请实施方式中，第一可变电容41和第二可变电容42平行设置，且与所述空腔12底部13表面平行设置。参见图3，所述第一电极401和所述第二电极403表面中央均设有用于所述伸缩柱20自由穿过的通孔404，所述介电弹性体层402设有一固定孔405，所述固定孔50用于套设在所述伸缩柱20上，所述伸缩柱20带动所述介电弹性体层402朝远离所述空腔12底部13方向或靠近空腔12底部13方向移用于实现电连接的连接端口406。一实施方式中，设置外接电源与所述第一可变电容或第二可变电容，用于给初始状态下的第一可变电容或第二可变电容通电。

可选地，所述空腔沿平行于空腔底部表面的方向上的截面形状可以但不限于为圆形、矩形、三角形或多边形。这里所述的多边形可以为边数在5-15范围内的多边形。可选地，所述可变电容40的截面形状与所述空腔沿平行于空腔底部表面的方向上的截面形状相对应。本申请实施方式中，所述可变电容在所述空腔底部表面的正投影可以覆盖整个空腔底部表面，其介电弹性体层也对应呈现圆盘形，该结构可以提高介电弹性体在同等形变下电容的相对变化，从而提高介电弹性体的能量输出密度；另一方面，该结构有利于可变电容更加牢固地固定在空腔侧壁上。

本申请实施方式中，所述两个可变电容40可以但不限于通过粘结或螺栓固定方式固定在所述空腔12的侧壁表面上，或通过嵌入方式固定在所述空腔侧壁上，或夹设在空腔侧壁之间。一实施方式中，所述可变电容与所述空腔底部表面平行，所述可变电容40的外周侧壁与所述空腔侧壁之间设置有粘结层，通过所述粘结层，将所述可变电容粘结在所述空腔内侧壁上。另一实施方式中，所述空腔侧壁设有至少两圈平行于底部表面的凹槽，每个所述可变电容对应一圈凹槽，所述可变电容的外周边缘的厚度与所述凹槽的宽度相匹配，所述可变电容的外周边缘嵌入所述凹槽内，以固定所述可变电容。第三实施方式中，所述可变电容上设有多个固定连接部，所述固定连接部含有多个螺栓通孔，所述可变电容通过固定螺栓的方式固定在所述空腔侧壁上。

可选地，所述框体由多个框体分部组装形成，所述多个框体分部包括一个框体上分部、至少一个框体中分部和一个框体下分部，相邻两个所述框体分部之间固定有一个所述可变电容。一并参见图3、图4和图5，本申请一实施方式提供的伸缩式介电弹性体能量采集装置200，相比于伸缩式介电弹性体能量采集装置100，其区别在于，所述框体10由3个框体分部组装形成，分别为框体上分部101、框体中分部102和框体下分部103，其中，框体上分部101和框体中分部102之间固定第一可变电容41；框体中分部102和框体下分部103之间固定有第二可变电容42。所述框体上分部101、框体中分部102和框体下分部103均对应设有多个螺栓通孔105，所述可变电容40也对应设有多个螺栓通孔407。所述框体上分部101、框体中分部102和框体下分部103和所述可变电容40之间通过多个固定螺栓固定。

本申请实施方式中，所述伸缩柱包括至少三个依次连接的分段部，任意相邻两个所述分段部相接触的端面分别设有相互配合的凸起部和凹槽部，所述介电弹性体层通过所述固定孔套设在所述凸起部上，相邻两个所述分段部通过所述凸起部和凹槽部卡合连接，以使所述介电弹性体层夹设于相邻两个所述分段部之间。参见图6，所述伸缩柱20包括依次连接的第一分段部21，第二分段部22和第三分段部23，其中，第一分段部21靠近第二分段部22的一侧端面设有一凹槽部211，第二分段部22的靠近所述第一分段部22的一侧端面设有凸起部221，所述凸起部221和所述凹槽部211相匹配，所述介电弹性体层的固定孔套设在所述凸起部221上；第一分段部21和第二分段部22可以通过上述方式夹持单个可变电容的介电弹性体层。可选地，所述凸起部221表面设有外螺纹，所述凹槽部211的内壁设于与凸起部221表面外螺纹相匹配的内螺纹，第一分段部21和第二分段部22可以相互旋合。相应地，所述第二分段部22和第三分段部23之间也可以按照上述方式实现连接，并固定单个可变电容的介电弹性体层。

本申请实施方式中，所述弹性支撑件可以但不限于包括弹簧或弹片；所述弹性支撑件还可以包括支撑板和弹性件。参见图7，本申请一实施方式提供的伸缩式介电弹性体能量采集装置300，相比于伸缩式介电弹性体能量采集装置200，所述介电弹性体能量采集装置300的区别在于，所述弹性支撑件30包括支撑板301和弹性件302，所述支撑板301连接有多个贯穿所述空腔底部的高度调节螺栓303，所述高度调节螺栓303用于调节所述支撑板301与所述空腔12底部13表面之间的距离，所述弹性件302的一端固定在所述支撑板301上，所述弹性件302的另一端固定在所述伸缩柱20上。本申请所述弹性支撑件可以利用高度调节螺栓调节可变电容的介电弹性体层的初始变形程度，有利于加快伸缩式介电弹性体能量采集装置系统恢复的方式。

本申请实施方式中，所述伸缩式介电弹性体能量采集装置还包括负载组件，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。其中，所述负载组件包括连接在电路中的电器元件，能够利用伸缩式介电弹性体风能采集装置转化的电能进行工作。例如，所述负载组件可以但不限于为储能组件或生活电器设备等。

本申请实施方式中，所述伸缩式介电弹性体能量采集装置的框体可以为硬质材料形成；一实施方式中，所述框体的材质可以为金属，所述框体表面可以涂布有绝缘涂层。

本申请实施方式中，第一电极401与介电弹性体层402之间设有导电涂层，第二电极403与介电弹性体层402之间设有导电涂层，所述导电涂层的材质包括石墨烯。通过在第一电极401或第二电极403与介电弹性体层402之间设有导电涂层，可以增加电极与介电弹性体层之间的导电性能，进一步地提升整个可变电容的性能。

本申请实施方式中，所述第一电极401和所述第二电极403的材质可以为导电金属，例如所述第一电极401和所述第二电极403可以均为铜片。

本申请实施方式中，所述伸缩式介电弹性体能量采集装置的尺寸，以及可变电容的数目多少均可以影响其能提供的额定功率；同时，多个所述伸缩式介电弹性体能量采集装置可以通过联合工作。本实施方式中，所述伸缩式介电弹性体能量采集装置的具体尺寸和可变电容的数目可以根据实际需求进行调节，本实施方式不过多限定。

由于现有的基于介电弹性体的装置普遍存在不能直接运用于位移激励的能量采集，以及输出性能不稳定，能量输出密度低、效率低。而本申请实施方式提出的所述伸缩式介电弹性体能量采集器能够实现两个以上的含有介电弹性体层的可变电容的轮流放电工作，提高电能的输出效率；并且该结构利用圆盘型介电弹性体层薄膜结构，提高介电弹性体在同等形变下电容的相对变化，从而提高介电弹性体的能量输出密度。所述伸缩式介电弹性体能量采集装置采集的位移激励能量，相对于风能、振动能量等具有更高的稳定性，从而提高了输出电能的稳定性。例如，所述伸缩式介电弹性体能量采集装置可广泛运用道路、人体运动装置组件和车辆减震器等领域的能量采集。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。