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1、复合式介电弹性体发电机设计摘要：介电弹性体材料作为一种新型的电活性材料，既可以用于驱动领域，作为优秀的人工肌肉材料；也可用于发电领域，具有能量密度高、形变大、结构简单、成本低等突出特点，本文针对复合式介电弹性体发电机的现状和发展趋势，结合国内外发电装置结构设计的优缺点，对复合式介电弹性体发电机进行优化设计，对其实用性进行了初步的探索，主要内容包括： （1） 通过对国内外有关文献的分析，了解和掌握了新型介电弹性体材料及其发电技术的现状和发展趋势。（2） 通过阅读相关文献和书籍，学习和掌握介电弹性体的发电方法，运用仿真软件对介电弹性体发电过程进行了仿真研究。（3） 在对介电弹性体发电特点进行研究的
2、基础上，设计复合式介电弹性体发电机的机械结构。运用Solidworks三维绘图软件进行绘图，并设计二维尺寸图。运用Ansys软件进行有限元仿真和优化。设计对应的控制电路，实现压电-介电弹性体复合式能量回收发电。关键词：介电弹性材料；复合式；机械结构Composite dielectric elastomer generator designCollege of Engineering xxxxxx Instructor: Cao Jianbo (Associate Professor)Abstract：As a new type of electroactive material, diele
3、ctric elastomer material can be used in the field of driving, as an excellent artificial muscle material; it can also be used in the field of power generation, with outstanding characteristics such as high energy density, large deformation, simple structure and low cost. In view of the current situa
4、tion and development trend of composite dielectric elastomer generators, combined with the advantages and disadvantages of structural design of power generation devices at home and abroad, the composite dielectric elastomer generators are optimized and their practicability is explored. ,The main con
5、tents include: (1) Through the analysis of relevant literature at home and abroad, the status quo and development trend of new dielectric elastomer materials and their power generation technologies are understood and mastered.(2) By reading relevant literature and books, learning and mastering the p
6、ower generation method of dielectric elastomer, simulation software was used to simulate the power generation process of dielectric elastomer.(3) Based on the research on the characteristics of dielectric elastomer power generation, the mechanical structure of the composite dielectric elastomer gene
7、rator is designed. Drawing with Solidworks 3D drawing software and designing 2D dimensional drawings. Finite element simulation and optimization using Ansys software. The corresponding control circuit is designed to realize piezoelectric-dielectric elastomer composite energy recovery power generatio
8、n.Key words: dielectric elastic material; composite; mechanical structure1 绪论1.1 研究背景及意义世界是由各种各样的材料构建起来的，寻求高力学性能并能满足实际应用的材料是科研人员的不懈追求。长期以来，关于材料的科学研究大多集中于硬材料领域，例如传统的金属、陶瓷等。然而随着社会和科学的进一步发展，传统的硬质材料已经不能满足社会生产和日常生活的很多需要。与此同时，仿生学的飞速发展给科研人员们指明了又一条道路软材料。我们知道，在自然界中，动、植物结构通常都是软材料组成的，由这些软材料所组成的柔性结构可以实现各种高难度的动作
9、和难以想像的功能，这给了科研人员 们以启发。1991 年，法国物理学家 De Gennes 在诺贝尔物理学颁奖典礼上发表了一篇以“软材料”为题的演讲，这大大推动了软材料及其相关新兴学科和研究领域的发展。 介电弹性体是一种典型的智能软材料，最初由美国斯坦福研究院于1991年提出并开始研究。基于介电弹性体智能软材料的可变电容性质，它能够在外加电场和机械力下产生大变形，撤去机械力后，又能够利用弹性回复作用恢复形状从而将机械能转换为电能。它实质上利用机械能将电能从一个较低水平激励到一个较高水平，而这部分电能增加量即由机械能转换而来。利用这一性质我们可以设计制作能量收集器来实现机械能到电能的转换，如图1
10、-1所示。图1-1 介电弹性体机电转换特性介电弹性体的特性与其能量收集原理共同作为一个纽带，连接了智能软材料这一新兴领域与能源问题这一传统问题。因此我们有理由坚信，致力于介电弹性体智能软材料在能量收集方面的研究具有重要意义。1.2 介电弹性体的国内外研究现状1.2.1 介电弹性体驱动特性研究现状国外学者对介电弹性体驱动器展开研究，始于上个世纪世纪末期。国外在介电体材研究领域比较著名的研究机构有：美国斯坦福研究所(SRI)、美国麻省理工学院(MIT)、比萨大学、韩国成均馆大学等。其中SRI公司最早开展介电弹性体驱动器的研究，研制出了多种结构型式驱动器。上世纪90年代末，介电弹性体驱动器首次被用作
11、人工肌肉展开研究，介电弹性体材料的研究和使用推动了人工肌肉的发展，并逐渐发展成智能材料领域的研究热点。2006年，美国麻省理工学院(MIT)设计并制造出一种菱形介电弹性体驱动器，并研发出一种新型弹跳机构。一年以后又设计制作了圆环形介电弹性体驱动器。2007 年，来自韩国成均馆大学的研究人员，成功设计并制造出一种新型蚯蚓机器人，该机器人采用圆柱形介电弹性体驱动器来驱动蚯蚓机器人行走，如图1-2所示。该驱动器直径为5.8mm，重量仅仅为0.02g，动蚯蚓机器人行走速度可以达到1mm/s。图1-2 驱动蚯蚓机器人驱动器机构 国内研究人员对介电弹性体电驱动效应的应用技术展开积极的相应的研究。图1-3展
12、示了四种常用的介电弹性体驱动器结构形式，分别为管型驱动器、折叠型驱动器、堆栈型驱动器、卷形驱动器。不同结构的驱动器，在电能机械能转化率和形变大小、变化频率等不同方面有着各自的优势。图1-3 各介电弹性体驱动器机构1.2.2 介电弹性体发电特性研究现状介电弹性体发电机是一种基于可变电容原理的新型微发电机，在构造上分为三层：中间层为介电弹性体材料，其余两层为柔性电极材料，如图1-4所示。柔性电极由碳、石墨、硅油和硅胶按一定比例混合制成。图1.4 介电弹性体发电机结构图 1.5 表示的是介电弹性体发电系统总体方案，总体由机械机构、介电弹性体和电气接口等部分构成。介电弹性体有将广泛存在于自然界的机械能
13、转换为电能的能力。发电循环完成后，通过电压变换器等电气环节，将产生的电能转换成高压或低压的形式供负载使用或者传输到储能元件中。机械能通过机械传动结构被传递到介电弹性体，介电弹性体内部应变/应力的变化使机械能转变为电能（在柔性电极上产生一种交变电荷）。所得到的电能不能直接与能量储存装置或电子、电气设备直接相连接，需要电气接口将交流电能转换为需要的直流电能。电气接口在该系统中还有优化改善能量转换效率的重要作用。图 1-5 介电弹性体发电系统总体方案介电弹性体发电机能够将自然环境中的低频率大幅度机械能，如风能、海洋能转换为电能。介电弹性体发电机的发电周期包括如下阶段，预拉伸、预充电荷、收缩回复形变和
14、释放电荷四个阶段，其产生电能的过程如下：(1) 首先通过机械拉伸变形将应变能存储在介电弹性体发电机中（外力做功）。通过机械传动装置，由自然环境中机械能（风能、海洋能等）带动介电弹性体发电机进行拉伸与压缩的往复运动；(2) 施加高压偏置为介电弹性体发电机充填电荷。在介电弹性体发电机上下两层柔性电极间填充电荷，通过其机械运动产生电能；(3) 介电弹性体发电机弛豫，释放机械变形，此时介电弹性体发电机厚度增加，电极面积减小，电荷势能提高(发电过程)。(4) 通过电能变换器变换，将介电弹性体发电机产生的电能降压后供负载使用，或者把电能存储到储能装置中待用。目前，对介电弹性体发电机所进行的研究工作主要集中
15、在介电弹性体发电机发电原理及基本理论研究和介电弹性体发电机样机的试制与实验工作两个方面。关于发电原理的研究奠定了介电弹性体发电机研究的理论基础，其内容主要集中于介电弹性体发电机基本发电原理的研究；通过实验进行介电弹性体发电机发电原理的验证工作；介电弹性体发电机工作边界条件与其发电效率的研究以及分析介电弹性体发电机的机电转换机理及耦合因素。而通过不同样机的试制与实验工作，可以验证介电弹性体发电机的性能特点，并探索其中需要解决的关键问题。Prahlad等人，将介电弹性体发电机与电磁发电机和电场激活技术做比较，罗列出介电弹性体发电机的优点，同时举例介电弹性体发电机发电机的各种应用场合。文献提出一种丙
16、烯酸材料的脚跟发电机，它可以把人体运动转换成电能。这种发电机拥有400J/g 的能量密度，每走一步可以输出800兆焦耳的电能。后来，研究人员提出另一种基于丙烯酸弹性体的发电机，它没有任何外部机械系统对发电机施加压力并可以输出28u J 电能。美国的SRI（斯坦福研究所）研究所提出了一种鞋式发电机(如图1-6)可以将步行能量转换为电能以及一种聚合体发电/电动装置。和鞋式压电发电机产生的电能量输出相比，鞋式介电弹性体发电机的电能输出量更好，它可以把人体运动转换成电能。这种发电机拥有400J/g 的能量密度，每走一步可以输出0.8焦耳的电能。另外该机构还研究介电弹性体的膨胀变形代替原有的活塞式的单轴形变，从另一方面证明了介电弹性体在发电实现方面具有更好的适应性和更广泛的应用前景。图1-6 鞋式介电弹性体发电机机构图除了回收人体动能领域，介电弹性体发电机在更具挑战性的环境也表现出相当大
