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实现弹性电机的自主性研究

在介电弹性体体积不变的条件下,影响其机电转换的因素主要有偏置电压、形变量和形变速率。偏置电压代表着介电弹性体启动发电时存储的电能。电容存储的电能与其电压的平方成正比,所以偏置电压越高,则初始用于机电转换的电能越多。但是偏置电压过高可能会超过介电弹性体材料的击穿电压而造成失效,因此要保证偏置电压小于最大击穿电压。

 

形变量决定介电弹性体拉伸前后的电容比,电容比越大则转换得到的电能越大。而且随着形变量的增加,外部输入的机械能就越多,从而转换的电能就越多。不同的振动源的速率不同,这意味着外部机械能输入功率不同。形变速率快,机械能输入功率高,与此同时加快介电弹性体能量转换的频率,能够提高机电转换效率。

 

外接电源在提供低压偏置电荷后,便与自偏置介电弹性体断开连接,后续的发电循环无需外部电源补充电荷。自偏置方法利用介电弹性体自身的机电耦合效应原理,将发出的一部分电能作为下个发电循环的偏置,摆脱了高压偏置电源的限制。

 

电容是一种用来存储电能或电荷的电子器件,可以通过外围电路使电容按预先设置的时间和速度充放电。由于寄生效应限制电容的充电电流导致电路在被施加电压的瞬间不能立即完成电荷的积累,使电荷在电路中转移的时间延长,以及电容两端的电压变化量为零,电荷泵就是利用了该特性来工作的。

 

大多使用高压电源与介电弹性东莞电机永久连接,以提供初始电荷。但是在实际应用中,介电弹性体发电机并不能使用高压电源作为偏置电压。因为高压电源体积大电压高的缺陷严重阻碍了介电弹性体发电机自主性。图1所示的是自偏置介电弹性体发电机组成。通过低压电源,如干电池等,为自偏置介电弹性体发电机提供初始启动电荷,依靠外界机械做功实现介电弹性体发电机输出电压的升高。然后通过开关控制,控制电路中电流方向,使电荷流到储能器和介电弹性体发电机本身,为介电弹性体发电机下一个发电循环提供偏置电压。

图1:自偏置介电弹性体发电机组成

自偏置介电弹性体发电机组成

将电能转换成电荷形式储存在电荷泵的电容上,然后在介电弹性体发电机拉伸过程中释放一部分电荷,补充给介电弹性体发电机自身,使介电弹性体发电机拥有足够的电荷进行下一次发电循环。经过多个发电循环后,使介电弹性体发电机上电荷累积,表现出介电弹性体发电机的输出电压升到一定值。因为是无调整式的电荷泵,需要通过二极管限制各个发电阶段的电流流向。

 

该自偏置介电弹性体www.qg999.com电机模型仅需要低压电源在启动时为其提供初始电荷,启动后在后续发电周期内不再需要外部电压偏置补充电荷,实现了介电弹性体发电机的自主性。通过自偏置原理的研究,为自偏置介电弹性体发电机研究奠定理论基础;进行自偏置介电弹性体发电机新型电路结构的设计,实现和验证以上理论。