基于介电弹性体的类凸轮式旋转俘能装置设计与性能研究

作     者：王帅博 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张国庆

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：旋转能量俘获 介电弹性体发电机(DEG) 类凸轮机构 

摘      要：随着无线通讯技术和物联网技术的不断发展,小微型无线电子设备在生活中的应用越来越广泛。目前,小微型无线电子设备主要依赖化学电池供电,然而电池续航时间短以及寿命短,其频繁充电或更换对电子设备的使用带来不便,同时废旧化学电池会对环境产生潜在的二次污染,因此亟需研究和发展针对小微型无线电子设备的能量供应方法与技术。近年来,人们提出利用能量俘获(Energy harvesting,EH)技术将设备工作环境中的各类能量尤其是机械能转化为电能,从而直接为电子设备供电,以摆脱其对传统化学电池的依赖。在众多能量俘获装置中,介电弹性体发电机(Dielectric elastomer generator,DEG)具有能量密度大、能量转换效率高等优点,受到了广泛关注。目前,DEG常被用于俘获环境中的振动能量,然而针对自然界中含量丰富的旋转能量(如旋转的车轮和旋转的旋转的风车),却缺少适用的DEG模型方案,因而限制了其在旋转能量俘获方面的潜在应用。因此,本文提出并全面研究一种适用于旋转能量俘获的新型类凸轮式介电弹性体发电机(Cam-like dielectric elastomer generator,CDEG)。主要研究内容如下:(1)设计了三种多凸起的类凸轮机构,可以有效地将外部旋转激励转换为从动件的线性往复运动;设计了一种蘑菇头型夹片及其对应的蘑菇头圆盘连接式介电弹性体薄膜(Dielectric elastomer membrane,DEM)面外拉伸变形方式,通过数值模拟与常见的小球碰撞式和圆盘连接式DEM面外拉伸变形的俘能性能进行对比研究,表明蘑菇头圆盘连接式DEM能够在同等变形程度下显著提高俘能性能;结合类凸轮机构和蘑菇头圆盘连接式DEM进行CDEG模型的整体结构设计,该装置通过类凸轮机构将旋转激励转换为DEM的规律性形变并进一步转换为电能,从而实现旋转能量俘获。(2)通过对CDEG系统进行运动分析,推导DEM的变形规律及能量转换过程,从理论上分析阐明了CDEG系统在外部旋转激励下的能量俘获机理。通过实验分别验证了类凸轮机构的旋转-直线运动转换规律及DEM的电容计算方法;进一步制造出所提出的CDEG模型并测量其在旋转激励下的电压响应输出,验证系统俘能机理的准确性,同时进一步表明,具有驻留时间的类凸轮机构轮廓设计可为DEM提供额外的充电和放电时间,有利于提升系统的能量俘获性能。在理论分析和实验验证的基础上,通过数值模拟研究了旋转激励下的系统响应,全面探究了转速、系统结构参数、DEM预拉伸比和输入电压等重要参数对CDEG系统旋转能量俘获性能的影响。仿真结果表明,提高系统转速、设置合适的系统结构参数、增加预拉伸比和增加输入电压等方式可有效提高系统旋转俘能性能。采用遗传算法获得给定转速下最佳的系统参数和电学响应输出,得到了最佳的输出功率为0.6502 m W,与其他现有旋转俘能装置性能进行对比,进一步证明了CDEG系统在旋转能量俘获方面的优越性。本文构建并研究了高性能的新型类凸轮式介电弹性体旋转俘能装置,拓展了DEG在旋转能量俘获方面的可行性,对旋转能量的有效利用、小微型电子设备的自供能乃至国家和社会的可持续发展具有重要意义。