CN104160610A - 电活性聚合物能量转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被配置成将来自机械能量源的能量转换成电能的平衡多相能量转换装置。该能量转换装置可包括多个换能器。所述多个换能器中的每个包括电介质弹性体模块，其包括设置在至少第一和第二电极之间的至少一个电介质弹性体膜层。传输耦合机构被耦合到机械能量源且被操作性地附着于所述多个换能器。该传输耦合响应于作用在传输耦合机构上的机械能而循环地使所述多个换能器应变和松弛。传输耦合机构包括工作循环。所述多个换能器在工作循环中在均匀分布点处，使得总无源应变能是恒定的。

Description

电活性聚合物能量转换器

相关申请的交叉引用

本申请根据美国法典第35条第119（e）款要求题为“BALANCED MULTI-PHASE GENERATOR FOR DIELECTRIC ELASTOMER GENERATORS”的2011年10月21日提交的美国临时专利申请号61/549,798的权益。

技术领域

本公开一般地涉及能量转换设备。更特别地，本公开涉及被以多相布置配置成以高效方式将机械能转换成电能的电活性聚合物阵列。

背景技术

一般地，诸如发电机（例如滚动发电机）之类的电活性聚合物能量转换设备要求高水平的反应性机械功率以产生电功率。单一电活性聚合物能量发电机元件可将机械功率的仅15%转换成电功率。加利福尼亚州Menlo Park的SRI International报告已开发了将此转换改善至高达约30%的二相系统。然而，此类系统不能足够地获得大于80%的总体系统效率。

另外，电活性聚合物一般地要求高压电子装置以产生电。对于一些应用而言，简单是重要的，但并不以可靠性为代价。一般地需要简单的，高压电路以提供功能和保护。基本电活性聚合物发电机电路由低压点火源（priming supply）、连接二极管、电活性聚合物发电机、第二连接二极管以及高压集电极电源组成。然而，此类电路在每一循环捕获如根据本公开的电活性聚合物发电机可能要求的那样多的能量方面并不是有效的，并且需要相对较高的电压点火源。

波浪和风能是每年能够递送数千兆瓦小时的电的可更新资源。

收获此能量的甚至小的百分比能够提供显著的功率源。诸如，例如利用基于电活性聚合物的发电机的新概念可帮助解决多个这些挑战。

本公开提供了采用电活性聚合物的改进能量转换器。本公开提供了相对于常规技术在效率、可靠性以及总体性能方面改善的基于电活性聚合物的能量转换器的各种实施例。

发明内容

本公开提供了一种基于电活性聚合物的能量转换设备。在一个实施例中，能量转换装置被配置成将来自机械能量源的能量转换成电能。该能量转换装置可包括多个换能器。所述多个换能器中的每个包括电介质弹性体模块，其包括设置在至少第一和第二电极之间的至少一个电介质弹性体膜层。传输耦合机构被耦合到机械能量源且被操作性附着于所述多个换能器。该传输耦合响应于作用在传输耦合机构上的机械能而循环地使所述多个换能器应变和松弛。传输耦合机构包括工作循环。所述多个换能器在工作循环中的均匀分布点处，使得总无源应变能是恒定的。

根据下文的本文发明的详细描述，本发明的这些及其它优点和益处将是显而易见的。

附图说明

现在将结合附图出于举例说明而非限制的目的描述本发明，在所述附图中：

图1是可用于从机械能量源收获电的能量转换设备的框图，

图2图示出用于使用包括某种类型的电活性聚合物膜的能量转换设备来转换能量的循环，

图3A图示出根据一个实施例的换能器部分的顶部透视图，

图3B图示出包括响应于电场变化的偏转的换能器部分的顶部透视图，

图4A—4F图示出用于使用包括电活性聚合物膜（例如电介质弹性体膜）的能量转换设备来转换机械能的电活性聚合物发电机的一个循环，

图5图示出简单发电电路的一个实施例，

图6是电活性聚合物发电机中的恒定充电循环的能量对比拉伸比的图形表示，

图7是利用微控制器电子装置的电活性聚合物发电机能量收获控制系统的一个实施例的框图，

图8是用于电活性聚合物发电机的高效率能量传递电路的一个实施例的框图，

图9图示出包括第一和第二隔板的平衡多相发电机的一个实施例。　

图10A—10B图示出包括第一换能器和第二换能器的平衡多相发电机的一个实施例。　

图11是平衡多相发电机的传输耦合机构的自由体图。　

图12是具有偏移隔板的平衡多相发电机的传输耦合机构的自由体图。　

图13图示出包括六个换能器元件的平衡多相发电机的一个实施例。　

图14图示出包括正弦凸轮的平衡多相发电机的一个实施例。

具体实施方式

在解释基于电活性聚合物的能量转换设备和被配置成将机械能转换成电能的基于电活性聚合物的阵列的实施例之前，应注意的是公开实施例在应用或使用中不限于附图和描述中举例说明的部分的结构和布置细节。在其它实施例、变型和修改中可实施或并入公开实施例，并且其可以以各种方式来实施或执行。此外，除非另外指明，已出于说明性目的且为了读者的方便起见而出于描述实施例的目的选择了本文所采用的术语和措辞，并且其并不意图为了使实施例中的任何一个局限于公开的特定的实施例的目的。此外，应理解的是在没有限制的情况下能够将公开实施例、实施例的表达以及示例中的任何一个或多个与其它公开实施例、实施例的表达以及示例中的任何一个或多个组合。因此，认为在一个实施例中公开的元素与在另一实施例中公开的元素的组合是在本公开和所附权利要求的范围内。

在各种实施例中，本公开提供了可用来以双向方式转换电能和机械能的基于电活性聚合物的能量转换设备。将认识到的是遍及本公开可互换地使用术语“电活性聚合物”、“电介质弹性体”和/或“弹性体电介质元件”。在一个实施例中，本公开提供了具有采用被配置成将机械能转换成电能的电活性聚合物膜的一个或多个换能器的发电机。在另一实施例中，本公开提供了采用被以多相布置配置成以高效方式将机械能转换成电能的电活性聚合物膜的换能器阵列。还在其它实施例中，本公开提供了用于采用被配置成将机械能转换成电能的电活性聚合物膜阵列的换能器的能量转移和能量收获电路和技术。下面在本文中举例说明并描述这些及其它特定实施例。

本申请涉及题为“ELECTROACTIVE POLYMER ENERGY CONVERTER”的2012年3月9日提交的PCT专利申请号PCT/US 12/28406的主题，其全部内容被通过引用并入并提供具有一个或多个换能器的发电机的各种实施例，该一个或多个换能器采用用以将机械能转换成电能的电活性聚合物膜和用于更高效地将机械能转换成电能的电路技术。在一个实施例中，发电机模块包括电活性聚合物换能器，其包括从加利福尼亚州桑尼维尔市的Artificial Muscle公司（AMI）可获得的集成电介质弹性体元件。在本文中可将此类发电机称为电活性聚合物发电机模块。此类电活性聚合物发电机模块具有适合于实现能量转换技术（包括例如机械能至电能转换）的特性。此类电活性聚合物发电机模块包括具有被夹在两个电极层之间的电介质弹性体膜的可拉伸弹性材料。为应变（拉伸）电活性聚合物发电机模块的机械力的施加改变电极之间的电介质弹性体膜的电容。施加于应变膜的籽电荷（seed charge）上升至较高膜电压，其能够在电活性聚合物发电机模块松弛时被收获。电活性聚合物发电机模块适合于直接驱动应用，是高度可缩放、可靠且高效的。

除提供电活性聚合物发电机的各种实施例之外，本公开还提供了可结合电活性聚合物发电机模块采用以增加发电机效率的调节电子逻辑和电路及技术。下面将在本文中分开地描述这些技术中的每个。

发电机可包括一个或多个传输机构，其耦合到机械能的源并将机械能的一部分转换以驱动发电机的一个或多个换能器部分。换能器结合针对发电机对电子装置进行电调节而将机械能转换成电能。机械能的常见源包括例如静止或运动中的水、潮汐、波浪、风、太阳、地热等。

用于利用电活性聚合物由机械功率生成电功率的基本机制是电介质弹性体在响应于机械功率而循环地拉伸和收缩的同时所经历的电容变化。为了成为重要的电功率发电机，电活性聚合物发电机应经历从松弛收缩状态到拉伸状态的至少3×至4×电容变化。对适当电活性聚合物发电机的性能、效率以及可靠性有所贡献的因素包括电介质材料、电极、机械构造、电子装置以及能量密度和效率。

电活性聚合物能量转换设备

图1是可用于从机械能量源102收获电的能量转换设备100（发电机100）的框图。可经由一个或多个传输耦合机构104以某种方式将机械能量源102输入到发电机100中。然后，可由采用电活性聚合物106的一个或多个换能器结合调节电子装置108将机械能转换成电能。并且，可使用机械能的一部分来执行附加机械功（mechanical work）。调节电子装置108可将收获的电能110转成电能输出。在某些实施例中，可使发电机100相反地操作以在向电活性聚合物换能器106施加电功率时执行机械功。

用来发电的机械能可由多个源提供。例如，可由诸如静止或运动中的水、潮汐、波浪、风、太阳、地热等的环境源收获机械能量源102。可由诸如水或空气之类的工作流体将环境能源转到换能器106以生成机械功或能量。可使用本公开的一个或多个电活性聚合物换能器106来收获机械能以转换成电110。工作流体以及发电机100的其它部件的选择可取决于发电机100的一个或多个操作和设计参数，诸如发电机的操作环境（例如，商用、住宅、陆地、海上、便携式、非便携式等）、发电机的尺寸、成本要求、耐久性要求、效率要求、电源的温度和功率输出要求。

在一个实施例中，用于驱动发电机100的机械能可来源于静止或运动中的水，如在接进（tap into）机械能并将其转换成电能的水电厂中。此类机械能量源102的主要部件将包括堤坝、储库、给水栓、传输耦合机构104、一个或多个电活性聚合物换能器106、调节电子装置108、变压器以及管道。堤坝是高效地利用水的势能和动能两者的机械能的系统。其能够建造在具有自然海拔的诸如河流之类的水体上。机械能还可来源于诸如用来碾磨谷物的流水。

在另一实施例中，用以驱动发电机100的机械能可来源于潮汐。通过波浪和潮汐的运动，海洋的潮汐产生两种不同类型的能量，包括热能，或者来自太阳的热，以及机械能。机械能是从潮汐的移动开发的。潮汐机械能量源102的部件将包括用以捕获机械能的机构、传输耦合机构104、一个或多个电活性聚合物换能器106以及用以将机械能转换成电的调节电子装置108。这可通过使用例如浮筒、能量弹幕以及水磨来完成。

风车和风力涡轮机使用可更新风能来产生机械能。风车根据将由其叶片的旋转生成的动能转换成旋转机械能的原理工作。传输耦合机构104将旋转机械能耦合到一个或多个电活性聚合物换能器106和调节电子装置108以将机械能转换成电。风车一般被安装在山区和沿海地区，在那里风速每小时从5变动至15.5英里。根据本公开的发电机100利用风的功率使用一个或多个电活性聚合物换能器106和调节电子装置108来产生电。

存在两个类型的风力涡轮机，包括垂直轴线风力涡轮机和水平轴线风力涡轮机。

将认识到的是示例性机械能量源的以上描述是不详尽的，并且可采用诸如热能源之类的其它源来驱动一个或多个电活性聚合物换能器106和调节电子装置108以发电。能够从多种热源生成热能，诸如太阳能、地热能、内燃、外燃或废热。热能能够转换成机械能，使得其能够用来驱动位于发电机100中的一个或多个换能器106。

图2图示出用于使用包括某种类型的电活性聚合物膜的能量转换设备来转换能量的循环200。垂直轴线描述与E²成比例的电场且水平轴线描述应变。当能量转换设备作为机械至电发电机进行操作时，机械能被转换成电。一般地，使用机械能量源来以某种方式使电活性聚合物膜偏转或拉伸。本公开的能量转换设备还能够用来执行机械功。在这种情况下，可使用电能来使电活性聚合物膜偏转。在偏转过程中由电活性聚合物膜执行的机械功可用来应用机械过程。为了在延长的时间段内生成电能或者为了执行热功，可在许多循环内使电活性聚合物膜拉伸和松弛。

在图2中，示出了拉伸和松弛以将机械能转换成电能的电活性聚合物膜的一个循环200。该循环仅仅用于说明性目的。本公开的能量转换设备可采用许多不同类型的循环，并且能量转换设备不限于图2中所示的循环。在202中，在聚合物上零电场压力的情况下使电活性聚合物膜拉伸。此拉伸可由施加于膜的由被输入到能量转换设备中的外部能量源生成的机械力引起。例如，可使用机械过程来使电活性膜偏转。在204中，将聚合物膜上的电场压力增加至某个最大值。参考图5、7和8来描述执行此功能所需的调节电子装置。在本示例中，电场压力的最大值刚好在电活性聚合物的电击穿强度以下。击穿强度可以一定速率随时间而变，该速率可取决于但不限于：1）其中使用能量转换设备的环境，2）能量转换设备的操作历史，以及3）在能量转换设备中所使用的聚合物类型。

在206中，电活性聚合物在电场压力被保持在其最大值附近的同时松弛。该松弛过程可对应于允许电活性膜松弛的电活性聚合物的弹性恢复性质。随着电活性聚合物松弛，增加电活性聚合物膜上的电荷的电压。收获电活性聚合物膜上的如由电荷的较高电压所指示的电荷电能的增加以生成电能。在208中，电活性聚合物膜随着电场压力减小至零而完全松弛且可重复该循环。例如，当使用旋转机械力和凸轮机构来使电活性聚合物膜拉伸和松弛时可发起循环。

本公开的设备中的电能与机械能之间的变换是基于由电活性聚合物的一个或多个有效区域（例如诸如电活性聚合物电介质弹性体）进行的能量转换。电活性聚合物在被电能致动时偏转。为了帮助举例说明电活性聚合物在将电能转换成机械能中的性能，图3A图示出根据一个实施例的换能器部分300的顶部透视图。换能器部分300包括用于在电能与机械能之间转换的电活性聚合物302，在一个实施例中，电活性聚合物指的是充当两个电极之间的绝缘电介质的聚合物，并且可在两个电极之间的电压差施加时偏转。顶部和底部电极304和306分别在电活性聚合物302的顶面和底面被附着于电活性聚合物302，以跨聚合物302的一部分提供电压差。聚合物302随着由顶部和底部电极304和306提供的电场的变化而偏转。换能器部分300响应于由电极304和306提供的电场的变化的偏转被称为致动。随着聚合物302在尺寸上变化，该偏转可用来产生机械功。

图3B图示出包括响应于电场变化的偏转的换能器部分300的顶部透视图。一般地，偏转指的是聚合物302的一部分的任何移位、膨胀、收缩、扭转、线性或面积应变或任何其它变形。对应于施加于电极304和306或由其施加的电压差的电场变化在聚合物302内产生机械压力。在这种情况下，由电极304和306产生的不同电荷相互吸引，并且提供电极304和306之间的压缩力和平面方向308、310上的聚合物302上的膨胀力，引起聚合物302在电极304、306之间压缩并在平面方向308、310上拉伸。

在某些情况下，电极304和306相对于聚合物的总面积覆盖聚合物302的有限部分。这可为了防止聚合物302的边缘周围的电击穿或实现用于聚合物的一个或多个部分的自定义偏转而完成。如在本文中使用的术语，活性区域被定义为包括聚合物材料302和至少两个电极的换能器的一部分。当使用活性区域来将电能换换成机械能时，该活性区域包括聚合物302的一部分，其具有足以使得该部分能够偏转的静电力。当使用该活性区域来将机械能转换成电能时，该活性区域包括聚合物302的一部分，其具有足以使得静电能能够变化的偏转。如下面将描述的，本发明的聚合物可具有多个活性区域。在某些情况下，在活性区域外面的聚合物302材料可在偏转期间充当活性区域上的外部弹簧力。更具体地，在活性区域外面的聚合物材料可通过其收缩和膨胀来抵抗活性区域偏转。电压差和感应电荷的去除引起相反效果。

电极304和306是柔顺的且随聚合物302而改变形状。聚合物302及电极304和306的配置提供随着偏转而增加的聚合物302响应。更具体地，随着换能器部分300偏转，聚合物302的压缩使得电极304和306的相反电荷更近，并且聚合物302的拉伸将每个电极中的类似电荷分开。在一个实施例中，电极304和306中的一个是地。

一般地，换能器部分300继续偏转直至机械力平衡驱动该偏转的静电力。机械力包括聚合物302材料的弹性恢复力、电极304和306的柔量和由被耦合到换能器部分300的设备和/或负荷提供的任何外部阻力。换能器部分300由于施加电压而引起的偏转还可取决于多个其它因素，诸如聚合物302的介电常数和聚合物302的厚度。

根据本公开的电活性聚合物能够在任何方向上偏转。在电极304和306之间施加电压之后，聚合物302在平面方向308和301两者上膨胀（拉伸）。在某些情况下，聚合物302是不可压缩的，例如在压力下具有基本上恒定的体积 。对于不可压缩聚合物302而言，聚合物302由于平面方向308和310上的膨胀而在厚度方面减小。应注意的是本发明不限于不可压缩聚合物，并且聚合物302的偏转可不遵守此类简单关系。

图3A中所示的换能器部分300上的电极304和306之间的相对大的电压差的施加将引起换能器部分300变成如图3B中所示的较薄、较大面积形状。以这种方式，换能器部分300将电能转换成机械能。换能器部分300还可用来以双向方式将机械能转换成电能。

图3A和3B可用来示出其中换能器部分300将机械能转换成电能的一个方式。例如，如果换能器部分300通过外力机械拉伸成诸如图3B中所示形状的较薄、较大面积形状，并且在电极304、306之间施加相对小的电压差（小于将该膜致动成图3B中的配置所需的电压差），则当去除外力时，换能器部分300将在电极之间的区域方面收缩成诸如图3A中的形状。使换能器拉伸指的是使换能器300从其原始静止位置偏转—通常将导致电极之间的较大净面积（例如在电极之间的由方向308、310所限定的平面中）。静止位置指的是不具有外部电或机械输入的换能器部分300的位置，并且可包括聚合物中的任何预应变。一旦换能器部分300被拉伸，则提供相对小的电压差，使得所得到的静电力不足以平衡该拉伸的弹性恢复力。换能器部分300因此收缩，并且其变得更厚且在由方向308、310（在方向312上与电极之间的厚度正交）限定的平面中具有较小平面面积。当聚合物302变得更厚时，其将电极304，306及其对应的不同电荷分开，从而提高电荷的电能和电压。此外，当电极304、306收缩成较小面积时，每个电极内的相同电荷密度增加，提高电荷的电能和电压。因此，用电极304、306上的不同电荷，从诸如图3B中所示的形状到诸如图3A中所示的形状的收缩提高电荷的电能。也就是说，机械偏转正在转变成电能，并且换能器部分300正在充当发电机。

在某些情况下，可以电学方式将换能器部分300描述为可变电容器。电容针对从图3B中所示的到图3A中所示的形状变化而减小。通常，通过收缩将提高电极304、306之间的电压差。正常地，例如如果在收缩过程期间未添加或从电极304、306减去附加电荷，则情况如此。电能U的增加可由公式U=0.5 Q²/C来举例说明，其中，Q是正电极上的正电荷的量，并且C是可变电容，其与聚合物302的本征介电性质及其几何形状有关。如果Q是固定的且C减小，则电能U增加。电能和电压的增加能够在与电极304、306电连通的适当设备或电子电路中恢复或使用。另外，可将换能器部分300机械耦合到使聚合物偏转并提供机械能的机械输入。

换能器部分300将在其收缩时将机械能转换成电能。当换能器部分300在由方向308、310限定的平面中完全收缩时，能够去除电荷和能量中的某些或全部。替换地，在收缩期间能够去除电荷和能量中的某些或全部。如果聚合物302中的电场压力在收缩期间增加并达到与机械弹性恢复力和外部负荷的平衡，则收缩将在完全收缩之前停止，并且弹性机械能将不进一步被转换成电能。去除电荷和储存电能中的一些减小电场压力，从而允许收缩继续。因此，去除电荷中的一些还可将机械能转换成电能。换能器部分300在作为发电机操作时的确切电性质取决于任何电和机械加载以及聚合物302和电极304、306的本征性质。

在一个实施例中，可使电活性聚合物302预应变。可将聚合物的预应变在一个或多个方向上描述为预应变之后的方向上的尺寸（dimension）相对于预应变之前该方向上的尺寸的变化。预应变可包括聚合物302的弹性变形，并且例如通过使聚合物张紧拉伸并在拉伸的同时将边缘中的一个或多个固定来形成。对于许多聚合物而言，预应变改善电能与机械能之间的转换。改善的机械响应使得更大机械功（例如更大偏转和致动压力）能够用于电活性聚合物。在一个实施例中，预应变改善聚合物302的介电强度。在另一实施例中，预应变是弹性的。在致动之后，弹性预应变聚合物原则上可以是不固定的且返回至其原始状态。可使用刚性框架在边界处强加预应变，或者还可针对聚合物的一部分局部地实现。

在一个实施例中，可在聚合物302的一部分上均匀地施加预应变以产生各向同性预应变聚合物。作为示例，可在两个平面方向上将丙烯酸弹性体聚合物拉伸200%至400%。在另一实施例中，针对聚合物302的一部分在不同方向上不相等地施加预应变以产生各向异性预应变聚合物。例如，可在一个平面方向上将硅树脂膜拉伸0至10%，并在另一平面方向上拉伸10至100%。在这种情况下，聚合物302可在被致动时在一个方向上比在另一方向上偏转更大。虽然不希望被理论束缚，本发明人推测使聚合物在一个方向上预应变可在预应变方向上增加聚合物的硬度。相应地，聚合物在高度预应变方向上相对更硬，并且在低预应变方向上更柔顺，并且在致动时，在低预应变方向上发生更多偏转。在一个实施例中，可通过利用垂直方向310上的大的预应变来增强换能器部分300的方向308上的偏转。例如，可在方向308上将被用作换能器部分300的丙烯酸弹性体聚合物拉伸300%，并在垂直方向310上拉伸500%。用于聚合物的预应变的量可基于聚合物在应用中的聚合物材料和期望性能。

各向异性预应变还可改善换能器300在发电机模式下将机械能转换成电能的性能。除增加聚合物的电介质击穿强度并允许更多电荷被放置在聚合物上之外，高度预应变可改善低预应变方向上的机械至电耦合。也就是说，能够将进入低预应变方向的更多的机械输入转换成电输出，从而提高发电机的效率。

图4A—4F图示出用于使用包括电活性聚合物膜402（例如电介质弹性体膜）的能量转换设备来转换机械能的电活性聚合物发电机400的一个循环。图形表示伴随说明性循环，其中，垂直轴线对应于电场（电压）且水平轴线对应于应变率（λ）以举例说明机械功率到电功率转换循环。在电活性聚合物膜402上形成可拉伸电极404、406。当电介质弹性体膜402松弛时，由电活性聚合物膜402储存的电荷408处于第一水平。然后通过任何适当的机械功使电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406在方向410上拉伸。电荷408保持在第一水平。如图4B中所示，电活性聚合物发电机400处于被拉伸状态。电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406在被拉伸时改变电容。在一方面，在被拉伸状态下，可拉伸电极404、406更接近地在一起并提高电容。当电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406处于被拉伸状态时，如图4C中所示，电极404、406被耦合到能量源412，例如直流（DC）电池，并且向电活性聚合物膜402施加偏压以将电荷408提高至更高电压。如图4D中所示，去除能量源，并且电活性聚合物膜402保持被以较高电压充电。如图4E中所示，随着电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406在方向414上松弛，电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406收缩并分开。因此，电活性聚合物膜402的电容降低，并且电压提高至更高水平。如图4F中所示，当电活性聚合物膜402和可拉伸电极404、406返回松弛状态时，电极404、406被耦合到负荷416，并且储存的电压（或电荷）被递送给负荷416，从而使电活性聚合物膜402放电。该循环根据在电活性聚合物发电机400的输入处施加的机械功而重复。

现在参考图4A—4F，无论电活性聚合物膜402是正在被用作致动器还是电活性聚合物发电机400，电活性聚合物膜402的基本结构是用可拉伸电极404、406在每侧图案化的高电介质弹性体膜。在致动器模式下，当向电活性聚合物402施加电压时，聚合物通过来自两个电极404、406上的不同电荷的静电力的效应而在厚度方面压缩并在面积方面扩展。发电机模式基本上是致动器模式的反向。为使其拉伸而向电活性聚合物膜402施加的机械能410引起厚度方面的压缩和表面面积的扩展。在这里，向电活性聚合物膜402施加电压412。施加的电能412被作为电荷408储存在聚合物402上。当机械能减少时414，电活性聚合物膜402的弹性恢复力进行作用以恢复原始厚度并减小面积。此机械变化增加两个电极404、406层之间的电压电位，导致静电能的增加。

电活性聚合物发电机的能量密度

对于具有基于丙烯酸的电活性聚合物膜402材料的电活性聚合物发电机400而言已证明每克（每个致动循环）0.4焦耳的能量密度。实现每克0.4焦耳的能量密度要求使用调节电子装置来优化电活性聚合物功率发电机400的完整生成循环。在一个实施例中，可采用基于微控制器的电子装置和逻辑。在大于100瓦的功率水平下，调节电子电路使得电活性聚合物发电机400的优点能够被利用。

不同于电磁式发电机，电活性聚合物发电机400随功率而线性地缩放。例如，为了创建更强大十倍的发电机，需要至少更多十倍的材料。关于电磁式发电机情况并非如此。

电磁式发电机因为其在功率方面按比例增大而具有两个重要优点。首先，其重量和体积并未线性地缩放。10千瓦发电机的质量将仅仅是1千瓦发电机的质量的约三倍。如所指示的，到电活性聚合物发电机400为约100千瓦时，功率密度已改善了数量级，使得其在较高功率下非常具有竞争力。其次，随着电磁式发电机在功率方面增加，其效率改善。许多高功率发电机具有超过97%的效率。

电活性聚合物发电机400在满足以下标准时相比于电磁式发电机提供优点：

电活性聚合物发电机400在力是高的且速度是低的时提供优点。机械功率等于力乘以速度。电磁式发电机非常适合于高速度机械功率（尤其是旋转的）。1800 RPM（每秒30转）的旋转速度通常被用于标准公用电源（在美国为60赫兹，在欧洲及其它地方为50赫兹）。对于典型的三马力（2238瓦）电磁式发电机而言，转子表面速度将为每秒约15—20米。相比之下，0.3赫兹下的一米高的海浪仅实现每秒0.9米的最大速度，但能够生成非常高的力。风力通常也是缓慢的。许多风力涡轮机以约30 RPM旋转，并且要求齿轮箱将其增加至50倍（以实现1500 rpm）以连接到电磁式发电机。可将适当的电活性聚合物发电机400直接耦合到风力涡轮机的主轴以产生电功率。

另外，电活性聚合物发电机400在被连接到在2-10 kVdc范围内的已调节高压DC电网时提供优点。由于电活性聚合物发电机400生成电功率的方式，其非常适合于高压DC系统。旋转电磁式发电机通常在小于600伏的电压下发电并产生交变电流波形。为了将其转换成高压DC，必须使用变压器/整流器组或某种其它类型的高功率逆变器（inverter）电子装置。能够用最少的电子装置将电活性聚合物发电机400直接连接到高压dc电网。其必然结果方面是电活性聚合物发电机400要求转换电子装置将高压DC功率转换成适合于大多数低功率电子装置类型应用的低压功率。

此外，自启动的电活性聚合物发电机400在标准公用电源不可用时在远方位置处提供优点。用于此标准的竞争技术是太阳能、在电磁式发电机情况下的风力和在电磁式发电机情况下的水力。这些中的两个（风和太阳能）共享甚至进一步的复杂性，因为这些功率源是不可预测的。

因此，任一系统必须是自启动的，或者必须包括足够量的电储存（通常为电池）以处理不可用时段。

在发电的一般情况下，可靠性是最重要方面中的一个。电磁发电已被使用超过100年。在那时间期间，电磁式发电机已证明了超过30年的有用寿命的可靠性。另外，已经在从毫瓦至兆瓦的功率范围中建造了电磁式发电机。

对于风力应用而言，电活性聚合物发电机400必须能够处理与该应用相关联的环境条件。温度和湿度要求通过位置而变（例如：位于中部加利福尼亚州中的Altamont Pass处的风力发电机经历比位于丹麦的发电机更少的温度变化）。采取来自元件的基本保护，并且其将采用防雨外壳的形式，然而，由于高压DC的性质，对于电活性聚合物发电机400和关联电子装置而言将要求附加预防措施。许多高压电子系统要求定期维护以去除被吸引到高压部分的累积灰尘。密封外壳是必需的，或者必须采取某些其它措施以防止不期望颗粒的积聚（高压dc导体基本上充当静电除尘器并收集灰尘及其它空气传播的颗粒）。

电介质和电极材料

将认识到的是能够使用多个复合材料来实现电活性有源聚合物换能器。为了使复合材料被用作机械能至电能换能器，复合材料必须移动，并且为了移动，软但不可压缩的电介质层必须有地方去。相应地，此类复合材料应包括至少以下三种类型的材料：（1）硬的—刚性结构层，承载负荷并与换能器对接到的电元件和机械元件的硬度匹配；（2）软的—低模量、不可压缩电介质弹性体层，其能够由来自复合材料外面的机械负荷并由为控制复合材料而施加的内部电场而变形；以及（3）可压缩的—气体、液体或例如电介质弹性体可向其中凸出的膨胀多孔材料（例如，泡沫或气凝胶）的区域。在题为“COMPOSITE ELECTRODES COMPRISED OF A TEXTURED, RIGID, INSULATOR COVERED WITH THIN, SELF-HEALING CONDUCTOR LAYERS, AND DIELECTRIC ELASTOMER TRANSDUCERS INCORPORATING SUCH ELECTRODES”的2011年10月10日提交的美国临时专利申请序号61/545,295中可找到这些及其它复合材料，该申请的公开被整体地通过引用并入到本文中。

用于电活性聚合物发电机的电子装置

将认识到的是本文所述的实施例图示出示例性实施方式，并且可以以符合所述实施例的各种其它方式来实现功能元件、逻辑块、程序模块以及电路元件。此外，可针对给定实施方式将由此类功能元件、逻辑块、功能模块以及电路元件执行的操作组合和/或分开，并且其可由更多数目或更少数目的部件或程序模块执行。如在阅读本公开时对于本领域的技术人员而言将显而易见的，本文所述和所示单个实施例中的每个具有分立部件和特征，在不脱离本公开的范围的情况下，其可容易地与其它几个实施例中的任何的特征分开或组合。能够按照记载的事件的顺序或按照逻辑上可能的任何其它顺序来执行任何记载的方法。

用于电活性聚合物发电机的电子装置从相当简单变动至相当复杂。要实现来自电活性聚合物发电机的最佳性能需要精密电子装置；然而，使用非常简单的电路布局，能够实现适度的性能。另外，应用特定细节可驱动电子装置及其复杂性的选择。应用能够从在某些情况下的固定冲程和固定频率变动至其它情况下的可变冲程和可变频率。这些参数及其它考虑因素将确定哪种类型的电子装置最适合于特定应用。

用于电活性聚合物功率发电机的电子装置能够分类成两组，控制级电子装置和功率级电子装置。控制级电子装置在技术上是可行的，并且只须从成本和功率消耗观点出发进行评估。功率级电子装置是可行的，但保持低成本和高效率是用于实现优化设计的重要权衡。

图5图示出简单发电电路800的一个实施例。电路800的优点是其简单性。只需要小的启动电压（约9伏）以使发电机启动（正在输入所提供的机械功率）。不需要控制级电子装置来控制经由相应的高压二极管D1（808）和（810）进入电活性发电机802和从其中出来的高压的转移。无源电压调节由电路800的输出上的齐纳二极管804实现。电路800能够产生高压DC功率，并且将在每克约0.04—0.06焦耳的能量密度水平下操作电活性聚合物发电机802。电路800适合于生成适度功率，并且证明电活性聚合物发电机802在技术上是可行的。

在一个实施例中，电路800利用电荷转移技术来使电活性聚合物发电机802的每一机械循环的能量转移最大化，同时仍保持简单性。电路800还使得自点火能够以极低电压806（例如，9伏）。电路800还使得能够实现可变频率和可变冲程操作两者。在各种实施例中，电路800用简化的电子装置（即，不要求控制序列、在可变频率和可变冲程应用两者中操作并向发电机元件提供简单的过压保护的电子装置）使每一循环的能量转移最大化。

为了在电活性聚合物发电机中实现较高功率水平和较高能量密度，控制级电子装置和功率电子装置两者要求更高得多的水平的精密。这些电子装置还将根据发电机应用的类型而不同。固定冲程、窄频带（narrow frequency）应用（可能是水磨）要求电子装置的最低精密，而可变冲程、可变频率应用将要求最大精密。为了解决最精密的情况，控制级电子装置具有感测每个电活性聚合物发电机的即时电容并确定其是在增加还是在减小的能力。电子装置决定是否将电荷放在电活性聚合物膜上面，从电活性聚合物膜去除电荷，或仅什么都不做。

作为示例，对于波浪动力发电而言情况将是如此。对于微波浪或没有波浪活动的时间而言，发电机应是低功率的，非发电模式（在电子装置中通常称为睡眠（SLEEP）模式）。一旦检测到波浪活动的阈值，则系统应使发电机在线（醒来（WAKE UP））并开始产生功率。如果波浪活动下降至某个水平以下，则电活性发电机将再次关闭，等待波浪活动的下个时段。特定的决定形成标准将取决于每个应用，然而，此精密的控制级电子装置将在实际上所有发电机应用中有用（即，只有少数控制级设计应是必需的以覆盖多种发电机应用）。

功率级电子装置将由电活性发电机的最大输出功率驱动。类似电路布局可在大范围的功率水平下使用，但是部件的尺寸和额定值将必须改变。电活性聚合物发电机的功率范围能够从10瓦特上升到100千瓦（或者可能更大）。随着功率水平增加，热管理的复杂性变成问题，并且需要认真地解决（对于所有发电的方法而言这是正确的）。

电荷守恒能量转换模型

如先前结合图3A—3B和4A—4F所讨论的，存在对理解电活性聚合物（电介质弹性体）发电机的基础有益的三个机械能至电能转换过程。这三个情况全部涉及到简单的四步过程。第一步以松弛的电介质弹性体开始，并且使用机械能来使弹性体拉伸至一定拉伸状态。第二步是向电活性聚合物电极添加电荷。第三部是以机械方式使弹性体松弛，从而将机械弹性能转换成静电能，并且第四部是从电活性发电机去除电能，因此从机械至电转换中“收获”电能。

在第二和第三步骤期间，设计师能够在恒定电荷、恒定电场或恒定电压之间选择。这些方法中的每个要求不同的控制电路布局。要实现的较简单布局中的一个是恒定电荷法，并且下面将详细地描述其循环。

为了此分析，将考虑固定冲程和固定频率系统。虽然未描述可变冲程和可变频率系统，但是此系统在本公开的范围内。另外，将使用参数的某些典型值来示范实际电活性聚合物发电机循环。例如，在分析中将考虑在松弛状态下一米乘一米和一百微米厚的电活性聚合物发电机，并且将采取完全柔顺和传导性电极。使用以下参数组（ε₀=8.854 pF/m，ε_r=5.0，μ₁=0.3 MPa，α₁ = 2，λ_max=2.0且V_max=5 kV），可构造典型循环。该分析将以图形形式呈现在能量对比拉伸平面上。这种说明性方法使得能量平衡的概念能够可视化。

在循环的第一部分期间，电活性发电机从1拉伸至λ_max，将弹性能储存在电活性聚合物膜中。接下来，向电活性发电机施加电荷（V_seed）。其电压值如下取决于最大拉伸：V_seed=V_max/(λ_max)²（注意：此值仅仅适用于剪切模式分析）。随着施加电能，其被添加到储存在电活性聚合物膜中的弹性能。在这里，电荷籽源与发电机断开连接，并且不允许电荷进入或离开发电机电极（因此恒定的充电循环）。然后允许电活性发电机松弛回到平衡状态，将弹性能转换成电能。最后，从发电机去除电能，并将再次重复该循环。

图6是电活性聚合物发电机中的恒定充电循环的能量对比拉伸比的图形表示1000。垂直轴线对应于能量（焦耳）且水平轴线对应于拉伸比。由在图6中呈现的曲线来辅助该过程的详细描述。已在等式（17）中呈现弹性能（这是从点A移动至点B的步骤1）。使用外部机械源来拉伸弹性发电机，将弹性能储存在电介质弹性体膜中。基于在前一段落中定义的籽电压来添加电荷（这是从点B移动至点C的步骤2）。在这里，外部机械源将开始使电介质弹性体松弛以使其返回到松弛位置。如果未在发电机上施加电荷，则外部机械源注入发电机的所有能量将被返回到外部机械源。在电荷在发电机上的情况下，弹性能中的一些被转换成电能，并且某些被返回到外部机械源。在步骤3期间，电活性聚合物发电机将返回到平衡位置D（其中，系统能量达到最小值）。现在可针对系统中的总电能增益去除电能（步骤4，点D至点A）。

此基本恒定充电循环能量转换器是用于能量密度计算的基础。此分析未包括系统损耗，并在理想条件下确定每一循环的能量。并且，应注意的是应谨慎地考虑在添加任何籽电能之前必须施加于电介质弹性体中的大的弹性能。在本示例中，机械弹性能与电能的比为约10:1，并且具有显著的系统效果。如果电介质材料的模数被选择为更大十倍，则弹性能与电能的比变成100倍。这导致非常不平衡的系统且应避免。此大的比呈现相当大的成本，因为必须建造机械结构（系链、框架等）以处理此机械能。

由于电介质中的漏电流而引起的损耗

返回参考已参考图6描述的恒定充电循环，假设没有电荷进入或离开电活性聚合物发电机。如果允许电荷通过电介质材料从一个电极移动至另一个，则恒定充电循环不再有效，并且电荷的转移导致相当大的能量损耗。如果此损耗太高，则电活性聚合物发电机不产生电能，并且仅仅将电介质材料加热。电荷在发电循环期间从一个电极至另一个的非期望转移通常被称为漏电流。对漏电流的总体系统灵敏度取决于多个不同参数。较重要参数中的一个是循环时间，并且在较高机械频率下可容忍较高漏电流。

电活性聚合物发电机（例如，EAP发电机或电介质弹性体[DP]发电机）可具有多种操作配置。在一个实施例中，控制电子装置占有这些配置。从机械输入功率角度出发，输入能够从固定冲程、固定频率（示例性水力河流）变动至可变冲程、可变频率（波能）。还存在不同的转换循环，恒定电荷、恒定场和恒定电压（以及通过不在每一循环的最大能量下操作的这些的子集）。每个应用将具有最佳的控制要求组。某些示例性应用是：

不具有季节变化且被连接到电网的河源。

在这里，目标是连续地产生最大功率量，并使公用事业公司针对所产生的功率对你进行支付。到机械功率的流可以是巴尔顿水轮或其它类似高效的转换器（假设河源头是充足的（低河源头源需要不同类型的转换器）。在一个实施例中，电活性聚合物发电机将被设计成处理源的连续功率并不断地将功率驱动到电网中（针对这种情况考虑无限负荷）。在这里，系统设计将是固定频率和固定冲程的，给出所需的最简单控制。控制系统将在最大功率下操作，并且仅在故障的情况下关闭（内部发电机故障或外部系统故障，即水源变得被碎屑堵塞、公用事业电网由于闪电击中而不在运行等）。

连接到能量存储设备的波浪源（可能与太阳和风及备用柴油发电机组合），例如用于对远处的钓鱼度假胜地供电。

在这里，输入机械功率在频率和冲程两方面改变。负荷从最小值变成最大值。在这种情况下，控制系统必须适合于复杂的源组和负荷要求并相应地优化。另外，必须考虑和控制故障条件和过度条件，例如如果暴风雨产生超过设计最大值的波浪，则系统将需要在最安全配置中关闭。

图7是利用微控制器电子装置1802的电活性聚合物发电机能量收获控制系统1800的一个实施例的框图。在一个实施例中，控制系统1800使电活性聚合物发电机1804的性能在各种操作条件范围内优化并最大化。例如，还可采用控制系统1800来控制电活性聚合物类型阻尼系统。在一个实施例中，控制系统1800使电活性聚合物发电机1804的能量密度最大化。复杂的控制能够在数量级范围内改善电活性聚合物发电机1804的能量密度。高效率能量传递电路控制输入输出控制变量的复杂过程以使电活性聚合物发电机1804的性能最大化。

在一个实施例中，电活性聚合物发电机1804使用机械输入功率并将其转换成电输出功率。在一个通用的实施例中，基本电活性聚合物发电机循环包括使发电机1804的电活性聚合物元件应变，从而将机械输入转换成弹性应变能，添加少量的电荷以对发电机“播种”，弹性应变的松弛将机械能转换成电能，并最终通过去除电能来完成循环。对电活性聚合物发电机1804的机械输入功率可从固定冲程、固定频率（例如水轮机）变动至可变冲程、可变频率（例如，波浪动力）。情况中的每种的最佳循环可以是一致的（如在水轮机情况下）或连续变化的（如在波浪动力情况下）。为了适应于这些变化，电活性聚合物发电机控制系统评估输入变量并修改输出控制以优化性能。用于控制系统的最小输入变量是发电机应变和发电机电压。最小输出控制变量是发电机充电速率和发电机放电速率。控制系统使用这些控制变量和预定义规则组来优化电活性聚合物发电机的性能。

在图7中所示的实施例中，控制系统1800包括控制器1802，其可包括微处理器或微控制器电路。控制器1802被耦合到充电控制器1806、放电控制器1801以及能量存储元件1808以控制发电机1804的充电速率和放电速率。来自电压监视器1812和应变监视器1814的发电机反馈变量被提供给控制器1802。

在一个实施例中，充电控制器1806是高压、高功率电路，适合于以定义的电荷量（和因此的能量）对电容充电。两个适当布局是能量调节充电电路（如在通过引用并入本文中的美国专利号6,359,420中所述）或恒定电流转换器（回扫，前向等）。由于大多数电活性聚合物发电机将必须针对成本和性能而权衡电极电阻，所以预期电活性聚合物发电机1804的等效串联电阻将是相对高的。为了使充电（和放电）期间的欧姆加热损耗最小化，应使用达最长时间的最低电流量（针对给定的充电量）。充电控制器1806从能量存储元件1808中去除能量，并在循环的最大应变下将其转移至电活性聚合物发电机1804的电介质弹性体膜。根据整个系统的类型，控制电荷、能量或电压（在复杂系统中可能是组合）。

在一个实施例中，能量存储元件1808的配置将取决于控制系统1800的要求。其可以是电容器组（例如，公用事业电网连接情况）或电池组（离开电网的远处地点）或某个组合。能量存储元件1808的主要目的是提供初始籽电能以在每个机械循环开始时对电活性聚合物发电机1804充电。

类似于充电控制器1806，在一个实施例中，放电控制器1810负责当机械循环已达到最小应变时从电活性聚合物发电机1804去除电能。在一个实施例中，回扫转换器可以是最多功能的，因为能够针对全部的三个类型的转换循环（恒定电荷、恒定电压以及恒定场）对其进行控制。还可使用其它转换器布局。在大多数情况下，期望的是在机械循环的拉伸阶段期间在电活性聚合物发电机1804上具有零电压（和零电荷）以使注入弹性体中的机械能的量最大化。控制系统1800电子装置确定放电控制器1810从电活性聚合物发电机1804中去除能量的时间。

在一个实施例中，电压监视器1812是用来确定电活性聚合物发电机1804上的电压的非常高阻抗的电压分压器。带宽应至少是DC至1 kHz，并且阻抗应是高的，以将损耗保持在典型转换循环的1%以下，优选地小于0.1%。

在一个实施例中，无论是固定冲程还是可变冲程，应变监视器1814向控制器1802提供电活性聚合物发电机1804的应变条件。对于固定冲程系统而言，这可以容易地是轴编码器，但是对于可变冲程系统而言，这可能需要是被用来监视电容的电活性聚合物发电机1804内的小区段，并且假设该小区段表示整个电活性聚合物发电机1804应变。在简单系统中，最大应变将发起系统的电气充电循环，并且最小应变将发起系统的电气放电循环。对于可变冲程系统而言，能够使用应变监视器1814来确定要开始转换循环的时间和不开始的时间。例如，如果波浪不够大且电活性聚合物发电机1804可能仅应变10—20%，则控制系统1800将决定不做任何事，稍后，一旦可能发生50%应变，则控制器1802启动转换过程。

如上文所讨论的，基于电活性聚合物的能量收获发电机可具有高电极电阻，不同于采用高度导电电极（或导体）来使损耗最小化的常规发电机。例如，旋转电磁式发电机将铜线或铝线用于导体，因为不存在对柔顺导体的需要。电活性聚合物发电机的高电极电阻通常是由于机械柔顺性的附加电极要求而引起的。电极必须是导电的，而同时是柔顺的，并且因此，在导电性与机械柔顺性之间建立电极设计权衡。高度导电电极（例如，银）是非常硬的，并且不允许太多的机械移动。另一方面，较差导电的电极（例如，印刷导电墨水）是柔顺的且允许机械移动，但是是电阻性的，并且当尝试对电活性聚合物发电机充电或放电时导致电损耗。

结合图8所述的简化电子电路通过在低电极电流下操作而使电极损耗最小化。此简化电活性聚合物发电机电子装置虽然被配置用于高电极电阻，但并未优化完全机械至电转换能力，并且与优化转换器电子装置相比导致更低得多的比能量密度，其通常是对于简单电子装置而言的每克0.04—0.06焦耳对比对于复杂电子装置而言的每克0.4—0.6焦耳。

图8是用于电活性聚合物发电机1904的高效率能量传递电路1900的一个实施例的框图。在图8中，高效率能量传递电路1900包括经由充电转换器电子装置1906和放电转换器电子装置1908被耦合到电活性聚合物发电机1904的控制电子装置1902。使用电流控制信号1912来控制充电转换器电子装置1906和放电转换器电子装置1908。应变测量电子装置1910被耦合到电活性聚合物发电机1904并向控制电子转置1902提供信号。此配置的一个优点是电活性聚合物发电机1904中的电损耗被控制并因此使总体转换效率和性能最大化。

在一个实施例中，本文所述的电活性聚合物发电机1904采用受控电荷转移以在对发电机1904充电或放电时使电极损耗最小化。在各种实施例中，可实现控制电荷转移的几个方法。例如，可采用同步并行转换器以用于充电转换器电子装置1906中的充电，并且可采用连续降压转换器以用于在放电转换器电子装置1908中的放电。在一个实施例中，采用充电和放电转换器电子装置1906、1908中的电子装置和逻辑来使充电或放电电流局限于将电极损耗减小至可接受水平的水平。这种方法提供电极电阻的非预期变化，并且限制其对电系统的操作状态的影响。发电机1904的电容和发电机1904的等效电极电阻两者随机械应变而变化。为了在电活性聚合物发电机1904的充电和放电期间控制电损耗，根据以下标准来限制电流：

                     （1）

根据一个实施例，根据电极电阻来控制具有高电极电阻充电和放电电流的电活性聚合物发电机，或者过多损耗将导致差的总体发电机效率。

多相平衡电活性聚合物发电机

已经以一般方式描述了电活性聚合物发电机及其部件的几个实施例，本公开现在转到具有大于约30%的机械至电转换效率的电活性聚合物发电机的一个实施例。在某些实施例中，能够使用根据各种实施例的技术来实现大于约80%的效率。例如，在一个实施例中，机械至电无功功率效率能够通过以多个阵列来配置电活性发电机的单一元件而超过80%。电活性聚合物发电机的此配置可被称为例如多相发电机。虽然多相（多相位）功率转换的基本概念是用于现代三相电功率分配系统的基础，但是该概念尚未应用于如本文下面所述的电活性聚合物发电机。虽然已描述了电活性聚合物发电机，但存在很少的多相位电活性聚合物发电机的公开。特别地，优化电活性聚合物发电机具有六个相的最低要求，因为仅在一半循环上而不是像电磁式发电机一样在双向上生成电功率。因此，用于电磁式发电机的相的最小最佳数目是三个，并且用于电活性聚合物发电机的相的最小最佳数目是六个。然而，实施例不被限制在此范围中，并且应预期具有两个或更多相的发电机（包括具有超过六个相的发电机）在本公开的范围内。

用于电介质弹性体发电机的平衡多相发电机

在本文所述的电介质弹性体发电机中，弹性体膜被交替地拉伸和松弛而作为将机械功率转换成电功率的工作循环的一部分。使弹性体膜拉伸和松弛所需的机械功率与被转换成电能的功率相比可能是大的。在一个实施例中，储存在膜中的峰值机械能通常比被转换成电的能量更大约十倍。在一个实施例中，通过平衡多相发电机来增加机械至电转换效率，其中，无功机械能分布在弹性元件之间，每个在工作循环中的不同点处，使得储存在系统中的总无源应变能是恒定的。在平衡多相发电机中，系统不具有优选静止位置，并且因此不要求用于平稳操作的沉重飞轮或检验质量。

在一个实施例中，平衡多相发电机可包括传输耦合机构以将旋转运动变换成交替地使多个换能器拉伸和松弛的往复运动，其中每个换能器包括电介质弹性体元件。可将所述多个换能器均匀分布在传输耦合机构的工作循环周围。在一个实施例中，所述多个换能器可包括位于工作循环中的相对点处的第一换能器和第二换能器。在另一实施例中，所述多个换能器可包括六个电介质元件，每个元件位于工作循环中的均匀间隔点处。本领域的技术人员将认识到可使用任何数目的均匀间隔元件。虽然可使用任何数目的均匀间隔电介质元件，但优化电活性聚合物发电机具有六个相的最低要求，因为电功率仅由一半循环而不是像电磁式发电机一样在双向上生成。因此，用于电活性聚合物发电机的相的最小最佳数目是六个。然而，实施例不被限制在此范围中，并且应预期具有两个或更多相的发电机在本公开的范围内。

在一个实施例中，传输耦合机构被配置成耦合到机械能量源并被操作性附着于所述多个换能器。传输耦合机构可响应于作用在传输耦合机构上的机械能量源而循环地使所述多个换能器应变和松弛。传输耦合机构可包括工作循环，其中所述多个换能器围绕传输耦合机构的工作循环均匀分布。例如，如果所述多个换能器包括第一换能器和第二换能器，则可在工作循环中的相对点处配置第一和第二换能器。作为另一示例，如果所述多个换能器包括六个换能器，则可将该六个换能器以六十度的增量围绕工作循环均匀分布。本领域的技术人员将认识到可使用任何数目的换能器的均匀分布。

图9-11图示出平衡多相发电机2500的一个实施例。平衡多相发电机2500包括第一和第二支柱2508a、2508b。第一和第二支柱限定第一和第二轴承2514a、2514b。轴2510纵向地延伸通过第一和第二轴承并在第一末端处包括机械接口2511。第一隔板2514和第二隔板2516被操作性安装到轴2510。第一对吊架2538a和第二对吊架2539b被操作性耦合到形成于第一和第二隔板2514、2516上的接头以在其之间支撑多个发电机元件（未示出）。所述多个发电机元件每个包括至少一个线性电活性聚合物换能器，诸如电介质弹性体发电机模块2520a。该模块由可拉伸电活性聚合物材料制成，并且具体地由电介质弹性体制成，并且在其被拉伸、被用底座电压（base voltage）结籽（seed）、松弛以及放电时将机械功转换成电荷，如上文所讨论的。

第一和第二隔板2514、2516包括被以斜角附着于轴2510的圆盘。第一和第二隔板2514、2516被以对角（opposite angle）安装，使得第一和第二隔板2514、2516形成反转对。随着轴2510旋转，第一和第二隔板2514、2516的边缘描述沿着轴2510的长度振荡的路径，将轴2510的旋转运动转化成第一和第二对吊架2538、2539的往复运动。

随着机械功源向第一和第二隔板2514、2516施加反转运动，发电机元件2520a通过由对应吊板2538、2539施加的力在每个循环内拉伸和松弛。由于每个吊板位于第一和第二隔板2514、2516上的不同点处，所以发电机元件2520在工作循环中的交替点处拉伸和松弛。

图10A和10B图示出在工作循环中的相对点处具有第一电介质弹性体发电机模块2520a和第二电介质弹性体发电机模块2520b的平衡多相发电机2500。隔板以相对的相反角度旋转以使以一半旋转异相的第一和第二电介质弹性体元件2520a、2520b交替地拉伸和松弛。图10A示出了在工作循环中的第一点处的第一和第二电介质弹性体元件2520a、2520b。第一电介质弹性体发电机模块2520a处于工作循环中的最小应变或松弛状态。第二电介质弹性体发电机模块2520b处于工作循环中的最大应变状态。轴2510由通过机械接口2511的机械能旋转，引起第一和第二隔板2514、2516旋转并引起第一和第二电介质弹性体元件2520a、2520b通过工作循环而循环地松弛和拉伸。

图10B图示出在工作循环中的第二点处的平衡多相发电机2500。第一和第二隔板2514、2516已旋转180度。第一电介质弹性体发电机模块2520a处于工作循环中的最大应变状态。第二电介质弹性体发电机模块2520已经松弛至工作循环中的最小应变状态。如本领域的技术人员将认识到的，虽然第一和第二电介质弹性体元件2520a、2520b的应变状态已经相反，但系统中的总无源应变保持恒定。

图11和12图示出平衡多相发电机2500的两个实施例的自由体图。图11图示出轴2510和隔板2516的基本布置的一个实施例。在该基本布置中，第二电介质弹性体发电机模块2520b处于最大应变状态，并且在轴2510上施加比由处于工作循环的松弛状态的第一电介质弹性体发电机模块2520a施加的弯曲力矩2615更大的弯曲力矩2613。第一电介质弹性体发电机模块2520a的弯曲力矩2613和第二电介质弹性体发电机模块2520b的弯曲力矩2615两者通过由隔板角度和半径确定的相同力矩臂d进行作用。因此，处于最大应变状态中的电介质弹性体元件（在这种情况下为第二电介质弹性体发电机模块2520b）在轴上放置比松弛状态下的电介质弹性体元件更大的旋转力。

图12图示出轴2510和偏移隔板2616的一个实施例。偏移隔板2616具有与轴2510的h的偏移。第一电介质弹性体发电机模块2520a具有等于d＋h的弯曲力矩。第二电介质弹性体发电机模块2520b具有等于d－h的弯曲力矩。偏移h平衡该力矩，因为由处于最大应变状态的电介质弹性体元件（在这里为第二电介质弹性体发电机模块2520b）生成的较大力F_max具有较小力矩。随着轴2510旋转，偏移隔板2616绕着轴2510离心地旋转，引起偏移h在F_max的方向上保持偏移。通过使隔板2616偏移，能够减少施加在轴2510上的总旋转力。

图13图示出包括六个换能器元件的平衡多相发电机2700的一个实施例。平衡多相发电机2700包括第一组吊板2738a—f和第二组吊板2739a—f。第一和第二组吊板2738a—f、2739a—f被配置成在其之间支撑换能器元件。示出了第一换能器元件2720a和第二换能器元件2720b。为了明了起见已省略了其它四个换能器元件。该换能器元件包括包含可拉伸电活性聚合材料的电介质弹性体模块，该可拉伸电活性聚合材料包括设置在至少第一和第二电极之间的至少一个电介质弹性体膜层。第一组吊板2738a—f被支撑在形成于第一隔板2714上的多个接头中。第二组吊板2739a—f被支撑在形成于第二隔板2716上的多个接头中。在各种实施例中，所述多个接头可包括球接头、万向接头或任何其它适当接头。第一和第二隔板以相反角度位于轴2510上，例如当第一隔板从垂直轴线偏移30°时，第二隔板从垂直轴线偏移-30°。隔板的相反角度引起换能器随着轴2510旋转而交替地拉伸和松弛。

在一个实施例中，第一和第二隔板2714、2716的工作循环可包括隔板的一个完整旋转（360°）。六个换能器中的每个被附着于来自第一组2738a—f的吊板和来自第二组2739a—f的吊板。例如，可将第一换能器2720a附着于第一吊板2738a和第二吊板2739a。吊板2738a—f、2739a—f以及被支撑在其之间的换能器位于第一和第二隔板的工作循环中的均匀间隔点处。例如，第一换能器2720a、第一吊板2738a和第二吊板2739a可位于第一和第二隔板2714、2716上的0°的指定点处。然后第二换能器和关联吊板可位于工作循环上的60°处，第三换能器位于120°处，第四换能器位于180°处，第五换能器位于240°处，并且第六换能器位于300°处。随着轴2510旋转，第一和第二隔板2714、2716一致地通过工作循环过渡，交替地使六个换能器中的每个拉伸和松弛。在所示实施例中，每个换能器具有位于工作循环中的相对点处的成对换能器。例如，如果第一换能器处于最大应变状态，则与第一换能器180°定位的第二换能器将处于最小应变状态。随着第一换能器过渡至最小应变状态，第二换能器将过渡至最大应变状态，导致系统内的零净力增益。

图14图示出包括正弦凸轮2814的平衡多相发电机2800的实施例。平衡多相发电机2800包括轴2810，其具有包括正弦凸轮2814的传输耦合机构。轴2810通过机械接口2811被耦合到机械能量源。机械能量源可以是机械能的任何适当源，例如，诸如静止或运动中的水、潮汐、波浪、风、太阳或地热等。机械能量源引起轴2810旋转。正弦凸轮2814被固定地附着于轴，使得正弦凸轮2814与轴2810一致地旋转。凸轮轴2816包括第一末端和第二末端且被操作性耦合到正弦凸轮2814。随着正弦凸轮2814由于机械能量源而旋转，正弦凸轮在第一凸轮板2838a和第二凸轮板2838b之间往复。可将第一和第二凸轮板2838a、2838b附着于底座2804。开槽块2824a、2824b形式的安装元件被固定地附着于凸轮轴2816的第一和第二末端。

平衡多相发电机2800还可包括一个或多个安装板2841。安装板2841可沿着纵轴线位于底座2804的末端处并从底座2804垂直地延伸。安装板2841可具有一个或多个安装元件，例如开槽块2824，其被安装成使得每个开槽块2824与凸轮轴2816的安装元件2824轴向地对准。可将包括电介质弹性体模块的换能器固定地附着于位于凸轮轴2816上的开槽块2824和位于安装板2841上的开槽块2825。随着正弦齿轮旋转，凸轮轴2816在第一和第二凸轮板2838a、2838b之间往复，引起电介质弹性体模块交替地拉伸和松弛。将电介质弹性体发电机模块2820附着于凸轮轴的任一侧允许轴在正弦凸轮2814的一个工作循环期间操作两个电介质弹性体发电机模块2820。在一个实施例中，平衡多相发电机2800可包括六个凸轮轴2816、两个安装板2841以及位于凸轮轴2816与安装板2841之间的十二个电介质弹性体发电机模块2820。

值得注意的是对“一个实施例”或“实施例”的任何参考意味着在至少一个实施例中包括结合该实施例所述的特定特征、结构和特性。本说明书中的短语“在一个实施例中”或“在一个方面”的出现不一定全部指的是同一实施例。

值得注意的是可使用措辞“耦合”和“连接”以及其衍生词来描述某些实施例。这些术语并不意图作为彼此的同义词。例如，可使用术语“连接”和/或“耦合”来描述某些实施例以指示两个或更多元件相互进行直接物理或电接触。然而，术语“耦合”还可以意指两个或更多元件并未互相直接接触，但是仍相互合作或交互。

将认识到的是本领域的技术人员将能够设计各种布置，其虽然在本文中并未明确地描述或示出，但体现本公开的原理并被包括在其范围内。此外，本文记载的所有示例和条件语言主要意图帮助读者理解在本公开中所述的原理和对促进本领域有贡献的概念，并且应将其解释为并不限于此具体记载的示例和条件。此外，在本文中记载原理、实施例和实施例以及其特定示例的所有声明意图涵盖其结构和功能等效物两者。另外，意图在于此等效物包括当前已知等效物和未来开发等效物两者，即执行相同功能的开发的任何元件，而无论结构如何。因此，本公开的范围并不意图限制于示例性实施例和在本文中所示和所述的实施例。更确切地说，由所附权利要求来体现本公开的范围。

应将在本公开的上下文中（尤其是以下权利要求的上下文中）使用的术语“一”、“一个”和“该”及类似对象解释为涵盖单数和复数两者，除非本文中另外指明或与上下文明显冲突。本文中的值的范围的记载仅仅意图用作单独地参考落在范围内的每个单独的值的速记方法。除非在本文中另外指示，每个单独的值被并入到本说明书中，如同其在本文中单独地记载一样。可以以任何适当顺序来执行本文所述的所有方法，除非在本文中另外指示或另外与上下文明显冲突。在本文中提供的任何和所有示例或示例性语言（例如，“诸如”、“在该情况下”、“作为示例”）的使用仅仅意图更好地举例说明本发明，并且并不对另外要求保护的本发明的范围造成限制。不应将本说明书中的语言解释为将任何未要求保护的元素指示为对于本发明的实施而言必不可少。还应注意的是可将权利要求起草为排除任何可选元件。因此，本声明意图用作先行基础，供与权利要求元素的记载相结合的如单独地、仅仅等这样的排它性术语的使用或否定限制的使用。

不应将本文中公开的替换元件或实施例的分组解释为限制。可单独地或与组的其它构件或在本文中找到的其它元素的任何组合的方式来参考并要求保护每个组构件。可预期的是可出于方便和/或可专利性的原因在组中包括或从其删除组中的一个或多个构件。

虽然如上所述已举例说明了实施例的某些特征，但是本领域技术人员现在将想到许多修改、替换、变更以及等价物。因此应理解的是所附权利要求意图覆盖如落在公开实施例和所附权利要求范围内的所有这样的修改和变更。

Claims (21)

1.一种被配置成将来自机械能量源的能量转换成电能的平衡多相能量转换装置，该能量转换装置包括：

多个换能器，所述多个换能器中的每个包括电介质弹性体模块，该电介质弹性体模块包括设置在至少第一和第二电极之间的至少一个电介质弹性体膜层；以及

传输耦合机构，被配置成耦合到机械能量源并被操作性附着于所述多个换能器以响应于作用在传输耦合机构上的机械能而循环地使所述多个换能器应变和松弛，传输耦合机构包括工作循环，其中，所述多个换能器在工作循环中的均匀分布点处，使得总无源应变能是恒定的。

2.根据权利要求1所述的平衡多相能量转换装置，其中：

所述多个换能器包括第一换能器和第二换能器；以及

其中，所述第一和第二换能器被配置在工作循环中的相对点处。

3.根据权利要求2所述的平衡多相能量转换装置，其中：

所述多个换能器包括第三换能器、第四换能器、第五换能器和第六换能器；以及

其中，所述第一、第二、第三、第四、第五和第六换能器均匀分布在工作循环周围。

4.根据权利要求3所述的平衡多相能量转换装置，其中，存在均匀分布在具有前六个换能器的工作循环周围的至少一个附加换能器对。

5.根据权利要求1—3中的任一项所述的平衡多相能量转换装置，其中，所述传输耦合机构将旋转运动变换成往复运动。

6.根据权利要求5所述的平衡多相能量转换装置，其中，所述传输耦合机构包括一对相反的反转发电机元件。

7.根据权利要求6所述的平衡多相能量转换装置，其中，所述传输耦合包括：

轴；

其中，该对相反的反转发电机元件包括第一隔板和第二隔板，该第一和第二隔板限定在其上面形成的一个或多个接头，该第一和第二隔板被操作性耦合到轴。

8.根据权利要求7所述的平衡多相能量转换装置，其中，所述第一和第二隔板从轴心线偏移。

9.根据权利要求7所述的平衡多相能量转换装置，包括：

第一吊板，具有被操作性耦合到第一隔板中的第一接头的第一末端；

第二吊板，具有被操作性耦合到第二隔板中的第一接头的第一末端；

其中，所述第一和第二吊板被耦合到所述第一换能器并被操作性耦合到位于相应的第一和第二隔板上的第一接头；

第三吊板，具有被操作性耦合到第一隔板中的第二接头的第一末端；

第四吊板，具有被操作性耦合到第二隔板中的第二接头的第一末端；以及

其中，所述第三和第四吊板被耦合到所述第二换能器并被操作性耦合到位于相应第一和第二隔板上的第二接头。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的平衡多相能量转换装置，其中，所述一个或多个接头包括球接头。

11.根据权利要求7至9中的任一项所述的平衡多相能量转换装置，其中，所述一个或多个接头包括万向接头。

12.根据权利要求5所述的平衡多相能量转换装置，其中，所述传输耦合机构包括正弦凸轮。

13.根据权利要求12所述的平衡多相能量转换装置，其中，所述正弦凸轮包括：

第一轴板和第二轴板，所述第一轴板包括第一多个孔，第二轴板包括第二多个孔；

包括第一末端和第二末端的至少一个凸轮轴，所述至少一个凸轮轴操作性定位于第一和第二轴板之间，其中，所述至少一个凸轮轴延伸通过第一多个孔中的一个和第二多个孔中的一个。

14.根据权利要求13所述的平衡多相能量转换装置，包括：

第一安装元件，位于所述至少一个凸轮轴的第一末端上，以及

第一安装块，其中，所述第一换能器被耦合在第一安装元件与第一安装块之间。

15.根据权利要求14所述的平衡多相能量转换装置，包括：

第二安装元件，位于所述至少一个凸轮轴的第二末端上；

第二安装块，其中，所述第二换能器被耦合在第二安装元件与第二安装块之间。

16.根据权利要求1至15中的任一项所述的平衡多相能量转换装置，包括：

调节电路，被耦合到所述至少第一和第二电极并被配置成当电介质弹性体膜处于应变状态时向电介质弹性体膜施加电荷，在电介质弹性体膜从应变状态过渡至松弛状态时与电介质弹性体膜断开连接，并在电介质弹性体膜达到松弛状态时从电介质弹性体膜中去除电荷。

17.根据权利要求1至16中的任一项所述的平衡多相能量转换装置，其中，所述电介质弹性体模块包括在多个框架元件之间分层的多个电介质弹性体膜元件和形成于每个层上的多个电极。

18.根据权利要求17所述的平衡多相能量转换装置，包括位于框架元件中的至少一个上以将调节电路耦合到所述多个电极的总线电极。

19.一种由机械能量源生成平衡多相能量的方法，该方法包括：

在工作循环中的相对点处布置第一电介质弹性体膜和第二电介质弹性体膜；

使用机械能量源使第一和第二电介质弹性体膜交替地应变和松弛至工作循环的预定最大应变，使得总无源应变能保持恒定；

由应变控制器来监视第一或第二电介质弹性体膜达到工作循环的预定最大应变的时间；

由充电控制器在第一和第二电介质弹性体膜达到工作循环的最大应变时将电荷转移至第一和第二电介质弹性体膜；

由充电控制器在第一和第二电介质弹性体达到工作循环的预定最小应变时去除第一和第二电介质弹性体上的电荷。

20.根据权利要求19所述的方法，包括：

由充电控制器从能量存储元件中去除电荷；以及

当第一和第二电介质弹性体膜达到工作循环的最大应变时，将从能量存储元件中去除的电荷转移至第一和第二电介质弹性体膜。

21.根据权利要求20所述的方法，包括：

由电压监视器或应变监视器中的至少一个来确定第一和第二电介质弹性体膜上的电压或应变状态中的至少一个；以及

将电压或应变测量结果中的至少一个提供给控制器。