CN112583298A - 旋转式能量采集装置和发电机 - Google Patents

Abstract

一种旋转式能量采集装置和发电机，旋转式能量采集装置包括转轴、凸轮、运动组件、功能组件、介电弹性体、第一柔性电极和第二柔性电极，第一柔性电极和第二柔性电极设置在介电弹性体上并形成电容器，功能组件与第一柔性电极和第二柔性电极电连接，运动组件与凸轮连接，运动组件与第一柔性电极和/或介电弹性体连接，转轴与凸轮连接并用于带动凸轮转动，以使运动组件往复移动，使得介电弹性体、第一柔性电极和第二柔性电极发生周期性形变，电容器的电容发生周期性变化而产生电能。通过运动组件将凸轮的旋转运动转化为往复直线运动，以使得电容器发生周期性形变，电容器的电容发生周期性变化而产生电能，从而实现对旋转运动的能量的收集。

Description

旋转式能量采集装置和发电机

技术领域

本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种旋转式能量采集装置和具有该旋转式能量采集装置的发电机。

背景技术

介电弹性体是一种具备弹性变形能力的电介质薄膜材料，具有能量密度大、变形范围大、价格低及机电转换效率高等优点。在介电弹性体薄膜上下表面涂覆柔性电极，可制备出弹性可变电容。在电压输入条件下，外部激励引起薄膜形变并使电容发生连续变化，从而实现机械能向电能的转化。

目前的介电弹性体能量采集装置应用场景较少，只适用于振动或直线运动的能量收集，无法应用于旋转运动的能量的收集，因此如何利用介电弹性体提供一种能够收集旋转运动的能量采集装置成为了关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转式能量采集装置，能够利用介电弹性体形成的电容器对旋转运动的能量进行收集。

为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种旋转式能量采集装置，旋转式能量采集装置包括转轴、凸轮、运动组件、功能组件、介电弹性体、第一柔性电极和第二柔性电极，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极设置在所述介电弹性体上并形成电容器，所述功能组件与所述第一柔性电极和所述第二柔性电极电连接，所述运动组件与所述凸轮连接，所述运动组件与所述第一柔性电极和/或所述介电弹性体连接，所述转轴与所述凸轮连接并用于带动所述凸轮转动，以使所述运动组件往复移动，使得所述介电弹性体、所述第一柔性电极和所述第二柔性电极发生周期性形变，所述电容器的电容发生周期性变化而产生电能。

一种实施方式中，所述功能组件包括线圈和磁性件，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极均与所述线圈电连接，所述线圈套设在所述转轴上并跟随所述转轴转动，所述磁性件设置在所述线圈背向所述转轴的一侧，并与所述线圈具有间隔距离；当所述转轴带动所述线圈转动时，所述线圈切割所述磁性件产生的磁场，以产生感应电动势，使所述第一柔性电极和所述第二柔性电极之间具有电压。

一种实施方式中，所述旋转式能量采集装置还包括壳体，所述凸轮和所述线圈均位于所述壳体内，所述磁性件设于所述壳体的内壁并位于所述线圈的相对两侧。

一种实施方式中，所述旋转式能量采集装置还包括环形夹片，所述介电弹性体设于所述壳体外，所述环形夹片设于所述介电弹性体的第二柔性电极的边缘，并将所述第二柔性电极、所述介电弹性体和所述第一柔性电极固定在所述壳体上。

一种实施方式中，所述运动组件包括设于所述壳体和所述第一柔性电极之间的第一固定件，所述第一固定件包括与所述第一柔性电极连接的连接面，所述连接面包括中部和环绕所述中部的边缘部；当所述介电弹性体、所述第一柔性电极和所述第二柔性电极未发生形变时，所述边缘部与所述第一柔性电极的距离大于所述中部与所述第一柔性电极的距离。

一种实施方式中，所述边缘部为弧面。

一种实施方式中，所述运动组件还包括第二固定件和第三固定件，所述第二固定件设于所述第二柔性电极，所述第三固定件的一端与所述第二固定件连接，另一端穿过所述介电弹性体并与所述第一固定件连接。

一种实施方式中，所述运动组件包括顶杆和弹性件，所述顶杆与所述壳体滑动连接，所述弹性件设于所述顶杆和所述壳体之间，以使所述顶杆在远离所述凸轮移动时，受到所述弹性件压缩产生的弹力。

一种实施方式中，所述运动组件还包括滚轮和滚轮支架，所述滚轮支架与所述顶杆连接，所述滚轮设置在所述滚轮支架上，并与所述凸轮滚动连接。

第二方面，本发明还提供了一种发电机，发电机包括转动件和第一方面任一项实施方式所述的旋转式能量采集装置，所述转动件设置在所述旋转式能量采集装置的转轴上，所述转动件用于将外界的介质流动转化为转矩，以带动所述转轴旋转。

通过在介电弹性体上设置第一柔性电极和第二柔性电极以形成电容器，运动组件将凸轮的旋转运动转化为往复直线运动，以使得介电弹性体、第一柔性电极和第二柔性电极发生周期性形变，电容器的电容发生周期性变化而产生电能，从而实现对旋转运动的能量的收集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的旋转式能量采集装置的正视结构示意图；

图2为图1的旋转式能量采集装置的正视方向的剖视结构示意图；

图3为图1的旋转式能量采集装置的俯视方向的剖视结构示意图；

图4为图2的第一固定件的正视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供了一种旋转式能量采集装置100，旋转式能量采集装置100用于将旋转激励转换成电能，其中旋转激励可以由潮汐能、风能、水能等形式的能量提供。旋转式能量采集装置100包括转轴10、凸轮20、运动组件30、介电弹性体40、第一柔性电极50、第二柔性电极60和功能组件70。第一柔性电极50和第二柔性电极60设置在介电弹性体40上并形成电容器。功能组件70与第一柔性电极50和第二柔性电极60电连接。运动组件30与凸轮20连接，运动组件30与第一柔性电极50和/或介电弹性体40连接。转轴10与凸轮20连接并用于带动凸轮20转动，以使运动组件30往复移动，使得介电弹性体40、第一柔性电极50和第二柔性电极60发生周期性形变，电容器的电容发生周期性变化而产生电能。

具体的，介电弹性体40可选为硅橡胶、聚氨酯、丙烯酸等材料及复合材料，为了便于形变，介电弹性体40为呈薄膜状，在介电弹性体40的一侧涂覆柔性电极材料而形成第一柔性电极50，在介电弹性体40的另一侧涂覆柔性电极材料而形成背向第一柔性电极50的第二柔性电极60。如此，由于介电弹性体40具有较高的介电常数，使得介电弹性体40及其两侧的第一柔性电极50和第二柔性电极60形成了具有较大电容且电容可变的电容器。转轴10用于与旋转叶片等旋转件连接，以将旋转激励传递至凸轮20，并带动凸轮20旋转。凸轮20的外周具有设计轮廓，使得运动组件30沿着凸轮20的外周的轮廓，以一定的规律往复运动(朝向电容器/远离电容器)，并推拉电容器，使得电容器周期性的形变。其中，运动组件30可以仅与第一柔性电极50连接，也可以仅与介电弹性体40连接，还可以同时与介电弹性体40和第一柔性电极50连接，第一柔性电极50可以位于介电弹性体40背向运动组件30的一侧，也可以位于介电弹性体40朝向运动组件30的一侧。

通过在介电弹性体40上设置第一柔性电极50和第二柔性电极60以形成电容器，运动组件30将凸轮20的旋转运动转化为往复直线运动，以使得介电弹性体40、第一柔性电极50和第二柔性电极60发生周期性形变，电容器的电容发生周期性变化而产生电能，从而实现对旋转运动的能量的收集。

可以理解的是，电容器的形变过程中体积V不变，介电弹性体40的膜厚h＝V/A(其中A为介电弹性体40一侧的表面积)，电容C＝ε₀εA/h＝ε₀εA²/V(其中ε₀为真空中的绝对介电常数，ε为介电弹性体40的介电常数)，可见电容C与介电弹性体40的一侧的表面积的平方A²呈正比。本实施例中，通过凸轮20的外周轮廓设计，使得运动组件30在凸轮20旋转一周内进行了多组往复运动(本实施例为4次)，在运动组件30作用下，电容器会被撑开—回复变形—再被撑开—再回复变形等，其中，电容器回复变形这个过程中由于A的减小，电容C随之减少，使得电容器放电，因此可视为电容器间歇性地产生电能。如此设置，当外界激励转轴10带动凸轮20旋转一周，电容器实现多次放电，大大提高了电能的输出效率。

本实施例中，在凸轮20的相对两侧均设有运动组件30和电容器，使得两个电容器可以同时将旋转机械能转化为电能，进一步提高了电能的输出效率。在其他实施例中，还可以设置三个、四个等更多个电容器，以提升电能的输出效率。

一种实施方式中，请参阅图3，功能组件70包括线圈71和磁性件72。第一柔性电极50和第二柔性电极60均与线圈71电连接。线圈71套设在转轴10上并跟随转轴10转动，磁性件72设置在线圈71背向转轴10的一侧，并与线圈71具有间隔距离。

当转轴10带动线圈71转动时，线圈71切割磁性件72产生的磁场，以产生感应电动势，使第一柔性电极50和第二柔性电极60之间具有电压。

具体的，线圈71设置在凸轮20的相对两侧，并与凸轮20同步旋转。线圈71可固定在转轴10上，或者固定在凸轮20上以实现与凸轮20同步转动。在其他实施例中，线圈71可仅设置在凸轮20的一侧。线圈71产生的感应电动势，可以直接施加在第一柔性电极50和第二柔性电极60上，也可以通过自充电电路等结构间接地施加在第一柔性电极50和第二柔性电极60上。通过设置线圈71和磁性件72，线圈71跟随转轴10转动的同时，相对磁性件72转动，以切割磁性件72产生的磁场从而产生电能，以提高旋转运动的能量的采集效率。本实施例中，在线圈71和电容器之间加入了自充电电路，线圈71产生的电能中，部分储存起来，另一部分提供给自充电电路，自充电电路可以将该部分电能储存起来，以在电容器需要时向电容器提供，以便于电容器能够顺利采集旋转运动的能量，从而实现无源化。相对于现有技术通常采用外设电源为电容器供电的方案，本实施方式利用线圈71和磁性件72产生电能为电容器供电，从而无需外设电源。同时，加入了自充电电路，有利于实现无源化。

可以理解的是，本实施例的介电-电磁复合式的旋转式能量采集装置100，相对于现有技术中外设电源的能量采集装置，在能够实现旋转运动的能量的采集的前提下，不仅简化了装置结构，还通过电容器和功能组件70的配合使用，较大程度地提高了对旋转运动的能量的采集效率(即电能的输出效率)。

一种实施方式中，请参阅图2和图3，旋转式能量采集装置100还包括壳体80。凸轮20和线圈71均位于壳体80内，磁性件72设于壳体80的内壁并位于线圈71的相对两侧。通过设置壳体80，将凸轮20和线圈71均设置在壳体80内，一方面能够将内部零件与外界分隔开，避免采集能量过程中受到外界环境的影响，另一方面以便于安装磁性件72，使得线圈71能够相对磁性件72转动。

具体的，磁性件72固定在壳体80的内壁上。转轴10与壳体80转动连接，运动组件30与壳体80滑动连接，部分运动组件30位于壳体80内，部分伸出壳体80外与电容器连接。

一种实施方式中，请参阅图2，旋转式能量采集装置100还包括环形夹片90。介电弹性体40设于壳体80外。环形夹片90设于介电弹性体40的第二柔性电极60的边缘，并将第二柔性电极60、介电弹性体40和第一柔性电极50固定在壳体80上。具体的，环形夹片90的外轮廓与介电弹性体40的外轮廓相同。本实施例中，环形夹片90呈圆环状，介电弹性体40呈圆形薄膜，且环形夹片90的外径与介电弹性体40的外径相等。优选的，壳体80具有外轮廓为圆柱面的端部81，环形夹片90将电容器固定在该端部81上，且介电弹性体40、环形夹片90和该端部81的外径均相等。端部81具有凹槽，以便于运动组件30从端部81伸出并与电容器连接。通过设置环形夹片90，以便于将电容器固定在壳体80上，且较大程度上简化了壳内结构。

一种实施方式中，请参阅图2，运动组件30包括设于壳体80和第一柔性电极50之间的第一固定件31。第一固定件31包括与第一柔性电极50连接的连接面311。连接面311包括中部3111和环绕中部3111的边缘部3112。当介电弹性体40、第一柔性电极50和第二柔性电极60未发生形变时，边缘部3112与第一柔性电极50的距离大于中部3111与第一柔性电极50的距离。通过设置连接面311的边缘部3112与第一柔性电极50的距离大于中部3111与第一柔性电极50的距离，既能提高介电弹性体40在同等形变下电容器的电容的相对变化，从而提高电容器的能量输出密度。

一种实施方式中，请参阅图4，边缘部3112为弧面。通过将边缘部3112设置为弧面，在介电弹性体40形变的过程中，能够保证介电弹性体40在形变过程中，第一柔性电极50与第一固定件31平滑接触，从而提高电容器的使用寿命，以及有利于提高发电机的使用寿命。

一种实施方式中，请参阅图3，运动组件30还包括第二固定件32和第三固定件33。第二固定件32设于第二柔性电极60，第三固定件33的一端与第二固定件32连接，另一端穿过介电弹性体40并与第一固定件31连接。具体的，第三固定件33可以为螺钉、螺栓和销钉等。通过设置第二固定件32和第三固定件33，使得第一固定件31和第三固定件33夹住电容器而与电容器固定，以便于运动组件30通过往复运动推拉电容器使得电容器发生形变。

一种实施方式中，请参阅图3，运动组件30包括顶杆34和弹性件35，顶杆34与壳体80滑动连接。弹性件35设于顶杆34和壳体80之间，以使顶杆34在远离凸轮20移动时，受到弹性件35压缩产生的弹力。具体的，弹性件35优选为弹簧。顶杆34背向弹性件35的一端通过第三固定件33依次与第一固定件31和第二固定件32连接固定。壳体80开设有阶梯孔101，顶杆34通过阶梯孔101伸出壳体80。阶梯孔101包括相连的前段1011和后段1012，前段1011位于靠近电容器的一侧，弹性件35位于后段1012。前段1011的孔径略大于顶杆34的外径，后段1012的孔径略大于弹性件35的外径。顶杆34远离电容器的一端的外径大于顶杆34靠近电容器的一端的外径，并小于后段1012的孔径，以使顶杆34能够顺利相对壳体80滑动。通过设置弹性件35和顶杆34，弹性件35设于顶杆34和弹性件35之间，弹性件35可以向顶杆34施加朝向凸轮20的弹力，使得顶杆34带动电容器加速恢复形变，有利于提高电能输出效率。同时，弹力还可使得顶杆34抵持凸轮20，能够保证顶杆34和凸轮20的良好接触，有利于顶杆34平稳快速的往复运动。

一种实施方式中，请参阅图3，运动组件30还包括滚轮支架36和滚轮37。滚轮支架36与顶杆34连接，滚轮37设置在滚轮支架36上，并与凸轮20滚动连接。具体的，滚轮支架36固定在顶杆34上，滚轮37套设在滚轮支架36上，并与滚轮支架36滑动连接。通过设置滚轮37和滚轮支架36，滚轮37与凸轮20滚动连接，相对于滑动连接，减小了摩擦力，提高了能量利用率。而且，还有利于提高使用寿命。

请参阅图1和图2，本发明实施例还提供了一种发电机，发电机应用于将潮汐能、水能、风能等能量转化为电能。发电机包括转动件和本发明提供的旋转式能量采集装置100。转动件(未图示)设置在旋转式能量采集装置100的转轴10上，转动件用于将外界的介质流动转化为转矩，以带动转轴10旋转。具体的，转动件优选为叶片，以便于转动件能够将潮汐能、水能、风能等能量转化为转矩，带动转轴10旋转。通过在发电机中加入本发明提供的旋转式能量采集装置100，发电机能够利用介电弹性体40形成的电容器对旋转运动的能量进行收集，且相对于现有结构，具有更高的电能输出效率、更高的能量转化率以及更高的稳定性。同时，由于无需外设电源，结构更为简单。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种旋转式能量采集装置，其特征在于，包括转轴、凸轮、运动组件、功能组件、介电弹性体、第一柔性电极和第二柔性电极，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极设置在所述介电弹性体上并形成电容器，所述功能组件与所述第一柔性电极和所述第二柔性电极电连接，所述运动组件与所述凸轮连接，所述运动组件与所述第一柔性电极和/或所述介电弹性体连接，所述转轴与所述凸轮连接并用于带动所述凸轮转动，以使所述运动组件往复移动，使得所述介电弹性体、所述第一柔性电极和所述第二柔性电极发生周期性形变，所述电容器的电容发生周期性变化而产生电能。

2.如权利要求1所述的旋转式能量采集装置，其特征在于，所述功能组件包括线圈和磁性件，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极均与所述线圈电连接，所述线圈套设在所述转轴上并跟随所述转轴转动，所述磁性件设置在所述线圈背向所述转轴的一侧，并与所述线圈具有间隔距离；

当所述转轴带动所述线圈转动时，所述线圈切割所述磁性件产生的磁场，以产生感应电动势，使所述第一柔性电极和所述第二柔性电极之间具有电压。

3.如权利要求2所述的旋转式能量采集装置，其特征在于，所述旋转式能量采集装置还包括壳体，所述凸轮和所述线圈均位于所述壳体内，所述磁性件设于所述壳体的内壁并位于所述线圈的相对两侧。

4.如权利要求3所述的旋转式能量采集装置，其特征在于，所述旋转式能量采集装置还包括环形夹片，所述介电弹性体设于所述壳体外，所述环形夹片设于所述介电弹性体的第二柔性电极的边缘，并将所述第二柔性电极、所述介电弹性体和所述第一柔性电极固定在所述壳体上。

5.如权利要求3所述的旋转式能量采集装置，其特征在于，所述运动组件包括设于所述壳体和所述第一柔性电极之间的第一固定件，所述第一固定件包括与所述第一柔性电极连接的连接面，所述连接面包括中部和环绕所述中部的边缘部；当所述介电弹性体、所述第一柔性电极和所述第二柔性电极未发生形变时，所述边缘部与所述第一柔性电极的距离大于所述中部与所述第一柔性电极的距离。

6.如权利要求5所述的旋转式能量采集装置，其特征在于，所述边缘部为弧面。

7.如权利要求5所述的旋转式能量采集装置，其特征在于，所述运动组件还包括第二固定件和第三固定件，所述第二固定件设于所述第二柔性电极，所述第三固定件的一端与所述第二固定件连接，另一端穿过所述介电弹性体并与所述第一固定件连接。

8.如权利要求5所述的旋转式能量采集装置，其特征在于，所述运动组件包括顶杆和弹性件，所述顶杆与所述壳体滑动连接，所述弹性件设于所述顶杆和所述壳体之间，以使所述顶杆在远离所述凸轮移动时，受到所述弹性件压缩产生的弹力。

9.如权利要求8所述的旋转式能量采集装置，其特征在于，所述运动组件还包括滚轮和滚轮支架，所述滚轮支架与所述顶杆连接，所述滚轮设置在所述滚轮支架上，并与所述凸轮滚动连接。

10.一种发电机，其特征在于，包括转动件和如权利要求1至9任一项所述的旋转式能量采集装置，所述转动件设置在所述旋转式能量采集装置的转轴上，所述转动件用于将外界的介质流动转化为转矩，以带动所述转轴旋转。

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