介电型电活性聚合物的发电特性研究

介电型电活性聚合物(Dielectric electroactive polymer,简称DEAP)作为一种新型智能材料,可与风力、水力结合作为一种新型的电能获取形式,将机械能转换为电能。分析DEAP发电机理、发电过程,比较恒电荷、恒电压、恒电场三种工作形式,确定选择恒电荷工作形式。讨论DEAP薄膜的发电机理和工作过程,分析了DEAP换能器的能量转换关系。基于建立的换能器模型,计算出一个工作循环换能器的发电量、输入的机械功和机电能量转换效率,同时确定初始电压、拉伸位移是影响发电量、能量转换效率的主要因素。并对此进行试验研究,试验结果验证了理论分析的准确性。     

介电弹性体发电机机电转换的非线性方法研究

针对介电弹性体(DEG)研究中存在的"效率"瓶颈问题,对DEG机电能量转换方法进行了研究,提出了一种非线性DEG机电能量转换方法,并通过分析其基本机理,建立了非线性方法的理论模型和Matlab/Simulink仿真模型,对负载电阻值及翻转品质因子对机电转换效率的影响进行仿真。通过优化材料、机械传动结构、电路各元件参数配置及开关通断时间,提高了翻转品质因子Q,减少了电容电感串联形成电压翻转而造成的能量损失,进一步提高了机电效率。研究结果表明,通过对标准机电转换方法和非线性机电转换方法的比较,由于非线性转换环节的作用,使DEG两端电压的振幅大幅度提升,沿电压轴方向扩展了能量环,从而使DEG机电转换效率提高2.5倍;该研究结果对DEG的深入研究具有重要的意义。     

介电弹性体线性驱动器研究

为满足未来机电系统对新型驱动器的需求,研究菱形介电弹性体线性驱动器。在分析驱动器工作原理的基础上,通过驱动器力—位移曲线和预载荷关系的分析,确定弹性预载荷元件。驱动器通电后能迅速响应,线性位移达到21 mm,弹性体面积变化率达到98%;驱动器失电后能迅速退回,最终退回到初始位置。通过试验分析电压和负载对驱动器的影响,试验表明：驱动器输出位移取决于电压;负载在驱动器输出力范围内对输出位移影响不大,但会影响其运动速度。并根据驱动器的特点,指出驱动器的应用范围。     

DEAP换能器的能量转换研究

DEAP是一种介电型电活性聚合物,具有能量密度高、应变大等优点。利用DEAP膜设计实现了一圆环形换能器,研究分析了换能器一个工作循环内的能量转换,最后利用Abaqus有限元软件分析了换能器工作循环过程。结果表明:在偏置电压为1 500 V时输入的机械能为40.75 mJ,转换得到的电能为7.03 mJ,机械能转换效率为17.3%。     

能量回馈型超声波电动机振动能量采集系统分析

针对能量回馈型超声波电动机振动能量采集系统,建立了其等效电路模型,给出了系统能量流图,分析了不同接口拓扑电路下的系统能量组成,建立了系统电荷-电压轨迹图,定量分析系统采集能量、损耗能量以及提取能量,数值分析了拓扑电路整流电压系数、二极管导通压降、电压翻转系数及机电耦合系数等对采集能量、损耗能量及提取能量的影响,试验验证了数值分析结果的正确性。研究结果表明机电耦合系数越大、开关电路电压翻转系数和二极管导通压降越小,越有利于提高能量采集系统的输出性能。     

球壳形介电弹性体驱动器电致应变特性分析

介电弹性体是电场型电活性聚合物的一种,能够在外加电场的作用下,通过材料内部结构的改变发生伸缩、弯曲、束紧或膨胀等变形,人为控制电压的大小,精确控制变形.基于Neo-Hookean应变能模型,采用ABAQUS有限元软件,开展了材质为丙烯酸聚合物的球壳形介电弹性体驱动器在机电载荷作用下的力学性能有限元模拟,分别分析了无机械预拉伸和有机械预拉伸条件下电致应变特性,进行了球壳形介电弹性体驱动器机电耦合特性的有限元仿真分析,为球壳状介电弹性体驱动器的力电特性、变形失效、稳定性的进一步研究提供了一定的理论依据.     

介电弹性体材料研究现状综述

针对目前介电弹性体材料的相关研究进展及存在的问题,在分析介电弹性体特性的基础上,根据其不同种类,研究了硅橡胶、聚氨酯、丙烯酸等材料及复合材料的性质及制备方法;根据介电弹性体的不同用途,分析了近些年其在发电、仿生学、生物医学、光学器件、微系统、航天航空方面的具体应用及其未来发展趋势,并总结了介电弹性体在未来应用中存在薄膜制备、柔性电极材料覆盖绝缘、偏置高压电源限制、降低能量损耗和提高机电转换效率等相关问题,针对这些问题提出了相应的建议及未来发展思路。研究结果表明,介电弹性体具有很广阔的应用前景,但是目前还存在很多技术难点,在弹性体基体材料构成、柔性电极材料优化、自偏置发电、效率优化等方面还要进行更为深入的研究。     

介电型电活性聚合物圆柱驱动器特性

介电型电活性聚合物(Electroactive polymer, EAP)驱动器的动、静态特性是其合理使用及优化设计的重要依据。构建圆柱形驱动器几何模型描述其几何变形,结合EAP膜机电耦合方程推导驱动器轴向线性运动的动力学方程。驱动器的电压-位移数值计算结果显示内外层EAP膜柔性电极涂覆方式会影响驱动器位移。基于驱动器的电压位移关系,对其主要失效形式进行讨论。将基于neo-Hookean弹簧的1个时间常数黏弹性模型修正为具有2个时间常数的模型,并将2种模型运用于阶跃和周期电压激励下的驱动器动态响应研究。理论计算与试验结果的对比分析表明,2个时间常数的黏弹性模型对驱动器的动态位移描述更为准确。在周期激励电压下,提高频率会显著减小驱动器位移幅值,驱动器的“激励死区”会减小其振动中心偏移及振动幅度。     

自供电式汽车磁流变减振器特性研究*

针对现有磁流变减振器自供电装置结构复杂、机电转换效率低能等问题,提出一种运用滚珠丝杠驱动的盘式永磁发电机的能量采集器。介绍盘式永磁发电机的结构和原理;运用software Maxwell 3D软件分析发电机气隙磁密,理论计算出发电机基本机电能量转换关系;建立了盘式发电机的电磁有限元模型,用仿真软件对所设计的电机空载负载输出电压进行研究;制作了样机,对盘式永磁发电机分别进行定转速激励和正弦激励测试其机电转换性能;研究带有能量采集器的磁流变减振器在正弦激励下阻尼力特性。试验结果表明该盘式永磁电机能够为磁流变减振器提供所需的电能。     

基于介电弹性体的旋转步进柔性驱动器

为了适应未来小型自动化机器的驱动需求,设计并实现了一种基于单层介电弹性体薄膜的旋转步进柔性驱动器。相对于传统双轴拉伸装置,自制的八爪拉伸装置使介电弹性体薄膜的预拉伸更均匀。测试了不同预拉伸量下介电弹性体驱动器的最大形变量,确定了制作驱动单元所需的介电弹性体薄膜最佳的预拉伸量。最终通过合理的设计将棘轮机构和驱动单元相结合实现了旋转步进柔性驱动。由于介电弹性体驱动器存在迟滞现象,导致驱动器的步进频率会随着负载质量的增大而减小。通过调节驱动信号的频率,可以改变驱动器的负载能力及步进频率。试验结果表明,当驱动电压为4.53 kV,空载时驱动器步进频率最高可达2.3 Hz;负载时,最大负载为263 g,即峰值扭矩为13.15 mN·m,此时步进频率降至0.22 Hz。     

电活性聚合物微型发电机

通过实验分析了电活性聚合物在静电场中将机械能转换为电能的内部机理,研究了电活性聚合物发电原理,定量分析了电活性聚合物产生的电能。运用非线性连续介质力学理论,分析了Yeoh模型、Mooney-Rivlin模型和Ogden模型的不同应变能函数,建立了电活性聚合物变形特性的数学模型。讨论了电活性聚合物在不同状态下的力学特性,构建了能量收集方程及运动学方程。最后,基于电活性聚合物发电原理,采用丹佛斯生产的电活性聚合物材料建立了风力发电机实验装置平台。实验结果表明:电活性聚合物在10%应变状态下,充电电压为1200V时,一次循环收集的电能为13.7mJ。这些实验为电活性聚合物致动器、传感器和微型发电机的研究奠定了理论基础。     

Design and characteristic research of a novel electromechanical-hydraulic hybrid actuator with two transmission mechanisms

Servo-hydraulic actuators (SHAs) are widely used in mechanical equipment to drive heavy-duty mechanisms. However, their energy efficiency is low, and their motion characteristics are inevitably affected by uncertain nonlinearities. Electromechanical actuators (EMAs) possess superior energy efficiency and motion characteristics. However, they cannot easily drive heavy-duty mechanisms because of weak bearing capacity. This study proposes and designs a novel electromechanical-hydraulic hybrid actuator (EMHA) that integrates the advantages of EMA and SHA. EMHA mainly features two transmission mechanisms. The piston of the hydraulic transmission mechanism and the ball screw pair of the electromechanical transmission mechanism are mechanically fixed together through screw bolts, realizing the integration of two types of transmission mechanisms. The control scheme of the electromechanical transmission mechanism is used for motion control, and the hydraulic transmission mechanism is used for power assistance. Then, the mathematical model, structure, and parameter design of the new EMHA are studied. Finally, the EMHA prototype and test platform are manufactured. The test results prove that the EMHA has good working characteristics and high energy efficiency. Compared with the valve-controlled hydraulic cylinder system, EMHA exhibits a velocity tracking error and energy consumption reduced by 49.7% and 54%, respectively, under the same working conditions.     

数控加工装备多驱动系统漏电流抑制方法

由于开关电流、电压中含有丰富的高次谐波,电机驱动系统中存在较多电磁干扰,导致多驱动系统漏电流抑制效果较差,为此提出数控加工装备多驱动系统漏电流抑制方法。基于变压器的转换作用,对漏电流产生原因进行分析与计算,建立多驱动系统拓扑结构,得到拓扑电路的输入与输出的电压方程。采用可以调节的 PWM 逆变器对直流转换,形成共模电压,在此基础上,通过耦合层计算后得到电流函数,完成多驱动系统漏电流抑制。实验结果表明,所提方法能够有效降低漏电流,抑制漏电流振荡,有效提高漏电流抑制效率,提升多驱动系统漏电流抑制效果。     

新型压电作动器驱动的直线电机驱动电源研究

基于压电作动器的大容性负载特性,通过电路匹配分析提出了基于直流升压变换器和谐振驱动控制电路;根据压电作动器驱动偏压要求,设计偏压电路使输出电压在-20~100 V之间;采用微处理器和D触发器设计驱动信号产生电路;将设计的驱动电源用于双作动器驱动的压电直线电机,电机运转平稳,电路功耗小,通过匹配不同的电感实现了宽频范围驱动.     

超磁致伸缩超声振动系统的机电转换效率研究

为提高超声振动系统的能量转换效率和功率容量,提出超磁致伸缩超声振动系统的设计方法,研究导磁体材料特性对超声系统振动性能的影响规律。采用硅钢、铁氧体和磁粉心三种磁性材料设计导磁体,并建立超声振动系统的等效电路模型;通过阻抗分析建立3种超声振动系统的阻抗圆曲线,得到谐振频率和机电转换系数等参数,提出导磁材料特性对系统机电能量转换效率的影响规律。为验证阻抗分析结果的正确性,试验测定3种超声系统在不同电压幅值激励下的振幅-电流灵敏度与频率的关系曲线,验证导磁材料参数与系统机电能量转换效率之间的关系。结果表明：高磁导率铁氧体材料可提高超声振动系统在小功率工作条件下的机电能量转换效率,而对于大功率超声振动系统而言,需要兼顾磁导率和饱和磁通密度,使导磁体工作于非磁饱和状态,以提高系统换能效率,这有助于指导不同功率大小超声振动系统的导磁体材料选择。     

电场能量采集器的最大输出功率追踪电路设计*

本文采用频率变换原理采集输电线周围电场能量,设计了一种能量采集电路,对超级电容充电。负载阻抗呈电容性,为非线性负载,充电过程中阻抗不断变化。为实现最大输出功率传输,设计了低功耗的最大输出功率追踪(MPPT)电路,采用频率值为32.768 k Hz石英晶体构成方波振荡电路,因电容电压不能突变,通过充电电流控制开关导通时间,构成电流反馈最大输出功率点追踪系统。最大输出功率追踪电路的工作电流为1.2 u A,工作电压为5 V,功耗为6 u W。实验结果表明,在充电36min时达到最大功率输出,储能电容电压的大小为0.32 V,输出功率最大为18 u W。相比于直接充电电路,最大输出功率电路的能量采集效率提高了50%。     

一种适用于光伏发电系统的高增益Boost变换器

一般而言,光伏阵列电池的输出电压较低,必须经过升压才能满足后级逆变器的要求.在分析普通单相Boost变换器在高增益变换场合显现的不足的基础上,提出了串入等效电压源的概念,采用耦合电感实现了高增益变换.研究结果表明,其拓展了变换器的电压增益,减小了开关管的电压应力.漏感能量能够无损转移,提高了系统的效率.