本發(fā)明涉及的是一種換能器領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種磁力式多穩(wěn)態(tài)介電彈性體換能器。

背景技術(shù)：

隨著傳統(tǒng)能源的不斷消耗，低能耗和高能量密度的新型換能技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。壓電陶瓷材料在高頻、小應(yīng)變信號下電能轉(zhuǎn)換效率較高，但是對潮流運動等低頻、較大變形能量源形式，耦合效率及發(fā)電能力較低，而且材料本身脆性影響了工作壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)主要是通過屈曲梁本身雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)再結(jié)合介電彈性體固有特性實現(xiàn)的，只能實現(xiàn)兩個穩(wěn)態(tài)且只能完成電能到機械能的轉(zhuǎn)變的缺陷，提出一種磁力式多穩(wěn)態(tài)介電彈性體換能器，能夠?qū)崿F(xiàn)多個穩(wěn)態(tài)，而且通過增減磁鐵陣列數(shù)量可以改變穩(wěn)態(tài)的數(shù)量以滿足不同使用情況。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：上介電彈性體膜、下介電彈性體膜、移動桿和移動磁鐵，其中：上介電彈性體膜兩端分別與上底膜夾板和上頂膜夾板相連，下介電彈性體膜的兩端分別與下底膜夾板和下頂膜夾板相連，上頂膜夾板和下頂膜夾板通過移動磁鐵相連，上底膜夾板和下底膜夾板之間設(shè)有環(huán)形磁鐵陣列；移動桿中部固定于移動磁鐵中心處且同時位于環(huán)形磁鐵陣列的內(nèi)環(huán)中心，其上端穿過上頂膜夾板、上介電彈性體膜和上底膜夾板，其下端穿過下頂膜夾板、下介電彈性體膜和下底膜夾板。

所述的上介電彈性體膜和下介電彈性體膜都為圓錐形。

所述的上介電彈性體膜和下介電彈性體膜的介電常數(shù)為5。

所述的環(huán)形磁鐵陣列包括四塊均勻環(huán)布的圓形固定磁鐵，固定磁鐵軸向兩面由磁鐵夾板固定，其徑向由磁鐵安裝板固定。

所述的上底膜夾板和下底膜夾板之間設(shè)有一組環(huán)形磁鐵陣列，環(huán)形磁鐵陣列與上底膜夾板和下底膜夾板之間分別通過上驅(qū)動支架和下驅(qū)動支架相連。

所述的上底膜夾板和下底膜夾板之間設(shè)有上環(huán)形磁鐵陣列和下環(huán)形磁鐵陣列，兩組環(huán)形磁鐵陣列之間通過連接支架相連，上底膜夾板與上環(huán)形磁鐵陣列之間通過上驅(qū)動支架相連，下底膜夾板與下環(huán)形磁鐵陣列通過下驅(qū)動支架相連。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用磁鐵的斥力和介電彈性體膜的拉力平衡保持穩(wěn)態(tài)而無能耗，在外界電場激勵下，完成穩(wěn)態(tài)間的過度，同時實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)變，在外界機械振動的激勵下，可以實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換，利用本身不具有雙穩(wěn)態(tài)的磁鐵斥力，結(jié)合介電彈性體固有特性，可以實現(xiàn)多個穩(wěn)態(tài)，而且通過增減磁鐵陣列數(shù)量可以改變穩(wěn)態(tài)的數(shù)量以滿足不同使用情況。

附圖說明

圖1為雙穩(wěn)態(tài)換能器立體示意圖；

圖2為雙穩(wěn)態(tài)換能器處于穩(wěn)態(tài)一剖面圖；

圖3為雙穩(wěn)態(tài)換能器處于穩(wěn)態(tài)二剖面圖；

圖4為環(huán)形磁鐵陣列俯視圖；

圖5為三穩(wěn)態(tài)換能器立體示意圖；

圖6為三穩(wěn)態(tài)換能器處于穩(wěn)態(tài)一剖面圖；

圖7為三穩(wěn)態(tài)換能器處于穩(wěn)態(tài)二剖面圖；

圖8為三穩(wěn)態(tài)換能器處于穩(wěn)態(tài)三剖面圖；

圖中：1 上底膜夾板、2 下底膜夾板、3 上介電彈性體膜、4 下介電彈性體膜、5 上頂膜夾板、6 下頂膜夾板、7 移動磁鐵、8 移動桿、9 上驅(qū)動支架、10 下驅(qū)動支架、11 連接支架、12 環(huán)形磁鐵陣列、13 固定磁鐵、14 磁鐵夾板、15 磁鐵安裝板。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例1

如圖1所示，本實施例包括：上介電彈性體膜3、下介電彈性體膜4、移動桿8和移動磁鐵7，其中：上介電彈性體膜3兩端分別與上底膜夾板1和上頂膜夾板5相連，下介電彈性體膜4的兩端分別與下底膜夾板2和下頂膜夾板6相連，上頂膜夾板5和下頂膜夾板6通過移動磁鐵7相連，上底膜夾板1和下底膜夾板2之間設(shè)有環(huán)形磁鐵陣列12。移動桿8中部固定于移動磁鐵7中心處且同時位于環(huán)形磁鐵陣列12的內(nèi)環(huán)中心，其上端穿過上頂膜夾板5、上介電彈性體膜3和上底膜夾板1，其下端穿過下頂膜夾板6、下介電彈性體膜4和下底膜夾板2。

如圖2～4所示，所述的上介電彈性體膜3和下介電彈性體膜4都為錐形，上介電彈性體膜3的底部固定于上底膜夾板1。上底膜夾板1固定于上驅(qū)動支架9的上部。上介電彈性體膜3的尖部固定有圓形的上頂膜夾板5。下介電彈性體膜4的底部固定于下底膜夾板2。下底膜夾板2固定于下驅(qū)動支架10的下部。下介電彈性體膜4的尖部固定有圓形的下頂膜夾板6。上頂膜夾板5和下頂膜夾板6之間連有圓形的移動磁鐵7。所述的上介電彈性體膜和下介電彈性體膜的介電常數(shù)為5。

所述的上驅(qū)動支架9和下驅(qū)動支架10之間設(shè)有一組環(huán)形磁鐵陣列12，形成雙穩(wěn)態(tài)換能器，即有兩個穩(wěn)態(tài)。環(huán)形磁鐵陣列12包括四個圓形的固定磁鐵13，四個固定磁鐵13圍繞移動磁鐵7的中軸均勻環(huán)布。四個固定磁鐵13的軸向通過磁鐵夾板14固定，徑向固定于磁鐵安裝板15中。

所述的移動桿8固定于整個裝置的中心處，移動桿8中部與移動磁鐵7固定相連。移動磁鐵7帶動移動桿8上下滑動。

實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)換過程為：雙穩(wěn)態(tài)換能器初始時處于如圖2所示的狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)一，此時上介電彈性體膜3和下介電彈性體膜4均沒有收到外界電壓，上介電彈性體膜3和下介電彈性體膜4對移動磁鐵7的拉力和固定磁鐵13對移動磁鐵7的斥力相平衡。對上介電彈性體膜3施加7000V電壓，上介電彈性體膜3產(chǎn)生本征應(yīng)變，導(dǎo)致上介電彈性體膜3上的拉力迅速減小，而下介電彈性體膜4沒有受到外界刺激仍處于預(yù)緊狀態(tài)，則下介電彈性體膜4將移動磁鐵7迅速下拉，并停留在如圖3所示的狀態(tài)及穩(wěn)態(tài)二。由于移動桿8和移動磁鐵7固定連接，移動磁鐵7帶動移動桿8同步移動。撤去上介電彈性體膜3上的電壓后，換能器將維持在穩(wěn)態(tài)二的狀態(tài)。在下介電彈性體膜4上施加電壓，移動磁鐵7向上移動恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)一的狀態(tài)。

實現(xiàn)機械能向電能轉(zhuǎn)換的過程為：初始狀態(tài)即穩(wěn)態(tài)一下，上介電彈性體膜3沒有受到外界電壓，下介電彈性體膜4和低壓電源相連，使其表面分布一定量的電荷。而后，下介電彈性體膜4和低壓電源斷開，外界力推動移動桿8向下運動，使得下介電彈性體膜4彈性的彈性恢復(fù)，異性電荷分離，同性電荷靠近，麥克斯韋靜電力做負功，電壓增加，使得機械能轉(zhuǎn)化為電能，下介電彈性體膜4上的高壓電能通過電路導(dǎo)出儲存或使用。當恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)一時，上介電彈性體膜3將機械能轉(zhuǎn)化為電能。整個裝置可以作為閥門或直線驅(qū)動器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本裝置利用本身不具有雙穩(wěn)態(tài)的磁鐵斥力，結(jié)合介電彈性體固有特性，可以實現(xiàn)兩個穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)保持是利用磁鐵的斥力和介電彈性體膜的拉力平衡保持穩(wěn)態(tài)而無能耗，在外界電場激勵下，完成穩(wěn)態(tài)間的過度，同時實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)變，在外界機械振動的激勵下，可以實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。

實施例2

如圖5所示，本實施例包括：上介電彈性體膜3、下介電彈性體膜4、移動桿8和移動磁鐵7，其中：上介電彈性體膜3兩端分別與上底膜夾板1和上頂膜夾板5相連，下介電彈性體膜4的兩端分別與下底膜夾板2和下頂膜夾板6相連，上頂膜夾板5和下頂膜夾板6通過移動磁鐵7相連，上底膜夾板1和下底膜夾板2之間設(shè)有兩個環(huán)形磁鐵陣列12，即下環(huán)形磁鐵陣列12和上環(huán)形磁鐵陣列12。移動桿8中部固定于移動磁鐵7中心處且同時位于環(huán)形磁鐵陣列12的內(nèi)環(huán)中心，其上端穿過上頂膜夾板5、上介電彈性體膜3和上底膜夾板1，其下端穿過下頂膜夾板6、下介電彈性體膜4和下底膜夾板2。

本實施例與實施例1相比的不同之處在于：

如圖6～8所示，所述的兩組環(huán)形磁鐵陣列12之間通過連接支架11相連，上部的環(huán)形磁鐵陣列12上部與上驅(qū)動支架9相連，下部的環(huán)形磁鐵陣列12下部與下驅(qū)動支架10相連，實現(xiàn)三穩(wěn)態(tài)換能器，形成三個穩(wěn)態(tài)即穩(wěn)態(tài)一、穩(wěn)態(tài)二和穩(wěn)態(tài)三。

如圖6所示，此時的換能器處于穩(wěn)態(tài)一，上介電彈性體膜3和下介電彈性體膜4均沒有受到外界的電壓，移動磁鐵7處于平衡狀態(tài)。對上介電彈性體膜3施加一500V電壓時，上介電彈性體膜3產(chǎn)生應(yīng)變，移動磁鐵7向下移動到如圖7所示的穩(wěn)態(tài)二狀態(tài)。當加大電壓到7000V時，移動磁鐵7繼續(xù)向下運動，使得整個換能器達到圖8中的穩(wěn)態(tài)三的狀態(tài)。同樣的，在下介電彈性體膜4上施加兩個不同的電壓可以使得換能器恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)二或穩(wěn)態(tài)一。本實施例中的裝置可以作為潮流能量采集器。

與實施例1相比，本實施例進一步的技術(shù)效果在于：有三個穩(wěn)態(tài)位置，俘能帶寬相對雙穩(wěn)態(tài)更大，俘能效率更高。