CN211859977U - 旋转式纳米发电机及供电器件 - Google Patents

Abstract

一种旋转式纳米发电机及供电器件，发电机包括：同轴设置的泵浦发电机单元和至少一个主发电机单元，以及处理电路。泵浦发电机单元包括：相对设置的泵浦发电机转子和泵浦发电机定子，其中一个设置有摩擦起电层，另一个设置有泵浦电极对。主发电机单元包括：相对设置且具有间隔的主发电机转子和主发电机定子，一个设置有存储电极对，另一个设置有输出电极对；一介电层，设置于存储电极对和输出电极对之间。处理电路用于进行整流和稳压，连接于泵浦电极对和存储电极对之间。泵浦发电机定子与主发电机定子之间固定，泵浦发电机转子和主发电机转子在外界激励下绕着轴发生旋转运动。主发电机单元的电荷密度不依赖于摩擦或接触，且不受空气击穿的约束。

Description

旋转式纳米发电机及供电器件

技术领域

本公开属于纳米新能源及机械能收集技术领域，涉及一种旋转式纳米发电机及供电器件。

背景技术

摩擦纳米发电技术的基本原理是利用摩擦或接触在两个表面生成静电荷，其中发生接触或接触的两个表面至少一个为绝缘材料的表面，当接触表面分离时，静电荷的分离产生电势差，从而在感应电极中驱动自由电荷定向移动，实现对环境中机械能的收集，并将机械能转化为电能。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能，具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势。

表面电荷密度是影响摩擦纳米发电机的输出功率密度的重要因素。摩擦纳米发电机中的表面静电荷由两表面摩擦或接触产生，一般通过剧烈摩擦或接触才易于产生高的电荷密度，但这种情况下表面容易产生较大的发热和磨损，影响器件寿命，同时，电荷密度还受到空气击穿等约束，这些因素制约了表面电荷密度及输出功率密度的进一步提升。

因此，有必要提出一种具有高的输出功率密度的纳米发电机，且该纳米发电机的电荷密度不再主要依赖于摩擦或接触而产生、且不受空气击穿等的约束。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种旋转式纳米发电机及供电器件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种旋转式纳米发电机，包括：同轴设置的泵浦发电机单元和至少一个主发电机单元，以及处理电路；其中，泵浦发电机单元，包括：相对设置的泵浦发电机转子和泵浦发电机定子，所述泵浦发电机转子和所述泵浦发电机定子中的一个设置有摩擦起电层，另一个设置有泵浦电极对；所述主发电机单元包括：相对设置且具有间隔的主发电机转子和主发电机定子，所述主发电机转子和主发电机定子中的一个设置有存储电极对，另一个设置有输出电极对；一介电层，设置于存储电极对和输出电极对之间；所述处理电路用于进行整流和稳压，连接于所述泵浦电极对和所述存储电极对之间；所述泵浦发电机定子与所述主发电机定子之间固定，所述泵浦发电机转子和所述主发电机转子在外界激励下绕着轴发生旋转运动，所述泵浦发电机转子和所述主发电机转子之间的旋转运动各自独立或二者相关。

在本公开的一实施例中，该旋转式纳米发电机还包括轴向连接结构，该轴向连接结构包括：连接杆；所述泵浦发电机转子上设置有第二转子轴孔，该第二转子轴孔的尺寸与连接杆的尺寸匹配；所述泵浦发电机定子上设置有第一定子中心孔；所述主发电机转子上设置有第三转子轴孔，该第三转子轴孔的尺寸与连接杆的尺寸匹配；所述主发电机定子上设置有第二定子中心孔；其中，所述连接杆贯穿所述第二转子轴孔、第一定子中心孔、第三转子轴孔和第二定子中心孔，当该轴向连接结构受到外界激励沿着轴向发生旋转时，经由所述第二转子轴孔与所述第三转子轴孔带动所述泵浦发电机转子和所述主发电机转子进行同步旋转。

在本公开的一实施例中，轴向连接结构还包括：第一半轴、第二半轴、第一轴承以及第二轴承，其中，所述第一半轴和所述第二半轴分别设置于所述泵浦发电机单元与所述至少一个主发电机单元相背离的两侧；所述第一半轴和所述第二半轴上设置有第一转子轴孔，所述连接杆贯穿所述第一转子轴孔；所述第一轴承卡接于所述第一半轴的轴肩上，所述第二轴承卡接于所述第二半轴的轴肩上。

在本公开的一实施例中，旋转式纳米发电机还包括：定子垫片，所述定子垫片为圆环状结构，所述定子垫片分别设置于泵浦发电机转子和主发电机转子的外围；其中，所述定子垫片的内径大于所述泵浦发电机转子的外径，所述定子垫片的内径大于所述主发电机转子的外径。

在本公开的一实施例中，所述泵浦发电机定子、所述主发电机定子和所述定子垫片之间通过固定件实现固定。

在本公开的一实施例中，旋转式纳米发电机还包括：转子垫片，所述转子垫片上设置有供所述连接杆贯穿的垫片轴孔。其中，所述转子垫片位于所述第一定子中心孔内，所述转子垫片的外径小于第一定子中心孔的内径，所述转子垫片的厚度大于泵浦发电机定子的厚度；或者，所述转子垫片位于所述第二定子中心孔内，所述转子垫片的外径小于第二定子中心孔的内径，所述转子垫片的厚度大于主发电机定子的厚度；或者，在相邻的泵浦发电机单元与主发电机单元中，泵浦发电机转子与主发电机转子相邻，所述转子垫片设置于相邻的泵浦发电机转子和主发电机转子之间。

在本公开的一实施例中，所述处理电路包括：整流桥、稳压管以及用于电路连接的导线，所述导线包括：第一导线，连接于整流桥的交流输入端和泵浦电极对之间；以及第二导线，连接于整流桥的直流输出端和存储电极对之间；所述稳压管并联于整流桥的直流输出端之间；其中，第二转子轴孔和第三转子轴孔为多个，除去被连接杆贯穿的部分第二转子轴孔和部分第三转子轴孔之外，剩下的第二转子轴孔和第三转子轴孔用于所述导线的限位，使得所述处理电路随着泵浦发电机转子和主发电机转子同步转动或者使得所述处理电路固定于泵浦发电机定子和主发电机定子之间。

在本公开的一实施例中，所述泵浦发电机单元中泵浦发电机转子和泵浦发电机定子的排列顺序与所述主发电机单元中的主发电机转子和主发电机定子的排列顺序一致或相反。

在本公开的一实施例中，旋转式纳米发电机还包括：第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和所述第二端盖分别设置于所述泵浦发电机单元与所述至少一个主发电机单元相背离的两侧。

在本公开的一实施例中，泵浦电极对、存储电极对和输出电极对中的电极呈扇形分布或插指形分布；和/或，

泵浦电极对、存储电极对和输出电极对中电极的材料包括以下现有导电材料的一种或几种：金属材料、导电碳材料或ITO；和/或，

泵浦电极对、存储电极对和输出电极对中电极的厚度为50nm～50μm；

摩擦起电层和介电层为以下现有绝缘材料的一种或其复合材料：聚合物、无机氧化物；和/或，

摩擦起电层和介电层的厚度为0.5μm～50μm。

在本公开的一实施例中，相邻的两个主发电机单元共用相邻的主发电机定子/主发电机转子，在该共用的主发电机定子/主发电机转子的两侧分别设置有电极，其中，一侧电极为存储电极对，另一侧电极为输出电极对；或者，两侧的电极均为存储电极对/输出电极对。

根据本公开的第二个方面，提供了一种供电器件，包括上述任一种旋转式纳米发电机。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的旋转式纳米发电机及供电器件，具有以下有益效果：

(1)利用同轴旋转的机械能可以实现泵浦发电机单元的机械能-电能转换以及同时将泵浦发电机单元产生的电能经过整流和稳压后定向供应给至少一个主发电机单元的存储电极对，如此在该存储电极对上可以具有持续定向的高密度电荷供应，在主发电机单元中无需进行接触或摩擦过程便可以通过静电感应的方式实现高功率发电。从而使得主发电机单元的电荷密度不依赖于摩擦或接触，且不受空气击穿的约束，极大地提升了该纳米发电机的输出功率，具有结构紧凑且输出功率较高的优点。

(2)更进一步，通过利用连接杆分别贯穿泵浦发电机转子和主发电机转子上的第二转子轴孔、第三转子轴孔，使得泵浦发电机转子和主发电机转子成为连接为整体的转子结构，在外界激励作用下泵浦发电机转子和主发电机转子可以进行同步旋转，同时泵浦发电机定子和主发电机定子之间固定，不干扰转子的转动，由于泵浦发电机转子和主发电机转子进行同步旋转，不论是处理电路的输入输出端、存储电极对以及泵浦电极对固定于定子上还是转子上，都不影响发电过程，在结构上有效保证了发电过程的持续以及在高速旋转的条件下还可以维持稳定的输出，该旋转式纳米发电机具有良好的稳定性和较高的可靠度。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的旋转式纳米发电机的爆炸图。

图2为如图1所示的旋转式纳米发电机的总体结构图。

图3为根据本公开一实施例所示的第一半轴的结构示意图。

图4为根据本公开一实施例所示的泵浦发电机转子的结构示意图。

图5为根据本公开一实施例所示的泵浦发电机定子的结构示意图。

图6为根据本公开一实施例所示的主发电机转子的结构示意图。

图7为根据本公开一实施例所示的主发电机定子的结构示意图。

图8为根据本公开一实施例所示的旋转式纳米发电机的工作原理图。

【符号说明】

100-转子结构；

110-连接杆； 120-第一轴承；

130-第一半轴；

131-第一转子轴孔； 132-轴肩；

140-泵浦发电机转子；

141-第二转子轴孔； 142-第一泵浦电极；

143-第二泵浦电极； 144-第一基底层；

150-转子垫片；

160-主发电机转子；

161-第三转子轴孔； 162-第一存储电极；

163-第二存储电极； 164-第三基底层

170-第二半轴； 180-第二轴承；

190-处理电路；

191-整流桥； 192-稳压管；

193-导线；

193a-第一导线； 193b-第二导线；

200-定子结构；

210-第一端盖； 220-第一定子垫片；

230-泵浦发电机定子；

231-第一定子中心孔； 232-第一定子螺栓孔；

233-摩擦起电层； 234-第二基底层；

240-第二定子垫片；

250-主发电机定子；

251-第二定子中心孔； 252-第二定子螺栓孔；

253-第一输出电极； 254-第二输出电极；

255-介电层； 256-第四基底层；

260-第三定子垫片；

270-第二端盖；

300-负载。

具体实施方式

本公开提供了一种旋转式纳米发电机及供电器件，基于泵浦发电机单元的电学输出向主发电机单元中的存储电极对注入电荷，注入的电荷受到介电层的约束，随着泵浦发电机中泵浦发电机转子的持续旋转，在存储电极对中持续注入电荷，大大提升了主发电机中存储电极对的电荷密度，从而使得主发电机单元的电荷密度不依赖于摩擦或接触，且不受空气击穿的约束，极大地提升了该纳米发电机的输出功率，解决了现有纳米发电机依赖于摩擦或接触产生高电荷密度的技术问题，更进一步，通过结构上的设置，有效提高了高速旋转过程中纳米发电机输出性能的稳定性以及可靠度。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

第一实施例

本公开的第一个示例性实施例提供了一种旋转式纳米发电机。

图1为根据本公开一实施例所示的旋转式纳米发电机的爆炸图。图2为如图1所示的旋转式纳米发电机的总体结构图。

参照图1和图2所示，本公开的旋转式纳米发电机，包括：同轴设置的泵浦发电机单元和至少一个主发电机单元，以及处理电路。其中，泵浦发电机单元，包括：相对设置的泵浦发电机转子和泵浦发电机定子，泵浦发电机转子和泵浦发电机定子中的一个设置有摩擦起电层，另一个设置有泵浦电极对。主发电机单元包括：相对设置且具有间隔的主发电机转子和主发电机定子，主发电机转子和主发电机定子中的一个设置有存储电极对，另一个设置有输出电极对；一介电层，设置于存储电极对和输出电极对之间。处理电路用于进行整流和稳压，连接于泵浦电极对和存储电极对之间。泵浦发电机定子与主发电机定子之间固定，泵浦发电机转子和主发电机转子在外界激励下绕着轴发生旋转运动；所述泵浦发电机转子和所述主发电机转子之间的旋转运动各自独立或二者相关。

下面结合附图来对本实施例的旋转式纳米发电机的各个部分进行详细介绍。

本公开中，泵浦发电机单元的电学输出可以连接至多个主发电机单元，为多个主发电机单元的存储电极对提供定向电荷的注入。本实施例仅以一个主发电机单元作为示例，对于2个或大于2个主发电机单元的情况，将各个主发电机单元的存储电极对并联连接至泵浦发电机单元的泵浦电极对即可。

下面参照图4-图7来介绍泵浦发电机单元和主发电机单元。

图4为根据本公开一实施例所示的泵浦发电机转子的结构示意图。图5为根据本公开一实施例所示的泵浦发电机定子的结构示意图。

本实施例中，参照图1所示，泵浦发电机单元包括：泵浦发电机转子140和泵浦发电机定子230。泵浦发电机转子140和泵浦发电机定子230相对设置，泵浦发电机转子140和泵浦发电机定子230之间发生相对旋转，从而将机械能转化为电能。主发电机单元包括：主发电机转子160和主发电机定子250，主发电机转子160和主发电机定子250相对设置且具有间隔。

本公开中，泵浦发电机转子和泵浦发电机定子中的一个设置有摩擦起电层，另一个设置有泵浦电极对。主发电机单元包括：相对设置且具有间隔的主发电机转子和主发电机定子，主发电机转子和主发电机定子中的一个设置有存储电极对，另一个设置有输出电极对；一介电层，设置于存储电极对和输出电极对之间。

在一实施例中，可以是存储电极对设置于主发电机转子上，同时输出电极对设置于主发电机定子上；也可以是存储电极对设置于主发电机定子上，同时输出电极对设置于主发电机转子上。对应在泵浦发电机单元中，情况类似，不过在泵浦发电机单元和主发电机单元的对应关系中，需要保证泵浦电极对和存储电极对同时设置于定子上或者转子上，以避免连接于泵浦电极对和存储电极对之间的处理电路的导线发生缠绕情况。

上述两种设置方式中，前者由于输出电极对设置于发电机定子上，不会随着主发电机转子进行转动，因此输出电极对在对外供电时无需设置导电滑环结构，输出方式简单，对应泵浦电极对和存储电极对均为可转动的，可以通过设置泵浦电极对和存储电极对的转动状态来保证二者之间的处理电路不会随着旋转发生缠绕的情况。后者由于存储电极对设置于主发电机定子上，此时对应泵浦电极对也设置于泵浦发电机定子上，在泵浦电极对和存储电极对之间的处理电路的输入、输出端是固定的，不会发生旋转，此时简化了处理电路的结构，只是输出电极对会发生旋转，输出电路相对可能会复杂一些。

在一优选实施例中，存储电极对与输出电极对相对设置，介电层设置于输出电极对的表面，以使存储电极对和输出电极对之间实现绝缘。例如，在主发电机转子的与主发电机定子相对的一侧设置有存储电极对，在主发电机定子的与主发电机转子相对的一侧设置有输出电极对。

当然，在本公开的其他实施例中，可以是存储电极对与输出电极对相对设置，介电层设置于存储电极对的表面，不过该实施例中，如果对应存储电极对的电压很高时，存储电极对表面的介电层会产生极化作用起到静电屏蔽作用，那么对应存储电极对于输出电极对之间的静电感应作用会变差。

在本公开中，主发电机单元的个数可以是2个或大于2个，多个主发电机单元之间进行组合的方式可以是各式各样的，一种方式可以是以上述介绍的主发电机单元为基本单元，按照上述主发电机单元的结构依次进行排列，在各个主发电机单元之间可以通过垫片进行空间的隔开并且可以通过固定件实现各个主发电机单元之间的固定。另一种方式可以是：相邻的两个主发电机单元共用相邻的定子/转子，在该共用的定子/转子的两侧分别设置有电极，一侧电极为存储电极对，另一侧电极为输出电极对；或者两侧的电极均为存储电极对/输出电极对。优选后面一种方案，即两侧的电极相同的情况。例如参照图1所示的左右方向，两个主发电机单元的结构从左往右依次为：第一主发电机转子，该第一主发电机转子的右侧设置有第一存储电极对；共用主发电机定子，该主发电机定子的左侧设置有第一输出电极对，右侧设置有第二输出电极对；第二主发电机转子，该第二主发电机转子的左侧设置有第二存储电极对；第一介电层，设置于第一输出电极对的左侧表面；第二介电层，设置于第二输出电极对的右侧表面。

本公开的实施例中，泵浦发电机单元中泵浦发电机转子和泵浦发电机定子的排列顺序与主发电机单元中的主发电机转子和主发电机定子的排列顺序一致或相反，例如，在泵浦发电机单元中，按照图1示例的方向，从左往右依次为：泵浦发电机转子和泵浦发电机定子；在一实例中，在主发电机单元中定子和转子的排布可以按照与泵浦发电机单元中定子和转子相同的排列顺序进行排列，例如在主发电机单元中从左往右依次是：主发电机转子和主发电机定子。在另一实例中，在主发电机单元中定子和转子的排布可以按照与泵浦发电机单元中定子和转子相反的排列顺序进行排列，例如泵浦发电机单元中从左往右依次为：泵浦发电机转子和泵浦发电机定子，在主发电机单元中从左往右依次是：主发电机定子和主发电机转子。

在本公开的一实施例中，泵浦电极对、存储电极对和输出电极对中电极呈扇形分布或插指形分布。存储电极对和输出电极对中电极的形状可以保持相同，数量可以保持一致。

在本公开的一实施例中，泵浦电极对、存储电极对和输出电极对中电极的材料包括但不限于以下导电材料的一种或几种：金属材料、导电碳材料或ITO等。

在本公开的一实施例中，泵浦电极对、存储电极对和输出电极对中电极的厚度为50nm～50μm。

下面以泵浦发电机转子设置有泵浦电极对，泵浦发电机定子设置有摩擦起电层作为示例。

参照图4所示，泵浦发电机转子140设置有泵浦电极对。具体而言，该泵浦发电机转子140包括：第一基底层144，以及设置于第一基底层144表面的第一泵浦电极142和第二泵浦电极143。

继续参照图4所示，第一泵浦电极142和第二泵浦电极143构成泵浦电极对，第一泵浦电极142和第二泵浦电极143之间具有间隔，只要第一泵浦电极142和第二泵浦电极143之间具有间隔的两个独立电极的分布形式均在本公开的保护范围之内，这里以泵浦电极对呈扇形或者插指形分布作为示例。第一泵浦电极142和第二泵浦电极143呈插指形分布，图4中示例性示出了第一泵浦电极142沿着中心呈向外辐射状，具有两个栅格，第二泵浦电极143向内辐射，第二泵浦电极143与第一泵浦电极142构成插指形分布。这里栅格的数量和大小可以根据实际情况进行调整。当然，示例性的，第一泵浦电极142和第二泵浦电极143也可以是环绕中心设置的偶数个扇形中划分出来的两组电极中的电极，这两组电极相互间隔排列。

参照图5所示，泵浦发电机定子230设置有摩擦起电层。具体而言，该泵浦发电机定子230包括：第二基底层234，以及设置于第二基底层234表面的摩擦起电层233。

下面以主发电机转子设置有存储电极对，主发电机定子设置有输出电极对和介电层为例进行介绍。

图6为根据本公开一实施例所示的主发电机转子的结构示意图。图7为根据本公开一实施例所示的主发电机定子的结构示意图。

参照图6所示，主发电机转子160设置有存储电极对，具体而言，该主发电机转子160包括：第三基底层164，以及设置于第三基底层164表面的第一存储电极162和第二存储电极163。

参照图6所示，第一存储电极162、第二存储电极163构成存储电极对，第一存储电极162和第二存储电极163之间具有间隔，只要第一存储电极162和第二存储电极163之间具有间隔的两个独立电极的分布形式均在本公开的保护范围之内，这里以泵浦电极对呈扇形或者插指形分布作为示例。图6中示例性示出了第一存储电极162沿着中心呈向外辐射状，具有9个栅格，第二存储电极163向内辐射，第二存储电极163与第一存储电极162构成插指形分布。这里栅格的数量和大小可以根据实际情况进行调整。当然，示例性的，第一存储电极162和第二存储电极163也可以是环绕中心设置的偶数个扇形中划分出来的两组电极中的电极，这两组电极相互间隔排列。

参照图7所示，主发电机定子250设置有输出电极对和介电层。具体而言，该主发电机定子250包括：第四基底层256，设置于第四基底层256表面的第一输出电极253和第二输出电极254；以及设置于第一输出电极253和第二输出电极254表面的介电层255。介电层255位于输出电极对和存储电极对之间，以使定子电极和转子电极绝缘。

继续参照图7所示，第一输出电极253和第二输出电极254构成输出电极对，之间具有间隔，只要第一输出电极253和第二输出电极254之间具有间隔的两个独立电极的分布形式均在本公开的保护范围之内，这里以泵浦电极对呈扇形或者插指形分布作为示例。图7中示例性示出了第一输出电极253沿着中心呈向外辐射状，具有9个栅格，第二输出电极254向内辐射，第二输出电极254与第一输出电极253构成插指形分布。这里栅格的数量和大小可以根据实际情况进行调整。当然，示例性的，第一输出电极253和第二输出电极254也可以是环绕中心设置的偶数个扇形中划分出来的两组电极中的电极，这两组电极相互间隔排列。

本实施例中，在主发电机单元中，输出电极对与存储电极对的形状对应，且输出电极对与存储电极对中电极的数量相等。

在一示例性实例中，该第一基底层144、第二基底层234、第三基底层164和第四基底层256可以为片状结构，沿着轴向观察到的形状可以是以下形状的一种或其组合：圆形、椭圆形、三角形、三边以上的多边形或者不规则图形等，优选为规则图形，例如可以为圆形。第一基底层144、第二基底层234、第三基底层164和第四基底层256均采用绝缘材料制备。

图8为根据本公开一实施例所示的旋转式纳米发电机的工作原理图。

泵浦发电机转子140相对于泵浦发电机定子230进行旋转运动，参照图8所示，例如在第一泵浦电极142和摩擦起电层233之间由于摩擦起电产生等量异种电荷，随着旋转的进行，摩擦起电层233与第一泵浦电极142及第二泵浦电极143之间的相对位置发生变化，因此基于摩擦起电和静电感应在第一泵浦电极142和第二泵浦电极143之间产生电势差，从而产生电学输出。在泵浦发电机单元产生的电学输出通过一处理电路190输出至第一存储电极162和第二存储电极163进行电荷存储。主发电机转子相对于主发电机定子进行旋转运动，图中以转动角速度ω和箭头示意旋转情形；基于存储电极对与输出电极对的电荷感应在输出电极对实现电学输出，即在第一输出电极253和第二输出电极254实现电学输出，在第一输出电极253和第二输出电极254两端连接负载300，可以为负载300供电。

在一实施例中，参照图8所示，处理电路190包括：整流桥191、稳压管192以及用于电路连接的导线193。其中导线193包括：第一导线193a，连接于整流桥的交流输入端和泵浦电极对之间；以及第二导线193b，连接于整流桥的直流输出端和存储电极对之间。稳压管192并联于整流桥191的直流输出端之间。

需要说明的是，实际上主发电机定子和主发电机转子之间是具有间隔的，图8中以介电层255示意主发电机定子和主发电机转子之间的电学隔离状态，主发电机定子和主发电机转子在空间上是具有间隔，图8为电路示意图，因此并未示意空间上的位置关系。

泵浦发电机转子相对于泵浦发电机定子进行旋转运动，在泵浦电极对产生电学输出，并通过处理电路进行整流和稳压后输出至存储电极对进行电荷存储；另外主发电机转子相对于主发电机定子进行旋转运动，主发电机转子和主发电机定子之间无需接触摩擦便具有较高的电荷密度，基于存储电极对与输出电极对的电荷感应在输出电极对实现高功率的电学输出。泵浦发电机单元和主发电机单元同轴设置，可以进行同步或异步旋转(转速相等或不等，转动起步时间可以相同或不同)。基于泵浦发电机单元的电学输出向主发电机单元中的存储电极对注入电荷，注入的电荷受到介电层的约束，随着泵浦发电机中泵浦发电机转子的持续旋转，在存储电极对中持续注入电荷，大大提升了主发电机中存储电极对的电荷密度，从而使得主发电机单元的电荷密度不依赖于摩擦或接触，且不受空气击穿的约束，极大地提升了该纳米发电机的输出功率。

本实施例中，不限定泵浦发电机转子140和主发电机转子160的旋转形式，泵浦发电机单元和主发电机单元同轴设置，可以进行同步或异步旋转，例如泵浦发电机转子140和主发电机转子160的转速可以相等或不等，转动起步时间可以相同或不同。促使泵浦发电机转子140和主发电机转子160发生旋转的形式也是各种各样的，例如可以是绕着泵浦发电机转子140的外围施加一个作用力，使得泵浦发电机转子140发生旋转，绕着主发电机转子160的外围施加一个作用力，使得主发电机转子160发生旋转，泵浦发电机转子140和主发电机转子160的旋转过程为相互独立的。或者其他单独驱动上述泵浦发电机转子140和主发电机转子160发生旋转的方式均在本公开的保护范围之内。当然，本公开中，泵浦发电机转子140和主发电机转子160二者的旋转也可以是相互依赖的，例如第二个实施例将要介绍的在泵浦发电机转子140和主发电机转子160之间设置轴向连接结构实现同步旋转的情况。当然，还可以按照上面描述的方式进行拓展，可以是分别与泵浦发电机单元和至少一个主发电机单元各自连接的轴向连接结构单独实现泵浦发电机转子140和主发电机转子160的旋转。

综上所述，本实施例中的旋转纳米发电机利用同轴旋转的机械能可以实现泵浦发电机单元的机械能-电能转换以及同时将泵浦发电机单元产生的电能经过整流和稳压后定向供应给至少一个主发电机单元的存储电极对，如此在该存储电极对上可以具有持续定向的高密度电荷供应，在主发电机单元中无需进行接触或摩擦过程便可以通过静电感应的方式实现高功率发电。从而使得主发电机单元的电荷密度不依赖于摩擦或接触，且不受空气击穿的约束，极大地提升了该纳米发电机的输出功率，具有结构紧凑且输出功率较高的优点。

第二实施例

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种旋转式纳米发电机。本实施例的旋转式纳米发电机在第一个实施例的基础上，对该旋转式纳米发电机的结构进一步作了优化，本实施例的旋转式纳米发电机中，泵浦发电机转子和主发电机转子均为转子结构的组成部分，通过连接杆连接泵浦发电机转子和主发电机转子实现同步转动。不论是处理电路的输入输出端、存储电极对以及泵浦电极对固定于定子上还是转子上，都不影响发电过程，在结构上有效保证了发电过程的持续以及在高速旋转的条件下还可以维持稳定的输出，该旋转式纳米发电机具有良好的稳定性和较高的可靠度。

参照图1所示，本实施例中，泵浦发电机转子140和主发电机转子160均为转子结构100的组成部分。泵浦发电机定子230与主发电机定子250之间固定，均为定子结构200的组成部分。泵浦发电机转子和主发电机转子在外界激励下绕着轴发生同步旋转运动。

本实施例中，该旋转式纳米发电机与第一实施例的结构相比，还包括轴向连接结构。轴向连接结构包括：连接杆110。

参照图4所示，泵浦发电机转子140上设置有第二转子轴孔141，该第二转子轴孔141的尺寸与连接杆110的尺寸匹配。参照图5所示，泵浦发电机定子230上设置有第一定子中心孔231。参照图6所示，主发电机转子160上设置有第三转子轴孔161，该第三转子轴孔161的尺寸与连接杆110的尺寸匹配。参照图7所示，主发电机定子250上设置有第二定子中心孔251。

结合图1、图4-图7所示，连接杆110贯穿第二转子轴孔141、第一定子中心孔231、第三转子轴孔161和第二定子中心孔251，当该轴向连接结构受到外界激励沿着轴向发生旋转时，经由第二转子轴孔141与第三转子轴孔161带动泵浦发电机转子和主发电机转子进行同步旋转。

图3为根据本公开一实施例所示的第一半轴的结构示意图。

在本公开的一实施例中，参照图1和图3所示，上述轴向连接结构还包括：第一半轴130、第二半轴170、第一轴承120以及第二轴承180。

第二半轴170与第一半轴130的结构相同，下面参照图3介绍第一半轴的结构。参照图3所示，第一半轴130为柱体，第一半轴130的底部具有轴肩132。在第一半轴130上设置有第一转子轴孔131，该第一转子轴孔131贯穿所述第一半轴130，第一转子轴孔131可以包括位于柱体轴心处的轴孔部分和环绕轴心设置的轴孔部分，连接杆110贯穿环绕轴心设置的轴孔部分。

本实施例中，第一半轴130和第二半轴170分别设置于泵浦发电机单元与所述至少一个主发电机单元相背离的两侧。也就是说，第一半轴130设置于泵浦发电机单元的第一侧，第二半轴170设置于至少一个主发电机单元的第二侧，第一侧与第二侧分别为泵浦发电机单元与至少一个主发电机单元相背离的两侧。对于多个主发电机的情况，参照图1中的方向进行描述，第一半轴130设置于泵浦发电机单元的左侧，第二半轴设置于最外侧的主发电机单元的右侧。

参照上面的介绍，在本实施例的旋转式纳米发电机中，第一半轴130和第二半轴170上均设置有第一转子轴孔，连接杆贯穿该第一转子轴孔。第一轴承120卡接于第一半轴的轴肩上，第二轴承180卡接于第二半轴的轴肩上。

通过设置第一半轴130和第一轴承120以及第二半轴170和第二轴承180，在泵浦发电机转子140和主发电机转子160发生旋转时，尤其是高速旋转时，轴承有助于提供径向和轴向的承载力，避免了在泵浦发电机转子140和主发电机转子160进行高速旋转时的晃动，并且同时通过滚动摩擦的方式减少了摩擦。

在本公开的一实施例中，上述旋转式纳米发电机还包括：第一端盖210和第二端盖270，第一端盖和210第二端盖270分别设置于泵浦发电机单元与至少一个主发电机单元相背离的两侧。上述第一端盖210和第二端盖270分别用于支撑固定第一轴承120和第二轴承170，参照图1和图2所示，在第一端盖210与第一轴承120相抵接的部分设置有凹腔环，凹腔环的空心部分供第一半轴130贯穿，该凹腔环限定的空间用于放置第一轴承120，第二端盖270的结构与第一端盖210类似，这里不再重复介绍。当然，对应纳米发电机的外侧为定子(包括主发电机定子、泵浦发电机定子)的情况，可以直接采用定子作为固定轴承的结构，也可以不设置端盖。在本公开的一实施例中，参照图1所示，该旋转式纳米发电机还包括：定子垫片，该定子垫片为圆环状结构，所述定子垫片分别设置于泵浦发电机转子和主发电机转子的外围。在一实施例中，定子垫片的内径大于泵浦发电机转子的外径，定子垫片的内径大于主发电机转子的外径。

例如参照图1中示意的第一定子垫片220、第二定子垫片240，分别对应设置于泵浦发电机转子140、主发电机转子160的外围。继续参照图1所示，通过设置第一定子垫片220、第二定子垫片240，在轴向上利用第一定子垫片220隔在第一端盖210和泵浦发电机定子230之间，在轴向上为泵浦发电机转子140提供了空间，通过设置第一定子垫片220有助于使第一端盖210和泵浦发电机定子230保持稳固。第二定子垫片240的作用与第一定子垫片220的作用相同，第二定子垫片240为主发电机转子160提供了轴向上的空间，并且通过设置第二定子垫片240，在主发电机转子160的进行旋转的过程中，有助于保证泵浦发电机定子230和主发电机定子250的稳固。

在一实施例中，所述定子垫片还设置于至少一个主发电机单元与第二端盖之间。例如本实施例中的第三定子垫片260，设置于最右侧的主发电机单元的主发电机定子250和第二端盖270之间。

在本公开的一实施例中，所述泵浦发电机定子、所述主发电机定子和所述定子垫片之间通过固定件实现固定。例如，参照图5和图7所示，在泵浦发电机定子230的边缘设置有第一定子螺栓孔232，在主发电机定子250的边缘设置有第二定子螺栓孔252。泵浦发电机定子230、定子垫片(包括第一定子垫片220、第二定子垫片240和第三定子垫片260)以及主发电机定子250之间通过螺栓实现固定。

在本公开的一实施例中，旋转式纳米发电机还包括：转子垫片，所述转子垫片上设置有供所述连接杆贯穿的垫片轴孔。转子垫片可以在轴向限定出转子之间的间隔或者转子与定子之间的间隔，可以是限定出泵浦发电机转子与主发电机转子之间的间隔，或者限定出泵浦发电机定子与主发电机转子之间的间隔，或者限定出泵浦发电机转子与主发电机定子之间的间隔，保证泵浦发电机转子和主发电机转子均可以在不影响定子结构200中各个部件的情况下进行旋转。

本公开中，泵浦发电机单元中泵浦发电机转子和泵浦发电机定子的排列顺序与主发电机单元中的主发电机转子和主发电机定子的排列顺序一致或相反。例如，在含有一个泵浦发电机单元和一个主发电机单元的旋转式纳米发电机中，可以有四种排列方式，沿着图1所示的方向，第一种，自左向右依次为：泵浦发电机转子、泵浦发电机定子、主发电机转子、主发电机定子。第二种，自左向右依次为：泵浦发电机转子、泵浦发电机定子、主发电机定子、主发电机转子。第三种，自左向右依次为：泵浦发电机定子、泵浦发电机转子、主发电机转子、主发电机定子。第四种，自左向右依次为：泵浦发电机定子、泵浦发电机转子、主发电机定子、主发电机转子。对应不同的结构，设置转子垫片的方式可以进行适应性设置。

在一实施例中，例如对应第一种情况，可以参照图1所示意的情形，在相邻的泵浦发电机单元与主发电机单元中，泵浦发电机定子230与主发电机转子160相邻，转子垫片150位于泵浦发电机定子230的第一定子中心孔231内。转子垫片150的外径小于第一定子中心孔231的内径，且转子垫片150的厚度大于泵浦发电机定子230的厚度。

在另一实施例中，例如对应第四种情况，在相邻的泵浦发电机单元与主发电机单元中，泵浦发电机转子与主发电机定子相邻，转子垫片对应位于主发电机定子250的第二定子中心孔251内。转子垫片的外径小于第二定子中心孔的内径，该转子垫片的厚度大于主发电机定子的厚度。

在又一实施例中，例如对应第三种情况，在相邻的泵浦发电机单元与主发电机单元中，泵浦发电机转子与主发电机转子相邻，转子垫片设置于相邻的泵浦发电机转子和主发电机转子之间。

在一实施例中，例如对应第三种情况，在相邻的泵浦发电机单元与主发电机单元中，泵浦发电机定子与主发电机定子相邻，可以在泵浦发电机定子与主发电机定子之间设置定子垫片对二者进行分隔。

处理电路190的结构可以参照前述第一实施例的描述，本实施例中，第二转子轴孔141和第三转子轴孔161为多个，与前述第一转子轴孔131可以包括位于柱体轴心处的轴孔部分和环绕轴心设置的轴孔部分的情况相同，参照图4和图6所示，第二转子轴孔141和第三转子轴孔161也可以包括位于柱体轴心处的轴孔部分和环绕轴心设置的轴孔部分。具体分布间距和分布形状可以根据实际需要进行设置。

多个第二转子轴孔141和多个第三转子轴孔161中，除去被连接杆110贯穿的部分第二转子轴孔和部分第三转子轴孔之外，剩下的第二转子轴孔和第三转子轴孔用于所述导线的限位，使得处理电路随着泵浦发电机转子和主发电机转子同步转动或者使得所述处理电路固定于泵浦发电机定子和主发电机定子之间。

本实施例中，参照图1所示，定子结构200包括：第一端盖210、第一定子垫片220、泵浦发电机定子230、第二定子垫片240、主发电机定子250、第三定子垫片260和第二端盖270，第一端盖210、第一定子垫片220、泵浦发电机定子230、第二定子垫片240、主发电机定子250、第三定子垫片260和第二端盖270上均设置有定子螺栓孔，通过螺栓贯穿各个定子螺栓孔实现定子结构200中各个部件之间的固定。

本实施例中，参照图1所示，转子结构100包括：连接杆110、第一轴承120、第一半轴130、泵浦发电机转子140、转子垫片150、主发电机转子160、第二半轴170、第二轴承180。转子结构100通过将连接杆110贯穿第一半轴130、泵浦发电机转子140、转子垫片150、主发电机转子160、第二半轴170上设置的转子轴孔实现固定连接，从而实现一体化同步旋转。在第一轴承120和第二轴承180的径向和轴向承载下实现转动的稳固性。

在一实例中，以处理电路190随着泵浦发电机转子和主发电机转子同步转动为例。

综上所述，本实施例的旋转式纳米发电机通过利用连接杆分别贯穿泵浦发电机转子和主发电机转子上的第二转子轴孔、第三转子轴孔，使得泵浦发电机转子和主发电机转子成为连接为整体的转子结构，在外界激励作用下泵浦发电机转子和主发电机转子可以进行同步旋转，同时泵浦发电机定子和主发电机定子之间固定，不干扰转子的转动，由于泵浦发电机转子和主发电机转子进行同步旋转，不论是处理电路的输入输出端、存储电极对以及泵浦电极对固定于定子上还是转子上，都不影响发电过程，在结构上有效保证了发电过程的持续以及在高速旋转的条件下还可以维持稳定的输出，该旋转式纳米发电机具有良好的稳定性和较高的可靠度。

第三实施例

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种供电器件，包括上述任一种旋转式纳米发电机。

综上所述，本公开提供了一种旋转式纳米发电机及供电器件，通过利用同轴旋转的机械能可以实现泵浦发电机单元的机械能-电能转换以及同时将泵浦发电机单元产生的电能经过整流和稳压后定向供应给至少一个主发电机单元的存储电极对，如此在该存储电极对上可以具有持续定向的高密度电荷供应，在主发电机单元中无需进行接触或摩擦过程便可以通过静电感应的方式实现高功率发电。从而使得主发电机单元的电荷密度不依赖于摩擦或接触，且不受空气击穿的约束，极大地提升了该纳米发电机的输出功率，具有结构紧凑且输出功率较高的优点。进一步的，旋转式纳米发电机通过利用连接杆分别贯穿泵浦发电机转子和主发电机转子上的第二转子轴孔、第三转子轴孔，使得泵浦发电机转子和主发电机转子成为连接为整体的转子结构，在外界激励作用下泵浦发电机转子和主发电机转子可以进行同步旋转，同时泵浦发电机定子和主发电机定子之间固定，不干扰转子的转动，由于泵浦发电机转子和主发电机转子进行同步旋转，不论是处理电路的输入输出端、存储电极对以及泵浦电极对固定于定子上还是转子上，都不影响发电过程，在结构上有效保证了发电过程的持续以及在高速旋转的条件下还可以维持稳定的输出，该旋转式纳米发电机具有良好的稳定性和较高的可靠度。

除非另作定义，本公开实施例以及附图中，同一标号代表同一含义。为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大；并且，本公开一些实施例的附图中，只示出了与本公开构思相关的结构，其他结构可参考通常设计。另外，一些附图只是示意出本公开实施例的基本结构，而省略了细节部分。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语表示开放的意义，除了明确列举的元件、部件、部分或项目外，并不排除其他元件、部件、部分或者项目。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。可以理解，当诸如层、膜、区域或衬底基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种旋转式纳米发电机，其特征在于，包括：同轴设置的泵浦发电机单元和至少一个主发电机单元，以及处理电路；

其中，泵浦发电机单元，包括：相对设置的泵浦发电机转子和泵浦发电机定子，所述泵浦发电机转子和所述泵浦发电机定子中的一个设置有摩擦起电层，另一个设置有泵浦电极对；

所述主发电机单元包括：相对设置且具有间隔的主发电机转子和主发电机定子，所述主发电机转子和主发电机定子中的一个设置有存储电极对，另一个设置有输出电极对；一介电层，设置于存储电极对和输出电极对之间；

所述处理电路用于进行整流和稳压，连接于所述泵浦电极对和所述存储电极对之间；

所述泵浦发电机定子与所述主发电机定子之间固定，所述泵浦发电机转子和所述主发电机转子在外界激励下绕着轴发生旋转运动，所述泵浦发电机转子和所述主发电机转子之间的旋转运动各自独立或二者相关。

2.根据权利要求1所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，还包括轴向连接结构，该轴向连接结构包括：连接杆；

所述泵浦发电机转子上设置有第二转子轴孔，该第二转子轴孔的尺寸与连接杆的尺寸匹配；所述泵浦发电机定子上设置有第一定子中心孔；

所述主发电机转子上设置有第三转子轴孔，该第三转子轴孔的尺寸与连接杆的尺寸匹配；所述主发电机定子上设置有第二定子中心孔；

其中，所述连接杆贯穿所述第二转子轴孔、第一定子中心孔、第三转子轴孔和第二定子中心孔，当该轴向连接结构受到外界激励沿着轴向发生旋转时，经由所述第二转子轴孔与所述第三转子轴孔带动所述泵浦发电机转子和所述主发电机转子进行同步旋转。

3.根据权利要求2所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，所述轴向连接结构还包括：第一半轴、第二半轴、第一轴承以及第二轴承，

其中，所述第一半轴和所述第二半轴分别设置于所述泵浦发电机单元与所述至少一个主发电机单元相背离的两侧；所述第一半轴和所述第二半轴上设置有第一转子轴孔，所述连接杆贯穿所述第一转子轴孔；

所述第一轴承卡接于所述第一半轴的轴肩上，所述第二轴承卡接于所述第二半轴的轴肩上。

4.根据权利要求1所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，还包括：定子垫片，所述定子垫片为圆环状结构，所述定子垫片分别设置于泵浦发电机转子和主发电机转子的外围；

其中，所述定子垫片的内径大于所述泵浦发电机转子的外径，所述定子垫片的内径大于所述主发电机转子的外径。

5.根据权利要求4所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，所述泵浦发电机定子、所述主发电机定子和所述定子垫片之间通过固定件实现固定。

6.根据权利要求2所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，还包括：转子垫片，所述转子垫片上设置有供所述连接杆贯穿的垫片轴孔；

其中，所述转子垫片位于所述第一定子中心孔内，所述转子垫片的外径小于第一定子中心孔的内径，所述转子垫片的厚度大于泵浦发电机定子的厚度；或者，

所述转子垫片位于所述第二定子中心孔内，所述转子垫片的外径小于第二定子中心孔的内径，所述转子垫片的厚度大于主发电机定子的厚度；或者，

在相邻的泵浦发电机单元与主发电机单元中，泵浦发电机转子与主发电机转子相邻，所述转子垫片设置于相邻的泵浦发电机转子和主发电机转子之间。

7.根据权利要求2所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，所述处理电路包括：整流桥、稳压管以及用于电路连接的导线，所述导线包括：第一导线，连接于整流桥的交流输入端和泵浦电极对之间；以及第二导线，连接于整流桥的直流输出端和存储电极对之间；所述稳压管并联于整流桥的直流输出端之间；

其中，第二转子轴孔和第三转子轴孔为多个，除去被连接杆贯穿的部分第二转子轴孔和部分第三转子轴孔之外，剩下的第二转子轴孔和第三转子轴孔用于所述导线的限位，使得所述处理电路随着泵浦发电机转子和主发电机转子同步转动或者使得所述处理电路固定于泵浦发电机定子和主发电机定子之间。

8.根据权利要求1所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，还包括：第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和所述第二端盖分别设置于所述泵浦发电机单元与所述至少一个主发电机单元相背离的两侧。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，所述泵浦发电机单元中泵浦发电机转子和泵浦发电机定子的排列顺序与所述主发电机单元中的主发电机转子和主发电机定子的排列顺序一致或相反。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，

泵浦电极对、存储电极对和输出电极对中电极呈扇形分布或插指形分布；和/或，

泵浦电极对、存储电极对和输出电极对中电极的材料为以下导电材料的一种：金属材料、导电碳材料或ITO；和/或，

泵浦电极对、存储电极对和输出电极对中电极的厚度为50nm～50μm；

摩擦起电层和介电层为以下绝缘材料的一种：聚合物、无机氧化物；和/或，

摩擦起电层和介电层的厚度为0.5μm～50μm。

11.根据权利要求1-8中任一项所述的旋转式纳米发电机，其特征在于，相邻的两个主发电机单元共用相邻的主发电机定子/主发电机转子，在该共用的主发电机定子/主发电机转子的两侧分别设置有电极，其中，一侧电极为存储电极对，另一侧电极为输出电极对；或者，两侧的电极均为存储电极对/输出电极对。

12.一种供电器件，其特征在于，包括权利要求1-11中任一项所述的旋转式纳米发电机。

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