CN106208801B - 一种旋转式摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电机技术领域，公开了一种旋转式摩擦纳米发电机，所述旋转式摩擦纳米发电机包括：第一部件(10)，包括至少一组第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)；第二部件(20)，与所述第一部件(10)同轴，且两者之间具有一间距，并能够相对运动；以及第三部件(30)，与所述第二部件(20)连接；用于在相对运动时，所述第三部件(30)分别与各所述第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)接触摩擦，使得所述第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)上分别产生摩擦电荷。本发明旋转式摩擦纳米发电机可增强器件的输出性能。

Description

一种旋转式摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，具体地，涉及一种旋转式摩擦纳米发电机。

背景技术

机械能，特别是旋转能量作为目前电磁发电的驱动源，存在于自然的各个角落。电磁式发电机虽然已经成为了现在主流的发电装置，但其重量大，价格高等缺点仍然需要解决。

自2012年以来，基于摩擦电和静电感应原理的摩擦纳米发电机发展十分迅速，由于制作工艺简单，材料便宜易得，器件轻便，转化效率高等特点，使得其成为未来机械发电的另一种选择。目前收集旋转能量的摩擦发电装置主要有两种工作模式，它们分别是：平面滑动模式和独立不接触模式。但是这两种模式存在各自的缺点：对于平面滑动模式，由于材料之间的滑动摩擦使得器件的机械耐久性能较差，从而降低器件的输出性能；对于独立不接触模式，虽然没有机械的磨损问题，但是由于摩擦层表面的电荷衰减，直接导致器件的电输出减弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转式摩擦纳米发电机，可增强输出性能。

为了实现上述目的，本发明提供一种旋转式摩擦纳米发电机，所述旋转式摩擦纳米发电机包括：第一部件，包括至少一组第一摩擦单元和第二摩擦单元；第二部件，与所述第一部件同轴，且两者之间具有一间距，并能够相对运动；以及第三部件，与所述第二部件连接；用于在相对运动时，所述第三部件分别与各所述第一摩擦单元和第二摩擦单元接触摩擦，使得所述第一摩擦单元和第二摩擦单元上分别产生摩擦电荷。

优选地，所述第三部件的接触面材料的摩擦电极序介于所述第一摩擦单元和第二摩擦单元之间。

优选地，所述第二部件包括至少一组具有间隔的第一电极和第二电极，且各所述第一电极和第二电极分别对应第一摩擦单元或第二摩擦单元设置；或者，在所述第一摩擦单元和第二摩擦单元与第三部件接触表面的相反面分别设置第一电极和第二电极；在相对运动时，所述第一电极和第二电极上分别产生感应电荷，形成感应电势差。

优选地，各所述第一摩擦单元与第二摩擦单元交替设置；对应的各所述第一电极与第二电极交替设置。

优选地，各所述第一摩擦单元与第二摩擦单元形状尺寸相同；对应的各所述第一电极与第二电极形状尺寸相同。

优选地，各所述第一电极串联连接，各所述第二电极串联连接。

优选地，各所述第一电极和第二电极在旋转方向上等间隔环形设置。

优选地，所述第三部件、所述第一摩擦单元和第二摩擦单元至少一个表面上具有微纳米结构层。

优选地，所述第一部件还包括：基底层，所述基底层上设置有所述第一摩擦单元和第二摩擦单元。

优选地，所述基底层由柔软的绝缘材料制成。

优选地，所述旋转式摩擦纳米发电机为套管式或转盘式摩擦纳米发电机。

优选地，所述第二部件为外管；所述第一部件为内管，且能够滚动，与所述第三部件滚动摩擦接触；或者，所述第二部件为内管；第一部件为外管，且能够滚动，与所述第三部件滚动摩擦接触。

优选地，所述第三部件的形状为圆柱体状；第一摩擦单元和第二摩擦单元的形状为长条状。

优选地，所述旋转式摩擦纳米发电机包括多个第一部件和第二部件，仅包括1个第三部件。

优选地，所述第一部件为外凸的圆锥体转盘；所述第二部件为与所述第一部件互补的凹体，所述第三部件为与所述第一部件配合的锥体；所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的形状为扇形。

优选地，所述第一摩擦单元和/或第二摩擦单元的厚度为0.001mm至100mm。

优选地，所述间距为0.05mm至10mm。

优选地，所述间距为0.5mm至6mm。

优选地，所述第三部件与第二部件之间设置有绝缘层。

本发明旋转式摩擦纳米发电机通过设置第一部件、第二部件和第三部件，在第一部件和第二部件相对运动时，产生摩擦电荷，可增强器件输出性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明旋转式摩擦纳米发电机实施例一的结构分解图；

图2是本发明旋转式摩擦纳米发电机实施例一的主视图；

图3a-图3c是本发明旋转式摩擦纳米发电机实施例一的发电原理图；

图4是本发明旋转式摩擦纳米发电机实施例一的输出性能曲线图；

图5是本发明旋转式摩擦纳米发电机实施例一的输出性能与第一部件和第二部间之间间距的关系示意图；

图6是本发明旋转式摩擦纳米发电机实施例一与独立不接触式摩擦发电机、平面滑动式摩擦发电机的输出性能稳定性的对比图；

图7是本发明旋转式摩擦纳米发电机实施例二的结构分解示意图。

附图标记说明

10 第一部件 101 第一摩擦单元

102 第二摩擦单元 20 第二部件

201 第一电极 202 第二部件

30 第三部件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在发明中，在发明中，在未作相反说明的情况下，发明中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制发明的保护范围。

本发明旋转式摩擦纳米发电机包括：第一部件10，包括至少一组第一摩擦单元101和第二摩擦单元101；第二部件20，与所述第一部件10同轴，且两者之间具有一间距，并能够相对运动；以及第三部件30，与所述第二部件20连接；用于在相对运动时，所述第三部件30分别与各所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102接触摩擦，使得所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102上分别产生摩擦电荷。

本发明旋转式摩擦纳米发电机通过设置第一部件、第二部件和第三部件，可使第一部件与第二部件相对运动时，产生摩擦电荷，增强了器件输出性能。

如图1所示，本发明旋转摩擦纳米发电机可为套管式(如图1所示)或转盘式摩擦纳米发电机(如图7所示)。

如图1所示，当本发明旋转式摩擦纳米发电机为套管式摩擦纳米发电机时，所述第二部件20为外管；所述第一部件10为内管，且能够滚动，与所述第三部件20滚动摩擦接触。通过滚动摩擦，可降低机械磨损，延长器件的使用寿命。

其中，所述第三部件30的形状为圆柱体状，例如转动棒；所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102的形状为长条状。优选地，所述第三部件30、第一摩擦单元101和第二摩擦单元102与转动轴平行设置。

本发明旋转式摩擦纳米发电机可设置于旋转器件上，例如轴承，将轴承中的旋转机械能转换为电能，其中，所述第一部件可由转轴连接。此外，也可根据需要，将第一部件10和第二部件20调换位置，例如，所述第二部件20为内管；第一部件10为外管，且能够滚动，与所述第三部件30滚动摩擦接触。

在套管式摩擦纳米发电机的其他实施方式中，发电机可以包括多个第一部件10和第二部件20，仅包括1个第三部件30，第三部件30转动带动多个第一部件10相对第二部件20旋转。第三部件30与第一部件10或者第二部件20的相对转动可以通过各种机械转动结构实现，例如齿轮结构等。这种结构的发电机可以进一步提高机械能的利用效率。优选的，第一部件和第二部件为4个，第三部件为1个，第一部件和第二部件组成的套管结构围绕在第三部件的周围。

如图7所示，当本发明旋转式摩擦纳米发电机为转盘式摩擦纳米发电机时，所述第一部件10为外凸的圆锥体转盘；所述第二部件20为与所述第一部件10互补的凹体，所述第三部件30为与所述第一部件10配合的锥体；所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102的形状为扇形，但并不以此为限。

其中，所述第三部件30的接触面材料的摩擦电极序介于所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102之间，使在接触摩擦过程中，所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102上产生异号电荷。所述第三部件30可全部或者表面由金属材料或有机材料制成，例如金属铝；所述第一摩擦单元101与第二摩擦单元102由金属材料或有机材料制成，例如，所述第一摩擦单元101选用电负性较高的有机绝缘材料制成(例如聚四氟乙烯)，所述第二摩擦单元102选用金属材料(例如铜)，但并不以此为限。

为增加接触面积，增强输出的电能，所述第三部件30、所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102中至少一个表面上具有微纳米结构层。其中，所述微纳米结构层为纳米线、纳米带、纳米颗粒、纳米沟槽、纳米孔洞等。

如图2所示，所述第二部件20包括至少一组具有间隔的第一电极201和第二电极202，且各所述第一电极201和第二电极202分别对应第一摩擦单元101或第二摩擦单元102设置；在相对运动时，所述第一电极201和第二电极202上分别产生感应电荷，形成感应电势差。

优选地，各所述第一摩擦单元101与第二摩擦单元102交替设置；对应的各所述第一电极201与第二电极202交替设置。通过交替设置，可使第三部件30不断的与第一摩擦单元101和第二摩擦单元102接触摩擦，补充摩擦电荷的电荷量，避免输出性能的衰减。

各所述第一摩擦单元101与第二摩擦单元102形状尺寸相同；对应的各所述第一电极201与第二电极202形状尺寸相同。其中，所述第一摩擦单元101和/或第二摩擦单元102的厚度为0.001mm至100mm。

所述第一部件10还包括基底层(图中未示出)，所述基底层上设置有所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102，用于支撑所述第一摩擦单元101和第二摩擦单(10)。其中，所述基底层由柔软的绝缘材料制成。

本发明旋转式摩擦纳米发电机通过设置多组第一摩擦单元101和第二摩擦单元102以及对应的第一电极201和第二电极202，则形成多个摩擦发电机单体，为增强输出的电能，本发明旋转式摩擦纳米发电机中的各所述第一电极201串联连接，各所述第二电极202串联连接。

如图2所示，所述第一电极201和第二电极202在旋转方向上等间隔环形设置。本实施例中，共设置有4个第一摩擦单元101、4个第二摩擦单元102、4个第一电极201以及4个第二电极202，但并不以此为限。

如图3a至图3c，本发明旋转式摩擦纳米发电机工作时，第一部件10旋转，使第三部件30与第一部件10的第一摩擦单元101和第二摩擦单元102发生联动摩擦接触，接触面的电荷发生转移，使得第一摩擦单元101带负电，第三部件30带正电，在第一部件10继续与第三部件30接触摩擦的过程中，第一摩擦单元102与第三部件30接触，由于等势体第三部件30接触摩擦的过程中，第一摩擦单元102与第三部件30接触，由于等势体原理(等势体原理为：导体上的电势处处相等，如果两个导体的电势不相等，当它们接触后就会发生电荷的重新分布来使得两个导体具有相等的电势)，所述第三部件30中的电荷将发生重新分布，转移部分正电荷到第二摩擦单元102上。当所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102转动过程中，所述第一电极201和第二电极202上的感应电荷随着移动，可通过外电路形成电流输出。

所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102带异号电荷，能够增强在电能输出时对第一电极201和第二电极202的感应作用，进一步增强输出电能的性能。通过第一部件10与第二部件20的相对周期性移动，使得第一摩擦单元101和第二摩擦单元102与第一电极201和第二电极202交替覆盖，并通过第一电极201和第二电极202向外输出交流电信号。

为避免第三部件30上的电荷传导至所述第二部件20的第一电极201和/或第二电极202上，所述第三部件30与第二部件20之间设置有绝缘层，形成软接触。

所述输出电性能的强度与第一部件10和第二部件20之间的间距有关，电流和电压值均随着第一部件10和第二部件20的间距的增大而减小，但是间距过小，使得第三部件30的制作要求更高，合格率低，同时容易引起第一部件10与第二部件20的摩擦，影响输出性能。因此，一般选取的间距为0.05mm至10mm。优选地，所述间距为0.5mm至6mm。在本实施中，分别选取0.5mm、1mm、2mm、3mm和6mm进行测试(如图5所示)。

如图4所示，在间距为0.5mm时，随着转速的增加，输出电流变大；输出电压可达到160V。可以用来为20个最大功率为0.6W的LED灯供电，同时通过连接电容，可以为一个120V工作电压的球型灯泡供电，输出性能稳定。

根据图6所示，本发明旋转式摩擦纳米发电机相比于传统的摩擦纳米发电机，输出性能稳定、耐久性强。通过第一部件10的旋转使得第三部件30旋转，通过第三部件30的旋转联动第二部件20或多个第一部件10旋转，形成结构简单、便携式且耐久性强的旋转式摩擦纳米发电机，将机械能转换为交流电能，适用范围广。

此外，本发明还提供另一种结构方式：在所述第一摩擦单元101和第二摩擦单元102的表面分别设置第一电极和第二电极(图中未示出)，特别是在第一摩擦单元101和第二摩擦单元102与第三部件30接触表面的相反面分别设置第一电极和第二电极，在第一摩擦单元101和第二摩擦单元102上产生摩擦电荷后，可分别在对应的第一电极或第二电极上感应相反电荷，使第一电极和第二电极之间形成电势差。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (18)

1.一种旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述旋转式摩擦纳米发电机包括：

第一部件(10)，包括至少一组第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)；

第二部件(20)，与所述第一部件(10)同轴，且两者之间具有一间距，并能够相对运动；以及

第三部件(30)，与所述第二部件(20)连接；用于在相对运动时，所述第三部件(30)分别与各所述第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)接触摩擦，使得所述第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)上分别产生摩擦电荷，

其中，所述第二部件(20)包括至少一组具有间隔的第一电极和第二电极，且各所述第一电极和第二电极分别对应第一摩擦单元(101)或第二摩擦单元(102)设置；

或者，在所述第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)与第三部件(30)接触表面的相反面分别设置第一电极和第二电极；

在相对运动时，所述第一电极和第二电极上分别产生感应电荷，形成感应电势差。

2.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第三部件(30)的接触面材料的摩擦电极序介于所述第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)之间。

3.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，各所述第一摩擦单元(101)与第二摩擦单元(102)交替设置；对应的各所述第一电极与第二电极交替设置。

4.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，各所述第一摩擦单元(101)与第二摩擦单元(102)形状尺寸相同；对应的各所述第一电极与第二电极形状尺寸相同。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，各所述第一电极串联连接，各所述第二电极串联连接。

6.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，各所述第一电极和第二电极在旋转方向上等间隔环形设置。

7.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第三部件(30)、所述第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)中至少一个表面上具有微纳米结构层。

8.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一部件还包括：

基底层，所述基底层上设置有所述第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)。

9.根据权利要求8所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述基底层由柔软的绝缘材料制成。

10.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述旋转式摩擦纳米发电机为套管式或转盘式摩擦纳米发电机。

11.根据权利要求10所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二部件(20)为外管；所述第一部件(10)为内管，且能够转动，与所述第三部件(30)滚动摩擦接触；

或者，所述第二部件(20)为内管；第一部件(10)为外管，且能够转动，与所述第三部件(30)滚动摩擦接触。

12.根据权利要求10所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第三部件(30)的形状为圆柱体状；第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)的形状为长条状。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述旋转式摩擦纳米发电机包括多个第一部件(10)和第二部件(20)，仅包括1个第三部件(30)。

14.根据权利要求10所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一部件(10)为外凸的圆锥体转盘；所述第二部件(20)为与所述第一部件(30)互补的凹体，所述第三部件(30)为与所述第一部件(10)配合的锥体；所述第一摩擦单元(101)和第二摩擦单元(102)的形状为扇形。

15.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元(101)和/或第二摩擦单元(102)的厚度为0.001mm至100mm。

16.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述间距为0.05mm至10mm。

17.根据权利要求16所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述间距为0.5mm至6mm。

18.根据权利要求1所述的旋转式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第三部件(30)与第二部件(20)之间设置有绝缘层。