CN106602930B - 一种带磁制伸缩薄膜组件发电球 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能球技术领域，具体涉及一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，包括球体，球体内中部区域设有两层绝缘基板，两层绝缘基板中间设有一线圈骨架，两端各设有一永磁体，内腔设有一磁致伸缩薄膜，线圈骨架外部绕设有感应线圈，层绝缘基板的表面设有电路组件，感应线圈通过导线与电路组件电性连接，两层绝缘基板的两外侧面分别设有一对电极薄膜层，每对电极薄膜层的相对侧面均设有摩擦增益层，每对电极薄膜层的背离面均设有电极层，电极层通过导线与电路组件电性连接。本发明通过设计磁致伸缩薄膜电磁感应发电及摩擦发电薄膜结构，能够充分捕获球体在外力作用下的形变带来的势能并转换为电源。
Description
技术领域
本发明涉及智能球技术领域，具体涉及一种带磁制伸缩薄膜组件发电球。
背景技术
球体，例如足球、篮球、橄榄球等，其作为运动载体的同时被不断地通过拍打、撞击等方式实现运动辅助功能。然而，现有的球体其功能定位仅限于运动辅助，而球体本身由于被外部势能的作用而产生的形变和震动的本身能量，却没有被很好的利用。现有技术中有通过在球体内部设置感应线圈和永磁体，通过永磁体在运动过程中的运动切割感应线圈，来实现电磁感应发电。而这种方式往往需要在球体内部设置较大体积的永磁体，从而会导致整个球体的重量，而大块永磁体的设置，对整个球体配重的要求也较高。
发明内容
为此，需要提供一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，通过设置电极薄膜层，通过电极薄膜层在球体运动过程中发生的形变转化成电能进行存储，采用这种方式来获得球内发电，同时在球体部署较小体积的永磁体，并配合设置磁致伸缩薄膜和感应线圈，从而在球体运动过中将磁致伸缩薄膜的尺寸形变导致的磁状态变化，引起感应线圈的电磁感应并产生电压进行存储。本发明虽然设有感应线圈和永磁体，但是本发明通过电磁薄膜层和磁致伸缩薄膜层的设计，从而采用双重方式进行球体形变和运动势能的捕捉，感应线圈和永磁体体积可以大大缩小，并不过多增加球体的重量，实现对球体运动过程中对于球体形变及运动势能的高效捕捉，并最大程度地转换为电能进行存储。
为实现上述目的，发明人提供了一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，包括球体，所述球体内中部区域设有两层绝缘基板，两层绝缘基板中间设有一线圈骨架，所述线圈骨架两端各设有一永磁体，线圈骨架内腔设有一磁致伸缩薄膜，所述磁致伸缩薄膜一端与线圈骨架一端及该端设置的永磁体固定连接，所述磁致伸缩薄膜另一端为自由端，所述线圈骨架外部绕设有感应线圈，其中一层绝缘基板的表面设有电路组件，所述感应线圈通过导线与电路组件电性连接，两层绝缘基板的两外侧面分别设有一对电极薄膜层，每对电极薄膜层的相对侧面均设有摩擦增益层，每对电极薄膜层的背离面均设有电极层，所述电极层通过导线与电路组件电性连接。
进一步的，每对电极薄膜层的摩擦增益层之间的垂直距离d满足以下条件： 0≤d≤1cm。
进一步的，每对电极薄膜层分别包括第一电极薄膜层和第二电极薄膜层，但所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层的材质不同，所述第一电极薄膜层选自聚四氟乙烯、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种，所述第二电极薄膜层选自聚四氟乙烯、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种。
更进一步的，第一电极薄膜层选用聚酯纤维材质制作而成，所述第二电极薄膜层采用聚二甲基硅氧烷材质制作而成。
进一步的，所述电极层采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在每对电极薄膜层的背离面制作出完整的金属电极。
优选的，所述金属电极为圆形或非圆形金属电极。
优选的，所述金属导电材料选自金、银、铜、铝、钛、钨、烙及其合金中的一种，金属电极厚度优选为100nm-4000nm。
进一步的，所述摩擦增益层包括设置在每对电极薄膜层相对面的微凸颗粒状结构，以及覆盖在该微凸颗粒状结构上的纳米金属层结构。
优选的，所述微凸颗粒状结构采用纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合制作而成。
区别于现有技术，上述技术方案具有的有益效果如下：通过在球体内设置两层绝缘基板，在两层绝缘基板中设计磁致伸缩薄膜和感应线圈，在两层绝缘基板两端设置永磁体，通过磁致伸缩薄膜在磁场作用下实现机械能和电磁能之间的双向转换，通过磁致伸缩薄膜受到球体运动过程发生的尺寸形变导致磁致伸缩逆效应，从而对球体的形变势能进行收集，将尺寸形变势能转换为磁能 ，从而大大增强在永磁体磁场作用下的感应线圈的电磁感应并增大电流电压的产生。再在两层绝缘基板两背离面分别设置一对电极薄膜层，每对电极薄膜层由两片发电薄膜构成，两片发电薄膜相对面设有摩擦增益层，两片发电薄膜背离面均设有电极层，电极层与电路组件电性连接，这些结构组合构成摩擦发电装置，借助一种分离技术，当摩擦发生时，每对电极薄膜层之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流。在摩擦中，第一电极薄膜层产生电子，第二电极薄膜层则负责接收电子，从将产生的电流和电压通过导线输出到电路组件中，并通过整流滤波过程为摩擦发电智能球的电路组件的其他电子器件供电。
2、每对电极薄膜层的两相对侧面均设有摩擦增益层，该摩擦增益层结构采用微凸颗粒状结构和纳米金属层结构，当每对电极薄膜层发生摩擦时，该微凸颗粒状结构能够在竖直方向上增加摩擦，而纳米金属层能够在水平方向上增加摩擦，从而从两个维度极大地增加了摩擦表面的摩擦力度，进一步提高输出电压电流。
附图说明
图1为本发明实施例的剖视图。
图2为本发明实施例的两层绝缘基板及其内部结构剖视图（局部省略）。
图3为本发明实施例的电路结构示意图。
图4为本发明实施例的工作状态示意图（局部省略）。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
实施例：
请参阅图1至图4，本实施例的一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，包括球体1，所述球体1内中部区域设有设有两层绝缘基板21、22，两层绝缘基板21、22对称设置在球体1的对称中心轴两侧。两层绝缘基板21、22均为圆形基板，其边缘与球体固定连接。该两层绝缘基板21、22可以采用绝缘性能的氯化聚氯乙烯或亚克力 材料制作而成，具有良好的抗震性能和绝缘性能。两层绝缘基板21、22中间设有一线圈骨架3，线圈骨架3横截面为矩形或圆形，沿球体中轴线设置，且其对称中心轴与两层绝缘基板21、22的对称中心轴线重叠。所述线圈骨架3两端部与两层绝缘基板21、22的两端部卡设或焊接固定，所述线圈骨架3两端各设有一永磁体4，本实施例中，该永磁体4夹设在两层绝缘基板21、22的两端，且永磁体4一端面与绝缘基板端部相抵设置，可以开设卡槽卡设等与绝缘基板实现固定。线圈骨架3内腔设有一磁致伸缩薄膜5，所述磁致伸缩薄膜5一端与线圈骨架3一端及该端设置的永磁体4固定连接，所述磁致伸缩薄膜5另一端为自由端，该自由端与该端的永磁体4之间的距离为1-10mm，所述线圈骨架3外部绕设有感应线圈6。所述层绝缘基板21的表面设有电路组件7，该电路组件7包括一电路基板71，电路基板71固定焊接在绝缘基板21上。且该电路组件7和电路基板71的上面还覆盖有一层绝缘薄膜。所述感应线圈6通过导线与电路组件7电性连接，两层绝缘基板21、22的两外侧面分别设有一对电极薄膜层81、82。
具体参考图4所示，每对电极薄膜层81、82的相对侧面均设有摩擦增益层9，每对电极薄膜层的背离面均设有电极层10，所述电极层10通过导线与电路组件7电性连接。每对电极薄膜层81、82的摩擦增益层9之间的垂直距离d满足以下条件： 0≤d≤1cm。所述电极层10作为电压和电流输出电极，并通过导线与电路组件电性连接，从而将电极薄膜层摩擦产生的电压和电流输出至电路组件进行存储。每对电极薄膜层之间距离设置符合以下条件：当球受碰撞或在滚动过程中使发电薄膜层产生形变并发生摩擦，当球体恢复形变后，该对发电薄膜层能够分离。
每对电极薄膜层分别包括电极薄膜层81和电极薄膜层82，但所述电极薄膜层81和电极薄膜层82的材质不同，所述电极薄膜层81选自聚四氟乙烯、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种，所述电极薄膜层82选自聚四氟乙烯、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种。
在本实施例中，所述电极薄膜层81选自聚四氟乙烯（PTFE）材质制作而成，所述电极薄膜层82采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质制作而成。聚四氟乙烯（PTFE或Teflon），俗称“塑料王”，是一种柔性高分子材料，具有优良的综合性能。PTFE的优良性能使其在化工、机械、电子、电器、军工、航天、环保和桥梁行业都有广泛的应用。PTFE的可加工性较强，可以通过多种改性方法获得所需的PTFE材料，如表面改性、填充改性、共混改性等。PTFE薄膜是一种工程塑料，一半应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀以及制雷达、高频通讯器材、无线电器材等。其具有以下特性：耐高温：使用工作温度达250℃，耐低温：具有良好的机械韧性，即使温度下降到-196℃，也可保持5%的伸长率，无毒害：具有生理惰性，作为人工血管和脏器长期植入体内无不良反应，力学性能，不粘附：光滑异常，连冰都比不过它，是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质。它的摩擦系数极小，仅为聚乙烯的1/5，这是全氟碳表面的重要特征。又由于氟-碳链分子间作用力极低，所以聚四氟乙烯具有不粘性，绝缘性能优异：报纸厚的一层薄膜，便足以抵挡1500V的高压电。耐化学腐蚀和耐候性：除熔融的碱金属外，聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于所有的溶剂，只在300℃以上稍溶于全烷烃（约0.1g/100g），优异的耐候性：不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，有塑料中最佳的老化寿命。电性能：聚四氟乙烯在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。耐辐射性能：聚四氟乙烯的耐辐射性能较差（104拉德），受高能辐射后引起降解，高分子的电性能和力学性能均明显下降。
另一些实施例中，电极薄膜层81选用聚酯纤维材质制作而成，所述电极薄膜层82均采用聚二甲基硅氧烷材质制作而成。所述电极薄膜层81和电极薄膜层82的厚度均为500-5000μm。
本实施例中，所述电极层10采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在第一电极薄膜层的两片发电薄膜中间避开绝缘基板20的部分制作出完整的金属电极。所述电极层10采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在所述电极薄膜层81和电极薄膜层82的背离面制作出完整的金属电极。所述金属电极为圆形或非圆形金属电极。所述金属导电材料选自金、银、铜、铝、钛、钨、烙及其合金中的一种，金属电极厚度优选为100nm-4000nm。
具体参考图4所示，所述摩擦增益层9包括设置在电极薄膜层81、82相对面的微凸颗粒状结构91，以及覆盖在该微凸颗粒状结构上的纳米金属层结构92。本实施例中，所述微凸颗粒状结构91采用纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合制作而成。其制作工艺如下：在电极薄膜层81、82相对面分别采用粘合剂涂覆一层微凸颗粒状结构纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合材料，该粘合剂采用溶胶SiO 2粘合剂。干燥后，利用溅射或蒸发工艺，将纳米级金属材料涂覆至所有纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合材料上以及电极薄膜层81、82其他没有涂覆上混合材料的部分。
具体参考图1和图3所示，本实施例中，电极层10通过导线11与电路组件7电性连接构成闭合回路，电路组件7包括依次电性连接的整流电路71、电源控制电路72、蓄电池73及其他电路74，所述整流电路71为桥式整流电路将发电产生的交流电转为直流电，电源控制电路72为升降压控制并对电池充电，其中升降压控制为蓄电池73充电提供稳定的输入电压，包含基於PWM控制的升降压芯片(buck-boost voltage regulator)，还有对蓄电池73进行充电管理的充电芯片，其他电路74为智能球相关的其他智能电路。
本实施例的工作原理如下：
在本实施例中，电极薄膜层81与电极薄膜层82之间的距离均为d=4㎜，如图4所示，当球体1收到外力碰撞发生形变时，两层绝缘基板中的磁致伸缩薄膜受到外力发生尺寸形变导致磁致伸缩逆效应，在感应线圈和永磁体形成的磁场作用下将该机械能转换为电磁能，从而将球体的形变势能进行收集，将尺寸形变势能转换为磁能 ，从而大大增强在永磁体磁场作用下的感应线圈的电磁感应并增大电流电压的产生。而同时在该球体1收到外力碰撞发生形变时，电极薄膜层81和电极薄膜层82的中部会贴合在一起，而碰撞的力度越大，则其贴合的力度也越大，撞击后由于薄膜本身的弹性形变会又分开，则在撞击和分开的过程中，电极薄膜层81分别和电极薄膜层82由于不断摩擦产生了电势变化，生成等量但电性相反的移动电荷。而电极层10作为整个发电薄膜的正负电极与外部的电路组件电路连接，从而所述电极层10作为电压和电流输出电极，并通过导线与电路组件电性连接，从而将发电薄膜层摩擦产生的电压和电流输出至电路组件进行存储。
在电极薄膜层81、82上设置摩擦增益层9，则可以增大接触区域面积，在摩擦增益层9的摩擦力作用下使得电极薄膜层81、82发生竖直和水平方向上的相对滑动，具体地，而微凸颗粒状结构91增加竖直方向上的摩擦接触，而纳米金属层92则增加了水平方向上的摩擦滑动，且纳米金属层92的设置，能够增加电荷的产生，从而使得电极薄膜层81,82之间的内电势大大增强。从而使得电极层10产生更多的自由电荷，并在外电路导通情况下发生中和，形成外电流进入电路组件负载，对电流进行存储，并为球体1其他部件提供工作电压。
本实施例的有益效果如下：
1、通过在球体内设置设置两层绝缘基板，在两层绝缘基板中设计磁致伸缩薄膜和感应线圈，在两层绝缘基板两端设置永磁体，通过磁致伸缩薄膜在磁场作用下实现机械能和电磁能之间的双向转换，通过磁致伸缩薄膜受到球体运动过程发生的尺寸形变导致磁致伸缩逆效应，从而对球体的形变势能进行收集，将尺寸形变势能转换为磁能 ，从而大大增强在永磁体磁场作用下的感应线圈的电磁感应并增大电流电压的产生。再在两层绝缘基板两背离面分别设置一对电极薄膜层，每对电极薄膜层由两片发电薄膜构成，两片发电薄膜相对面设有摩擦增益层，两片发电薄膜背离面均设有电极层，电极层与电路组件电性连接，这些结构组合构成摩擦发电装置，借助一种分离技术，当摩擦发生时，每对电极薄膜层之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流。在摩擦中，第一电极薄膜层产生电子，第二电极薄膜层则负责接收电子，从将产生的电流和电压通过导线输出到电路组件中，并通过整流滤波过程为摩擦发电智能球的电路组件的其他电子器件供电。
2、每对电极薄膜层的两相对侧面均设有摩擦增益层，该摩擦增益层结构采用微凸颗粒状结构和纳米金属层结构，当每对电极薄膜层发生摩擦时，该微凸颗粒状结构能够在竖直方向上增加摩擦，而纳米金属层能够在水平方向上增加摩擦，从而从两个维度极大地增加了摩擦表面的摩擦力度，进一步提高输出电压电流。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，其特征在于：包括球体，所述球体内中部区域设有两层绝缘基板，两层绝缘基板中间设有一线圈骨架，所述线圈骨架两端各设有一永磁体，线圈骨架内腔设有一磁致伸缩薄膜，所述磁致伸缩薄膜一端与线圈骨架一端及该端设置的永磁体固定连接，所述磁致伸缩薄膜另一端为自由端，所述线圈骨架外部绕设有感应线圈，其中一层绝缘基板的表面设有电路组件，所述感应线圈通过导线与电路组件电性连接，两层绝缘基板的两外侧面分别设有一对电极薄膜层，每对电极薄膜层的相对侧面均设有摩擦增益层，每对电极薄膜层的背离面均设有电极层，所述电极层通过导线与电路组件电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，其特征在于：每对电极薄膜层的摩擦增益层之间的垂直距离d满足以下条件： 0≤d≤1cm。
3.根据权利要求1所述的一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，其特征在于：每对电极薄膜层分别包括第一电极薄膜层和第二电极薄膜层，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层的材质不同，所述第一电极薄膜层选自聚四氟乙烯、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种，所述第二电极薄膜层选自聚四氟乙烯、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，其特征在于：第一电极薄膜层选用聚酯纤维材质制作而成，所述第二电极薄膜层采用聚二甲基硅氧烷材质制作而成。
5.根据权利要求1所述的一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，其特征在于：所述电极层采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在每对电极薄膜层的背离面制作出完整的金属电极。
6.根据权利要求5所述的一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，其特征在于：所述金属电极为圆形或非圆形金属电极。
7.根据权利要求5所述的一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，其特征在于：所述金属导电材料选自金、银、铜、铝、钛、钨、烙及其合金中的一种，金属电极厚度为100nm-4000nm。
8.根据权利要求1所述的一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，其特征在于：所述摩擦增益层包括设置在每对电极薄膜层相对面的微凸颗粒状结构，以及覆盖在该微凸颗粒状结构上的纳米金属层结构。
9.根据权利要求8所述的一种带磁制伸缩薄膜组件发电球，其特征在于：所述微凸颗粒状结构采用纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合制作而成。
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Denomination of invention: Power generation ball with magnetic telescoping thin film assembly Effective date of registration: 20190909 Granted publication date: 20180727 Pledgee: Lin Zhihong Pledgor: GENGEE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2019980000128 |
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Application publication date: 20170426 Assignee: Shanghai Jiankai Technology Co.,Ltd. Assignor: GENGEE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Contract record no.: X2023310000005 Denomination of invention: A power generation ball with magnetic telescopic film module Granted publication date: 20180727 License type: Common License Record date: 20230110 |