CN106712566A - 新型三维空间发电车轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电摩擦领域、车轮技术领域，特指基于静电摩擦的新型三维空间发电车轮。本发明在新型三维空间发电机车轮设计中充分利用车轮在滚动过程中的机械能，根据静电摩擦生电和静电感应的复合原理，利用内轮与摩擦弹性球接触/分离模式和滑动模式复合所产生的能量，有效地将在机械能作用下所产生的电信号通过电压转换电路与负载相连接，从而实现对移动负载和自身供电系统的充电。

Description

新型三维空间发电车轮

技术领域

本发明涉及静电摩擦领域、车轮技术领域，特指基于静电摩擦的新型三维空间发电车轮。

背景技术

自1882年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机起，静电摩擦生电这个无处不在的能量不断被人们所重视和广泛关注。基于摩擦电效应以及静电感应原理的静电摩擦发电机在王中林团队等众多科学团队不断努力下取得了大量的研究成果，通过周期性垂直接触/分离，面内滑动/转动或者压电效应的静电摩擦发电机已经成功地用于收集机械能。本发明承接了该研究理念，巧妙地将其应用于发电车轮的设计中。申请号为201520337205.9的中国专利申请公开了一种接触/分离模式的自行车发电车轮。在骑行过程中，贴合于车轮外侧的发电膜与车架内侧的发电膜采集车轮滚动摩擦而产生的能量并将其转换为电能。但该专利只能在一个方向上进行能量收集工作，而来自其他方向上的能量被浪费掉了，没有充分利用车轮转动过程中产生的能量。申请号为00126903.8的中国专利申请公开了一种压力发电车轮，它主要是把环形磁钢及线圈绕组分别装入车轮内构成定子与动子，利用车辆行驶时的压力作用使动子和定子中间上下运动而产生电流。但该专利所采用的环形磁钢及线圈绕组的成本高，且环形磁钢固定在轮胎内两侧，在转动压缩过程中会产生刚性摩擦，缩短环形磁钢的寿命，从而降低发电车轮整体的寿命。

而在本发明中，我们基于接触/分离与滑动的复合模式设计了一种全新的三维空间发电车轮，能收集车轮在转动过程中全空间的机械能，提高了能量的收集效率，推动了发电车轮在实际生活中的应用和发展。另外，本专利利用静电摩擦生电的研究成果对环境无污染，承接了保护环境，提倡低碳生活的思想。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种基于静电摩擦的新型三维空间发电车轮的设计方法。在新型三维空间发电机车轮设计中充分利用车轮在滚动过程中的机械能，根据静电摩擦生电和静电感应的复合原理，利用内轮与摩擦弹性球接触/分离模式和滑动模式复合所产生的能量，有效地将在机械能作用下所产生的电信号通过电压转换电路与负载相连接，从而实现对移动负载和自身供电系统的充电。

基于静电摩擦的新型三维空间发电车轮，其特征在于：所述发电车轮包括8～12个摩擦弹性球，外轮，内轮，金属电极，电压转换电路。上述摩擦弹性球是由高分子聚合物材料制成的空心球体，其外表面用微加工的方法制作各种规则的模型阵列，该摩擦弹性球放置于发电车轮的内轮中；上述内轮其内表面以内轮中心为基点，圆周阵列安装8～12个金属电极，上述电压转换电路包括降压变压器和交直流转换器两部分，其中交直流转换器包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路。

所述摩擦弹性球与内轮之间存在两种工作模式。在内轮充足气静止状态下，摩擦弹性球由于重力作用处于内轮内壁底部(如图1所示)，此时摩擦弹性球与金属电极接触，摩擦弹性球和金属电极之间由于摩擦电效应而产生表面电荷，根据摩擦电序列，金属电极在此接触过程中更易失电子带正电，摩擦弹性球更易得电子带负电，此时金属电极与摩擦弹性球之间处于电场平衡状态，无电势差产生，外电路无电流输出。当发电车轮运动并受到沿着竖直方向的振动时，摩擦弹性球向上弹起并与金属电极分离，发电车轮静止时电场的平衡被打破，使得金属电极具有较高的电势，电子会通过外电路负载从地流向导电的金属电极，在摩擦弹性球向上弹起上升的过程中，感应的电子流将持续产生直到新的电平衡被建立。当摩擦弹性球上升结束后，会由于重力的作用向下运动，直到摩擦弹性球再次回到内轮内壁底部，并与金属电极接触，随着发电车轮的持续运动，上述过程循环进行，实现了接触-分离模式，完成了发电车轮运动并受到沿着竖直方向的振动时，机械能转换为电能的一个循环。当发电车轮运动时，摩擦弹性球由于发电车轮的转动，将从内轮内壁底部的金属电极上滑出，发电车轮静止时电场的平衡被打破，由于边缘电场泄露，界面处的电势差推动电子从地流向金属电极，随着摩擦弹性球与金属电极分离，感应的电子流将持续产生直到新的电平衡被建立。由于发电车轮的持续运动，摩擦弹性球将在内轮内壁持续滑动，并与内轮内壁底部相邻的金属电极接触，此时上述电平衡建立过程将循环进行，从而实现了滑动模式，完成了发电车轮在转动过程中将机械能转换为电能的一个循环。发电车轮转动过程中，内轮内壁顶部的金属电极将随着车轮转动，由原来的顶部变为底部，而内轮内壁底部的金属电极将随着车轮转动，由原来的底部变为顶部。

利用导线将各金属电极串联连接并导出，此时摩擦弹性球与内轮之间产生的电信号将沿着导线被输出形成信号输出端，该输出端与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接，用于对发电车轮所产生的交流电信号进行降压处理，再将降压变压器的输出端与交直流转换器相连，将降压后的交流电信号转换为直流电，最后与移动负载和自身供电系统相连接，对移动负载和自身供电系统进行充电。

本发明进一步限定的技术方案如下：

前述高分子聚合物为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯或聚己二酸乙二醇酯高分子聚合物，这些聚合物具有弹性好、电负性高等特点。

前述摩擦弹性球外表面和内轮内表面为了增强摩擦效应提高发电机的输出效率，采用微加工的方法制作微结构阵列结构，由前期研究结果可知具有微结构阵列表面的发电机器件其能量输出效率要远远高于光滑无结构器件发电机的输出效率，其微结构阵列结构为纳米方块、纳米棒或纳米锥等结构。

前述摩擦弹性球外表面和内轮内表面微结构阵列结构可以为纳米方块、纳米棒或纳米锥等结构，这些结构可以通过阳极氧化、光刻蚀或离子刻蚀制备。

前述摩擦弹性球体积不宜过大，其直径为内轮充足气后内圈直径的1/3。

前述金属电极采用的材料是金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡、钼或钨。

前述金属电极采用磁控溅射或者强力胶粘贴的方法获得，采用磁控溅射其溅射源可以为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡、钼或钨金属靶材。

附图说明

图1所述为新型三维空间发电车轮静止状态下结构示意图的剖视图。

图2所述为新型三维空间发电车轮发电装置的电路示意图。

图中：1、内轮，2、金属电极，3、摩擦弹性球。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

本发明提供的新型三维空间发电车轮静止状态下结构示意图的剖视图如图1所示，该新型三维空间发电车轮创新之处包含3个部分：内轮1、金属电极2、摩擦弹性球3。摩擦弹性球3由高分子聚合物材料制成的空心球体，其外表面用微加工的方法制作各种规则的模型阵列，该摩擦弹性球3放置于发电车轮的内轮1中；上述内轮1内表面以内轮1中心为基点，圆周阵列安装8个金属电极2。

如图1所示在内轮1充足气静止状态下，摩擦弹性球3由于重力作用处于内轮1内壁底部，此时摩擦弹性球3与金属电极2接触，摩擦弹性球3和金属电极2之间由于摩擦电效应而产生表面电荷，根据摩擦电序列，金属电极2在此接触过程中更易失电子带正电，摩擦弹性球3更易得电子带负电，此时金属电极2与摩擦弹性球3之间处于电场平衡状态，无电势差产生，外电路无电流输出。当发电车轮运动并受到沿着竖直方向的振动时，摩擦弹性球3向上弹起并与金属电极2分离，发电车轮静止时电场的平衡被打破，使得金属电极2具有较高的电势，电子会通过外电路负载从地流向导电的金属电极2，在摩擦弹性球3向上弹起上升的过程中，感应的电子流将持续产生直到新的电平衡被建立。当摩擦弹性球3上升结束后，会由于重力的作用向下运动，直到摩擦弹性球3再次回到内轮1内壁底部，并与金属电极2接触，随着发电车轮的持续运动，上述过程循环进行，实现了接触-分离模式，完成了发电车轮运动并受到沿着竖直方向的振动时，机械能转换为电能的一个循环。当发电车轮运动时，摩擦弹性球3由于发电车轮的转动，将从内轮1内壁底部的金属电极2上滑出，发电车轮静止时电场的平衡被打破，由于边缘电场泄露，界面处的电势差推动电子从地流向金属电极2，随着摩擦弹性球3与金属电极2分离，感应的电子流将持续产生直到新的电平衡被建立。由于发电车轮的持续运动，摩擦弹性球3将在内轮1内壁持续滑动，并与内轮1内壁底部相邻的金属电极2接触，此时上述电平衡建立过程将循环进行，从而实现了滑动模式，完成了发电车轮在转动过程中将机械能转换为电能的一个循环。发电车轮转动过程中，内轮1内壁顶部的金属电极2将随着车轮转动，由原来的顶部变为底部，而内轮1内壁底部的金属电极2将随着车轮转动，由原来的底部变为顶部。利用导线将各金属电极2串联连接并导出，此时摩擦弹性球3与内轮1之间产生的电信号将沿着导线被输出，从而形成信号输出端。

如图2所示电压转换电路包括降压变压器和交直流转换器两部分，其中交直流转换器包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路。图2所示电信号输出端与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接，用于对发电车轮所产生的交流电信号进行降压处理，再将降压变压器的输出端与交直流转换器相连，将降压后的交流电信号转换为直流电，与移动负载和自身供电系统相连接，对移动负载和自身供电系统的充电。

实施例1

用铣床在同样形状大小的两块有机玻璃中间铣削外径为5mm，内径为3mm半球形圆环的凹槽，使用异丙醇和去离子水将铣削成形的有机玻璃的凹槽进行清洁处理，在氮气环境中吹干；取PDMS和固化剂按质量比为10:1混合均匀，在真空干燥箱中脱气10min后放入两块有机玻璃的凹槽中，在真空干燥箱中脱气10min后，将两块机玻璃放入真空干燥箱中固化24h，固化温度为60℃，将固化好的半球形空心PDMS从两块机玻璃的凹槽中取出，采用双面胶将获得的两个半球形空心PDMS合并，从而获得完整的摩擦弹性球；再将摩擦弹性球置于等离子体清洗机腔室内，开启真空泵，抽真空至1Pa，通入氩气，氩气流量速率为20cc/min，在功率为60％条件下分别处理5min后取出，获得具有微结构表面的摩擦弹性球。在市场上买一辆玩具车，将车轮拆卸，取车轮内轮用小刀划开一条缺口，在内轮内表面以内轮中心为基点，用强力胶圆周阵列粘贴8个面积为1cm²的金属电极并用导线引出，再将处理后的摩擦弹性球放入内轮内，并将内轮缺口密封好；重新组装玩具车轮，将电信号输出端连接于电压转换电路并安装在玩具车上。将重新组装的玩具车放在试验台上让其正常行驶，测试其行驶过程中产生的电信号。

本实施例测试结果为当玩具车的速度为0.2m/s时，测得的输出电压20V，电流为1.3μA，功率为26μW。

实施例2

本实施例的实验方法和实例1完全相同，控制玩具车的速度，当玩具车的速度为0.4m/s时，测得的输出电压34V，电流为1.8μA，功率为61.2μW。

实施例3

本实施例的实验方法和实例1完全相同，控制玩具车的速度，当玩具车的速度为0.8m/s时，测得的输出电压53V，电流为2.1μA，功率为111.3μW。

Claims (8)

1.新型三维空间发电车轮，其特征在于：所述发电车轮包括8～12个摩擦弹性球，外轮，内轮，金属电极，电压转换电路；上述摩擦弹性球是由高分子聚合物材料制成的空心球体，该摩擦弹性球放置于发电车轮的内轮中；上述内轮其内表面以内轮中心为基点，圆周阵列安装8～12个金属电极，利用导线将各金属电极串联连接并导出，与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接。

2.如权利要求1所述的新型三维空间发电车轮，其特征在于：电压转换电路包括降压变压器和交直流转换器两部分，其中交直流转换器包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路。

3.如权利要求1所述的新型三维空间发电车轮，其特征在于：摩擦弹性球的外表面用微加工的方法制作各种规则的微结构阵列结构。

4.如权利要求3所述的新型三维空间发电车轮，其特征在于：微结构阵列结构为纳米方块、纳米棒或纳米锥结构，通过阳极氧化、光刻蚀或离子刻蚀制备。

5.如权利要求1所述的新型三维空间发电车轮，其特征在于：高分子聚合物为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯或聚己二酸乙二醇酯高分子聚合物，。

6.如权利要求1所述的新型三维空间发电车轮，其特征在于：前述摩擦弹性球的直径为内轮充气后内圈直径的1/3。

7.如权利要求1所述的新型三维空间发电车轮，其特征在于：前述金属电极采用的材料是金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡、钼或钨，采用磁控溅射或者强力胶粘贴的方法获得，采用磁控溅射其溅射源为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡、钼或钨金属靶材。

8.如权利要求1所述的新型三维空间发电车轮，其特征在于：所述摩擦弹性球与内轮之间存在两种工作模式：

在内轮充足气静止状态下，摩擦弹性球由于重力作用处于内轮内壁底部，此时摩擦弹性球与金属电极接触，摩擦弹性球和金属电极之间由于摩擦电效应而产生表面电荷，根据摩擦电序列，金属电极在此接触过程中更易失电子带正电，摩擦弹性球更易得电子带负电，此时金属电极与摩擦弹性球之间处于电场平衡状态，无电势差产生，外电路无电流输出；

当发电车轮运动并受到沿着竖直方向的振动时，摩擦弹性球向上弹起并与金属电极分离，发电车轮静止时电场的平衡被打破，使得金属电极具有较高的电势，电子会通过外电路负载从地流向导电的金属电极，在摩擦弹性球向上弹起上升的过程中，感应的电子流将持续产生直到新的电平衡被建立，当摩擦弹性球上升结束后，会由于重力的作用向下运动，直到摩擦弹性球再次回到内轮内壁底部，并与金属电极接触，随着发电车轮的持续运动，上述过程循环进行，实现了接触-分离模式，完成了发电车轮运动并受到沿着竖直方向的振动时，机械能转换为电能的一个循环；

当发电车轮运动时，摩擦弹性球由于发电车轮的转动，将从内轮内壁底部的金属电极上滑出，发电车轮静止时电场的平衡被打破，由于边缘电场泄露，界面处的电势差推动电子从地流向金属电极，随着摩擦弹性球与金属电极分离，感应的电子流将持续产生直到新的电平衡被建立，由于发电车轮的持续运动，摩擦弹性球将在内轮内壁持续滑动，并与内轮内壁底部相邻的金属电极接触，此时上述电平衡建立过程将循环进行，从而实现了滑动模式，完成了发电车轮在转动过程中将机械能转换为电能的一个循环，发电车轮转动过程中，内轮内壁顶部的金属电极将随着车轮转动，由原来的顶部变为底部，而内轮内壁底部的金属电极将随着车轮转动，由原来的底部变为顶部；

利用导线将各金属电极串联连接并导出，此时摩擦弹性球与内轮之间产生的电信号将沿着导线被输出形成信号输出端，该输出端与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接，用于对发电车轮所产生的交流电信号进行降压处理，再将降压变压器的输出端与交直流转换器相连，将降压后的交流电信号转换为直流电，最后与移动负载和自身供电系统相连接，对移动负载和自身供电系统进行充电。