CN107061586A - 基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧 - Google Patents
基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，包括摩擦电纳米发电机、外弹簧、线圈和磁柱，摩擦电纳米发电机设置在外弹簧内，线圈设置在摩擦电纳米发电机的第一电极套筒Ⅰ内，磁柱设置在摩擦电纳米发电机的第一电极套筒Ⅱ内并与插入线圈内。本发明通过第二套筒组件的电极套筒与第一套筒组件的摩擦套筒摩擦，使其产生电，进而使电极套筒和摩擦套筒之间形成感应电场，且通过整流器引出，而且，由于第一电极套筒Ⅰ内设置有线圈，第一电极套筒Ⅱ内设置有磁铁，在外弹簧伸缩的过程中，线圈会切割磁铁的磁力线，从而产生电能，从而使外弹簧带电，外弹簧在磁铁的磁场中会产生电磁力，产生的电磁力与外弹簧的受力方向相反，起到减震作用。
Description
技术领域
本发明属于纳米技术领域，具体涉及一种基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧。
背景技术
当今汽车，飞机等各种交通设施以及诸如坦克等军事设施，基于考虑使用者舒适度以及仪器使用可以保证一定准确度的出发点，减震器由此应运而生。迄今减震器的类型主要有：如图1，简式避震器，它是在技术上颇为成熟的一种重量轻、外形小、阻尼力稳定、性能良好的减震器，但防护性差，散热不好。
如图2，是叶片式减震器，它是一种利用缝隙和小孔节流的液力减震器，虽然其散热情况较第一种好，但是从使用情况看，油液的粘温特性和端面密封的结构对减震器的性能的影响较大，阻力与速度之间不能保证恒定的函数关系，容易失败。
如图3，是摩擦片式减震器，它散热性能尚好却阻尼力不稳定，若出现小振幅的情况则阻尼力略显过大，而振幅大时阻尼力又偏小，容易是共振振幅过大，此外动摩擦和静摩擦差异过大会引起震动工作极不稳定。
发明内容
本发明要解决的是现有减震器的性能差等技术问题，从而提供一种基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，包括摩擦电纳米发电机、外弹簧、线圈和磁柱，摩擦电纳米发电机设置在外弹簧内，线圈设置在摩擦电纳米发电机的第一电极套筒Ⅰ内，磁柱设置在摩擦电纳米发电机的第一电极套筒Ⅱ内并与插入线圈内。
还包括整流器，摩擦电纳米发电的第一电极套筒Ⅰ、第二电极套筒Ⅰ和第三电极套筒Ⅰ分别通过导线与整流器的一个输入端连接，摩擦电纳米发电的第一电极套筒Ⅱ和第二电极套筒Ⅱ分别通过导线与整流器的另一个输入端连接，整流器的输出端与外弹簧连接。
在外弹簧外包裹有绝缘层。绝缘层的设置使得外弹簧可作为普通弹簧使用。
所述摩擦电纳米发电机，包括插接配合的第一套筒组件和第二套筒组件，所述第一套筒组件包括导电基板Ⅰ，在导电基板Ⅰ上由内向外依次设置有第一电极套筒Ⅰ、第一摩擦套筒、第二电极套筒Ⅰ、第二摩擦套筒、第三摩擦套筒和第三电极套筒Ⅰ，第一电极套筒Ⅰ、第一摩擦套筒、第二电极套筒Ⅰ、第二摩擦套筒、第三摩擦套筒和第三电极套筒Ⅰ的轴线重合；第一摩擦套筒与第一电极套筒Ⅰ之间设置有空隙Ⅰ，且第一摩擦套筒设置在第二电极套筒Ⅰ的内壁，第二摩擦套筒设置在第二电极套筒Ⅰ的外壁且第二摩擦套筒与第三摩擦套筒之间设置有空隙Ⅱ，第三摩擦套筒设置在第三电极套筒Ⅰ的内壁；所述第二套筒组件包括导电基板Ⅱ，在导电基板Ⅱ上由外向内设置有第一电极套筒Ⅱ和第二电极套筒Ⅱ，第一电极套筒Ⅱ和第二电极套筒Ⅱ的轴线重合且第一电极套筒Ⅱ和第二电极套筒Ⅱ之间设置有空隙Ⅲ，且第一电极套筒Ⅱ插入空隙Ⅰ内将第一电极套筒Ⅰ罩设且第一电极套筒Ⅱ的外壁与第一摩擦套筒的内壁相接触；第二电极套筒Ⅱ插入空隙Ⅱ内将第一摩擦套筒、第二电极套筒Ⅰ和第二摩擦套筒罩设，且第一摩擦套筒、第二电极套筒Ⅰ和第二摩擦套筒插入空隙Ⅲ内，第二电极套筒Ⅱ的内壁与第二摩擦套筒的外壁相接触，第二电极套筒Ⅱ的外壁与第三摩擦套筒的内壁相接触。
在第三电极套筒Ⅰ-上套设有第一铝合金圆环，第一铝合金圆环-朝向第二铝合金圆环-的端面设置有压电材料层，第一铝合金圆环-背向第二铝合金圆环-的端面通过小弹簧连接在导电基板Ⅰ上；在第二电极套筒Ⅱ-外套设有第二铝合金圆环，第二铝合金圆环通过小弹簧连接在导电基板Ⅱ上。第一铝合金圆环和第二铝合金圆环受到压力后相互接触，使得压电材料层产生压电效应。
所述第一电极套筒Ⅱ的外壁与第一摩擦套筒内壁、第二电极套筒Ⅱ的内壁与第二摩擦套筒的外壁以及所述第二电极套筒Ⅱ的外壁与第三摩擦套筒的内壁均设置有空隙，空隙的设置是为了使其可以滑动配合。
所述第一电极套筒Ⅰ、第二电极套筒Ⅰ、第三电极套筒Ⅰ、第一电极套筒Ⅱ和第二电极套筒Ⅱ均为铝合金套筒，且第一电极套筒Ⅰ、第二电极套筒Ⅰ和第三电极套筒Ⅰ并联连接，第一电极套筒Ⅱ和第二电极套筒Ⅱ并联连接。
还包括整流器，第一电极套筒Ⅰ、第二电极套筒Ⅰ和第三电极套筒Ⅰ分别通过导线与整流器的一个输入端连接，第一电极套筒Ⅱ和第二电极套筒Ⅱ分别通过导线与整流器的另一个输入端连接，整流器的输出端与外部负载连接。
所述第一摩擦套筒、第二摩擦套筒和第三摩擦套筒均为由高分子材料制成的套筒。
所述高分子材料为聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种。
所述第一摩擦套筒、第二摩擦套筒和第三摩擦套筒的厚度均为1~2㎜。
在第二摩擦套筒的外壁上和第三摩擦套筒的内壁上设置有用于增加电输出量的微小凹凸结构。
作为一种优选方式，包括若干个所述的摩擦电纳米发电机，摩擦电纳米发电机之间上下叠加并联设置在外弹簧（4）内，且摩擦纳米发电机的输出整流后与压电材料层的输出整流后相并联。所述压电材料层使用的是PVDF 即聚偏氟乙烯，当外弹簧下压时候相邻摩擦电纳米发电机的第一铝合金圆环和第二铝合金圆环受到压力后相互接触，使得压电材料层形成压力。
本发明通过第二套筒组件的电极套筒与第一套筒组件的摩擦套筒摩擦，使其产生电，进而使电极套筒和摩擦套筒之间形成感应电场，且通过整流器引出，而且，由于第一电极套筒Ⅰ内设置有线圈，第一电极套筒Ⅱ内设置有磁铁，在外弹簧伸缩的过程中，线圈会切割磁铁的磁力线，从而产生电能，从而使外弹簧带电，外弹簧在磁铁的磁场中会产生电磁力，产生的电磁力与外弹簧的受力方向相反，起到减震作用。本发明自身产电，并将外部的机械能转换为电能，进而再将电能转换为与外部施加的机械能相反的机械能，进一步改进避震效果。
附图说明
图1为现有技术中第一种减震器的结构示意图。
图2为现有技术中第二种减震器的结构示意图。
图3为现有技术中第三种减震器的结构示意图。
图4为本发明的结构示意图1。
图5为本发明的结构示意图2。
图6为本发明第一套筒组件的结构示意图。
图7为本发明第二套筒组件的结构示意图。
图8为本发明摩擦电纳米发电机压缩产生电磁力的状态示意图。
图9为本发明摩擦电纳米发电机拉伸产生电磁力的状态示意图。
具体实施方式
如图4-9所示，一种基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，包括摩擦电纳米发电机、外弹簧4、线圈和磁柱5，摩擦电纳米发电机设置在外弹簧4内，线圈设置在摩擦电纳米发电的第一电极套筒Ⅰ1-2内，磁柱5设置在摩擦电纳米发电的第一电极套筒Ⅱ2-2内并与插入线圈内。
所述摩擦电纳米发电机的第三电极套筒Ⅰ1-7和第二电极套筒Ⅱ2-3的体积均与小于外弹簧内体积，而导电基板Ⅰ1-1和导电基板Ⅱ2-1与弹簧内体积相当，以便于安装在外弹簧内部，并且不影响外弹簧本身的使用。
优选地，还包括整流器，摩擦电纳米发电的第一电极套筒Ⅰ1-2、第二电极套筒Ⅰ1-4和第三电极套筒Ⅰ1-7分别通过导线与整流器的一个输入端连接，摩擦电纳米发电的第一电极套筒Ⅱ2-2和第二电极套筒Ⅱ2-3分别通过导线与整流器的另一个输入端连接，整流器的输出端与外弹簧4连接。特别地，在外弹簧4外包裹有绝缘层，使得外弹簧还可充当正常的弹簧使用。
所述摩擦电纳米发电机，包括插接配合的第一套筒组件1和第二套筒组件2，所述第一套筒组件1包括导电基板Ⅰ1-1，在导电基板Ⅰ1-1上由内向外依次设置有第一电极套筒Ⅰ1-2、第一摩擦套筒1-3、第二电极套筒Ⅰ1-4、第二摩擦套筒1-5、第三摩擦套筒1-6和第三电极套筒Ⅰ1-7，第一电极套筒Ⅰ1-2、第一摩擦套筒1-3、第二电极套筒Ⅰ1-4、第二摩擦套筒1-5、第三摩擦套筒1-6和第三电极套筒Ⅰ1-7的轴线重合；第一摩擦套筒1-3与第一电极套筒Ⅰ1-2之间设置有空隙Ⅰ1-8，空隙Ⅰ1-8很小，只要达到滑动配合的程度即可，且第一摩擦套筒1-3设置在第二电极套筒Ⅰ1-4的内壁，第二摩擦套筒1-5设置在第二电极套筒Ⅰ1-4的外壁且第二摩擦套筒1-5与第三摩擦套筒1-6之间设置有空隙Ⅱ1-9，空隙Ⅱ1-9很小，只要达到滑动配合的程度即可，第三摩擦套筒1-6设置在第三电极套筒Ⅰ1-7的内壁；所述第二套筒组件2包括导电基板Ⅱ2-1，在导电基板Ⅱ2-1上由外向内设置有第一电极套筒Ⅱ2-2和第二电极套筒Ⅱ2-3，第一电极套筒Ⅱ2-2和第二电极套筒Ⅱ2-3的轴线重合且第一电极套筒Ⅱ2-2和第二电极套筒Ⅱ2-3之间设置有空隙Ⅲ2-4，且第一电极套筒Ⅱ2-2插入空隙Ⅰ1-8内将第一电极套筒Ⅰ1-2罩设且第一电极套筒Ⅱ2-2的外壁与第一摩擦套筒1-3的内壁相接触；第二电极套筒Ⅱ2-3插入空隙Ⅱ1-9内将第一摩擦套筒1-3、第二电极套筒Ⅰ1-4和第二摩擦套筒1-5罩设，且第一摩擦套筒1-3、第二电极套筒Ⅰ1-4和第二摩擦套筒1-5插入空隙Ⅲ2-4内，第二电极套筒Ⅱ2-3的内壁与第二摩擦套筒1-5的外壁相接触，第二电极套筒Ⅱ2-3的外壁与第三摩擦套筒1-6的内壁相接触。而且，所述第一电极套筒Ⅱ2-2的外壁与第一摩擦套筒1-3内壁、第二电极套筒Ⅱ2-3的内壁与第二摩擦套筒1-5的外壁以及所述第二电极套筒Ⅱ2-3的外壁与第三摩擦套筒1-6的内壁均设置有空隙，空隙的设置是为了使其可以滑动配合。
为提高电流输出，在第三电极套筒Ⅰ1-7上套设有第一铝合金圆环1-10，第一铝合金圆环1-10朝向第二铝合金圆环2-5的端面设置有压电材料层1-11，第一铝合金圆环1-10背向第二铝合金圆环2-5的端面通过小弹簧3连接在导电基板Ⅰ1-1上；在第二电极套筒Ⅱ2-3外套设有第二铝合金圆环2-5，第二铝合金圆环2-5通过小弹簧3连接在导电基板Ⅱ2-1上。第一铝合金圆环和第二铝合金圆环受到压力后相互接触，使得压电材料层产生压电效应。
所述第一电极套筒Ⅰ1-2、第二电极套筒Ⅰ1-4、第三电极套筒Ⅰ1-7、第一电极套筒Ⅱ2-2和第二电极套筒Ⅱ2-3均为铝合金套筒，且第一电极套筒Ⅰ1-2、第二电极套筒Ⅰ1-4和第三电极套筒Ⅰ1-7并联连接，第一电极套筒Ⅱ2-2和第二电极套筒Ⅱ2-3并联连接。
在本实施例中，所述第一电极套筒Ⅰ1-2、第二电极套筒Ⅰ1-4、第三电极套筒Ⅰ1-7、第一电极套筒Ⅱ2-2和第二电极套筒Ⅱ2-3的材料优选为铝合金，是因为其具有轻质耐磨导电性好等优点。所适用的材料还可以为导电薄膜、导电高分子、金属材料，金属材料包括纯金属和合金,纯金属选自金、银、铂、把、铝、镍、铜、钦、铬、硒、铁、锰、钥、钨、钒等,合金可以选自轻合金铝合金、钦合金、镁合金、被合金等、重有色合金铜合金、锌合金、锰合金、镍合金等、低熔点合金铅、锡、福、秘、锢、稼及其合金、难熔合金钨合金、钥合金、妮合金、担合金等。
摩擦电纳米发电机结构可单独充当发电装置，只需设置整流器，第一电极套筒Ⅰ1-2、第二电极套筒Ⅰ1-4和第三电极套筒Ⅰ1-7分别通过导线与整流器的一个输入端连接，第一电极套筒Ⅱ2-2和第二电极套筒Ⅱ2-3分别通过导线与整流器的另一个输入端连接，整流器的输出端与外部负载连接。
所述第一摩擦套筒1-3、第二摩擦套筒1-5和第三摩擦套筒1-6均为由高分子材料制成的套筒。
所述高分子材料为聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种。
所述第一摩擦套筒1-3、第二摩擦套筒1-5和第三摩擦套筒1-6的厚度均为1-2㎜。
在第二摩擦套筒1-5的外壁上和第三摩擦套筒1-6的内壁上设置有用于增加电输出量的微凹凸结构。
若干个所述的摩擦电纳米发电机，摩擦电纳米发电机之间上下叠加并联设置在外弹簧4内，形成摩擦电纳米发电机组，且各摩擦纳米发电机的输出经整流后与压电材料层的输出整流后相并联。所述压电材料层使用的是PVDF 即聚偏氟乙烯，当外弹簧下压时候相邻摩擦电纳米发电机的第一铝合金圆环和第二铝合金圆环受到压力后相互接触，使得压电材料层形成压力。
第二套筒组件的电极套筒与第一套筒组件的摩擦套筒摩擦，使其产生电，进而使电极套筒和摩擦套筒之间形成感应电场，且通过整流器引出，而且，由于第一电极套筒Ⅰ内设置有线圈，第一电极套筒Ⅱ2-2内设置有磁铁，在外弹簧伸缩的过程中，线圈会切割磁铁的磁力线，从而产生电能，从而使外弹簧带电，外弹簧在磁铁的磁场中会产生电磁力，产生的电磁力与外弹簧的受力方向相反，如图7-8所示，起到减震作用。
Claims (10)
1.一种基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：包括摩擦电纳米发电机、外弹簧（4）、线圈和磁柱（5），摩擦电纳米发电机设置在外弹簧（4）内，线圈设置在摩擦电纳米发电机的第一电极套筒Ⅰ（1-2）内，磁柱（5）设置在摩擦电纳米发电机的第一电极套筒Ⅱ（2-2）内并与插入线圈内。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：还包括整流器，摩擦电纳米发电的第一电极套筒Ⅰ（1-2）、第二电极套筒Ⅰ（1-4）和第三电极套筒Ⅰ（1-7）分别通过导线与整流器的一个输入端连接，摩擦电纳米发电的第一电极套筒Ⅱ（2-2）和第二电极套筒Ⅱ（2-3）分别通过导线与整流器的另一个输入端连接，整流器的输出端与外弹簧（4）连接。
3.根据权利要求1所述的基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：所述摩擦电纳米发电机，包括插接配合的第一套筒组件（1）和第二套筒组件（2），所述第一套筒组件（1）包括导电基板Ⅰ（1-1），在导电基板Ⅰ（1-1）上由内向外依次设置有第一电极套筒Ⅰ（1-2）、第一摩擦套筒（1-3）、第二电极套筒Ⅰ（1-4）、第二摩擦套筒（1-5）、第三摩擦套筒（1-6）和第三电极套筒Ⅰ（1-7），第一电极套筒Ⅰ（1-2）、第一摩擦套筒（1-3）、第二电极套筒Ⅰ（1-4）、第二摩擦套筒（1-5）、第三摩擦套筒（1-6）和第三电极套筒Ⅰ（1-7）的轴线重合；第一摩擦套筒（1-3）与第一电极套筒Ⅰ（1-2）之间设置有空隙Ⅰ（1-8），且第一摩擦套筒（1-3）设置在第二电极套筒Ⅰ（1-4）的内壁，第二摩擦套筒（1-5）设置在第二电极套筒Ⅰ（1-4）的外壁且第二摩擦套筒（1-5）与第三摩擦套筒（1-6）之间设置有空隙Ⅱ（1-9），第三摩擦套筒（1-6）设置在第三电极套筒Ⅰ（1-7）的内壁；所述第二套筒组件（2）包括导电基板Ⅱ（2-1），在导电基板Ⅱ（2-1）上由外向内设置有第一电极套筒Ⅱ（2-2）和第二电极套筒Ⅱ（2-3），第一电极套筒Ⅱ（2-2）和第二电极套筒Ⅱ（2-3）的轴线重合且第一电极套筒Ⅱ（2-2）和第二电极套筒Ⅱ（2-3）之间设置有空隙Ⅲ（2-4），且第一电极套筒Ⅱ（2-2）插入空隙Ⅰ（1-8）内将第一电极套筒Ⅰ（1-2）罩设且第一电极套筒Ⅱ（2-2）的外壁与第一摩擦套筒（1-3）的内壁相接触；第二电极套筒Ⅱ（2-3）插入空隙Ⅱ（1-9）内将第一摩擦套筒（1-3）、第二电极套筒Ⅰ（1-4）和第二摩擦套筒（1-5）罩设，且第一摩擦套筒（1-3）、第二电极套筒Ⅰ（1-4）和第二摩擦套筒（1-5）插入空隙Ⅲ（2-4）内，第二电极套筒Ⅱ（2-3）的内壁与第二摩擦套筒（1-5）的外壁相接触，第二电极套筒Ⅱ（2-3）的外壁与第三摩擦套筒（1-6）的内壁相接触。
4.根据权利要求3所述的基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：所述第一电极套筒Ⅰ（1-2）、第二电极套筒Ⅰ（1-4）、第三电极套筒Ⅰ（1-7）、第一电极套筒Ⅱ（2-2）和第二电极套筒Ⅱ（2-3）均为铝合金套筒，且第一电极套筒Ⅰ（1-2）、第二电极套筒Ⅰ（1-4）和第三电极套筒Ⅰ（1-7）并联连接，第一电极套筒Ⅱ（2-2）和第二电极套筒Ⅱ（2-3）并联连接。
5.根据权利要求3或4所述的基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：在第三电极套筒Ⅰ（1-7）上套设有第一铝合金圆环（1-10），第一铝合金圆环（1-10）朝向第二铝合金圆环（2-5）的端面设置有压电材料层（1-11），第一铝合金圆环（1-10）背向第二铝合金圆环（2-5）的端面通过小弹簧（3）连接在导电基板Ⅰ（1-1）上；在第二电极套筒Ⅱ（2-3）外套设有第二铝合金圆环（2-5），第二铝合金圆环（2-5）通过小弹簧（3）连接在导电基板Ⅱ（2-1）上。
6.根据权利要求5所述的基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：还包括整流器，第一电极套筒Ⅰ（1-2）、第二电极套筒Ⅰ（1-4）和第三电极套筒Ⅰ（1-7）分别通过导线与整流器的一个输入端连接，第一电极套筒Ⅱ（2-2）和第二电极套筒Ⅱ（2-3）分别通过导线与整流器的另一个输入端连接，整流器的输出端与外部负载连接。
7.根据权利要求3或4或6所述的基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：所述第一摩擦套筒（1-3）、第二摩擦套筒（1-5）和第三摩擦套筒（1-6）均为由高分子材料制成的套筒；所述高分子材料为聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述的基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：所述第一摩擦套筒（1-3）、第二摩擦套筒（1-5）和第三摩擦套筒（1-6）的厚度均为1-2㎜。
9.根据权利要求3或8所述的基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：在第二摩擦套筒（1-5）的外壁上和第三摩擦套筒（1-6）的内壁上设置有用于增加电输出量的凹凸结构。
10.根据权利要求4-9中任一所述的基于摩擦电纳米发电机的自供电避震弹簧，其特征在于：包括若干个所述的摩擦电纳米发电机，摩擦电纳米发电机之间上下叠加并联设置在外弹簧（4）内，且摩擦纳米发电机的输出整流后与压电材料层的输出整流后相并联。
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