CN107742992B - 一种利用旋转驻极体的微型发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用旋转驻极体的微型发电机，包括采集电极组件，驻极体组件，磁铁组件以及外壳。采集电极组件由采集电极和绝缘盖板组成；驻极体组件由驻极体薄膜和热解石墨转子组成，驻极体薄膜附在热解石墨转子的叶片上；磁体组件由圆环磁铁和圆柱磁铁嵌套组成；外壳上设有气孔。本发明利用热解石墨的抗磁性，将热解石墨转子悬浮在磁铁组件上方，热解石墨转子叶片上设有驻极体薄膜，利用气流的流动推动转子旋转，当转子转动时引起驻极体和采集电极的相对面积发生变化，从而引起采集电极上的电荷的变化。

Description

一种利用旋转驻极体的微型发电机

技术领域

本发明涉及微型电动机的技术领域，具体涉及一种利用旋转驻极体的微型发电机，可以对气流流动做出响应，从而实现能量的收集，将分布在环境的中能量转换成电能，提供一种新的能量采集方式。

背景技术

随着世界人口不断的增长，石油资源不断的消耗，能源缺乏问题日益成为全世界关注的焦点。相对于大自然说蕴含的能量来说，石化能源仅仅是能源的一部分，还用很多能源未被利用，像太阳能，机械振动能，生物化学反应能，热能，空气流动能。风力发电机是一种常见的收集空气流动能的设备，但是风力发电机对较小的空气流动不能做出响应，而且占用面积较大。另外，除了风力发电机能够收集的风能之外，低速流动的气流也蕴含着巨大的能源，将该部分能源利用起来对缓解能源的匮乏是一个很好途径。

发明内容

本发明提出一种利用旋转驻极体的微型发电机，可以对气流流动做出响应，将分布在环境的中能量转换成电能，从而实现能量的收集，提供一种新的能量采集方式。

实现本发明的技术方案是：一种利用旋转驻极体的微型发电机，包括外壳和盖板，包括驻极体组件和磁铁结构；所述驻极体组件由热解石墨转子、绝缘层、驻极体层自下而上层叠结合而成；所述采集电极组件由盖板和采集电极组成；所述盖板内侧设置有采集电极；所述采集电极组件整体呈圆形，其包括至少两个采集电极。

所述磁铁结构由钕铁硼或钐钴永磁体构成，磁铁结构包括一个内磁铁和一个外环磁铁，所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向、且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反。

所述绝缘层的直径不大于热解石墨转子的直径，驻极体层的直径不大于绝缘层的直径，驻极体组件悬浮于磁铁结构正上方。由于驻极体组件自由悬浮与磁铁结构上方，转子自身受到阻力非常微弱，当气流从进气孔进入时，吹动驻极体组件转动，从而改变了驻极体结构与采集电极的相对面积，进而引起采集电极上感应电荷的变化，随着气流的持续进入，驻极体组件连续转动，采集电极与驻极体结构上的相对面积将呈现周期性变化，于是采集电极上的电荷也呈现周期性变化。所述采集电极与特制能量管理电路相连接。

所述热解石墨转子的外径大于外环磁铁的内径、小于外环磁铁的外径。

所述的采集电极组件与驻极体组件之间设有间距。

所述外壳呈圆柱筒形，在外壳的侧壁上设有进气孔和排气孔，气体引入口与热解石墨转子设置在同一水平面上。进气孔可以设置为锥形孔，外面大里面小，气流经过由锥形孔的大端口进入小端口喷出后，气流受到压缩，气流速度将增加，也可附设其他辅助进气装置以达到增大气流的作用，气流速度增大有助于驱动驻极体组件。

所述驻极体组件为齿轮形，驻极体层由齿轮形或扇形驻极体组成，驻极体均匀分布在热解石墨转子上表面。所述齿轮为至少三个均匀分布在其外圆周上的齿轮，高定向热解石墨转子呈圆盘形，由于永久磁铁组件形成的磁场区域具有圆周对称性，采用圆盘形的转子其所受抗磁力在圆周方向也是均匀的，可以增加高定向热解石墨转子悬浮状态的稳定性。

所述驻极体组件呈圆盘形，高定向热解石墨转子也呈圆盘形，由于永久磁铁组件形成的磁场区域具有圆周对称性，采用圆盘形的转子其所受抗磁力在圆周方向也是均匀的，可以增加高定向热解石墨转子悬浮状态的稳定性，驻极体结构为圆盘形则需要配合保护电极使用，保护电极可以是扇形、条形或者其他形状，其均匀分布于圆盘形驻极体层表面，保护电极需要使用不导磁的金属材料，避免受到磁铁的机构的吸引减少悬浮高度，而且材料的密度要小，避免因为重量比较大而减少悬浮的可能性，比如金属铝就比较适合，另外保护电极可以增加驻极体层的表面势能，而且不能被磁体吸引，密度小，方便MEMS加工。

所述驻极体组件呈现齿轮形，驻极体结构可以是齿轮叶片形状或者是其他形状，这些结构均匀分布与热解石墨转子上表面，由于石墨是脆性材料，不宜才用传统的加工方法加工，即使是采用激光切割也不能很好的保证其形状精度。但是，石墨具有良好的导电性，可以采用微电火花放电加工（micro-electro-discharge machining，μEDM）方法进行加工。

所述保护电极由不导磁材料制成。

驻极体组件上驻极体薄膜可以根据不同的使用需求选用不同的驻极体材料，有些驻极体的电荷密度高，像SiO₂，有些驻极体材料电荷保留时间比较长，能够达到好几百年，像Teflon。

磁铁结构由多组外环磁铁和内磁体叠加而成，在温度不变的情况下，热解石墨的抗磁性是一个固定值，外界磁场的磁场强度越大，热解石墨产生的抗磁力越大，悬浮高度越高，所以采用多组外环磁铁和内磁铁叠加在一起有助于增大悬浮高度。

本发明的有益效果是：本发明利用热解石墨转子与磁铁组件间的排斥力，将热解石墨转子悬浮在磁铁组件上方，当气流推动转子转动时，热解石墨转子叶片上的驻极体薄膜与采集电极的相对面积发生变化，从而引起采集电极上电荷的变化，通过外接线路能够有效的将空气流动能转换成电能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明爆炸图1的结构示意图。

图2为本发明爆炸图2的结构示意图。

图3为本发明的装配图。

图4为本发明中驻极体组件结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-4所示，本实例基于一种利用旋转驻极体的微型发电机，其包括驻极体、热解石墨转子，磁铁和外壳4和盖板12，在外壳内部设有驻极体组件2、磁铁结构3、外壳上端设有盖板12，所述采集电极组件1由盖板12和采集电极11组成，所述盖板12内侧设置有采集电极11，所述采集电极组件1整体呈圆形，其包括至少两个采集电极，采集电极组件1与驻极体组件2之间设有间距。所述驻极体组件2由热解石墨转子22、绝缘层、驻极体层21自下而上层叠结合而成，驻极体组件2悬浮于磁铁结构3正上方，磁铁结构3选用牌号为N35的钕铁硼磁铁，所述磁铁结构3包括一个内磁铁和一个外环磁铁，外环磁铁的直径为25mm，内径为18mm，厚度为5mm，内磁铁的直径为18mm，厚度为5mm；所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反，为了增加驻极体组件周围的磁场强度，采用3组嵌套后的磁铁结构叠加在一起，所述热解石墨转子的外径大于外环磁铁的内径、小于外环磁铁的外径，其厚度为1mm。所述的采集电极组件与驻极体之间设有间距，二者相互不接触。所述外壳呈圆柱筒形，在外壳的侧壁上设有进气孔5和排气孔6，进气孔5的与高定向热解石墨转子22设置在同一水平面上。由于驻极体组件自由悬浮与磁铁结构上方，转子自身受到阻力非常微弱，当气流从进气孔进入时，吹动驻极体组件转动，从而改变了驻极体结构与采集电极的相对面积，进而引起采集电极上感应电荷的变化，随着气流的持续进入，驻极体组件连续转动，采集电极与驻极体结构上的相对面积将呈现周期性变化，于是采集电极上的电荷也呈现周期性变化，所述采集电极与特制能量管理电路相连接。

所述驻极体组件呈现齿轮形，驻极体组件的外径为20mm，共设有四个叶片，每个叶片圆心角为45°，在每个叶片上设有扇形驻极体结构，驻极体结构是由Si/SiO₂加工而成，Si作为基底，SiO₂作为驻极体材料（SiO₂可以直接有Si氧化得到），SiO₂厚度为0.25μm，将驻极体组件放置在接地工作台上，利用电晕的方法对其进行附电。所述的热解石墨是脆性材料，不宜才用传统的加工方法加工，即使是采用激光切割也不能很好的保证其形状精度。但是，石墨具有良好的导电性，可以采用微电火花放电加工（micro-electro-dischargemachining，mEDM）方法进行加工。所述盖板上下两面分别设有8个扇形采集电极，采集电极材料可以选用铝、铜和银等导电金属材料。

作为优选，本实施例为了便于调节气流与驻极体组件的作用力方向，进气孔前端呈锥形收缩，进气孔相对壳体在水平方向转动一定角度范围，这样可以便于调节气流作用与驻极体组件的作用角度。

本发明将热解石墨转子悬浮在磁铁组件上方，当气体通过进气孔进入腔体内，进而推动转子转动，当转子转动时叶片和采集电极的相对面积发生变化，引起采集电极上的电荷变化，上部采集电极与下部采集电极有线路相连接，然后由能量管理电路收集。

实施例2

本实例基于一种利用旋转驻极体的微型发电机，包括外壳，在外壳内部设有驻极体组件2、磁铁结构3、外壳上端设有盖板12，所述采集电极组件1由盖板12和采集电极11组成，所述盖板12内侧设置有采集电极11，所述采集电极组件1整体呈圆形，其包括至少两个采集电极，采集电极组件1与驻极体组件2之间设有间距，所述驻极体组件2由热解石墨转子22、绝缘层、驻极体层21自下而上复合而成，驻极体组件2悬浮于磁铁结构正上方，磁铁结构3选用牌号为N35的钕铁硼磁铁，所述磁铁结构包括一个内磁铁和一个外环磁铁，外环磁铁的直径为25mm，内径为18mm，厚度为5mm，内磁铁的直径为18mm，厚度为5mm；所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反，为了增加驻极体组件周围的磁场强度，采用3组嵌套后的磁铁结构叠加在一起，所述热解石墨转子22的外径大于外环磁铁的内径、小于外环磁铁的外径，其厚度为1mm，所述的采集电极组件与驻极体之间设有间距，二者相互不接触。所述外壳4呈圆柱筒形，在外壳4的侧壁上设有进气孔5和排气孔6，进气孔5的与高定向热解石墨转子22设置在同一水平面上。由于驻极体组件2自由悬浮与磁铁结构3上方，转子自身受到阻力非常微弱，当气流从进气孔进入时，吹动驻极体组件2转动，从而改变了驻极体结构与采集电极的相对面积，进而引起采集电极上感应电荷的变化，随着气流的持续进入，驻极体组件2连续转动，采集电极与驻极体结构上的相对面积将呈现周期性变化，于是采集电极上的电荷也呈现周期性变化，所述采集电极与特制能量管理电路相连接。

所述驻极体组件2呈现齿轮形，驻极体组件的外径为20mm，共设有3个叶片，每个叶片圆心角为60°，在每个叶片上设有扇形驻极体结构，驻极体结构是由Si/SiO₂加工而成，Si作为基底，SiO₂作为驻极体材料（SiO₂可以直接有Si氧化得到），SiO₂厚度为0.25μm,将驻极体组件放置在接地工作台上，用负离子发生器电晕的方法对其进行附电。所述的热解石墨是脆性材料，不宜才用传统的加工方法加工，即使是采用激光切割也不能很好的保证其形状精度。但是，石墨具有良好的导电性，可以采用微电火花放电加工（micro-electro-discharge machining，μEDM）方法进行加工。所述盖板下表面设有6个扇形采集电极，采集电极材料可以选用铝、铜和银等导电金属材料。

作为优选，本实施例为了便于调节气流与驻极体组件的作用力方向，进气孔前端呈锥形收缩，进气孔相对壳体在水平方向转动一定角度范围，这样可以便于调节气流作用与驻极体组件的作用角度。

本发明将热解石墨转子悬浮在磁铁组件上方，当气体通过进气孔进入腔体内，进而推动转子转动，当转子转动时叶片和采集电极的相对面积发生变化，引起采集电极上的电荷变化，上部采集电极与下部采集电极有线路相连接，然后由能量管理电路收集。

实施例3

本实例基于一种利用旋转驻极体的微型发电机，包括外壳，在外壳内部设有驻极体组件2、磁铁结构3、外壳4上端设有盖板12，所述采集电极组件1由盖板12和采集电极11组成，所述盖板12内侧设置有采集电极11，所述采集电极组件1整体呈圆形，其包括至少两个采集电极，采集电极组件1与驻极体组件2之间设有间距。所述驻极体组件2由热解石墨转子22、绝缘层、驻极体层21自下而上复合而成，驻极体组件1悬浮于磁铁结构3正上方，磁铁结构3选用牌号为N35的钕铁硼磁铁，所述磁铁结构3包括一个内磁铁和一个外环磁铁，外环磁铁的直径为25mm，内径为18mm，厚度为5mm，内磁铁的直径为18mm，厚度为5mm；所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反，为了增加驻极体组件周围的磁场强度，采用3组嵌套后的磁铁结构叠加在一起，所述热解石墨转子22的外径大于外环磁铁的内径、小于外环磁铁的外径，其厚度为1mm。所述的采集电极11与驻极体之间设有间距，二者相互不接触。所述外壳呈圆柱筒形，在外壳4的侧壁上设有进气孔5和排气孔6，进气孔5的与高定向热解石墨转子设置在同一水平面上。由于驻极体组件2自由悬浮与磁铁结构上方，转子自身受到阻力非常微弱，当气流从进气孔5进入时，吹动驻极体组件2转动，从而改变了驻极体结构与采集电极的相对面积，进而引起采集电极上感应电荷的变化，随着气流的持续进入，驻极体组件2连续转动，采集电极与驻极体结构上的相对面积将呈现周期性变化，于是采集电极上的电荷也呈现周期性变化，所述采集电极与特制能量管理电路相连接。

所述驻极体组件2呈圆盘形，高定向热解石墨转子也呈圆盘形，由于永久磁铁组件形成的磁场区域具有圆周对称性，采用圆盘形的转子其所受抗磁力在圆周方向也是均匀的，可以增加高定向热解石墨转子悬浮状态的稳定性，驻极体结构也是圆盘形，驻极体结构是由Si/SiO₂加工而成，Si作为基底，SiO₂作为驻极体材料（SiO₂可以直接有Si氧化得到），SiO₂厚度为0.25μm，将驻极体组件放置在接地工作台上，利用负离子发生器对其进行附电。驻极体结构上表面加工材质为金属铝的保护电极，保护电极为扇形共设置有4个，每个保护电极的圆心角为45°，其均匀分布于圆盘形驻极体层表面，相应地，盖板下表面设有4个扇形采集电极，采集电极材料可以选用铝、铜和银等导电金属材料。

作为优选，本实施例为了便于调节气流与驻极体组件的作用力方向，进气孔前端呈锥形收缩，进气孔相对壳体在水平方向转动一定角度范围，这样可以便于调节气流作用与驻极体组件的作用角度。

本发明将热解石墨转子悬浮在磁铁组件上方，当气体通过进气孔进入腔体内，进而推动转子转动，当转子转动时叶片和采集电极的相对面积发生变化，引起采集电极上的电荷变化，上部采集电极与下部采集电极有线路相连接，然后由能量管理电路收集。

实施例4

本实例基于一种利用旋转驻极体的微型发电机，包括外壳，在外壳内部设有驻极体组件、磁铁结构、外壳上端设有盖板，所述采集电极组件由盖板和采集电极组成，所述盖板内侧设置有采集电极，所述采集电极组件整体呈圆形，其包括至少两个采集电极，采集电极组件与驻极体组件之间设有间距，所述驻极体组件由热解石墨转子、绝缘层、驻极体层自下而上复合而成，驻极体组件悬浮于磁铁结构正上方，磁铁结构选用牌号为N35的钕铁硼磁铁，所述磁铁结构包括一个内磁铁和一个外环磁铁，外环磁铁的直径为25mm，内径为18mm，厚度为5mm，内磁铁的直径为18mm，厚度为5mm；所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反，为了增加驻极体组件周围的磁场强度，采用3组嵌套后的磁铁结构叠加在一起，所述热解石墨片的外径大于外环磁铁的内径、小于外环磁铁的外径，其厚度为1mm。所述的采集电极组件与驻极体之间设有间距，二者相互不接触。所述外壳4呈圆柱筒形，在外壳的侧壁上设有进气孔5和排气孔6，进气孔的5与高定向热解石墨转子22设置在同一水平面上。由于驻极体组件2自由悬浮与磁铁结构上方，转子自身受到阻力非常微弱，当气流从进气孔进入时，吹动驻极体组件转动，从而改变了驻极体结构与采集电极的相对面积，进而引起采集电极上感应电荷的变化，随着气流的持续进入，驻极体组件2连续转动，采集电极与驻极体结构上的相对面积将呈现周期性变化，于是采集电极上的电荷也呈现周期性变化，所述采集电极与特制能量管理电路相连接。

所述驻极体组件2呈圆盘形，高定向热解石墨转子22也呈圆盘形，由于永久磁铁组件形成的磁场区域具有圆周对称性，圆盘形转子受到的抗磁力在圆周方向也是均匀的，可以增加高定向热解石墨转子悬浮状态的稳定性，驻极体结构也是圆盘形，选用Teflon作为驻极体层材料，Teflon中的电荷密度能够保持几百年，通过使用热极化的方法对Teflon层进行极化附电。驻极体结构有4个扇形Teflon薄片组成，每个扇形结构的驻极体的圆心角为45°，相应地，盖板下面设有4个扇形采集电极，采集电极材料可以选用铝、铜和银等导电金属材料。

作为优选，本实施例为了便于调节气流与驻极体组件的作用力方向，进气孔前端呈锥形收缩，进气孔相对壳体在水平方向转动一定角度范围，这样可以便于调节气流作用与驻极体组件的作用角度。

本发明将热解石墨转子悬浮在磁铁组件上方，当气体通过进气孔进入腔体内，进而推动转子转动，当转子转动时叶片和采集电极的相对面积发生变化，引起采集电极上的电荷变化，上部采集电极与下部采集电极有线路相连接，然后由能量管理电路收集。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用旋转驻极体的微型发电机，包括外壳（4）和盖板（12），其特征在于：还包括驻极体组件（2）和磁铁结构（3）；所述驻极体组件（2）由热解石墨转子（22）、绝缘层、驻极体层（21）自下而上层叠结合而成；采集电极组件（1）由盖板（12）和采集电极（11）组成；所述盖板（12）内侧设置有采集电极（11），所述采集电极组件（1）整体呈圆形，其包括至少两个采集电极，盖板（12）上侧和下侧各设有上部采集电极和下部采集电极；采集电极组件（1）与驻极体组件（2）之间设有间距；所述驻极体组件（2）呈圆盘形，在圆盘形的驻极体结构（2）上表面设有保护电极，保护电极为扇形或条形，保护电极均匀分布于圆盘形的驻极体结构（2）表面。

2.根据权利要求1所述的利用旋转驻极体的微型发电机，其特征在于：所述磁铁结构（3）由钕铁硼或钐钴永磁体构成，磁铁结构（3）包括一个内磁铁和一个外环磁铁，所述外环磁铁套在内磁铁的外周，外环磁铁和内磁铁的磁化方向均沿轴向、且外环磁铁和内磁铁的磁化方向相反。

3.根据权利要求1所述的利用旋转驻极体的微型发电机，其特征在于：所述绝缘层的直径不大于热解石墨转子（22）的直径，驻极体层（21）的直径不大于绝缘层的直径，驻极体组件（2）悬浮于磁铁结构（3）正上方。

4.根据权利要求2所述的利用旋转驻极体的微型发电机，其特征在于：所述热解石墨转子（22）的外径大于外环磁铁的内径、小于外环磁铁的外径。

5.根据权利要求1所述的利用旋转驻极体的微型发电机，其特征在于：所述的采集电极组件（1）由4个呈扇形或条形的采集电极（11）构成，采集电极组件（1）整体为圆形。

6.根据权利要求1所述的利用旋转驻极体的微型发电机，其特征在于：所述外壳（4）呈圆柱形，在外壳（4）的侧壁上设有进气孔（5）和排气孔（6），进气孔（5）与热解石墨转子（22）设置在同一水平面上。

7.根据权利要求1所述的利用旋转驻极体的微型发电机，其特征在于：所述驻极体组件（2）为齿轮形，驻极体层（21）由齿轮形或扇形驻极体组成，驻极体均匀分布在热解石墨转子（22）上表面。

8.根据权利要求1所述的利用旋转驻极体的微型发电机，其特征在于：所述保护电极由不导磁材料制成。