CN108476002B - 电力生成或者转换系统 - Google Patents

Abstract

一种摩擦电式能量生成器(1)包括第一生成元件(8)和第二生成元件(10)。所述第一生成元件包括第一静电材料(9)并且所述第二生成元件包括第二静电材料(13)。由于所述摩擦电效应，因而所述第二生成元件相对于所述第一生成元件的移动实现输出电压。止动器(7)被配置为限制所述第二生成元件的旋转，使得所述第二生成元件仅可以旋转通过期望的角度。

Description

电力生成或者转换系统

技术领域

本发明涉及用于将机械能转换为电能的能量转换系统和能量转换的方法。

背景技术

由此机械能可以转换为电能的这样的系统的一个范例是摩擦电式能量生成系统。摩擦电效应(还被称为摩擦电充电)是接触感应的起电，其中，材料在其通过摩擦与不同的材料接触时变得带电。摩擦电生成基于通过将摩擦电效应与静电感应耦合的方法将机械能转换为电能。已经提出利用摩擦电生成通过从诸如步行、随机身体运动、刮风、振动或海浪的源捕获在其它情况下浪费的机械能对可穿戴设备(诸如传感器和智能电话)进行供电。(参见例如：Wang,Sihong,Long Lin和Zhong Lin Wang."Triboelectric nanogeneratorsas self-powered active sensors"(Nano Energy 11(2015):436-462))。

摩擦电效应基于根据其获得电子(变为带负电荷的)或失去电子(变为带正电荷的)的趋势对各种材料排列的系列。该系列例如在A.F.Diaz和R.M.Felix-Navarro,A semi-quantitative tribo-electric series for polymeric materials:the influence ofchemical structure and properties(Journal of Electrostatics 62(2004)277-290)中被公开。创建静电的材料的最好组合是来自正电荷列表的一个和来自负电荷列表的一个(例如，对着铜的PTFE或对着铝的FEP)。将玻璃与毛皮摩擦、或通过头发的梳子是摩擦电的来自日常生活中的公知的范例。

在其最简单的形式中，摩擦电式生成器使用两个这种不同材料的片材，一个是电子供体，另一个是电子受体。当材料接触时，电子从一个材料交换到另一个。这简单地是摩擦电效应。如果板然后被分离，则每个板保持电荷(不同的极性)，由它们之间的间隙隔离。如果在被放置在两个表面的外边缘处的电极之间连接电负载，则板的任何进一步的位移(要么横向地要么垂直地)将作为反应感应两个电极之间的电流。这简单地是静电感应的范例。随着两个板之间的相应的电荷中心之间的距离增加，两片板之间的穿过间隙的吸引电场减弱，导致两个外部电极之间的电势差增加，这是因为经由负载的电荷吸引开始克服跨间隙的静电吸引力。

以其最简单的形式，摩擦电式生成器因此使用两片不相似的材料，一个是电子供体，另一个是电子受体。材料中的一个或多个可以是绝缘体。其他可能材料可以包括半导体材料，例如包括本征氧化层的硅。当使材料接触时，电子从一个材料交换到另一个材料。这简单地是摩擦电效应。如果板然后被分离，则每个板保持电荷(不同的极性)、由它们之间的间隙隔离，并且电势被建立。如果在被沉积/被放置在两个材料表面的背面处的电极之间连接电负载，则板的任何进一步的位移(要么横向地要么垂直地)将作为反应感应两个电极之间的电流。这简单地是静电感应的范例。随着两个板之间的相应的电荷中心之间的距离增加，两片板之间的穿过间隙的吸引电场减弱，导致两个外部电极之间的电势差增加，这是因为经由负载的电荷吸引开始克服跨间隙的静电吸引力。

这样，摩擦电式生成器通过两个主要物理机构之间的耦合将机械能转换为电能：接触起电(摩擦充电)和静电感应。

通过周期地增加和减小板的电荷中心之间的相互分离，因此可以感应出电流作为响应在板之间来回地流动，从而跨负载生成交流电。功率输出可以通过将微米级图案应用到聚合物板来增加。图案化有效地增加接触面积并且从而增加电荷转移的有效性。

最近，已经研发利用该效应的用于电力生成(能量收集)和功率转换的新兴材料技术，如在Wang,Z.L,."Triboelectric nanogenerators as new energy technology forself-powered systems and as active mechanical and chemical sensors."(ACS'nano7.11(2013):9533-9557)中所公开的。基于该效应，若干设备配置已经由所谓的摩擦电式纳米生成器(“TENG”)或者摩擦电式生成器(“TEG”)开发。

自其2012年首次报道以来，TEG的输出功率密度有了很大提高。体积功率密度可以实现超过400千瓦每立方米，并且已经证明约为60％的效率(同上)。除了高输出性能以外，TEG技术还具有许多其他优点，例如，生产成本低，可靠性和鲁棒性高，环境影响小。

TEG可以用作发电机，即，从例如振动、风、水、随机身体运动收集能量或者甚至将机械可用功率转换成电力。生成的电压是功率信号。

TEG可以大体上分为四个主要操作类别。

第一操作模式是垂直接触-分离模式，其中，两个或多个极板通过施加的力循环地被带入或脱离接触。例如，这可以在鞋子中使用，其中，由用户在他们迈步时施加的压力被用于使极板进入接触。Peng Bai等人的文章“Integrated Multilayered TriboelectricNanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motions”(ACSNano，20137(4)，第3713-3719页)中已经描述了这样的设备的一个范例。此处，设备包括在之字型(zig-zag)形状衬底上形成的多层结构。设备基于由于接触起电的表面电荷传输来操作。当向结构施加压力时，之字型形状被压缩，以在不同层之间创建接触，并且当压力释放时接触被释放。收集的能量能够例如用于对移动便携式设备的充电。

第二操作模式是线性滑动模式，其中，极板被诱导成相对于彼此横向滑动，以便改变它们之间的交叠区。跨平板感应出电势差，其具有与总交叠区的变化率成比例的瞬时幅度。通过重复地使极板进入和脱离彼此的相互交叠，可以跨板之间连接的负载建立交流电流。

在文章“Freestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators forHarvesting Energy from a Moving Object of Human Motion in Contact and Non-Contact Modes”(Adv.Mater.2014，26，2818-2824)中公开了一种使得能够从滑动运动中收集能量的设计。独立的可移动层在一对静态电极之间滑动。可移动层可以被布置为不与静态电极接触(即在静态电极上方的小间距处)，或者其可以进行滑动接触。

第三操作模式是单电极模式，其中，一个表面例如接地-例如地板道路-并且负载被连接在该第一表面与接地之间(参见例如Yang，Ya等人的“Single-electrode-basedsliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vectorsensor system(ACS nano 7.8(2013)：7342-7351))。第二表面-未与第一表面电连接-被带入与第一表面接触并对其进行摩擦充电。随着第二表面然后从第一表面移动离开，第一表面中的过量电荷被驱动到接地，从而提供跨负载的电流。因此，在这种操作模式中使用仅单个电极(在单个层上)来提供输出电流。

第四操作模式是独立的摩擦电层模式，其被设计为从没有对其做出电连接的任意移动的对象收集能量。例如，该对象可以是经过的汽车、经过的火车、或鞋子(再次参见“Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-poweredsystems and as active mechanical and chemical sensors.”(ACS nano 7.11(2013)：9533-9557))。

还有摩擦电式生成器的另外的设计，例如基于接触起电的双拱形配置。压力使得拱形关闭以在拱形层之间实现接触，并且当压力释放时拱形返回到开放形状。还提出了形成为用于从环境振动捕获能量的谐波谐振器的摩擦电式生成器。

已经开发的线性滑动模式TEG的一个特定子集是旋转盘TEG，所述旋转盘TEG能够在接触(即连续摩擦充电和静电感应)或非接触(即，初始接触起电后的仅静电感应)模式两者下进行操作。旋转盘TEG通常包括至少一个转子和一个定子，每个被形成为一组间隔开的圆形扇区(分段)。当两个盘相对于彼此旋转时，扇区交叠然后分离。如上所述，可以在两个横向滑动的-反向充电的-层之间感应出电流，所述电流具有与交叠区的变化率成比例。随着电机的每个连续间隔的扇区进入并且然后离开与给定定子扇区交叠，因此在板在交叠中增加时初始地在第一方向上并且然后在板在交叠中减小时在相反的方向上在两个扇区板之间感应电流。

分段地结构化盘TEG的早期版本的限制(Long Lin等人，Segmentally StructuredDisk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy(Nano Lett.,2013,13(6)，第2916-2923页))在于，旋转和固定摩擦电层要求金属电极的沉积和与电导线的连接，这导致旋转部分的不方便的操作。

具有附接到固定盘上的图案化电极组连同旋转磁盘上的独立式摩擦电层两者的盘TEG可以解决这些问题，如在Long Lin等人的Noncontact Free-Rotating DiskTriboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor.(ACS Appl.Mater.Interfaces,2014，6(4)，第3031-3038页)中所公开的。

利用这样的结构，不需要针对旋转部分的电极沉积或电连接，其剧烈地改进能量收集器的操作设施。

旋转盘TEG和实际上线性滑动模式TEG通常可以在接触模式和非接触模式两者中操作。尽管接触被期望以将板摩擦充电(初始地并且还随后地以抵消泄漏)，静电感应过程自身(借助于其生成电能)不要求板之间的接触，但是很好地利用小板分离(例如，近似地0.5mm)操作。

在接触模式中操作-其中，板被维持在连续的摩擦接触中，使得在它们之间存在摩擦-导致更高的功率输出，因为板将继续充电，并且因此通过泄漏等的电荷损失的连续替换连续地维持在特定理论最大充电容量(由双板系统的电容定义的)处等。可以在板上维持的电荷越大，可以生成的静电感应输出越大，因为自然地更大的电荷密度感应出板中的电子之间的更大的静电力。

常规的旋转TEG依赖于定子元件附近的转子元件的连续的通常高速度全360度旋转。当仅小振荡旋转移动被应用时，这些设备不佳地执行；因此，从该类型的机械移动收集能量是困难的。因此，存在对于从小角振荡产生优化的功率输出的TEG设备的需要。

发明内容

本发明由权利要求书定义。

根据本发明的方面的范例，提供了一种根据权利要求1所述的摩擦电式能量生成器。

所述摩擦电式能量生成器包括第一生成元件和第二生成元件，其被布置，使得所述第一生成元件与第二生成元件之间的相对移动产生输出电压。所述相对移动能够导致所述第一静电材料与第二静电材料之间的分离的改变或者所述第一静电材料与第二静电材料之间的交叠的区域的改变。

在使用中，所述摩擦电式能量生成器可以被用于通过将所述第一生成元件和第二生成元件连接到所述外部电路对外部电路进行供电。所述第一静电材料和第二静电材料是不同的静电材料(一个是电子供体，而另一个是电子受体)。所述第一静电材料与第二静电材料之间的接触引起所述第一生成元件和第二生成元件中的电荷的建立，使得所述第一生成元件和第二生成元件变为带相反电荷的。所述第二生成元件相对于所述第一生成元件的移动引起输出电压作为所述静电效应和静电感应的组合的结果。

在使用中，所述第二生成元件旋转，而所述第一生成元件是固定的。所述第二生成元件从初始位置旋转通过相对于所述第一生成元件的角并且然后旋转回到所述初始位置。以这种方式，所述第二生成元件执行旋转振荡，并且在第一配置与第二配置之间移动。所述止动器被配置为限制所述第二生成元件的旋转，使得所述第二生成元件仅可以旋转通过期望的角范围直到旋转的最大角。

当所述摩擦电式能量生成器被连接到外部电路时，所述转子相对于所述定子的旋转引起电子的交替流动。所述止动器限制所述转子关于所述同轴旋转到期望的角范围。

此外，通过将旋转移动限于特定角范围，所述止动器提供能量生成旋转阻尼器，其可以移除不需要的频率(例如，喀啦噪声)。所述止动器被布置为将所述转子的所述旋转限于角位移的最大水平。最大角是所述转子相对于所述定子的旋转的最大允许角。

注意，旋转轴可以是静态的或者其可以移动例如以允许倾侧运动。所述旋转轴可以在小线性轴向移动中移动；这对于在非接触模式中操作(其中，第一静电材料和第二静电材料未彼此接触)或者对于周期性再充电可以是特别有用的。

所述能量生成器从输入源接收机械能。能量的输入源以振荡的方式移动(例如，其振动)。常规的旋转摩擦电式生成器在将振荡移动转换为电能处是低效的。

在一些实施例中，通过限制所述第二生成元件的移动，实现来自小运动的高效电力生成，因为所述接触持续时间或者在其上第一静电材料和第二静电材料交叠的持续时间被最大化。

在一些实施例中，所述止动器为经改进的摩擦充电和电力生成提供增加的接触或者交叠区域。

所述摩擦电式能量生成器在将小周期性旋转移动转换为电力处是特别有效的。例如，所述生成器被优化用于小于360度的角移动，而不是用于连续的重复的全360度旋转。所述摩擦电式能量生成器可以因此被用于从利用小幅度振荡的输入源生成电力。在范例中，所述生成器被优化用于供小于或等于60度或小于或等于15度的角移动使用。

所述摩擦电式能量生成器还可以包括：

定子，其包括所述第一生成元件；以及

转子，其包括所述第二生成元件，其中，所述转子和所述定子同轴并且所述转子被布置为关于同轴旋转并且所述止动器被布置为限制所述转子关于所述同轴的旋转。

当所述摩擦电式能量生成器被连接到外部电路时，所述转子相对于所述定子的旋转引起电子的交替流动。所述止动器限制所述转子关于所述同轴旋转到期望的角范围。

此外，通过将旋转运动限于特定角范围，所述止动器提供能量生成旋转阻尼器，其可以移除不需要的频率(例如，喀啦噪声)。所述止动器被布置为将所述转子的所述旋转限于角位移的最大水平。最大角是所述转子相对于所述定子的旋转的最大允许角。

所述转子可以包括从所述同轴向外伸出的一个或多个鳍状物，并且所述止动器可以被布置为限制所述鳍状物的移动。所述鳍状物可以从所述转子的中心点径向地伸出。通过限制所述鳍状物的移动，所述转子被防止关于所述轴旋转超过期望的角范围。

至少一个鳍状物可以包括所述第二生成元件，并且定子可以包括所述第一生成元件，其被布置为在使用中与所述第二生成元件进行接合。所述鳍状物中的一个或每个可以实现第二生成元件。每个鳍状物可以包括被提供有所述第二摩擦电材料的部分，其被布置为在使用中与包括所述第一摩擦电材料的所述定子的区域交叠。在包括多个鳍状物的范例中，所述鳍状物可以被提供有第一摩擦电材料和第二摩擦电材料两者，并且所述定子还可以被提供有第一摩擦电材料和第二摩擦电材料两者。例如，鳍状物可以被提供有第一摩擦电材料并且下一邻近鳍状物可以被提供有第二摩擦电材料，使得所述鳍状物交替地被提供有第一摩擦电材料和第二摩擦电材料。在与鳍状物上的所述第一摩擦电材料和第二摩擦电材料的布置对应的布置中，所述定子可以交替地被提供有所述第一摩擦电材料和第二摩擦电材料。

所述止动器可以被配置为限制所述转子在以下角范围内旋转：从0度到360度、0到180度、0到120度、0到90度、0到60度、0到45度、0到30度、0到15度、0到10度、0到5度或0到1度。所述止动器可以包括被布置为限制所述转子的移动的多个止动器部分。多个止动器部分可以定义所述转子的鳍状物可以自由地旋转通过的角。所述止动器部分可以径向地被布置以便将所述转子的移动限制到由所述止动器部分的位置定义的角范围。

止动器可以由定子实现。例如，所述止动器可以由突起或者由壁提供。

被布置为在使用中接触所述第二生成元件的所述止动器的表面可以被提供有所述第一摩擦电材料。所述转子可以向所述止动器旋转，直到所述第二生成元件和所述止动器彼此接触。这时，当所述摩擦电式能量生成器被连接到外部电路时，第一摩擦电材料与第二摩擦电材料之间的碰撞产生电信号。随着所述转子移动远离所述止动器，第一摩擦电材料与第二摩擦电材料之间的分离增加，从而产生与所述初始电信号的相反极性的另一电信号。

所述转子可以包括第一锁定构件，并且所述止动器可以被成形以接收所述第一锁定构件。

所述第一锁定构件可以包括所述第二生成元件。所述止动器可以包括所述第一生成元件。所述锁定构件可以包括多个伸出，其被成形以补充所述止动器的形状。以这种方式，可以增加第一生成构件与第二生成构件之间的有效最大交叠。因此，可以优化电力生成效率。

所述第一生成元件可以包括被附接到第一摩擦电材料的第一电极，并且所述第二生成元件可以包括被附接到所述第二摩擦电材料的第二电极。

当所述第一摩擦电材料和所述第二摩擦电材料彼此接触时，每个材料建立与其他材料相反极性的电荷。所述第一摩擦电材料与第二摩擦电材料之间的相对移动引起对应的电极中的静电感应。

根据本发明的另一方面，提供了一种摩擦电式能量生成器包括：

第一生成元件；以及

第二生成元件，其具有中心轴，包括：

中心轴的第一侧的第一部分；以及

与所述第一侧相对的中心轴的第二侧的第二部分，其中，所述第二生成元件被布置为从所述第一部分接触所述第一生成元件的第一位置到所述第二部分接触所述第一生成元件的第二位置关于所述中心轴振荡。

所述第一生成元件和第二生成元件包括摩擦电材料。所述第二部分可以被布置为执行摇摆运动，使得当所述第一部分接触所述第一生成元件时，所述第二部分与所述第一生成元件分离，并且反之亦然。当所述第一部分接触所述第一生成元件时，所述第一摩擦电材料和第二摩擦电材料变为摩擦带电的。同时，当所述第一部分向所述第一生成元件移动时，所述第二部分移动远离其，使得在所述第二部分与所述第一生成元件之间建立电势差。以相同的方式，当所述第二部分接触所述第一生成元件时，建立电荷(所述第二部分是摩擦带电的)。当所述第二部分向所述第一生成元件移动时，所述第一部分移动远离其，使得在所述第一部分与所述第一生成元件之间建立电势差。

所述第一部分和所述第二部分可以包括充电表面，其被布置为在使用中接触所述第一静电材料。

可以对所述第二生成元件进行调整，使得在使用中由与所述第一摩擦电材料接触的部分的充电表面对向的角等于或小于180度，或者优选地小于或等于90度。

所述第一部分可以包括第一充电表面，其被布置为面对所述第一生成元件的表面，并且在使用中由所述第一充电表面和所述第一生成元件的相对表面对向的所述角可以小于或等于180度，或者优选地小于或等于90度。

所述第二部分可以包括第二充电表面，其被布置为面对所述第二生成元件的表面，并且其中，在使用中由所述第一充电表面和所述第一生成元件的相对表面对向的角可以等于或小于180度，或者优选地小于或等于90度。

所述第二生成元件可以被配置为关于中心轴旋转。例如，所述第二生成元件可以关于垂直于所述第一生成元件的轴旋转。因此，所述摩擦电式能量生成器可以执行倾侧运动以及摇摆运动。以这种方式，产品寿命可以延长，因为第一静电材料和第二静电材料的不同的部分取决于第二生成元件的倾侧而彼此接触。

所述第一生成元件可以包括第一电极并且所述第二生成元件可以包括第二电极。

所述第一生成元件可以包括第一电极和第二电极。

所述摩擦电式能量生成器还可以包括止动器，其中，所述第二生成元件接触所述第一位置和所述第二位置中的所述止动器。

所述第一位置和第二位置中的所述第二生成元件的旋转的角小于45度。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的范例，其中：

图1示出了根据第一范例的摩擦电式能量生成器；

图2示出了根据第二范例的摩擦电式能量生成器；

图3示出了根据第三范例的摩擦电式能量生成器；

图4示出了根据第四范例的摩擦电式能量生成器；

图5示出了根据第五范例的摩擦电式能量生成器；

图6A示出了根据第六范例的摩擦电式能量生成器；

图6B示出了根据第七范例的摩擦电式能量生成器；

图7示出了根据第八范例的摩擦电式能量生成器；

图8示出了根据第九范例的摩擦电式能量生成器；并且

图9示出了根据第十范例的摩擦电式能量生成器。

具体实施方式

本发明提供摩擦电式能量生成器，其包括第一生成元件和第二生成元件。第一生成元件包括第一摩擦电材料并且第二生成元件包括与第一摩擦电材料不同的第二摩擦电材料。第二生成元件相对于第一生成元件的移动引起输出电压和输出电流作为摩擦电效应和静电感应的组合的结果。因此，响应于环境中的机械干扰的第二生成元件的振荡可以被用于生成电力。摩擦电式能量生成器包括止动器，其被配置为限制第二生成元件的旋转，使得第二生成元件可以仅旋转通过由止动器的位置所确定的特定角。摩擦电式能量生成器适于最大化和/或优化根据小周期性旋转移动的能量生成。

图1示出了摩擦电式能量生成器1的范例，其包括定子3和转子5。转子5被定位在同轴布置中的定子3的腔内，并且转子5被布置为关于同轴(由虚线所示的)旋转。定子3包括多个突起，其从定子3的外围向定子的中心延伸。以及实现止动器7，突起实现第一生成元件8，因为垂直于定子的基座的突起的侧表面被覆盖有第一摩擦电材料9。第二生成元件10由转子5提供，其包括多个鳍状物11。鳍状物11从转子5的中心向外分叉并且被定位为在连续的定子突起之间延伸。以这种方式，对转子5和定子3进行布置，使得转子可以仅在撞击止动器7的部分之前旋转期望的角度。每个鳍状物11的侧表面被覆盖有第二摩擦电材料13。在使用中，鳍状物11在实现鳍状物11的任一侧的第一生成元件8的突起之间振荡。当鳍状物11适合止动器7时，第一摩擦电材料9和第二摩擦电材料13彼此接触并且生成电信号。

转子和定子两者可以具有被定位在摩擦电材料下面或者后面的电极布置。定子3可以包括被定位在第一摩擦电材料9下面或者后面的第一电极并且转子5包括被定位在第二摩擦电材料13下面或者后面的第二电极。

备选地，定子可以包括一系列设置(导电)电极，而转子包括介电材料的独立层，其可以是金属或非金属的。另外(如在Long Lin等人的Noncontact Free-Rotating discTriboelectric Nanogenerator as a Sustainable Energy Harvester and Self-Powered Mechanical Sensor(ACS Appl.Mater.Interfaces，2014，6(4)，第3031–3038页)中所讨论的)，利用这样的结构，不需要用于旋转部分的电极沉积或者电连接，其剧烈地改进生成器的操作设施。当然，转子和定子的设计可以是相反的。

当鳍状物11移动返回远离止动器7时，第一摩擦电材料与第二摩擦电材料之间的分离增加。这感应出另一电信号，其与撞击信号相比较具有相反的极性。利用后续的旋转振荡，摩擦电式能量生成器1产生交流电信号。

突起是楔形形状的并且补充转子5的鳍状物11的形状，使得第一摩擦电材料9与第二摩擦电材料13之间的交叠的区域被最大化。

止动器7和转子的鳍状物11的侧表面两者被提供有摩擦电材料。因此，当鳍状物11的一侧接触被提供有第二摩擦电材料13的止动器7的表面时，鳍状物11的另一侧在与对应的止动器表面的最大分离处。

设备形成完整的圆形，其由止动器分为扇形。所示的范例具有六个转子鳍状物11，每个具有大约35度的移动的范围。止动器因此延伸到大约25度，使得每个止动器和止动器之间的间隔是60度，可以存在被设置在全圆形周围的或多或少的鳍状物。转子的角自由度可以通过改变止动器元件和鳍状物的数目来增加或者减小。

可以对止动器进行布置，使得当振荡第二生成元件撞击止动器时，产生电压，其可以被用作用于同步(例如，用于同步功率转换)的触发信号。以这种方式，功率转换可以更高效地执行。

图2示出了摩擦电式能量生成器1的另一范例，其再次包括同轴地布置的定子3和转子5。转子5被提供在定子3内，并且定子的外壁提供止动器7。被提供有第一静电材料9的外壁的部分实现第一生成元件8。定子3包括被定位在第一静电材料9下面或者后面的第一电极。转子5包括两个鳍状物11，其实现第二生成元件10。鳍状物11在第一配置与第二配置之间关于同轴(由虚线所示的)旋转，在所述第一配置中，被提供有第二摩擦电材料13的第一对鳍状物表面接触被提供有第一摩擦电材料9的定子3的外壁，并且在所述第二配置中，被提供有第二摩擦电材料13的第二对鳍状物表面接触被提供有第一摩擦电材料13的外壁的部分。转子5包括被定位在第二静电材料13下面或者后面的第二电极。

该设计具有总体领结形，并且仅存在均容纳在腔室内的两个直径相反的鳍状物11。鳍状物可以占用仅小于由止动器7所形成的腔的角范围的一半的角。

图3示出了旋转地振荡的摩擦电式能量生成器1，其中，第一摩擦电材料9的一个或多个段被提供在转子5下面的定子3的基座上。定子3包括被定位在第一静电材料9下面或者后面的第一电极。转子5包括多个鳍状物11。第二摩擦电材料13被提供在鳍状物的下表面上，所述下表面面对定子3的基座。楔形形状的止动器7从定子3的基座向上突起并且向定子3的中心从定子表面的外围边缘延伸。当转子5在止动器7之间旋转时，使被提供有第二摩擦电材料13的鳍状物11的下表面与被提供在定子3的基座上的第一摩擦电材料9的分段在交叠中进出。转子5包括被定位在第二静电材料13下面或者后面的第二电极。随着电机的每个连续间隔的扇区进入并且然后离开与给定定子扇区交叠，因此在板在交叠中增加时初始地在第一方向上并且然后在板在交叠中减小时在相反的方向上在两个扇区板之间感应电流。

转子5可以要么被布置为与第一摩擦电材料9进行物理接触，或者其可以通过空气间隙与定子的基座分离。在该范例中，摩擦电式能量生成器1生成交流电信号，其依赖于转子的振荡频率和止动器7的连续部分之间的定子3的基座上的摩擦电分段的数目。

可以存在用于每个定子腔室的仅一个定子电极(在一对止动器7之间)。定子电极可以然后仅占用角区域的一半下面，使得转子在完全交叠定子电极与根本不交叠之间移动。备选地，每个腔室内可以存在一组间隔的定子电极，如所示的。图3示出了每个腔室中的五个定子电极。在所有情况下，定子电极可以在尺寸和形状方面对应于转子鳍状物电极。

图4示出了具有围绕定子3的外围延伸的外壳壁的旋转地振荡的摩擦电式能量生成器1。第一摩擦电材料9的分段被放置在面对定子3的中心的外壁的内表面上。转子5包括多个鳍状物11，其径向地外部尖端被覆盖有第二摩擦电材料13。转子5可以要么被布置为接触定子以沿着第一摩擦电材料9的分段滑动，或者在备选范例中，其可以被布置为通过空气间隙与分段分离。摩擦电式能量生成器1将取决于振荡的频率和止动器7的连续部分之间的摩擦电分段的数目而生成交流电信号。

图5再次示出了摩擦电式能量生成器1，其包括转子5和定子3。在该范例中，转子5和定子3适于一起安装在旋转的特定角处。转子5包括多个鳍状物11，其从转子的中心径向地延伸。鳍状物11包括拱式联锁构件14，其被成形为与定子3联锁。因此，转子可以被认为是具有一组环向分支14从其延伸的一组径向躯干11。定子3包括多个同心突起，其通过撞击径向鳍状物11提供止动器7。在范例中，分支从鳍状物11的两侧突起。突起被成形为实现联锁构件14的形状，使得当其被带到一起时，止动器7和联锁构件14彼此连接。实现止动器7的突起的表面被提供有第一摩擦电材料9并且联锁构件的外表面被提供有第二摩擦电材料13。定子3包括被定位在第一摩擦电材料9下面或者后面的第一电极并且转子5包括被定位在第二摩擦电材料13下面或者后面的第二电极。材料被提供在曲面上。当转子和定子联锁时，定义一组同心接触区域。转子的角移动的范围例如足以完全地联锁转子和定子并且从定子完全地释放转子。

在使用中，当转子5在第一方向上旋转时，包括第二摩擦电材料的鳍状物的表面和实现第二摩擦电材料的止动器突起的表面被带到一起，使得交叠的面积增加。当转子5在与第一方向相反的第二方向上旋转时，鳍状物和止动器突起移动远离彼此，使得第一摩擦电材料与第二摩擦电材料之间的交叠的面积减小。通过提供该布置，实现转子与定子之间的更大的有效摩擦电表面积。转子5可以要么被布置为物理地接触定子，并且沿着摩擦电分段滑动，或者其可以通过空气间隙与分段分离。

通过使转子在备选方向上旋转，生成交流电信号，其取决于振荡频率的频率。生成器的输出功率将取决于振荡频率和突起对的数目和分别地被提供有第一摩擦电材料和第二摩擦电材料的锁定构件14。

每个转子腔室可以具有两个或两个以上拱形部件14。在图5中示出了三个，但是可以存在更多以增加交叠的区域。例如，可以存在2与10之间拱形同心部分，以及用作止动器的对应的数目的拱形定子部分7。转子分支可以是柔性的；分支可以根据柔性材料构建或者可以具有薄结构，例如，分支可以包括薄箔，以使得分支能够是柔性的。

注意，图3、4和5的圆形总体设计可以被修改为仅以图2的方式提供一对相对的腔室。这提供可以对于一些设计有益的不同的形状因子。

以上范例基于关于固定轴转子与定子之间的旋转。这不是仅有选项。

图6A示出了根据范例的摩擦电式能量生成器1的另一范例。摩擦电式能量生成器1包括：第一生成元件8，其包括基座部分以及两个侧壁，所述两个侧壁被提供在中心轴的相对侧；以及第二生成元件10，其包括第二摩擦电材料的圆形主体。第一生成元件包括第一静电材料。第一生成元件8的侧壁提供止动器7，其限制第二生成元件10的移动，使得其可以仅旋转期望的角度，其小于例如60度。

旋转关于移动轴，因为旋转伴随有平移，其中，第二生成元件10(其可以被认为是转子)执行滚动动作。旋转的角范围取决于第二生成元件的半径和电极的宽度。例如，该布置可以被用于小于45度的旋转移动。在一些实施例中，第二生成元件的直径(d)可以等于电极的宽度(W)。在其他实施例中，第二生成元件的直径在范围W≤d≥1.5W内。

具体地，第二生成元件10被布置为在第一生成元件8的侧壁之间滚动。第二生成元件优选地包括导电材料以促进表面上的电荷的相等分布。在第一配置中，第二摩擦电材料的第一部分接触第一生成元件8的第一壁(顶部图)。在第二配置中，第二摩擦电材料的第二部分接触第二生成元件的第二壁(底部图)。第二摩擦电元件在第一配置与第二配置之间振荡。在均衡配置(中间图)中，第二生成元件的仅一个部分接触第一生成元件，然而在第二配置中，第二生成元件的两个部分接触第一生成元件。

第一电极15被提供在第一发生元件8的第一侧并且第二电极16被提供在与第一侧相对的第一生成元件8的第二侧。

电极之一还可以被用于使电力生成系统同步。开关电容器转换器可以例如被实现为功率转换器。尽管这样的转换器不要求任何电感，但是其驱动信号仍然需要与由TEG所生成的信号正确地同步。在这种情况下，生成器可以与用于向下转换发电机的输出电压的开关电容器转换器一起使用。开关电容器转换器包括电容器组和开关布置。控制器被用于基于来自发电机的反馈信号来控制开关。以这种方式，发电机创建反馈信号，其然后被用于控制用于在没有显著的功率损耗的情况下转换输入电压(例如用于向下转换输入电压)的开关电容器转换器。反馈信号响应于运动直接地生成。这意指反馈信号未基于输出电压或者功率的信号处理而生成，并且因此不要求显著的功耗以生成反馈信号。这提供开关电容器转换器的自动控制，从而简化总体控制电路并且改进效率。自同步可以被用于除功率转换外的其他应用，例如控制功率输出的自同步。由于TEG控制电极的输出信号具有与转子的旋转速度成正比的频率，因而该信息可以被用作被布置为控制振荡电荷生成元件的旋转速度以及因此TEG的输出功率的控制器的反馈信号。

图6B示出了在其中额外的控制电极15'、16'在每侧被提供以促进电力生成系统的同步的布置。对同步电极进行设计，使得用于开关电容器转换器的切换模式与TEG的输出电压同步。这意指存在基于控制电极相对于电力生成电极的最佳定位的同步控制信号的自动生成。以这种方式，在不需要特殊检测和控制电路的情况下，可以对功率转换进行优化。

图7示出了摩擦电式能量生成器1的范例，其被设计为从小摇摆移动提供输出电压，例如，针对具有摇摆角α的移动，其中，sin(α)＝α。例如，摇摆移动可以具有等于或小于15度的摇摆角。摩擦电式能量生成器1包括：第一生成元件8，其包括第一摩擦电材料9和第一电极15；以及第二生成元件10，其包括第二摩擦电材料13和第二电极16。第二生成元件10适于关于摇摆运动中的中心轴振荡；其包括第一部分17和第二部分19，其通过均衡位置中的第二生成元件的中心被设置在轴的相对侧(中间图)。部分中的每个的外表面被布置为接触振荡的末端处的第一摩擦电材料，并且定义充电表面20。第二生成元件13被布置为关于中心轴通过均衡位置(中间图)从第一位置(顶部图)振荡到第二位置(底部图)。在第一位置中，第一部分接触第一生成元件。

在使用中，摩擦电式能量生成器执行摇摆运动，使得在振荡的末端位置中第一部分和第二部分中的一个与第一生成元件8接触。当第一部分接触第一生成元件8时，被提供在第一部分上的第二摩擦电材料13接触第一摩擦电材料9。当第二部分接触第一生成元件8时，被提供在第二部分上的第二摩擦电材料13接触第一摩擦电材料9。当第一部分和第二部分中的一个向第一生成元件移动时，第一部分和第二部分中的另一个移开。对生成器进行设计，使得当第二生成元件的一个部分经由起电被充电时，在第二生成元件的另一部分与第一生成元件之间建立电势差。这是开路电压，其根据下式随着电容减小而增加：

C＝εA/d

即，V＝Q/C＝σd/ε

其中，C是电容，ε是介电常数，σ是表面电荷密度，V是电压，Q是电荷，A是第一生成元件与第二生成元件的第一部分或者第二部分之间的接触面积，并且d是第一生成元件与第二生成元件的第一部分或者第二部分之间的垂直分离距离。

由于仅第一生成元件8和第二生成元件10的相对小部分恒定地彼此接触，因而设备耐用性和寿命可以被改进。

中心图示出了平衡位置中的摩擦电式能量生成器1。可以对第一生成元件和第二生成元件进行设计，使得在均衡位置中接触第一生成元件和第二生成元件中的另一个的生成元件的部分未被提供有摩擦电材料，使得在均衡位置中第二摩擦电材料未接触第一摩擦电材料。

下图示出了第二位置中的摩擦电式能量生成器。第二生成元件10的第二部分接触第一生成元件8的第一摩擦电材料9。

图8示出了被设计为以与图7的设备类似的方式(即，在“振动模式中”)操作的摩擦电式能量生成器1。然而，在该范例中，第一生成元件8包括两个电极15、16，其被设置在第一静电材料9的相同侧。

图9示出了适于利用倾斜运动振动的摩擦电式能量生成器1。再次，摩擦电式能量生成器可以具体地被优化用于倾斜角(α)，满足sin(α)＝α的要求。上图图示了摩擦电式能量生成器的倾斜运动，中间图示出了第一生成元件8和第二生成元件10的布置并且底部图示出了摩擦电式能量生成器1的前视图。

如在顶部图中所示，第一生成元件8包括被提供在第一电极15上的第一静电材料9并且第二生成元件10包括被提供在第二电极16上的第二静电材料13。第二生成元件10被布置为相对于第一生成元件8振荡或者摆动。第二生成元件10相对于第一生成元件8的移动使得电势差在生成元件之间建立。

如在中间图中所示，第一生成元件8被布置为倾斜直到相对于第二生成元件10的最大角(α)。在范例中，倾斜角优选地小于10度。

如在底部图中所示，第二生成元件10还关于垂直于第一生成元件的轴旋转，其可以增加产品寿命和耐用性。

图6到图10可以因此概述，其中，摩擦电式能量生成器包括：

第一生成元件；以及

第二发生元件，其具有中心轴，其包括：

中心轴的第一侧的第一部分；以及

中心轴的与第一侧相反的第二侧的第二部分，其中，第二生成元件被布置为从第一部分接触第一生成元件的第一位置到第二部分接触第一生成元件的第二位置关于中心轴振动。

作为变型，第一部分和第二部分包括充电表面(20)，其被布置为在使用中接触第一静电材料。

也可以对第二生成元件进行调整，使得在使用中由与第一摩擦电材料接触的部分的充电表面对向的角等于或小于180度，并且优选地等于或小于90度。

第二生成元件可以被配置为关于中心轴旋转。

第一生成元件可以包括第一电极并且第二生成元件可以包括第二电极或者第一生成元件包括第一电极和第二电极。

可以使用止动器，其中，第二生成元件在第一位置和第二位置中接触止动器，其中，第一位置与第二位置之间的第二生成元件的旋转角例如小于45度。

对于所有范例而言，可以使用控制小运动的各种驱动方案。在范例中，TEG可以被控制为在接触模式与非接触模式之间周期性地交替，在所述接触模式期间，生成器的元件被带到为接触以感应出充电状态，在所述非接触模式期间，生成器的极板彼此分离并且电能通过静电感应生成。取决于生成器的元件的电荷状态，接触模式和非接触模式的定时和持续时间可以由控制器、或者由用户命令控制。以这种方式，元件被控制以仅当表面电荷已经低于某个水平时接触，并且再充电是必要的。元件之间的接触时间可以因此被最小化-从而使导致的噪声和表面磨损最小化-同时仍然保持给定期望的阈值功率输出。

将理解，尽管参考由图6B所图示的范例描述了自同步电力生成，但是其可以与上文所描述的范例一起使用。

将理解，以上所有范例是用于小往复移动的设计，并且具有小幅度，例如，具有小幅度并且优选地小频率的旋转、滚动、倾斜或者摇摆振荡移动。

在范例中，例如图1至图5，电极之间的角间距可以等于或小于旋转角。以这种方式，当转子电极与定子电极之间的完整交叠/非交叠被实现时，功率输出增加。

在范例中，第一生成元件和第二生成元件通常包括或者被附接到电极以使得电荷能够被采集。

定子可以不是圆形的。相反，定子可以是任何其他形状，包括正方形、椭圆形等。

参考图6A和图6B，第二生成元件可以包括圆柱体。圆柱体可以是实心的或者空心的。

第一生成元件和第二生成元件可以具有第二静电材料或者可以被涂有第二静电材料。

通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域的技术人员在实践所请求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。

Claims (8)

1.一种适于根据旋转振荡运动生成电能的摩擦电式能量生成器(1)，包括：

定子(3)，其包括：

第一生成元件(8)，

所述第一生成元件(8)包括第一静电材料(9)和止动器(7)；并且

第二生成元件(10)包括第二静电材料(13)，其中，所述第二生成元件被布置为相对于所述第一生成元件关于旋转轴振荡以生成输出电压，其中，

所述止动器(7)被布置为限制所述第二生成元件相对于所述第一生成元件的旋转，并且

其中，所述摩擦电式能量生成器还包括转子(5)，所述转子包括所述第二生成元件(10)，其中，所述转子和所述定子同轴并且所述转子被布置为关于所述转子和所述定子的同轴旋转并且所述止动器被布置为限制所述转子关于所述同轴的旋转。

2.根据权利要求1所述的摩擦电式能量生成器，其中，所述转子包括多个鳍状物(11)，所述多个鳍状物从所述同轴向外伸出，并且其中，所述止动器被布置为限制所述鳍状物的移动。

3.根据权利要求2所述的摩擦电式能量生成器，其中，至少一个鳍状物包括所述第二生成元件，并且所述第一生成元件被布置为与所述第二生成元件接合。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的摩擦电式能量生成器，其中，所述止动器被配置为将所述转子限制为在从0度到360度的角范围内旋转。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的摩擦电式能量生成器，其中，所述止动器是由所述定子实现的。

6.根据权利要求5所述的摩擦电式能量生成器，其中，被布置为在使用中接触所述第二生成元件的所述止动器的表面被提供有所述第一静电材料。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的摩擦电式能量生成器，其中，所述转子(5)包括联锁构件(14)，并且所述止动器被成形为接收所述联锁构件。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的摩擦电式能量生成器，其中，所述第一生成元件包括被附接到所述第一静电材料的第一电极，并且所述第二生成元件包括被附接到所述第二静电材料的第二电极。

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