CN109067236B - 一种电机内置式柱状摩擦发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种电机内置式柱状摩擦发电装置，属于发电装置技术领域。包括由左端盖、外筒上盖、外筒下盖和右端盖围合而成的外筒，以及位于该外筒内部的外转子无刷电机和圆柱状内筒；外转子无刷电机的定子与左端盖固定连接，外转子无刷电机的转子跟内筒左端固定连接，在外转子无刷电机转子的带动下，内筒在外筒内做周期性旋转运动；内筒包括内筒本体和粘贴于该内筒本体外表面的第一摩擦层；外筒上盖和外筒下盖结构相同，均分别包括外筒盖本体，以及在该外筒盖本体内侧依次粘贴的电极层和第二摩擦层。本发明将旋转电机放置在柱状摩擦发电装置内，便携性好。电机的定子和转子分别跟外筒和内筒固定，避免了连轴器连接，结构紧凑、稳定性好。

Description

一种电机内置式柱状摩擦发电装置

技术领域

本发明属于发电装置技术领域，涉及一种柱状摩擦发电装置，特别是提供了一种电机内置式柱状摩擦发电装置结构。

背景技术

能量采集是目前世界的一个研究热点，通过各种装置，从自然界中采集和存储能量。美国佐治亚理工学院的王中林教授课题组开创的纳米摩擦发电机是其中非常热门的一种，通过摩擦起电和静电效应，将一部分机械能转化为电能。目前纳米摩擦发电机已经在很多方面得到应用，比如柔性可穿戴服装、信号检测、蓝色能源等。摩擦发电机能够在多种频率下产生电压和电流，特别是满足功率需求不高的用电器使用。

旋转运动是最常见的机械运动，运动具有周期性，容易实现，因此多种形式的旋转摩擦发电机被发明出来，如：

中国专利公开号CN101527528A，公开日是2009年9月9日，发明专利名称为旋转摩擦发电机，该专利提出的一种旋转摩擦发电机为三维柱状，通过定子和转子上的不同绝缘材料进行轴向的圆周面旋转摩擦产生电荷。

中国专利公开号CN103780136A，公开日是2014年5月7日，发明专利名称为输出恒定电流的旋转摩擦发电机，该专利提出的旋转摩擦发电机是双层平面结构，两个摩擦层相对摩擦产生电荷，未摩擦的面上设置有电极。

中国专利公开号CN103825489A，公开日是2014年5月28日，发明专利名称为旋转摩擦发电机、稳压输出电路和供电装置，该专利中提出的旋转摩擦发电机，上方是平面摩擦层，下方是平面交错电极层，通过摩擦层跟电极层的径向平面旋转摩擦产生电荷。

以上三个专利围绕旋转发电装置结构设计展开叙述，但没有考虑外部动力输入装置的集成方式。旋转式摩擦发电装置由于机械旋转运动具有周期性，是一种发电信号比较稳定的装置，然而以上发电装置一般要有外部动力输入，比如手摇，水力冲击或者电机。手摇的快慢和水流的大小都会影响输出信号的波动，为了获得稳定的电信号，使用定速装置是一种优先选择。典型的定速装置是定速电机，而常用的电机是外置的，电机轴直接作为以上装置的旋转轴或者通过连轴器将电机轴同以上装置旋转轴连接起来，外置电机和连轴器要占用额外的空间体积，而且连轴器的使用也给动力传递带来了一定的不稳定性。电机跟发电装置的一体化结构设计是装置实现小型化和增加便携性的过程中一个亟待解决的问题。

发明内容

为了实现旋转电机跟发电装置的一体化设计，改善整体装置的便携性，本发明提出了一种电机内置式柱状摩擦发电装置，该装置将电机跟发电结构集成设计，将电机内置到发电装置中。通过将装置的定子和转子分别同电机的定子和转子固联，避免了连轴器额外固定的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种电机内置式柱状摩擦发电装置，其特征在于，包括由左端盖、外筒上盖、外筒下盖和右端盖围合而成且内部具有圆柱状空间的外筒，以及位于该外筒内部的外转子无刷电机和圆柱状内筒；

所述外转子无刷电机的定子与所述左端盖固定连接，所述外转子无刷电机的转子跟所述内筒左端固定连接，在外转子无刷电机转子的带动下，所述内筒在所述外筒内部做周期性旋转运动；

所述内筒包括内筒本体和粘贴于所述内筒本体外表面的第一摩擦层，该第一摩擦层由N个第一摩擦子层构成，N＝1～18；

所述外筒上盖和外筒下盖结构相同，均分别包括外筒盖本体，以及在该外筒盖本体内侧依次粘贴的电极层和第二摩擦层；所述电极层通过第二摩擦层与第一摩擦层间接接触，各所述电极层均包括N片电极，且外筒上盖和外筒下盖内的所有电极呈圆周均布；将同时完全覆盖相应所述第一摩擦子层的若干电极并联引出的第一输出端，和其余电极并联引出的第二输出端作为所述电机内置式柱状摩擦发电装置的输出端。

进一步地，所述内筒本体为中空结构，包括可拆卸连接的内筒盖板和内筒主体。

进一步地，所述第一摩擦层和第二摩擦层采用不同得失电子能力的材料制成。

进一步地，单个第一摩擦子层的形状大小同单片电极，所述第二摩擦层的形状大小完全覆盖单片电极。

进一步地，所述发电装置还包括法兰轴承，该法兰轴承安装于所述右端盖中心，且内筒右端设置的连接轴穿过该法兰轴承。

进一步地，所述外筒上盖和外筒下盖，还均包括粘贴于所述电极层和外筒盖本体间的弹性层，用于保证两摩擦层间的贴合。

本发明具有以下优点及突出性效果：将旋转电机放置在柱状摩擦发电装置内，便携性好。电机的定子和转子分别跟外筒和内筒固定，避免了连轴器连接，可将轴向长度大幅减小，结构更紧凑，也避免了轴连接带来的不稳定性。本装置特别适用于对体积有要求、强调便携的使用场景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的一种电机内置式柱状摩擦发电装置的结构示意图(分解状态)；

图2是图1所示装置中内筒结构示意图；

图3是图1所述装置中内筒轴向断面示意图；

图4是图1所述装置中外筒下盖的轴向断面示意图；

图5是本发明装置中发电部分的工作原理图；

图1到图5中：

1是左端盖， 2是外转子无刷电机， 3是内筒，

4是右端盖， 5是法兰轴承， 6是外筒上盖，

7是外筒下盖， 8是用电器，

11是定子固定孔， 31是内筒盖板， 32是内筒主体，

33是第一摩擦层， 34是转子固定孔， 63是外筒上盖电极层，

64是外筒上盖第二摩擦层， 71是外筒本体， 72是弹性层，

73是外筒下盖电极层， 74是外筒下盖第二摩擦层

具体实施方式

本发明提出的一种电机内置式柱状摩擦发电装置，其整体结构如图1所示，主要包括由左端盖1、外筒上盖6、外筒下盖7和右端盖4围合而成且内部具有圆柱状空间的外筒，以及位于该外筒内部的外转子无刷电机2和圆柱状内筒3，外筒内侧与内筒外侧的形状尺寸相匹配；左端盖1中心和内筒3的左端中心分别设有定子固定孔11和转子固定孔34。外转子无刷电机2的定子通过定子固定孔11固定在左端盖1上，外转子无刷电机2的转子通过转子固定孔34固定在内筒左端。外转子无刷电机2运转时，转子带动内筒在外筒的内部空间中做周期性轴向旋转运动。

内筒结构如图2所示，内筒的轴向断面如图3所示，内筒3是中空结构，内筒3包括内筒本体和粘贴于内筒本体外表面的第一摩擦层33，该第一摩擦层由N(N＝1～18，本实施例N＝2)个圆周均布的第一摩擦子层构成。

本实施例的内筒本体由可拆卸连接的内筒盖板31和内筒主体32组成且为中空结构，其目的是便于将外转子无刷电机2的转子使用螺栓通过转子固定孔34固定在内筒主体32上，同时可降低发电装置的整体重量。优选地，内筒盖板31和内筒主体32之间采用拔插式连接，在内筒盖板31左右两侧均设有定位凸起、内筒主体32对应位置设有定位槽，保证内筒盖板31与内筒主体32的相对位置。

外筒上、下盖结构相同，外筒的外横截面包括但不限于圆形、矩形、方形、三角形等。现以外筒下盖7为例进行说明，如图4所示，外筒下盖7包括外筒下盖本体71，以及在该外筒下盖本体内侧依次粘贴的电极层73和第二摩擦层74；第二摩擦层74与第一摩擦层相贴合，电极层73通过第二摩擦层74与第一摩擦层33间接接触，电极层73包括N片电极，外筒上盖和外筒下盖内的所有电极呈圆周均布并避开外筒上、下盖的接合处。将同时完全覆盖相应第一摩擦子层的若干电极并联引出的第一输出端，和其余电极并联引出的第二输出端作为本电机内置式柱状摩擦发电装置的输出端，通过该输出端将电荷导出，供耗能元件使用。例如，N＝3时，第一输出端由同时完全覆盖相应第一摩擦子层的3片电极并联引出而成，第二输出端由其余的3片电极并联引出而成。电极层73用于电荷的产生和导出，需满足以下条件：单个第一摩擦子层的形状大小同单片电极，第二摩擦层的形状大小完全覆盖单片电极。当外转子无刷电机2带动内筒3旋转时，内筒本体上的第一摩擦层33同定子外筒内部的第二摩擦层74的接触面发生滑动摩擦，利用两个摩擦层得失电子的能力差异，产生电荷迁移。

本实施例的外筒上、下盖还均包括粘贴于各电极层和外筒盖本体间的弹性层(如图4中72所示)。该弹性层可以给予第一摩擦层33和第二摩擦层74之间的接触面增加一定的正压力，在保证两摩擦层间更好贴合的同时，增加接触摩擦力。

第二摩擦层74和第一摩擦层33得失电子的能力不同，本实施例中，第一摩擦层33材料的得电子能力大于第二摩擦层74材料的得电子能力。其中，第二摩擦层74可选择失电子能力强的材料制成，包含但不限于如纸、聚酰胺、乙基纤维素、尼龙-11、尼龙-66等；第一摩擦层33可选择得电子能力强的材料制成，包含但不限于如聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氟化乙丙酸等；电极层73选用矩形条状导体材料制成，包含但不限于如铜、银、铝等。弹性层72可选择3M双面胶带、海绵、泡沫胶等。

为了增加本装置的稳定性，本实施例发电装置还包括法兰轴承5，参见图1，该法兰轴承5安装于右端盖4中心，且内筒3右端设置的连接轴(用于支撑内筒旋转)穿过该法兰轴承5。法兰轴承5用于承载内筒旋转，可降低连接轴的摩擦阻力，确保转动平衡。

本实施例的工作原理如图5所示，叙述如下：

内筒作为转子，通过外转子无刷电机2带动内筒本体旋转时，附着在内筒本体上的第一摩擦层33同外筒上盖的第二摩擦层64和外筒下盖的第二摩擦层74发生摩擦，第一摩擦层33得到电子带负电荷，第二摩擦层64和第二摩擦层74失去电子带正电荷，两个第二摩擦层74/64附近的电极层73/63上根据局部电荷感应出相应的正/负电荷。一个典型电荷转移过程分析如下：设旋转筒逆时针旋转(如图5中箭头所示方向)，从与电极层73重合向与电极层63重合的位置移动，当移动到如图5所示位置时。带负电荷的第一摩擦层33正从右侧电极层73向左侧电极层63移动。右侧电极层73带正电，但是随着第一摩擦层33的离去，右侧电极层73上的正电荷逐渐减少；随着第一摩擦层33向左侧的逼近，左侧电极层63上的负电荷减少，正电荷逐渐增加。产生的电流从右侧电极层73移动到左侧电极层63，途中通过用电器8输出功率。

以上详细描述了本发明的的优选实施方式，但是并不限于上述实施方式中的具体细节，具体为外筒横截面的形状，包括但不限于圆形、矩形、方形、三角形等；电极的布置方式如电极间距、形状，电极片数如2片、4片、6片等；在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电机内置式柱状摩擦发电装置，其特征在于，包括由左端盖、外筒上盖、外筒下盖和右端盖围合而成且内部具有圆柱状空间的外筒，以及位于该外筒内部的外转子无刷电机和圆柱状内筒；

所述外转子无刷电机的定子与所述左端盖固定连接，所述外转子无刷电机的转子跟所述内筒左端固定连接，在外转子无刷电机转子的带动下，所述内筒在所述外筒内部做周期性旋转运动；

所述内筒包括内筒本体和粘贴于所述内筒本体外表面的第一摩擦层，该第一摩擦层由N个第一摩擦子层构成，N=1~18；

所述外筒上盖和外筒下盖结构相同，均分别包括外筒盖本体，以及在该外筒盖本体内侧依次粘贴的电极层和第二摩擦层；所述电极层通过第二摩擦层与第一摩擦层间接接触，各所述电极层均包括N片电极，且外筒上盖和外筒下盖内的所有电极呈圆周均布；将同时完全覆盖相应所述第一摩擦子层的若干电极并联引出的第一输出端，和其余电极并联引出的第二输出端作为所述电机内置式柱状摩擦发电装置的输出端；所述第一摩擦层和第二摩擦层采用不同得失电子能力的材料制成，单个第一摩擦子层的形状大小同单片电极，所述第二摩擦层的形状大小完全覆盖单片电极。

2.根据权利要求1所述的电机内置式柱状摩擦发电装置，其特征在于，所述内筒本体为中空结构，包括可拆卸连接的内筒盖板和内筒主体。

3.根据权利要求2所述的电机内置式柱状摩擦发电装置，其特征在于，所述内筒盖板和内筒主体之间采用拔插式连接，所述内筒盖板的左右两端分别设有定位凸起，所述内筒主体的对应位置设有定位槽。

4.根据权利要求1所述的电机内置式柱状摩擦发电装置，其特征在于，所述电极采用矩形条状的导体材料，且各电极的布置避开所述外筒上盖、外筒下盖的结合处。

5.根据权利要求1所述的电机内置式柱状摩擦发电装置，其特征在于，该发电装置还包括法兰轴承，该法兰轴承安装于所述右端盖中心，且内筒右端设置的连接轴穿过该法兰轴承。

6.根据权利要求1所述的电机内置式柱状摩擦发电装置，其特征在于，所述外筒上盖和外筒下盖，还均包括粘贴于所述电极层和外筒盖本体间的弹性层，用于保证两摩擦层间的贴合。