CN109149994B - 具有转动结构的发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电技术领域，公开了一种具有转动结构的发电机，用以提高摩擦材料的使用寿命，提高低频下发电机的输出电压，延长发电机的使用寿命。其中发电机包括：定子和转子；还包括：包裹于定子外周面上的第一摩擦部；沿定子的周向设置的至少一个第二摩擦部，第二摩擦部的一端固定于第一摩擦部或定子的外周面，第二摩擦部的另一端悬浮；固定于转子上的压合部，当转子转动时，压合部随转子转动以驱动第二摩擦部的悬浮端和第一摩擦部在贴合和分离之间转换。

Description

具有转动结构的发电机

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种具有转动结构的发电机。

背景技术

随着燃料短缺和能源危机的日益增加，从人们生活的自然环境中寻找新的能量来源吸引了业内的广泛关注。水波能、风能以及太阳能等作为清洁的可再生能源，具有极大的应用前景，其中，海洋中的水波能相比其它清洁能源表现出了更多的优势，如不依赖于季节、昼夜、天气以及温度等条件的限制。目前，将水波能转换为电能主要依靠传统的电磁感应发电机，传统的电磁感应发电机具有体积庞大、成本较高、易被腐蚀以及在海洋波频率下工作效率低等缺点，基于此，摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerators，简称TENG)应运而生。

这种发电机的工作原理是基于摩擦起电和静电感应的共同作用，将两种镀有电极并具有不同带电特性的高分子材料贴合在一起，在外界机械力的作用下产生机械形变，使两种材料发生相互摩擦。由于两种材料具有不同的得失电子能力，会产生电荷分离形成一个内建电势差，两个镀好的电极通过静电感应在表面产生感应电荷，并在摩擦静电势的驱动下经过外电路形成电流。

摩擦纳米发电机适合于收集低频机械振动，在低频下(<5Hz)就可以产生几百伏的电压。这恰恰适用于收集环境及人体运动所产生的低频机械能。因此，利用摩擦纳米发电机收集风能、海洋波浪能、水流能、人体运动能量是对目前风能、太阳能等可再生能源的有益补充。

但是。目前的发电机是通过两种镀有电极并具有不同带电特性的高分子材料之间发生相对位移式摩擦而产生电荷的，这种方式会降低高分子材料的使用寿命，减少发电机的使用寿命。

发明内容

本发明提供了一种具有转动结构的发电机，用以提高摩擦材料的使用寿命，提高低频下发电机的输出电压，延长发电机的使用寿命。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种具有转动结构的发电机，包括：定子和转子；还包括：

包裹于所述定子外周面上的第一摩擦部；

沿所述定子的周向设置的至少一个第二摩擦部，所述第二摩擦部的一端固定于所述第一摩擦部或所述定子的外周面，所述第二摩擦部的另一端悬浮；

固定于所述转子上的压合部，当所述转子转动时，所述压合部随所述转子转动以驱动所述第二摩擦部的悬浮端和所述第一摩擦部在摩擦和分离之间转换以产生感应电流。

本发明提供的发电机，通过转子的转动带动压合部转动，压合部转动时会给对应的第二摩擦部一个压力，这样第二摩擦部悬浮的一端将与第一摩擦部接触，压合部继续旋转，第二摩擦部悬浮的一端将与第一摩擦部分离，第一摩擦部和第二摩擦部通过接触摩擦起电(非位移移动式摩擦)和静电感应产生电流，这种接触分离式摩擦，不需要发电机在较高频率下发生机械运动，发电机在低频率(小于5赫兹)下也能输出较高的电压，可以提高发电效率。

故，本发明提供的发电机，可以提高摩擦材料的使用寿命，提高低频下电机的输出电压，延长发电机的使用寿命。

在一些可选的实施方式中，所述第二摩擦部和所述压合部的个数均为多个，且多个所述压合部沿所述转子的周向间隔设置。

在一些可选的实施方式中，所述压合部的个数小于等于所述第二摩擦部个数的二分之一。

在一些可选的实施方式中，所述第一摩擦部包括：第一聚合物薄膜层。

在一些可选的实施方式中，所述第一摩擦部还包括：位于所述第一聚合物薄膜层背离所述第二摩擦部一面上的第一电极层。

在一些可选的实施方式中，所述第二摩擦部包括：第二电极层。

在一些可选的实施方式中，所述第二摩擦部还包括：位于所述第一电极层背离所述第一摩擦部一面上的第二聚合物薄膜层。

在一些可选的实施方式中，所述第一聚合物薄膜层和所述第二聚合物薄膜层的形成材料不同。采用不同材料形成第一聚合物薄膜层和第二聚合物薄膜层可以便于形成电势差。

在一些可选的实施方式中，所述发动机还包括弹性基片，所述弹性基片设置在所述第二摩擦部背向所述第一摩擦部的一侧。

在一些可选的实施方式中，所述第一聚合物薄膜层为聚四氟乙烯材料层，所述的第二聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为聚四氟乙烯材料层，所述第二聚合物薄膜层为聚偏氟乙稀材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为聚四氟乙烯材料层，所述第二聚合物薄膜层为聚酰亚胺薄膜材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层，所述第二聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层，所述第二聚合物薄膜层为聚偏氟乙稀材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层，所述第二聚合物聚酰亚胺薄膜材料层。

在一些可选的实施方式中，每个所述第二摩擦部的一端粘结于所述第一摩擦部上。粘结层可以起到绝缘的作用。

在一些可选的实施方式中，每个所述压合部为圆柱辊，且每个所述压合部通过轴承安装于所述转子。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有转动结构的发电机的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具有转动结构的发电机的部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第一摩擦部和第二摩擦部的第一种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第一摩擦部和第二摩擦部的第二种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第一摩擦部和第二摩擦部的第三种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的具有转动结构的发电机在转速为60转每分钟时、开路输出电压随时间的变化曲线图；

图7为本发明实施例提供的具有转动结构的发电机在转速为60转每分钟时、短路输出电流随时间的变化曲线图；

图8为本发明实施例提供的具有转动结构的发电机在不同风速下、短路输出电流随时间的变化曲线图。

附图标记：

1-定子 2-转子

3-第一摩擦部 31-第一电极层

32-第一聚合物薄膜层 4-第二摩擦部

41-第二电极层 42-第二聚合物薄膜层

5-压合部 6-轴承

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

如图1和图2所示，本发明提供了一种具有转动结构的发电机，包括：定子1和转子2；还包括：

包裹于定子1外周面上的第一摩擦部3；

沿定子1的周向设置的至少一个第二摩擦部4，第二摩擦部4的一端固定于第一摩擦部3或定子1的外周面，第二摩擦部4的另一端悬浮；

固定于转子2上的压合部5，当转子2转动时，压合部5随转子2转动以驱动第二摩擦部4的悬浮端和第一摩擦部3在贴合和分离之间转换以产生感应电流。

第二摩擦部4和压合部5的个数均为多个，且多个压合部5沿转子2的周向间隔设置。这样可以使得转子在旋转过程中，第一摩擦部和第二摩擦部的悬浮端存在分离的时候，在接触分离过程中发电，提高发电效率。

一种较佳的实施方式中，多个第二摩擦部连接起来的周长与定子的周长相等，当压合部5的个数小于等于第二摩擦部4个数的二分之一时，发电机的发电效率较高。

上述第二摩擦部4和压合部5的具体数量可以有多种，较佳的，第二摩擦部4的个数为八个，压合部5的个数为四个。这种结构的发电机发电效率较高。

本发明提供的具有转动结构的发电机，通过转子2的转动带动压合部5转动，压合部5转动时会给对应的第二摩擦部4一个压力，这样第二摩擦部4悬浮的一端将与第一摩擦部3接触，压合部5继续旋转，第二摩擦部4悬浮的一端将与第一摩擦部3分离，第一摩擦部3和第二摩擦部4通过接触摩擦起电(非位移移动式摩擦)和静电感应产生电流，这种接触分离式摩擦，不需要发电机在较高频率下发生机械运动，发电机在低频率(小于5赫兹)下也能输出较高的电压，可以提高发电效率。

故，本发明提供的具有转动结构的发电机，可以提高摩擦材料的使用寿命，提高低频下电机的输出电压，延长发电机的使用寿命。

上述第一摩擦部3和第二摩擦部4的具体结构可以有多种：

可选的，如图3、图4以及图5所示，第一摩擦部3包括：第一聚合物薄膜层32。

进一步的，第一摩擦部3还包括：位于第一聚合物薄膜层32背离第二摩擦部4一面上的第一电极层31。

可选的，第二摩擦部4包括：第二电极层41。

进一步的，第二摩擦部4还包括：位于第一电极层31背离第一摩擦部3一面上的第二聚合物薄膜层42。

即上述第一摩擦部3和第二摩擦部4可以包括两个电极层(如图5所示)，也可以包括一个电极层(如图3所示)，上述第一摩擦部3和第二摩擦部4可以包括两层高分子聚合物薄膜层(如图5所示)，也可以只包含一层聚合物薄膜层(如图4所示)。

上述第一聚合物薄膜层32和第二聚合物薄膜层42的具体材料可以有多种，较佳的，上述第一聚合物薄膜层32和第二聚合物薄膜层42的形成材料不同。采用不同材料形成第一聚合物薄膜层32和第二聚合物薄膜层42可以便于形成电势差。

由于第二摩擦部4需要变形，第二摩擦部4整体可以为弹性结构，可以其中的部分层为弹性材料，或者全部为弹性材料；也可以在发电机中设置弹性基片，该弹性基片设置在第二摩擦部4背向第一摩擦部3的一侧，该弹性基片可以为塑料、橡胶等弹性材料。故较佳的，第二聚合物薄膜层42选择高弹性材料形成，可选的，第一聚合物薄膜层32为聚四氟乙烯材料层，第二聚合物薄膜层42为氟化乙烯丙烯共聚物材料层；或者，

第一聚合物薄膜层32为聚四氟乙烯材料层，第二聚合物薄膜层42为聚偏氟乙稀材料层；或者，

第一聚合物薄膜层32为聚四氟乙烯材料层，第二聚合物薄膜层42为聚酰亚胺薄膜材料层；或者，

第一聚合物薄膜层32为氟化乙烯丙烯共聚物材料层，第二聚合物薄膜层42为氟化乙烯丙烯共聚物材料层；或者，

第一聚合物薄膜层32为氟化乙烯丙烯共聚物材料层，第二聚合物薄膜层42为聚偏氟乙稀材料层；或者，

第一聚合物薄膜层32为氟化乙烯丙烯共聚物材料层，第二聚合物聚酰亚胺薄膜材料层。

如图6和图7所示，采用本发明提供的具有转动结构的发电机，当转子2转速为60转每分钟时，本发明提供的发电机产生的开路输出电压仍然可以超过200伏特，短路输出电流可以超过20微安，可见本发明提供的发电机也适合用于收集低频的转动机械能。

如图8所示，本发明提供的具有转动结构的发电机，结合扇叶(如图1)吸收风能，外界风速越大，其输出的短路输出电流越高，当风速达到15.9米每秒时，发电机输出的短路输出电流超过100微安。

上述每个第二摩擦部4可以通过多种方式固定与第一摩擦部3上，可选的第二摩擦部4的一端粘结于第一摩擦部3上。也可以将第二摩擦部4的一端粘结于定子1外周面上，可以设置在靠近第一摩擦部3的位置上，在被转子的压合部作用下，可以与第一摩擦部3接触即可。粘结层可以起到绝缘的作用。

本发明提供的一具体实施方式中，每个压合部5为圆柱辊，且每个压合部5通过轴承6安装于转子2。

上述第二摩擦部4的具体形状可以用多种，本领域技术人员可以根据实际需要设定，上述压合部5若为圆柱辊时，圆柱辊的直径可以根据需要设定，但需要保证转子2在转动时，存在第二摩擦部4的悬浮端不被圆柱辊压合在第一摩擦部3上的情况，这样才能保证第二摩擦部4和第一摩擦部3在接触和分离之间转换，才能使得发电机产生电流。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种具有转动结构的发电机，包括：定子和转子；其特征在于，还包括：

包裹于所述定子外周面上的第一摩擦部，所述第一摩擦部包括第一聚合物薄膜层和第一电极层；

沿所述定子的周向设置的至少一个第二摩擦部，所述第二摩擦部包括第二聚合物薄膜层和第二电极层，所述第二摩擦部的一端固定于所述第一摩擦部或所述定子的外周面，所述第二摩擦部的另一端悬浮；

固定于所述转子上的压合部，当所述转子转动时，所述压合部随所述转子转动以驱动所述第二摩擦部的悬浮端和所述第一摩擦部在摩擦和分离之间转换以产生感应电流；

其中，所述第一电极层位于所述第一聚合物薄膜层背离所述第二摩擦部的一面上；所述第二电极层位于所述第二聚合物薄膜层背离所述第一摩擦部的一面上。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第二摩擦部和所述压合部的个数均为多个，且多个所述压合部沿所述转子的周向间隔设置。

3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述压合部的个数小于等于所述第二摩擦部个数的二分之一。

4.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一聚合物薄膜层和所述第二聚合物薄膜层的形成材料不同。

5.根据权利要求1～4任一项所述的发电机，其特征在于，还包括弹性基片，所述弹性基片设置在所述第二摩擦部背向所述第一摩擦部的一侧。

6.根据权利要求5所述的发电机，其特征在于，所述第一聚合物薄膜层为聚四氟乙烯材料层，所述的第二聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为聚四氟乙烯材料层，所述第二聚合物薄膜层为聚偏

氟乙稀材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为聚四氟乙烯材料层，所述第二聚合物薄膜层为聚酰亚胺薄膜材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层，所述第二聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层，所述第二聚合物薄膜层为聚偏氟乙稀材料层；或者，

所述第一聚合物薄膜层为氟化乙烯丙烯共聚物材料层，所述第二聚合物聚酰亚胺薄膜材料层。

7.根据权利要求1～4任一项所述的发电机，其特征在于，每个所述压合部为圆柱辊，且每个所述压合部通过轴承安装于所述转子。

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