CN109450289B - 一种面内运动静电发电机 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种面内运动静电发电机，包括n对位于定子基底的定子电极、n个位于动子基底的驻极体，驻极体与定子电极形状相同，所述n对定子电极间隔地分别相连于第一导电部、第二导电部；第一导电部或第二导电部具有至少一个第一触指部；该第一触指部、与第一触指部具有间隙的一个第二触指部形成一个开关电极对，所述开关电极对被位于动子上的碳刷接触时使得第一触指部与第二触指部形成电连接，以将通过开关电极对所形成电连接的定子电极与发电机的第一输出端形成电连接；未通过开关电极对所形成电连接的定子电极与发电机的第二输出端形成电连接。本发明提高了发电机的输出功率，并降低和拓宽了匹配电阻。
Description
技术领域
本发明涉及驻极体静电发电机技术领域，特别地，涉及一种面内运动静电发电机。
背景技术
静电式能量采集装置，如摩擦电发电机、驻极体发电机，具有质量小、能量密度高、制作简单以及低频特性好等优点，具有广阔的应用前景，但目前此类发电机的输出功率依然较低。因此，有效提高其输出功率具有重要意义。
一种接触分离式摩擦静电发电机，通过接触分离开关实现了输出功率的有效提升。但这种接触分离开关只适用于接触分离式静电发电机，无法应用到如旋转式等面内运动的静电发电机中。
对于旋转式静电发电机，提出了一种基于静电吸附弹簧式开关的摩擦发电机，当发电机电压积累到一定程度，开关被吸合，电流流经负载产生输出，同时电压降低；当电压降低到一定程度，开关断开；从而形成震荡式通断状态。这种发电机输出功率有所提高，但这种开关工作在特定频率，不在其频率范围效率提高有效，且开关的制造复杂，工作条件容易受到环境影响。
发明内容
本发明提供了一种面内运动静电发电机，以提高其输出功率。
一种面内运动静电发电机，包括n对位于定子基底的定子电极、n个位于动子基底的驻极体，驻极体与定子电极形状相同，其中，n为自然数，其特征在于，
所述n对定子电极间隔地分别相连于第一导电部、第二导电部；
第一导电部或第二导电部具有至少一个第一触指部；
该第一触指部、与第一触指部具有间隙的一个第二触指部形成一个开关电极对，所述开关电极对被位于动子上的碳刷接触时使得第一触指部与第二触指部形成电连接，以将通过开关电极对所形成电连接的定子电极与发电机的第一输出端形成电连接；
未通过开关电极对所形成电连接的定子电极与发电机的第二输出端形成电连接。
所述静电发电机还包括有一将所述开关电极对的通断作为电源开关的电源管理电路，该电路的整流输入端与发电机的输出端相连，整流电路的输出端串联有一电感和一电容，电容的两端向负载提供输出端口。
所述定子电极为由内径为r0、外径为r、数量为2n的周向方向均匀排列的等圆心角的扇环状电极组成；
所述第一导电部包括，小于所述内径的第一电极环、以及第一电极环周向方向均匀排列有n个沿径向、向圆心方向的反方向延展至第一扇环状电极内弧的第一连接部，
所述第二导电部包括，大于外径的第二电极环、以及第二电极环周向方向均匀排列有n个沿径向向圆心方向延展至第二扇环状电极外弧的第二连接部。
所述第二电极环周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向的反方向延展一定长度的第一触指部；
内径大于第一触指部外包络半径的第三电极环周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向延展长度不触及第二电极环的第二触指部；
第一触指部与第二触指部交错分布、并在交错处形成有所述间隙，所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与定子接触面大小；
所述开关电极对的中心线与扇环状电极中心线平行，并且处于扇环状电极中心线附近。
所述第二电极环的第二连接部附近沿径向、向圆心方向的反方向延展一定长度的一个所述第一触指部，
与所述第一触指部交错排列、并在交错处形成有所述间隙的一个所述第二触指部；
所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与定子接触面大小；
所述开关电极对的中心线与扇环状电极中心线平行，并且处于扇环状电极中心线附近；
所述动子包括以开关电极对至扇环状电极圆心的距离为半径、以扇环状驻极体圆心的圆周的周向方向均匀排列的2n个碳刷，所述碳刷位于在驻极体的中心线和两驻极体之间的对称线上。
所述第一电极环周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向延展一定长度的第一触指部；
内径小于第一触指部包络半径的第三电极环周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向延展长度不触及第一电极环的第二触指部；
第一触指部与第二触指部交错分布、并在交错处形成有所述间隙，所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与开关电子对接触面大小；
所述开关电极对的中心线与扇环状电极中心线平行，并且处于扇环状电极中心线附近。
所述第二电极环具有一使得与所述第一扇环状电极连接至所述第一输出端的缺口，
所述缺口附近的第一扇环状电极具有延其一侧边以实现电连接的宽度、向圆心方向的反方向沿缺口中心线延展至所述第一输出端的第三连接部；
位于缺口附近的一开关电极对的第二触指部具有以实现电连接的宽度延展至所述第二输出端的第四连接部。
所述第二电极环以实现电连接的宽度、向圆心方向的反方向延展至所述第二输出端的第四连接部；
所述第一输出端通过过孔、经过位于定子基底背面导体与位于第三电极环的一过孔相连。
其中，所述定子电极由2n个长边为t、短边为s的矩形状电极延同一直线按长边相互平行等间隔排列组成；
平行于矩形状电极第一短边的第一直线形导体直线方向均匀排列有n个沿与矩形状电极短边垂直方向延展至矩形状电极的第一连接部；
平行于矩形状电极第二短边的第二直线型导体直线方向均匀排列有n个沿与矩形状电极第二短边垂直方向延展至矩形状电极的第二连接部，
所述第一连接部、第二连接部分别位于矩形状电极短边的中心对称线上；
第二直线型导体直线方向均匀排列有n个沿与所述第二连接部延展方向的相反方向、延展一定长度的第一触指部；
平行第二直线型导体、与位于该导体同侧、与所述第一触指部的包络具有间隙的第三直线形导体均匀排列有n个沿与所述第二连接部延展方向相同反向、延展长度不触及第二直线型导体的第二触指部；
第一触指部与第二触指部交错分布、并在交错处形成有所述间隙，所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与开关电子对接触面大小，
开关电极对的中心线与矩形状电极短边的中心线平行，并且处于矩形状电极短边的中心线附近。
所述第一直线形导体连接至所述第一输出端，所述第三直线形导体连接至所述第二输出端。
所述碳刷位于驻极体的中心线上，且与扇环状驻极体圆心的距离和发电机定子上开关电极对至扇环状电极圆心的距离相等。
所述碳刷为碳纤维刷，该碳纤维刷安装于动子基底的沉孔或通孔内；或者
所述碳刷由弹性体和导电体两部分组成，其中，所述弹性体固定于动子上，所述弹性体的材料为聚二甲基硅氧烷，所述导电体为铜箔；或者
所述碳刷为具有导电能力弹性体的导电弹性体，该碳纤维刷安装于动子基底的沉孔或通孔内，所述导电弹性体由聚二甲基硅氧烷和碳纳米管构成；或者，
所述碳刷为带有承受轴向压力弹性部件的导电体，所述弹性部件为压缩弹簧，该压缩弹簧的固定部固定于动子基底的沉孔底部，该压缩弹簧的伸缩部固定有具有一定高度的导电体，导电体的上部在压缩弹簧处于未压缩状态下高于动子基底表面以与开关电子对形成电连接；或者，
所述碳刷为带有承受轴向压力弹性部件的导电体，所述弹性部件为压缩弹簧，固定于压缩弹簧伸缩部的导电体下部的横截面大于导电体上部横截面形成有凸部；压缩弹簧固定部固定于动子基底的沉孔底部，压缩弹簧伸缩部和导电体凸部容纳于沉孔底部直径形成空间内，导电体除凸部以外的其余部分通过开口直径小于沉孔底部直径的开口部伸出动子基底表面。
所述碳刷以所述开关电极对至扇环状电极圆心的距离为半径、以扇环状驻极体为圆心的圆周的周向方向均匀分布于转子基底；所述碳刷数量为m个，其中m为大于1的自然数。
本发明通过位于定子上的开关电极对，随着动子的运动而周期性地通过碳刷与开关电极对的接触而使得开关电极对形成电连接，以形成带滑移式开关，从而使得发电机的输出端输出高压脉冲，本发明提高了发电机的输出功率，并降低和拓宽了匹配电阻。
附图说明
图1为带滑移接触式开关的旋转式静电发电机；
图2为带滑移接触式开关的旋转式静电发电机定子的正视图。其中，标记
101——第一扇环状电极；102——第二扇环状电极；103——第三电极环；
104——第二电极环；105——第一电极环；106——第一连接部；
107——第一触指部；108——第二连接部；109——第二触指部；
110——第三连接部；111——第四连接部；112——第一输出端；
113——第二输出端。
图3为静电发电机转子的正视图。其中，标记
201——转子基底；202——驻极体；203——碳刷。
图4为基于图3所示发电机转子正视图中碳纤维刷的安装剖视图。其中，标记401——碳纤维刷。
图5为为基于图3所示发电机转子正视图中碳刷203的安装剖视图。其中，标记501——弹性体；502——导电体。
图6为为基于图3所示发电机转子正视图中碳刷203的安装剖视图。其中，标记601——具有导电能力的弹性体。
图7为为基于图3所示发电机转子正视图中碳刷203的安装剖视图。其中，标记803——导电体；804——压缩弹簧；805——沉孔。
图8为带有承受轴向压力弹性部件的导电体碳刷的另一实施方式的示意图。其中，标记
801——第一基底；802——第二基底；803——导电体；804——压缩弹簧；805——沉孔；8031——凸部。
图9为碳刷中与开关电极对接触的导电体与开关电极对宽度关系的示意图，该图为开关电极对沿周向的剖视图。
图10为安装有4个碳刷的一种示意图。
图11为减小发电机定子开关电极对并增加发电机转子导电体的一种示意图。其中，标记
101——第一扇环状电极；102——第二扇环状电极；104——第二电极环；
105——第一电极环；106——第一连接部；107——第一触指部；
108——第二连接部；109——第二触指部；110——第三连接部；
111——第四连接部；112——第一输出端；113——第二输出端；
203——碳刷。
图12为位于扇环状电极内侧的开关电极对的定子正视图以及仰视图。其中，标记
101——第一扇环状电极；102——第二扇环状电极；103——第三电极环；
104——第二电极环；105——第一电极环；106——第一连接部；
107——第一触指部；108——第二连接部；109——第二触指部；
111——第四连接部；112——第一输出端；113——第二输出端；
1122——第三电极环中的过孔；1121——第一输出端处的过孔；
1123——导电体。
图13为平面直线式静电发电机。其中，标记
1301——第一矩形状电极；1302——第二矩形状电极；
1303——第三直线形导体；1304——第二直线形导体；
1305——第一直线形导体；1306——第一连接部；
1307——第一触指部；1308——第二连接部；1309——第二触指部；
1310——第三连接部；1311——第四连接部；1312——第一输出端；
1313——第二输出端。
图14为本发明实施例结合带滑移接触式开关的旋转式静电发电机的电源管理电路结构的一种示意图。
图15示出了电源管理电路中，电容收集的能量随时间变化的效果示意图。
图16示出了带滑移接触式夸官的旋转式静电发电机与常规发电机的功率负载曲线。
具体实施方式
为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。
在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。
在本文中，“一个”并不表示将本发明相关部分的数量限制为“仅此一个”，并且“一个”不表示排除本发明相关部分的数量“多于一个”的情形。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。
实施例1
参见图1所示，图1为带滑移接触式开关的旋转式静电发电机。
带滑移接触式开关的旋转式静电发电机包括发电机定子、发电机转子两部分，其中，发电机定子包括发电机发电电极和发电机定子开关电极；
结合图2所示，图2为带滑移接触式开关的旋转式静电发电机定子的正视图。发电机定子发电电极由内径为r0、外径为r、数量为2n的周向方向均匀排列的等圆心角的扇环状电极组成；扇环状电极间隔相连，组成了由n对电极构成的发电机电极定子；
小于内径的第一电极环105周向方向均匀排列有n个沿径向、向圆心方向的反方向(向外)延展至扇环状电极内弧的第一连接部106；大于外径的第二电极环周向方向均匀排列有n个沿径向向圆心方向延展至扇环状电极外弧的第二连接部108；所述第一连接部106、第二连接部108分别位于扇环状电极的对称线(中心线)上。与第一连接部106相连的扇环状电极为第一扇环状电极101，与第二连接部108相连的扇环状电极为第二扇环状电极102。
对于发电机定子开关电极的设计，发电机定子开关电极的对数可以与发电机定子发电电极的对数相同。具体为，第二电极环104周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向的反方向(向外)延展一定长度的第一触指部107；内径大于第一触指部107外包络半径的第三电极环103周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向延展长度不触及第二电极环104的第二触指部109，即，第二触指部109的包络半径大于第二电极环104的外径；第一触指部107与第二触指部109交错分布、并在交错处形成有间隙，即，第一触指部107与第二触指部109以叉指方式交错排列，这样的第一触指部107与第二触指部109构成一个开关电极对，所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与定子接触面大小，以使得碳刷接触到开关电极对时第一触指部107与第二触指部109通过碳刷形成电连接；开关电极对的中心线与扇环状电极中心线平行，并且处于扇环状电极中心线附近。
所述第二电极环104、所述第三电极环103具有一缺口，该缺口以方便缺口附近的一个第一扇环状电极101连接至发电机定子的第一输出端112。较佳地，所述缺口附近的第一扇环状电极101具有延其一侧边以实现电连接的宽度、向圆心方向的反方向(向外)沿缺口中心线延展至第一输出端112的第三连接部110；缺口附近开关电极对的第二触指部109具有以实现电连接的宽度延展至第二输出端113的第四连接部111，为了获得均匀的阻容分布，所述缺口位于两个开关电极对之间。
为了获得均匀的阻容分布，所述第一电极环105、第二电极环104、第三电极环103为圆环形，它们的圆心均与扇环状电极圆心重合；为了减小制造的工艺难度，较佳地，第一电极环105的内外径之差与第一连接部106的周向宽度相同，第二电极环104内外径之差与第二连接部108108的周向宽度、第一触指部107的周向宽度相同，第三电极环103的内外之差与第二触指部109的周向宽度相同；第一电极环105的内外径之差、第二电极环104的内外径之差、以及第三电极环103内外径之差相同。为了减小电阻，所述第一连接部106、第二连接部108、第一触指部107、第二触指部109的周向宽度、第三连接部110、第四连接部111的宽度只要可实现电连接即可。第一电极环105的外径小于扇环状电极内径r0，以避免与第二扇环状电极102有电连接；第二电极环104的内径大于扇环状电极外径r，以避免与第一扇环状电极101有电连接。
为提高发电机定子的整体性能，所述第一扇环状电极101、第一电极环105、第一连接部106、第三连接部110、第一输出端112一体成型，敷设于PCB基底上；所述第二扇环状电极102、第二电极环104、第二连接部108、第一触指部107一体成型，敷设于PCB基底上；所述第三电极103、第二触指部109、第四连接部111、第二输出端113一体成型，敷设于PCB基底上。
参见图3所示，图3为静电发电机转子的正视图。发电机转子由发电机转子基底201和图形化的驻极体202组成。驻极体事先充电，切割为图形化的驻202极体，其形状与定子电极的发电电极形状相同，即，发电机转子发电电极由内径为r0、外径为r、数量为n的周向方向均匀排列的等圆心角的扇环状驻极体202组成；所述扇环状驻极体202粘接到发电机转子基底201上。转子上安装有一只碳刷203，碳刷203处在驻极体的中心线上，且与扇环状驻极体圆心的距离和发电机定子上开关电极对至扇环状电极圆心的距离相等。
所述碳刷203可以为碳纤维刷，参见图4所示，图4为基于图3所示发电机转子正视图中碳纤维刷的安装剖视图，碳纤维刷401安装在转子基底201的沉孔或通孔内，可用胶水固定。
一种实施方式可以是弹性体与导电体结合的碳刷，参见图5所示，图5为基于图3所示发电机转子正视图中碳刷203的安装剖视图，与转子接触的部分为弹性体501，弹性体的上部为导电体502，其中，弹性体使得定子和转子装配后导电体紧密接触位于定子上的开关电极对。较佳地，所述导电体为铜箔，所述弹性体的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)。
实施方式之一，所述碳刷可以是具有导电能力弹性体的导电弹性体，参见图6所示，图6为基于图3所示发电机转子正视图中碳刷203的安装剖视图，具有导电能力弹性体601的碳刷安装在转子基底201的沉孔或通孔内，可用胶水固定。所述导电弹性体由PDMS和碳纳米管构成。
实施方式之一，所述碳刷可以是带有承受轴向压力弹性部件的导电体，其中，导电体可以是石墨碳刷。参见图7所示，图7为基于图3所示发电机转子正视图中碳刷203的安装剖视图。所述弹性部件可以为压缩弹簧804，压缩弹簧804的固定部固定于转子基底的沉孔805底部，压缩弹簧804的伸缩部固定有具有一定高度、剖面为矩形的导电体803，导电体803的上部高于转子基底201表面以与开关电子对形成电连接，这样，沉孔805的深度满足于安装于该沉孔的碳刷的导电体803与位于定子上的开关电极对接触，即，弹性部件处于静态下(未压缩状态下)碳刷的总体高度略高于沉孔805深度；此外，所述弹性部件使得定子和转子装配后导电体紧密接触位于定子上的开关电极对，降低了装配的难度。
为了减少碳刷安装后的径向移动，提高碳刷安装以及工作过程中的可靠性，参见图8所示，图8为带有承受轴向压力弹性部件的导电体碳刷的另一实施方式的示意图。所述沉孔805的开口直径小于沉孔底部直径，固定于压缩弹簧804伸缩部的导电体803下部的横截面具有大于导电体上部横截面，形成有凸部8031；压缩弹簧804固定部固定于沉孔805底部，压缩弹簧804伸缩部、导电体凸部容纳于沉孔以底部直径形成空间内，导电体803除凸部8031以外的其余部分通过沉孔开口伸出转子基底，以高于转子基底表面；为便于安装和制造，转子基底由形状、圆面积大小、材质相同的第一基底801和第二基底802组成，上述沉孔805位于转子第一基底801中，装配时将导电体碳刷安装于沉孔之后，再将第二基底802与第一基底801粘合。
参见图9所示，图9为碳刷中与开关电极对接触的导电体与开关电极对宽度关系的示意图，该图为开关电极对沿周向的剖视图。导电体有效工作宽度为c，开关电极对的间距为b，开关电极对任一触指部的宽度为a，开关电极对中心距离定子电极中心的距离为R(图中未示出)。
在保证动子导电体与开关电极对良好接触的情况下，开关电极对任一触指部宽度a应尽量小。同时，为保证具有开关效果需要求导电体有效工作宽度c大于开关电极对的间距b，在保证良好接触的条件下同时，导电体有效工作宽度c尽量小。
安装于转子上的碳刷的数量至少为一个。参见图10所示，图10为安装有4个碳刷的一种示意图。为了提高发电机转子转动时的平衡性，以发电机定子上开关电极对至扇环状电极圆心的距离为半径、以扇环状驻极体圆心(扇环状电极圆心)的圆周的周向方向均匀排列m个碳刷，其中m为大于1的自然数。
发电机定子和转子按照图1进行组装，转子转动时发电机产生电能，碳刷会随着转动与定子上的开关电极对交替接触或离开，当碳刷接触开关电极对时，开关电极对的第一触指部与第二触指部通过碳刷连通，相当于开关电极对闭合；当碳刷离开开关电极对时，开关电极对的第一触指部与第二触指部断开，开关电极对断开。
实施例2：
为提高发电机的输出功率，减少由开关电极所引入的寄生电容，可以将定子上开关电极对的数量减少，并相应的增加转子上碳刷的数量，以保证转子每转动360/2n°，开关电极对闭合一次。
参见图11所示，图11为减小发电机定子开关电极对并增加发电机转子导电体的一种示意图。其中，发电机定子上的开关电极对只有一个，具体结构是，在第二电极环104的第二连接部108附近沿径向、向圆心方向的反方向(向外)延展一定长度的一第一触指部107，与所述第一触指部107交错排列、并在交错处形成有间隙的一第二触指部109，即，第一触指部107与第二触指部109以叉指方式交错排列，这样的第一触指部107与第二触指部109构成一个开关电极对，所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与开关电极对接触面大小，以使得碳刷接触到开关电极对时第一触指部107与第二触指部109通过碳刷形成电连接；开关电极对的中心线与扇环状电极中心线平行，并且处于扇环状电极中心线附近。
为方便与输出端的连接，所述第二电极环104具有一缺口，该缺口以方便缺口附近的一个第一扇环状电极101连接至发电机定子的第一输出端112。较佳地，所述缺口附近的第一扇环状电极101具有延其一侧边以实现电连接的宽度、向圆心方向的反方向(向外)沿缺口中心线延展至第一输出端112的第三连接部110；所述开关电极对位于缺口附近，开关电极对的第二触指部109具有以实现电连接的宽度延展至第二输出端113的第四连接部111。
所述第一扇环状电极101、第一电极环105、第一连接部106、第三连接部110、第一输出端112一体成型，敷设于PCB基底上；第二扇环状电极102、第二电极环104、第二连接部108、第一触指部107一体成型，敷设于PCB基底上；第一触指部109、第四连接部111、第二输出端113一体成型，敷设于PCB基底上。
转子基底上以发电机定子上开关电极对至扇环状电极圆心的距离为半径、以扇环状驻极体圆心(扇环状电极圆心)的圆周的周向方向均匀排列2n个碳刷，其中，2n为定子上扇环状电极的数量；且，碳刷203处在驻极体的中心线以及两驻极体之间的对称线上。
实施例3：
为提高发电机的输出功率，减少由开关电极所引入的寄生电容，开关电极对的位置可由扇环状电极的外侧移动至扇环状电极的内侧，对应的转子上碳刷移动至内侧对应位置。
参见图12所示，图12为位于扇环状电极内侧的开关电极对的定子正视图以及仰视图。
第一电极环105周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向延展一定长度的第一触指部107；内径小于第一触指部107包络半径的第三电极环103周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向延展长度不触及第一电极环105的第二触指部109，即，第二触指部109的包络半径小于第一电极环105的内径；第一触指部107与第二触指部109交错分布、并在交错处形成有间隙，即，第一触指部107与第二触指部109以叉指方式交错排列，这样的第一触指部107与第二触指部109构成一个开关电极对，所述间隙的大小适配于转子上所安装的碳刷与定子接触面大小，以使得碳刷接触到开关电极对时第一触指部107与第二触指部109通过碳刷形成电连接；开关电极对的中心线与扇环状电极中心线平行，并且处于扇环状电极中心线附近。
第二电极环104以实现电连接的宽度、向圆心方向的反方向(向外)延展至第二输出端113的第四连接部111；为减小电阻，所述第四连接部位于第二输出端113附近，且连接部的延展长度尽可能短。
由于开关电极对在扇环状电极的内侧时开关电极对与输出端无法通过正面相连，因此，采用过孔通过背面相连，具体为，第一输出端112通过过孔1121、经过位于定子基底背面导体1123与位于第三电极环103的一过孔1122相连，为减小电阻，第三电极环103的过孔位置位于与第一输出端的过孔距离最短之处。所述导体1123为使得第三电极环103的过孔1122与第一输出端的过孔1121电连接、敷设于定子基底的直线导体，为减小电阻，所述导体为铜箔。
所述第一扇环状电极101、第一电极环105、第一连接部106、第一触指部107、一体成型，敷设于PCB基底上；第二扇环状电极102、第二电极环104、第二连接部108、第四连接部111、第二输出端113一体成型，敷设于PCB基底上；第三电极环103、第二触指部109一体成型，敷设于PCB基底上。
实施例4：
本申请的滑移接触式开关可以与其它面内运动的静电发电机组合成其他结构的滑移接触式快关的静电发电机。
参见图13所示，图13为平面直线式静电发电机。发电机定子发电电极由2n个长边为t、短边为s的矩形状电极沿同一直线按长边相互平行等间隔排列组成，矩形状电极短边间隔相连，组成了n对发电机电极定子。
平行于矩形状电极第一短边的第一直线形导体1305直线方向均匀排列有n个沿与矩形状电极短边垂直方向延展至矩形状电极的第一连接部1306；平行于矩形状电极第二短边的第二直线型导体1304直线方向均匀排列有n个沿与矩形状电极第二短边垂直方向延展至矩形状电极的第二连接部1308，所述第一连接部1306、第二连接部1308分别位于矩形状电极短边的中心对称线(短边中心线)上。与第一连接部1306相连的矩形状电极为第一矩形状电极1301，与第二连接部1308相连的矩形状电极为第二矩形状电极1302。
第二直线型导体1304直线方向均匀排列有n个沿与所述第二连接部延展方向的相反方向、延展一定长度的第一触指部1307；平行第二直线形导体、与位于该导体同侧、与所述第一触指部的包络具有间隙的第三直线形导体均匀排列有n个沿与所述第二连接部延展方向相同反向、延展长度不触及第二直线型导体的第二触指部1309；第一触指部1307与第二触指部1309交错分布、并在交错处形成有间隙，即，第一触指部1307与第二触指部1309以叉指方式交错排列，这样的第一触指部1307与第二触指部1309构成一个开关电极对，所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与定子接触面大小，以使得碳刷接触到开关电极对时第一触指部1307与第二触指部1309通过碳刷形成电连接；开关电极对的中心线与矩形状电极短边的中心线平行，并且处于矩形状电极短边的中心线附近。
所述第一直线形导体连接至第一输出端1312，所述第三直线形导体连接至第二输出端1313。
所述第一矩形状电极1301、第一直线形导体1305、第一连接部1306、第一输出端1312一体成型，敷设于PCB基底上；所述第二矩形状电极1302、第二直线形导体1304、第二连接部1308、第一触指部1307一体成型，敷设于PCB基底上；所述第三直线形导体1303、第二触指部1309、第二输出端1313一体成型，敷设于PCB基底上。所述第一直线形导体1305、第一连接部1306、第二直线形导体1304、第二连接部1308、第一触指部1307、所述第三直线形导体1303、第二触指部1309的宽度相同，且只要可实现电连接即可。
发电机动子由发电机基底201和图形化的驻极体202组成。驻极体事先充电，切割为图形化的驻极体202，其形状与定子电极的发电电极形状相同，即，发电机转子发电电极由两个长边为a、短边为b的矩形状驻极体按长边相互平行等间隔排列组成；所述矩形状驻极体202粘接到发电机转子基底201上。转子上安装有至少一只碳刷203，碳刷203处在驻极体短边的中心线上，且与矩形状驻极体中心的距离和发电机定子上开关电极对至矩形状电极中心的距离相等。
参见图16所示，图16示出了带滑移接触式夸官的旋转式静电发电机与常规发电机的功率负载曲线；本发明实施例提供的带滑移接触式开关的静电发电机，相比于同样结构的常规静电发电机，提高了其输出功率并降低和拓展了其匹配电阻范围，与同样结构的常规静电发电机相比，其理想理论输出功率可以提高大约3.77倍，匹配电阻的范围极大地降低并拓宽。
针对静电发电机输出电压高、电流小、内阻大的问题，也出现了一些电源管理方法，将其转换为低电压、大电流以及小内阻的输出特性。其中，最常见的是将发电机通过整流桥直接与储能电容相连，该方法虽然结构简单但其效率较低，例如，大部分效率为1～40％。同时，也出现了使用电子开关的电源管理电路来管理转换效率的方法。但该方法对电子开关的闭合时间有较严格的要求，且电子开关需要额外供电，提高了外部电路的成本和复杂度。除此之外，电子开关及其关联的时序检测电路一般含有较大的寄生电容，会降低发电机的输出功率，使得使用电子开关的提升作用不大。
针对目前电源管理方法中电子开关机及其关联的时序检测电路导致寄生电容增大、发电机效率提高有限的问题，本发明设计了基于带滑移接触式开关的静电发电机与电源管理模块结合的方法，可以将静电发电机高电压、小电流以及大内阻的输出特性转换为低电压、大电流以及小内阻的输出特性，并高效地把发电机输出存储到电容、电池中。该方法无需额外电源供电、结构简单、能实现高效的发电输出存储。
参见图14所示，图14为本发明实施例结合带滑移接触式开关的旋转式静电发电机的电源管理电路结构的一种示意图，其中，左边虚框为带滑移接触式开关的静电发电机等效电路，右边虚框为电源管理电路。静电发电机的第一输出端、第二输出端分别连接至整流电路的输入端，整流电路的输出端串接有电感Ls和电容C，电容的两端作为负载输出端口与负载RL并联。静电发电机的滑移接触式开关完成电源管理电路的开关工作，这样，使得电源管理电路无需电子开关及开关闭合时间检测及控制电路。
图15示出了电源管理电路中，电容收集的能量随时间变化的效果示意图。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (17)
1.一种面内运动静电发电机，包括n对位于定子基底的定子电极、n个位于动子基底的驻极体，驻极体与定子电极形状相同，其中，n为自然数，其特征在于，
所述n对定子电极间隔地分别相连于第一导电部、第二导电部；
第一导电部或第二导电部具有至少一个第一触指部；
该第一触指部、与第一触指部具有间隙的一个第二触指部形成一个开关电极对，所述开关电极对被位于动子上的碳刷接触时使得第一触指部与第二触指部形成电连接，以将通过开关电极对所形成电连接的定子电极与发电机的第一输出端形成电连接；
未通过开关电极对所形成电连接的定子电极与发电机的第二输出端形成电连接。
2.如权利要求1所述的静电发电机，其特征在于，所述静电发电机还包括有一将所述开关电极对的通断作为电源开关的电源管理电路，该电路的整流输入端与发电机的输出端相连，整流电路的输出端串联有一电感和一电容，电容的两端向负载提供输出端口。
3.如权利要求1所述的静电发电机，其特征在于，所述定子电极为由内径为r0、外径为r、数量为2n的周向方向均匀排列的等圆心角的扇环状电极组成；
所述第一导电部包括，小于所述内径的第一电极环、以及第一电极环周向方向均匀排列有n个沿径向、向圆心方向的反方向延展至第一扇环状电极内弧的第一连接部，
所述第二导电部包括，大于外径的第二电极环、以及第二电极环周向方向均匀排列有n个沿径向向圆心方向延展至第二扇环状电极外弧的第二连接部。
4.如权利要求3所述的静电发电机，其特征在于，所述第二电极环周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向的反方向延展一定长度的第一触指部；
内径大于第一触指部外包络半径的第三电极环周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向延展长度不触及第二电极环的第二触指部；
第一触指部与第二触指部交错分布、并在交错处形成有所述间隙，所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与定子接触面大小；
所述开关电极对的中心线与扇环状电极中心线平行，并且处于扇环状电极中心线附近。
5.如权利要求3所述的静电发电机，其特征在于，所述第二电极环的第二连接部附近沿径向、向圆心方向的反方向延展一定长度的一个所述第一触指部，
与所述第一触指部交错排列、并在交错处形成有所述间隙的一个所述第二触指部；
所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与定子接触面大小；
所述开关电极对的中心线与扇环状电极中心线平行，并且处于扇环状电极中心线附近；
所述动子包括以开关电极对至扇环状电极圆心的距离为半径、以扇环状驻极体圆心的圆周的周向方向均匀排列的2n个碳刷，所述碳刷位于在驻极体的中心线和两驻极体之间的对称线上。
6.如权利要求3所述的静电发电机，其特征在于，所述第一电极环周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向延展一定长度的第一触指部；
内径小于第一触指部包络半径的第三电极环周向均匀排列2n个沿径向、向圆心方向延展长度不触及第一电极环的第二触指部；
第一触指部与第二触指部交错分布、并在交错处形成有所述间隙，所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与开关电子对接触面大小；
所述开关电极对的中心线与扇环状电极中心线平行，并且处于扇环状电极中心线附近。
7.如权利要求4或5所述的静电发电机，其特征在于，所述第二电极环具有一使得与所述第一扇环状电极连接至所述第一输出端的缺口，
所述缺口附近的第一扇环状电极具有延其一侧边以实现电连接的宽度、向圆心方向的反方向沿缺口中心线延展至所述第一输出端的第三连接部；
位于缺口附近的一开关电极对的第二触指部具有以实现电连接的宽度延展至所述第二输出端的第四连接部。
8.如权利要求6所述的静电发电机，其特征在于，所述第二电极环以实现电连接的宽度、向圆心方向的反方向延展至所述第二输出端的第四连接部；
所述第一输出端通过过孔、经过位于定子基底背面导体与位于第三电极环的一过孔相连。
9.如权利要求1所述的静电发电机，其特征在于，所述定子电极由2n个长边为t、短边为s的矩形状电极延同一直线按长边相互平行等间隔排列组成；
平行于矩形状电极第一短边的第一直线形导体直线方向均匀排列有n个沿与矩形状电极短边垂直方向延展至矩形状电极的第一连接部；
平行于矩形状电极第二短边的第二直线型导体直线方向均匀排列有n个沿与矩形状电极第二短边垂直方向延展至矩形状电极的第二连接部，
所述第一连接部、第二连接部分别位于矩形状电极短边的中心对称线上；
第二直线型导体直线方向均匀排列有n个沿与所述第二连接部延展方向的相反方向、延展一定长度的第一触指部；
平行第二直线型导体、与位于该导体同侧、与所述第一触指部的包络具有间隙的第三直线形导体均匀排列有n个沿与所述第二连接部延展方向相同反向、延展长度不触及第二直线型导体的第二触指部；
第一触指部与第二触指部交错分布、并在交错处形成有所述间隙，所述间隙的大小适配于动子上所安装的碳刷与开关电子对接触面大小，
开关电极对的中心线与矩形状电极短边的中心线平行，并且处于矩形状电极短边的中心线附近；
所述第一直线形导体连接至所述第一输出端，所述第三直线形导体连接至所述第二输出端。
10.如权利要求7所述的静电发电机，其特征在于，所述碳刷位于驻极体的中心线上，且与扇环状驻极体圆心的距离和发电机定子上开关电极对至扇环状电极圆心的距离相等。
11.如权利要求4或6所述的静电发电机，其特征在于，所述定子基底为PCB基底；
所述第一扇环状电极、第一电极环、第一连接部、第三连接部、第一输出端一体成型，敷设于PCB基底上；
所述第二扇环状电极、第二电极环、第二连接部、第一触指部一体成型，敷设于PCB基底上；
所述第三电极环、第二触指部、第四连接部、第二输出端一体成型，敷设于PCB基底上。
12.如权利要求7所述的静电发电机，其特征在于，所述定子基底为PCB基底；
所述第一扇环状电极、第一电极环、第一连接部、第三连接部、第一输出端一体成型，敷设于PCB基底上；
所述第二扇环状电极、第二电极环、第二连接部、第一触指部一体成型，敷设于PCB基底上
所述第二触指部、第四连接部、第二输出端一体成型，敷设于PCB基底上。
13.如权利要求8所述的静电发电机，其特征在于，所述定子基底为PCB基底；
所述第一扇环状电极、第一电极环、第一连接部、第一触指部一体成型，敷设于PCB基底上；
所述第二扇环状电极、第二电极环、第二连接部、第四连接部、第二输出端一体成型，敷设于PCB基底上；
所述第三电极环、第二触指部一体成型，敷设于PCB基底上。
14.如权利要求9所述的静电发电机，其特征在于，所述定子基底为PCB基底；
第一矩形状电极、所述第一直线形导体、第一连接部、第一输出端一体成型，敷设于PCB基底上；其中，第一矩形状电极为第一连接部所延展至的矩形状电极；
第二矩形状电极、所述第二直线形导体、第二连接部、第一触指部一体成型，敷设于PCB基底上；其中，第二矩形状电极为第二连接部所延展至的矩形状电极；
所述第三直线形导体、第二触指部、第二输出端一体成型，敷设于PCB基底上；
所述第一直线形导体、第一连接部、第二直线形导体、第二连接部、第一触指部、所述第三直线形导体、第二触指部的宽度相同。
15.如权利要求1所述的静电发电机，其特征在于，所述碳刷为碳纤维刷，该碳纤维刷安装于动子基底的沉孔或通孔内；或者
所述碳刷由弹性体和导电体两部分组成，其中，所述弹性体固定于动子上，所述弹性体的材料为聚二甲基硅氧烷，所述导电体为铜箔；或者
所述碳刷为具有导电能力弹性体的导电弹性体，该碳纤维刷安装于动子基底的沉孔或通孔内，所述导电弹性体由聚二甲基硅氧烷和碳纳米管构成；或者，
所述碳刷为带有承受轴向压力弹性部件的导电体，所述弹性部件为压缩弹簧，该压缩弹簧的固定部固定于动子基底的沉孔底部，该压缩弹簧的伸缩部固定有具有一定高度的导电体，导电体的上部在压缩弹簧处于未压缩状态下高于动子基底表面以与开关电子对形成电连接；或者，
所述碳刷为带有承受轴向压力弹性部件的导电体，所述弹性部件为压缩弹簧，固定于压缩弹簧伸缩部的导电体下部的横截面大于导电体上部横截面形成有凸部；压缩弹簧固定部固定于动子基底的沉孔底部，压缩弹簧伸缩部和导电体凸部容纳于沉孔底部直径形成空间内，导电体除凸部以外的其余部分通过开口直径小于沉孔底部直径的开口部伸出动子基底表面。
16.如权利要求3所述的静电发电机，其特征在于，所述碳刷数量为m个，其中m为大于1的自然数。
17.如权利要求16所述的静电发电机，其特征在于，所述m为偶数。
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| CN109450289A (zh) | 2019-03-08 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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