CN109921678B - 一种旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转式电磁‑摩擦复合纳米发电机，包括：摩擦纳米发电组件，电磁感应发电组件和磁动力组件。其中，摩擦纳米发电组件包括电极阵列和柔性叶片阵列；电磁感应发电组件包括发电永磁体阵列和线圈阵列；磁动力组件包括内外部驱动永磁体阵列。外筒、电极阵列和线圈阵列构成定子，内筒、发电永磁体阵列、柔性叶片阵列和内部驱动永磁体阵列构成转子。本发明装置，一方面利用摩擦纳米发电机和电磁发电机的功能互补来实现复合发电，拓宽实用范围；另一方面，通过无接触的磁力输入动力，分离了外界动力输入部分与发电部分，装置可以实现方便快速地安装拆卸与维修。

Description

一种旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机

技术领域

本发明属于发电机技术领域，具体地，涉及一种旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机。

背景技术

在过去的半个世纪，随着微电子技术与传感技术的发展，无线传感网络被视为信息交流中最突出的技术。然而制约它发展的最大瓶颈是由于传统供电方式(电池和有线电源)的局限性，难以负担其所需的能量供应。因此，急需寻找一种新的供电方式，以满足新技术的发展。在自然环境中，存在着大量可再生能源，机械能由于其不受时间、空间和地点等影响，急需一种在自然环境中高效且持续的采集机械能并将其稳定输出为电能的方法。

利用两种极性不同的材料进行摩擦，会使其表面形成感应电荷，从而形成电势差，这就是摩擦纳米发电机技术。自2012年这种新的能量采集技术被发明以来，无论在能量收集还是作为自驱动传感器方面，它都取得了巨大的进步。由于其独特的工作机理，摩擦纳米发电机实现了简单、可靠、高效的能量采集，特别在低频范围比之传统电磁发电具有极大的优势。如何利用自然界中的各种旋转机械能来驱动摩擦纳米发电机工作并为各种微电子器件供电，已成为该领域的一个重要研究方向。目前采集旋转能量的摩擦纳米发电装置中产生摩擦电荷的两个摩擦层之间多为滑动式的刚体-刚体接触。这种接触一方面会不断加大材料的磨损程度，缩短器件的使用寿命。另一方面，这种接触使得两摩擦层之间摩擦阻力很大，需要环境中较强的旋转能量才能驱动器件，器件的实用性受到很大限制。另外，在一些电磁-摩擦复合纳米发电机中，线圈被放置在旋转结构中，其输出需要利用电刷等机械结构来实现。引入电刷等会进一步增加阻力，进一步降低器件的实用性。

发明内容

本发明的目的在于迎合现今传感器需求，提供一种旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，一方面可以更有效地采集自然环境中的各种旋转机械能(尤其是各种微弱旋转能量)，另一方面可以实现在不同应用环境下对器件进行快速地安装拆卸与更换维修。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，包括：摩擦发电组件，电磁感应发电组件和磁动力组件，其中，所述摩擦发电组件包括：内筒，外筒，电极阵列和柔性叶片阵列，所述电极阵列固定于外筒内壁，柔性叶片阵列与内筒外壁连接随内筒转动且与电极阵列之间柔性接触。电磁感应发电组件包括：发电永磁体阵列和线圈阵列，所述发电永磁体阵列嵌于内筒上端设置的内筒上盖板中随内筒转动，所述线圈阵列固定于外筒上端设置的外筒上盖板内，线圈个数与永磁体个数相同。磁动力组件包括：内嵌有外部驱动永磁体阵列的转盘，以及嵌于内筒下盖板中的内部驱动永磁体阵列，转盘在外界旋转能量驱动下产生转动，在内外部驱动永磁体阵列的磁相互作用力驱动下，内筒随之转动。

所述的外筒，可以用亚克力、金属、塑料等制作。所述的外筒内为密封状态，可以根据外筒材料的特性将外筒内部抽成低真空状态或者充入有利于摩擦起电的气体。

所述的发电永磁体阵列均匀嵌于内筒上盖板中，内部驱动永磁体阵列对称嵌于内筒下盖板中，外部驱动永磁体阵列对称嵌于转盘中，单个磁体为圆柱形，对称排列，个数为偶数，且相邻磁体的磁极相反。可以由NdFeB、SmCo等强磁性材料制作。

所述的电极阵列位于外筒内表面，等间距排列，个数为偶数。单个电极在粘贴到外筒之前为矩形形状，可以用铜、铝等导电材料制作。该电极阵列被均分后串联形成电极I和电极II，相邻两个电极分别属于电极I和电极II。

优选地，内筒侧面粘贴有用于与柔性叶片阵列连接的支撑平板，所述支撑平板的个数与柔性叶片的个数相同；柔性叶片阵列通过所述支撑平板一端与内筒固定连接，另一端与外筒内的电极阵列柔性接触。

内筒、支撑平板、内筒上盖板、内筒下盖板和柔性叶片阵列构成转子，内筒与内筒上盖板、内筒下盖板构成转子的中心结构，支撑平板均匀粘贴于内筒外侧面，作为柔性叶片阵列的底座。内筒上盖板、内筒和内筒下盖板中心各开一圆孔，用于连接中心轴。该转子都可以用亚克力等材料制作。

所述的线圈阵列置于外筒上盖板内侧，为圆形密绕线圈。线圈个数与永磁体的个数相同。线圈可以用铜线绕制而成。

所述的柔性叶片为矩形形状，通过调整长度，使其在自然状态时前端与电极接触。叶片个数等于电极阵列中电极个数的一半。该叶片可用聚四氟乙烯(PTFE)，聚全氟乙丙烯共聚物(FEP)等电负性较强的各种介电薄膜材料制作。

内筒中心设有中心轴，中心轴上下两端分别与外筒上盖板、外筒下盖板上内嵌的轴承相连，从而与外筒连接，使转子保持稳定转动。所述的中心轴为细长形的圆柱体形状，从内筒的盖板中心圆孔穿过并与内筒固定在一起。中心轴可以用金属等材料制作。

外筒、外筒上盖板、外筒下盖板、线圈阵列和电极阵列构成定子。上、下盖板为圆形平板结构，中心开有一个半通圆孔，内嵌一个轴承，用于连接中心轴。外筒上盖板、外筒下盖板固定在外筒两端，可以用亚克力等材料制作。

本发明主要用于采集自然界环境中广泛存在的各种旋转机械能并转换为电能。该发明包括一个由柔性叶片阵列和电极阵列构成的旋转式的独立层模式摩擦纳米发电机和一个由发电永磁体阵列和线圈阵列构成的旋转式电磁发电机。由内筒、柔性叶片阵列和中心轴构成的转子部分在外界旋转磁性力矩(可以来自风能、水能等)的驱动下发生转动。对于摩擦纳米发电机，柔性薄膜不断与电极I或电极II摩擦。由于叶片所用薄膜和电极金属材料之间的摩擦极性差别很大，不断接触导致叶片带负电而电极带正电。因此电极I和电极II之间就会存在电势差，两电极之间形成通路，那么电路上就会有电流流过。首先，由于叶片与电极之间是柔性接触而非传统的刚体-刚体接触，摩擦力很小，阻力也就非常小，可以采集微弱的旋转能量。其次，根据法拉第电磁感应定律，线圈不断做切割磁力线运动导致线圈中产生感应电动势。如果线圈与外界负载相连，线圈中会出现感应电流。另外，线圈固定在外筒内侧，不随转子运动，因此，方便与外电路连接也不会带来额外阻力。最后由于该装置是由非接触的磁力驱动，而非常用的刚性连接，可以方便的拆卸与安装。因此，该复合纳米发电机在一次旋转过程中能够同时进行摩擦发电与电磁发电，可以很好的利用低频到高频的机械能，更有效地为器件提供电能。

本发明的有益效果如下：

由于摩擦发电输出高电压低电流，适合低转速发电，而电磁发电机输出低电压高电流，适合高转速发电，该复合发电装置不仅可以收集更大范围的环境机械能，还可以提供更稳定的输出。另一方面，由于动力源与发电装置之间采用了非刚性的磁力连接驱动，不仅装置的安装维护更加方便(如在监测管道中的液体流速)，也使得采集装置方便整体密封，可以抽去空气形成真空状态或者充入有利于摩擦起电的保护气体，也避免了环境中湿度对输出性能的影响。此外，由于采用了柔软的FEP薄膜，结构上定子与转子之间是FEP薄膜与电极之间的柔性接触，使得其产生的摩擦阻力比之传统摩擦纳米发电机小得多。所以，该发明可以有效采集微弱的旋转能量。大大拓宽了本发明的适用环境。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。另外，在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按照实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是本发明所提供的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机在去掉上下盖板时沿轴线方向的俯视图；

图2是图1中定子部分的三维结构示意图；

图3是图1中转子部分的三维结构示意图；

图4是图3中内筒上盖板的三维结构示意图；

图5是图3中内筒下盖板的三维结构示意图；

图6是本发明所提供的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机的外筒上盖板的三维结构示意图；

图7是本发明所提供的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机的外筒下盖板的三维结构示意图；

图8是本发明所提供的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机的转盘在外部动力驱动下旋转，通过磁力带动转子的示意图；

图9是本发明所提供的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机中摩擦纳米发电机的输出性能与转速之间的关系示意图；

图10是本发明所提供的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机中电磁发电机的输出性能与转速之间的关系示意图。

附图标记：

1-定子，101-外筒，102-电极阵列，103-外筒上盖板，104-外筒下盖板，105-轴承，106-线圈阵列；

2-转子，201-内筒，202-内筒上盖板，203-内筒下盖板，204-支撑平板，205-柔性叶片阵列，206-中心轴，207-发电永磁体阵列，208-内部驱动永磁体阵列；

3-转盘，301-外部驱动永磁体阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式详细说明。应当了解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于清晰、详细的描述本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明所提供的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机结构的俯视图，包括：定子1和转子2。

如图2所示，定子1的三维结构示意图，包括：外筒101，十六片矩形电极阵列102。

如图3所示，转子2的三维结构示意图，包括：内筒201，八片矩形柔性叶片阵列205，八块粘贴叶片的矩形支撑平板204，内筒上盖板202，内筒下盖板203，中心轴206。

如图4和图5所示，图3中内筒上盖板202和内筒下盖板203三维结构示意图。发电永磁体阵列207，内部驱动永磁体阵列208和外部驱动永磁体阵列301中的磁体皆为圆柱形状，高3mm，直径12mm，其中发电永磁体阵列207包含四块磁铁，相邻磁铁极性相异。内部驱动永磁体阵列208和外部驱动永磁体阵列301分别包含两块磁铁，极性相异。磁铁材料为NdFeB。

如图6和图7所示，外筒上盖板103和外筒下盖板104的三维结构示意图，包括：外筒上盖板103，外筒下盖板104，轴承105，线圈阵列106。

外筒101，高45mm，内直径69mm，壁厚大约3mm。内筒201，高38mm，内直径34mm，壁厚大约3mm。均采用亚克力材料制作。

矩形电极阵列102由十六片铜箔构成，单片铜箔长和宽分别为45mm和7.5mm，采用背面带有粘性的铜箔制作，等间距地粘贴在外筒101内侧表面。奇数号电极被导线串联在一起构成电极I，偶数号电极被导线串联在一起构成电极II。

柔性叶片阵列205由八片矩形FEP薄膜构成，单片薄膜长和宽分别为26mm和40mm，厚度为25.4μm。一端粘贴固定在内筒201外侧的矩形支撑平板204侧面上，另一端与电极柔性接触。

矩形支撑平板204长和宽分别为40mm和4mm，八块矩形支撑平板均匀粘贴在内筒201外侧，采用厚度为3mm的亚克力材料经激光切割制作。

中心轴206为圆柱形，直径8mm，长54mm，采用不锈钢材料制作。穿过内筒上盖板202、内筒201和内筒下盖板203的中心并与它们固定在一起。

外筒上盖板103和外筒下盖板104为圆形结构，直径65mm。中心开有圆孔，并嵌入一个内径8mm、厚4mm的轴承105，用于连接中心轴206。在转子2和定子1组装完毕后，把外筒上盖板103和外筒下盖板104固定在定子1的两端。盖板采用厚度为3mm的亚克力材料经激光切割制作。

线圈阵列106由四卷线圈构成，采用直径为0.1mm的铜漆包线绕制而成，线圈内直径12mm，外直径18.5mm，高度为2.3mm，匝数为480。

如图8所示，当外界机械能带动转盘3旋转时，通过磁铁之间力的作用会驱动转子2随之转动。首先，FEP薄膜与铜电极摩擦时，会产生感应电荷，形成一个独立层式的摩擦纳米发电机，电机阵列I和Ⅱ之间由于感应电动势的不同，会使电荷在它们直接移动，形成持续的交流电。其次，由于转子2不断旋转，内筒上盖板202内的发电永磁体阵列207与外筒上盖板103上的线圈阵列106形成一个旋转式的电磁发电机，线圈也不断输出稳定的交流电。因此，该发明是一个电磁-摩擦复合的纳米发电机。由于摩擦发电输出高电压低电流，适合低转速发电，而电磁发电机输出低电压高电流，适合高转速发电，该复合发电装置不仅可以收集更大范围的环境机械能，还可以提供更稳定的输出。此外，由于动力源与发电装置之间采用了非刚性的磁力连接驱动，不仅装置的安装维护更加方便(如在监测管道中的液体流速)，也使得采集装置整体密封，可以抽去空气形成真空状态或者充入有利于摩擦起电的保护气体。一方面避免环境中湿度对输出性能的影响，另一方面，提高器件的整体输出。

还有，由于采用了柔软的FEP薄膜，结构上定子1与转子2之间是FEP薄膜与电极之间的柔性接触，使得其产生的摩擦阻力比之传统摩擦纳米发电机小得多。因而，环境中的很多微弱机械能(比如微风、慢速流动的水)都可以用来驱动本发明正常工作，大大拓宽了本发明的适用环境。

同时，随着转子2转速的增加，由于作用在FEP叶片上的离心力增加，会导致FEP叶片的弯曲程度增加，进而使得FEP叶片与铜电极的接触面积增加。最终导致该摩擦纳米发电机的输出电压增加。这种输出与转速的线性关系可以使该发明作为一个传感装置，通过测量输出电压的大小来监测输入的转速。

对上述制备的复合型纳米发电机在不同转速下的输出性能进行测试，结果如图9和图10所示。从图9可以看出，当转速从100rpm增加到1000rpm时，摩擦纳米发电机的开路电压从100V增加到170V，短路电流从3μA增加到46.2μA。从图10可以看出，电磁发电机的开路电压从0.4V增加到0.8V，短路电流从1.27mA增加到4.91mA。

以上实施例详细显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于，包括：摩擦发电组件，电磁感应发电组件和磁动力组件，其中，

所述摩擦发电组件包括：外筒（101），内筒（201），电极阵列（102）和柔性叶片阵列（205），所述电极阵列（102）固定于外筒（101）内壁，柔性叶片阵列（205）与内筒（201）外壁连接随内筒（201）转动且与电极阵列（102）柔性接触；外筒（101）和电极阵列（102）构成定子（1），内筒（201）和柔性叶片阵列（205）构成转子（2）；所述柔性叶片阵列（205）由电负性较强的各种介电薄膜材料制作从而形成摩擦层；

电磁感应发电组件包括：发电永磁体阵列（207）和线圈阵列（106），所述发电永磁体阵列（207）嵌于内筒（201）上端设置的内筒上盖板（202）中随内筒（201）转动，所述线圈阵列（106）固定于外筒（101）上端设置的外筒上盖板（103）内，线圈个数与永磁体个数相同；

磁动力组件包括：内嵌外部驱动永磁体阵列（301）的转盘（3），以及嵌于内筒（201）下端设置的内筒下盖板（203）中的内部驱动永磁体阵列（208），转盘（3）与外部旋转结构连接且悬空置于外筒下盖板（104）上方；当外部旋转结构带动转盘（3）转动时，由于外部驱动永磁体阵列（301）和内部驱动永磁体阵列（208）的吸引作用，转子（2）随之转动；

内筒（201）中心设有中心轴（206），中心轴（206）上下两端分别与外筒上盖板（103）和外筒下盖板（104）上设置的轴承（105）相连，从而使转子（2）保持稳定转动。

2.根据权利要求1所述的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于：所述的发电永磁体阵列（207）均匀嵌于内筒上盖板（202）中，内部驱动永磁体阵列（208）对称嵌于内筒下盖板（203）中，外部驱动永磁体阵列（301）对称嵌于转盘（3）中，它们的单个磁体为圆柱形且相邻磁体的极性相异。

3.根据权利要求1所述的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于：所述的电极阵列（102）均匀分布于外筒（101）内侧表面，个数为偶数，所有电极经过串联形成电极I和电极II且相邻两个电极分别位于电极I 和电极II上。

4.根据权利要求3所述的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于：所述电极由导电薄膜材料制作，所述导电薄膜包括铜箔、铝箔。

5.根据权利要求1所述的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于：所述的内筒（201）侧面粘贴有用于与柔性叶片阵列（205）连接的支撑平板（204），所述支撑平板（204）的个数与柔性叶片的个数相同；柔性叶片阵列（205）通过所述支撑平板（204）一端与内筒（201）固定连接，另一端与外筒（101）内的电极阵列（102）柔性接触。

6.根据权利要求5所述的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于：所述的支撑平板（204）为长条形，柔性叶片阵列（205）固定于支撑平板（204）侧面。

7.根据权利要求5所述的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于：所述的柔性叶片为矩形形状，柔性叶片个数等于电极个数的一半，柔性叶片由电负性强的绝缘薄膜材料制作。

8.根据权利要求1所述的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于：所述的外筒上盖板（103）和外筒下盖板（104）为圆形平板结构，中心开有一个圆孔，各内嵌一个轴承（105），用于与中心轴（206）连接。

9.根据权利要求1所述的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于：所述的外筒（101）内为密封状态，且为低真空状态或者充入有利于摩擦起电的气体。

10.根据权利要求1所述的旋转式电磁-摩擦复合纳米发电机，其特征在于，所述的外筒（101）由塑料或金属制作。

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