CN110011562A - 一种摆动式摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种摆动式摩擦纳米发电机，其组件包括：质量块、内圆筒、内圆筒盖板、轴承、拱形柔性薄膜阵列、中心轴、外圆筒、电极阵列、外圆筒盖板。本发明的发电部分为拱形柔性薄膜阵列和电极阵列构成的独立层式摩擦纳米发电机；其它部分保证拱形柔性薄膜阵列和电极阵列的充分接触和相对运动。由于柔性薄膜的拱形结构方便了薄膜与电极的相对运动，所以本发明能够将各种摆动或振动的能量转化为电能。另外，如果去掉质量块，并调整轴承位置和中心轴固定位置及轴长度，本发明也可以收集旋转能量并转换为电能。
Description
技术领域
本发明属于发电机技术领域，具体地，涉及一种摆动式摩擦纳米发电机。
背景技术
早在公元前人们就发现了摩擦起电现象，直到18世纪和19世纪，人们才对其进行系统的研究并进而发展成为电磁学这门学科。如今，摩擦起电现象及其原理已是众所周知，但由于一直以来人们认识到的摩擦起电多是负面效应，所以一直没有关于摩擦起电的直接应用。直至2012年，王中林教授课题组首次发明了摩擦纳米发电技术，人们才逐渐意识到摩擦起电这个古老而又无处不在的现象在能量采集和自驱动传感中有超乎想象的应用潜力。
任意两种不同的材料相互摩擦，摩擦的表面都会产生极性相反的电荷。如果采用微加工的方法将材料的表面形貌制备成微纳米结构、或通过化学方法用纳米管、纳米颗粒等来修饰材料表面，则能大大提高摩擦起电效应。由于两种材料表面的电荷极性相反，所以会形成电势差。此时将两个连接成通路的电极分别靠近这两种材料的表面，通路中就会有电流流过，这就是摩擦纳米发电机的基本原理。由于摩擦纳米发电机能够实现简单、可靠、高效的能量采集，特别是在低频范围较传统的电磁发电更具优势，自2012年这个全新的发电技术发明以来，就引起了世界各国能源界的广泛关注，大量研究人员投身于这个领域，使得该领域在短时间里取得了突飞猛进的发展。
旋转式摩擦纳米发电机是该领域的一个重要研究方向。最初这种摩擦纳米发电机中产生摩擦电荷的两个摩擦层之间多为滑动式的硬-硬接触。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过大，无法有效收集低强度的各种旋转能量。利用片状柔性薄膜与电极之间的柔性接触，则可以克服传统旋转式摩擦纳米发电机中摩擦层之间为硬-硬接触，导致摩擦阻力大的缺点。但是，这些旋转式摩擦纳米发电机也只能收集旋转方向不变的旋转能量，无法收集方向不断改变的摆动或者振动所产生的机械能量。
发明内容
本发明的目的在于迎合现今能量采集和传感器需求，提供一种摆动式摩擦纳米发电机。本发明不仅利用柔性薄膜与电极之间的柔性接触来大大降低阻力，而且将柔性薄膜制作成拱形，使得拱形柔性薄膜与电极之间的相对运动可以随时改变方向，能够采集振动或摆动的机械能。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种摆动式摩擦纳米发电机，包括：质量块、内圆筒、内圆筒盖板、中心轴、轴承、外圆筒、外圆筒盖板、拱形柔性薄膜阵列、电极阵列。
质量块集中固定于内圆筒内部一侧，质量块重心位于内圆筒任一素线中点与内圆筒轴线中点的连线上，质量块的质量和重心可根据实际应用情景调整。
中心轴的两端分别穿过两个内圆筒盖板中央设置的轴承，同时与两个外圆筒盖板中央分别固定在一起，从而使内圆筒和外圆筒之间可以发生相对运动。
电极阵列固定于外圆筒内表面，拱形柔性薄膜阵列与内圆筒外表面连接，且薄膜的拱形部分与电极阵列弹性接触，随着内圆筒和外圆筒之间的相对运动，拱形柔性薄膜阵列和电极阵列之间会相互摩擦。
所述电极阵列等间距排列，个数为偶数。单个电极在粘贴到外圆筒之前形状为矩形，可用铜、铝、银等导电材料制作。该电极阵列被均分后串联形成电极I和电极II，且相邻两个电极分别属于电极I和电极II。
所述拱形柔性薄膜可将长方形柔性薄膜两对边粘贴到内圆筒外表面制成，拱形柔性薄膜的个数小于或等于电极个数的一半，拱形柔性薄膜阵列的另一面与外圆筒内表面的电极阵列弹性接触，拱形柔性薄膜选择电负性强的绝缘薄膜材料制作。
外圆筒、电极阵列、外圆筒盖板、中心轴构成定子；质量块、内圆筒、拱形柔性薄膜阵列、内圆筒盖板、轴承构成转子。两个轴承分别嵌于两个内圆筒盖板正中央并固定，内圆筒与两个内圆筒盖板固定在一起，中心轴上下两端同时穿过轴承并分别固定在两个外圆筒盖板正中央，从而使转子可以绕中心轴自由摆动。
所述外圆筒由亚克力或塑料等绝缘材料制作，或用金属制作并在内表面贴绝缘层；所述中心轴由亚克力或塑料或金属制作。
所述摆动式摩擦纳米发电机整个装置可以封装，外圆筒内既可充入有利于摩擦起电的气体如氩气等，也可根据外圆筒材料的硬度适度抽真空。
本发明主要用于采集自然界环境中广泛存在的各种振动机械能并转换为电能。当外圆筒、电极阵列、外圆筒盖板、中心轴构成的定子在外力作用下做往复振动时，由质量块、内圆筒、拱形柔性薄膜阵列、内圆筒盖板和轴承构成的转子部分会相对定子来回摆动。由于拱形柔性薄膜固定在内圆筒外表面，所以拱形柔性薄膜与电极I或电极II往复摩擦。由于所用薄膜和电极金属材料之间的摩擦极性差别很大，不断摩擦导致薄膜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。如果两电极之间形成通路，电路上就会有交流电流流过。
本发明的有益效果如下：
一、由于柔性薄膜采用了拱形结构而非传统的平面片状结构，薄膜与电极之间的相对运动可以随外界驱动力方向的改变而转向。因此，该摩擦纳米发电机可以采集方向不断改变的摆动或振动产生的机械能量。二、由于拱形柔性薄膜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，所以可以采集各种低强度的振动或摆动能量。三、可根据实际应用场景调节内圆筒内部质量块的质量大小和重心位置，使转子和定子之间的相对运动的固有频率与外界驱动力频率匹配，从而获得较大的摆动幅度，以便提高输出。四、如果去掉质量块，同时将中心轴与内圆筒固定在一起，并把两个轴承移至外圆筒盖板以及让中心轴两端固定到轴承上，那么，中心轴在外界旋转驱动力带动下，会带动内筒相对外筒做旋转运动，从而可以将旋转能量转换为电能。所以，本发明既可以采集各种低强度的摆动或者振动产生的能量，也可以采集旋转能量，然后转换成电能。因此，大大拓宽了本发明的适用范围。
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是本发明所提供的摆动式摩擦纳米发电机在去掉外圆筒盖板时沿轴线方向的俯视图；
图2是图1中定子部分除去外圆筒盖板时的三维结构示意图；
图3是图1中转子部分除去内圆筒盖板和轴承时的三维结构示意图；
图4是图1中内圆筒盖板的三维结构示意图；
图5是本发明所提供的摆动式摩擦纳米发电机的外圆筒盖板的三维结构示意图；
图6是本发明所提供的摆动式摩擦纳米发电机的转子相对定子往复摆动的示意图。
附图标记：
1-定子，101-外圆筒，102-电极阵列，103-中心轴，104-外圆筒盖板；
2-转子，201-内圆筒，202-内圆筒盖板，203-拱形柔性薄膜阵列，204-轴承，205-质量块。
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，本发明所提供的摆动式摩擦纳米发电机在去掉外圆筒盖板时沿轴线方向的俯视图，包括：定子1和转子2。
如图2所示，定子1除去外圆筒盖板时的三维结构示意图，包括：外圆筒101，三十二片矩形电极阵列102，中心轴103。
如图3所示，转子2除去内圆筒盖板和轴承时的三维结构示意图，包括：内圆筒201，十六个拱形柔性薄膜阵列203，质量块205。
如图4所示，图1中内圆筒盖板的三维结构示意图。内圆筒盖板202厚度3mm，直径85mm，采用亚克力材料制作；所选轴承204为内径8mm，外径16mm，厚4mm，嵌于内圆筒盖板202正中央。
如图5所示，摆动式摩擦纳米发电机的外圆筒盖板的三维结构示意图。外圆筒盖板104厚度3mm，直径100mm，采用亚克力材料制作；外圆筒盖板正中央有直径8mm、深2mm的柱状槽。
外圆筒101，高94mm，内直径94mm，壁厚约3mm。内圆筒201，高85mm，内直径79mm，壁厚约3mm。均采用亚克力材料制作。
电极阵列102由三十二片矩形铝箔构成，单片铝箔长和宽分别为85mm和8mm，采用背面带有粘性的铝箔制作，等间距地粘贴在外圆筒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。
拱形柔性薄膜阵列203由十六片矩形FEP薄膜构成，单片薄膜长和宽分别为80mm和30mm，厚度为12.5μm，矩形FEP薄膜的两个长边分别有3mm宽度粘贴在内圆筒201外表面，这里的两个长边在粘贴之后正好重合从而薄膜形成拱形面，拱形面与电极弹性接触。
中心轴103为圆柱形，直径8mm，长98mm，采用亚克力材料制作。上下两端分别穿过两个内圆筒盖板202中心固定的轴承204，分别固定在两个外圆筒盖板104中央的柱状槽内。
质量块205为十分之一圆柱体，材料为铝，圆柱体长80mm，直径79mm左右，十分之一圆柱体质量为100g，平行于中心轴103粘贴于内圆筒201内表面。
如图6所示，如果外界机械能带动定子1往复振动时相当于给转子2施加了一个周期性的策动力，转子2就会相对定子1来回摆动，从而拱形柔性FEP薄膜就会与铝电极来回摩擦产生感应电荷，形成一个独立层式摩擦纳米发电机。随着拱形柔性FEP薄膜的往复运动，电极I和II的电势差会周期性变化，如果将电极I和II连成回路，回路中就会输出交流电流。
由于拱形FEP薄膜与电极之间的接触是柔性接触而非硬接触，所以阻力很小。但更重要的是，由于采用了柔性薄膜的拱形结构，定子1和转子2之间的相对运动并不局限于转动，还可以往复摆动，大大拓宽了本发明的适用环境。
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)
1.一种摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：
定子(1)和套设在其内的转子(2)，
定子(1)包括外圆筒(101)、电极阵列(102)、中心轴(103)和外圆筒盖板(104)，所述电极阵列(102)固定于外圆筒(101)内壁，外圆筒(101)上下两端分别与两个外圆筒盖板(104)固定；
转子(2)包括内圆筒(201)、内圆筒盖板(202)、拱形柔性薄膜阵列(203)、轴承(204)和质量块(205)，所述拱形柔性薄膜阵列(203)与内圆筒(201)外壁连接，轴承(204)嵌于内圆筒盖板(202)正中央并固定，内圆筒(201)上下两端分别与两个内圆筒盖板(202)固定，质量块(205)集中固定于内圆筒(201)内部一侧；
所述中心轴(103)上下两端穿过两个内圆筒盖板(202)上设置的轴承(204)，与两个外圆筒盖板(104)分别固定，从而使转子(2)绕中心轴(103)自由摆动；所述拱形柔性薄膜阵列(203)与电极阵列(102)弹性接触，随着内圆筒(201)和外圆筒(101)之间的相对运动而相互摩擦。
2.根据权利要求1所述的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的电极阵列(102)均匀分布于外圆筒(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。
3.根据权利要求2所述的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电极由导电薄膜材料制作。
4.根据权利要求1所述的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述拱形柔性薄膜阵列(203)的一面粘贴于内圆筒(201)外表面，另一面与外圆筒(101)内表面的电极阵列(102)弹性接触。
5.根据权利要求4所述的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述拱形柔性薄膜是将长方形柔性薄膜两对边粘贴到内圆筒(201)外表面制成，拱形柔性薄膜的个数小于或等于电极个数的一半。
6.根据权利要求5所述的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述拱形柔性薄膜的材料为电负性强的绝缘薄膜材料。
7.根据权利要求1所述的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述质量块(205)的重心位于内圆筒(201)任一素线中点与内圆筒(201)轴线中点的连线上。
8.根据权利要求1所述的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述发电机为密封状态，外圆筒(101)内充有有利于摩擦起电的气体，或为低真空状态。
9.根据权利要求1所述的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的外圆筒(101)由绝缘材料制作，或用金属制作并使其内壁绝缘。
10.根据权利要求1所述的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的中心轴(103)为圆棒、三角棒、或方棒，由亚克力、硬塑料或金属制作，所述质量块(205)为任意固态材料、任意形状。
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