CN110474559A - 一种复合型摩擦发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合型摩擦发电机，其外形类似于轴承，其包括内转动基体、外转动基体、转动体、摩擦起电电极、第一绝缘层、第二绝缘层、第一压电电极、第二压电电极、压电层和第三绝缘层，其中压电层、第一压电电极、第二压电电极和第三绝缘层组成压电部分，内转动基体与外转动基体同轴心放置，内转动基体位于外转动基体内部，半径小于外转动基体；内转动基体与外转动基体之间具有间隙且放置转动体，转动体使得内、外转动基体过盈配合，转动体与两侧绝缘层接触，其形成摩擦起电和挤压起电的结构；本发明结构简单，有效利用发电机的内置空间，将摩擦起电和压电起电结合起来，同时将产生电荷的两种方式复合，提高了能量转换效率，增加了电流的输出效率。
Description
技术领域
本发明涉及发电机技术领域，具体而言，涉及一种复合型摩擦发电机。
背景技术
能量收集技术一直以来都非常受人们的关注，目前能量收集装置被认为是可将环境中的能量如风能、光能、人的动作等转换为电能供人们使用的装置。
目前，研究者提出了各种各样的振动能量收集方式，主要包括电磁转换、静电转换、压电转换、磁致伸缩转换、磁电转换、摩擦发电等形式；而将其中几种相组合进行能量收集也是近来非常受关注的能量回收方式，复合型能量收集装置是结合了多种能量收集方式的装置，它通过这种组合的方式合理有效利用空间，可以提高能量收集效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合型摩擦发电机，其结构简单，有效利用发电机的内置空间，将摩擦起电和压电起电结合起来，同时将产生电荷的两种方式复合，提高了能量转换效率，增加了电流的输出效率。
本发明的实施例是这样实现的：
一种复合型摩擦发电机，其包括内转动基体、外转动基体、摩擦起电部分和压电部分，内转动基体外侧设有第一绝缘层，外转动基体内侧设有第二绝缘层，第一绝缘层或第二绝缘层连接有摩擦起电电极，内转动基体与外转动基体同轴心放置，内转动基体位于外转动基体内部且半径小于外转动基体，内转动部分与外转动部分之间具有间隙且放置转动体，转动体使得内转动部分与外转动部分过盈配合且形成轴承结构，压电部分设置在外转动基体设置的凹槽内，压电部分由压电层、第一压电电极、第二压电电极以及第三绝缘层组成；转动体与第一绝缘层、第二绝缘层接触时转动摩擦产生电荷，同时转动体与内转动基体、外转动基体通过过盈配合而挤压压电层产生电荷。
在本发明较佳的实施例中，上述内转动基体为中部空心的圆环件，内转动基体为力学刚性材料制成，力学刚性材料包括亚克力板、玻璃或陶瓷。
在本发明较佳的实施例中，上述第一绝缘层贴覆在内转动基体的环外侧表面，第一绝缘层采用高分子绝缘弹性材料，高分子绝缘弹性材料包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜。
在本发明较佳的实施例中，上述外转动基体为中部空心的圆环件，外转动基体内侧设有凹槽，凹槽按圆周阵列模式间隔分布在外转动基体内侧，外转动基体采用力学刚性材料，力学刚性材料包括亚克力板、玻璃或陶瓷。
在本发明较佳的实施例中，上述摩擦起电电极置于外转动基体内侧或内转动基体外侧，摩擦起电电极采用金属导电材料。
在本发明较佳的实施例中，上述压电部分置于外转动基体的凹槽中，第一压电电极与第二压电电极间夹着压电层，第一压电电极与第二压电电极采用金属导电材料，压电层采用具有压电特性的材料，压电特性的材料包括钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等压电陶瓷或偏聚氟乙烯(PVDF)薄膜。
在本发明较佳的实施例中，上述第一压电电极贴覆于外转动基体的凹槽内侧，压电层和第二压电电极按顺序布置，第二压电电极紧贴第三绝缘层，摩擦起电电极置于外转动基体内侧时，压电部分填充外转动基体内侧的凹槽并与摩擦起电电极平齐，摩擦起电电极置于内转动基体外侧时，压电部分填充外转动基体内侧的凹槽并与和凹槽相间的凸出表面平齐，第三绝缘层采用高分子绝缘弹性材料，高分子绝缘弹性材料包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜。
在本发明较佳的实施例中，上述第二绝缘层贴覆在外转动基体的环内侧表面，第二绝缘层采用高分子绝缘弹性材料，高分子绝缘弹性材料包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜；当摩擦起电电极置于外转动基体内侧时，第二绝缘层紧贴着第三绝缘层与摩擦起电电极；当摩擦起电电极置于内转动基体外侧时，第二绝缘层贴着第三绝缘层和外转动基体内侧的凸出表面。
在本发明较佳的实施例中，上述转动体置于第一绝缘层与第二绝缘层之间，转动体数量设为单数，转动体形状为球体或圆柱体，转动体表面加工有纹理，转动体的直径大于内转动基体与外转动基体之间的间隔，制作完成的内转动基体外侧表面为向中凹的弧面，外转动基体内侧表面为向中凹的弧面，使得转动体卡在两弧面间，转动体采用具有摩擦起电效应的高分子聚合物材料，高分子聚合物材料包括聚酰胺。
在本发明较佳的实施例中，上述转动体、第一绝缘层、第二绝缘层与摩擦起电电极构成摩擦起电部分，内转动基体与外转动基体相对旋转时，摩擦起电部分与压电部分同时向外部输出电能，转动体与第一绝缘层、第二绝缘层滚动摩擦时产生电荷，转动过程中转动体与摩擦起电电极之间产生感应电荷的移动，其材料选用有摩擦起电效应的高分子聚合物材料，转动体可选用材料与绝缘层可选用材料有交叉，但实际制造时不同，分别选用摩擦电序相差较大的材料。
本发明的有益效果是：
本发明通过其结构与轴承结构类似，内转动基体与外转动基体靠转动体组装在一起，可相对转动，当产生相对转动时摩擦起电部分向外输出电能，同时转动过程中转动体隔着绝缘层经过压电部分时，对压电部分产生挤压作用，从而向外输出电能；本发明结构简单，有效利用发电机的内置空间，将摩擦起电和压电起电结合起来，同时将产生电荷的两种方式复合，提高了能量转换效率，增加了电流的输出效率。
本发明还具有以下优点：
1、为压电与摩擦起电复合的新型发电机，采用复合的方式可有效利用空间，提高输出表现。
2、包括两个转动部件，无论哪个部件转动都可以产生电能，有效提高旋转能量收集。
3、结构类似轴承，其内部的转动体与绝缘层滚动摩擦，其寿命更长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
图1为本发明复合型摩擦发电机的第一实施例俯视图；
图2为本发明图1中B所示复合型摩擦发电机局部放大图；
图3为本发明图1中A所示压电部分局部放大图；
图4为本发明的摩擦和压电发电原理图；
图5为本发明的复合型摩擦发电机的第二实施例俯视图；
图标：1-内转动基体；2-摩擦起电部分；21-转动体；22-第二绝缘层；23-摩擦起电电极；24-第一绝缘层；3-压电部分；31-第一压电电极；32-压电层；33-第二压电电极；34-第三绝缘层；4-外转动基体；5-间隙。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一实施例
请参照图1，本实施例提供一种压电与摩擦起电复合的复合型摩擦发电机，结构简单，其外形类似于轴承，其包括内转动基体1、摩擦起电部分2、压电部分3、外转动基体4，其中摩擦起电部分2由转动体21、第一绝缘层24、摩擦起电电极23、第二绝缘层22组成，压电部分3由压电层32、第一压电电极31、第二压电电极33和第三绝缘层34组成，内转动部分包括内转动基体1和第一绝缘层24，外转动部分包括外转动基体4和第二绝缘层22，将外转动基体4固定，内转动基体1连接驱动装置，驱动装置为现有技术，本实施例未进行标注，由风力、水力或电力驱动的驱动装置带动内转动基体1旋转，从而产生电能，通过有效利用空间提高电能输出，通过内转动基体1和外转动基体4两部分相对旋转就产生电能，提高了能量转换效率。
请参照图2，内转动基体1与外转动基体4同轴心放置，内转动基体1位于外转动基体4内部且半径小于外转动基体4，内转动基体1与外转动基体4之间具有间隙5且放置转动体21，此实施例中转动体21为球体，内转动部分包括内转动基体1和第一绝缘层24，内转动基体1为中部空心的圆环件，内转动基体1为圆环状，第一绝缘层24贴覆在内转动基体1的环外侧表面，第一绝缘层24采用高分子绝缘弹性材料，高分子绝缘弹性材料包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜，内转动基体1为力学刚性材料制成，内转动基体1选择亚克力板、玻璃和陶瓷中的一种，该实施例采用玻璃，第一绝缘层24贴于基体外表面，其材料选用聚四氟乙烯、聚酰亚胺薄膜或其他高分子绝缘弹性材料中任一种，该实施例的第一绝缘层24采用聚四氟乙烯制成，内转动基体1的环外表面制成表面向中凹的弧面，将内转动基体1环外侧表面设为比转动体21半径稍大的弧形面；外转动部分包括外转动基体4和第二绝缘层22，外转动基体4为中部空心的圆环件，外转动基体4同样为圆环状，第二绝缘层22贴覆在外转动基体4的环内侧表面，第二绝缘层22紧贴着摩擦起电电极23和第三绝缘层34，第二绝缘层22可用材料与转动体21可用材料有交叉，但须不同，制作时宜分别选用摩擦电序相差较大的材料，第二绝缘层22采用高分子绝缘弹性材料，高分子绝缘弹性材料包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜，本实施例的第二绝缘层22采用聚四氟乙烯制成，外转动基体4的内侧以四个凹槽为例，该四个凹槽以圆周阵列的形式均匀分布在外转动基体4内侧，外转动基体4的内侧设置凹槽且在内侧形成凸出的表面，摩擦起电电极23贴覆于外转动基体4内侧的凸出表面处，摩擦起电电极23的形状和尺寸分别与凸出表面相同，摩擦起电电极23放置后与置于凹槽中的压电层32的第三绝缘层34处于相同半径圆表面，摩擦起电电极23采用金属导电材料，本实施例的摩擦起电电极23采用铝制成，外转动基体4采用力学刚性材料，外转动基体4和内转动基体1一致，采用亚克力板、玻璃和陶瓷中一种，本实施例的外转动基体4采用玻璃制成，外转动基体4的环内表面向内凹设有弧面，该弧面与内转动基体1的弧面相对且将转动体21卡在间隙5内，其制作工艺采用3D打印或其他特殊工艺。
请参照图3，压电部分3按照外转动基体4的凹槽尺寸制作，压电部分3正好置于该凹槽相匹配，压电部分3按顺序分别为第一压电电极31、压电层32、第二压电电极33和第三绝缘层34，第一压电电极31与第二压电电极33间夹着压电层32，第一压电电极31紧贴在凹槽内侧，压电层32按顺序贴覆于第一压电电极31表面，第二压电电极33贴覆于压电层32表面，第三绝缘层34贴覆于第二压电电极33表面，压电部分3填充外转动基体4内侧的凹槽并与摩擦起电电极23平齐，第一压电电极31和第二压电电极33均可使用铝、铜等导电性较好的金属材料制成，本实施例的第一压电电极31和第二压电电极33采用铝制成，压电层32材料可选用钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等压电陶瓷或偏聚氟乙烯(PVDF)薄膜等压电聚合物材料中一种或其他具有压电特性的材料，本实施例的压电层32采用偏聚氟乙烯薄膜制成，第三绝缘层34材料可选用聚四氟乙烯、聚酰亚胺薄膜或其他高分子绝缘弹性材料中任一种，本实施例的第三绝缘层34采用聚四氟乙烯制成。
转动体21使得内转动基体1与外转动基体4过盈配合且形成轴承结构，在外转动基体4内侧环绕设置有相互间隔的摩擦起电电极23，转动体21置于第一绝缘层24与第二绝缘层22之间，转动体21数量设为单数，转动体的形状为球体或圆柱体，表面加工有纹理，转动体21的直径大于内转动基体1与外转动基体4之间的间隔，制作完成的内转动基体1外侧表面为向中凹的弧面，外转动基体4内侧表面为向中凹的弧面，使得转动体21卡在两弧面间，转动体21采用具有摩擦起电效应的高分子聚合物材料，本实施例的转动体21采用聚酰胺制成；转动体21与第一绝缘层24、第二绝缘层22接触时转动摩擦产生电荷，同时转动体21与内转动基体1、外转动基体4通过过盈配合而挤压压电层32产生电荷。
请参照图4，待压电部分3和摩擦起电电极23放置好以后将第二绝缘层22置于外转动基体4的环内侧，位于摩擦起电电极23与第三绝缘层34的外层，装好第二绝缘层22的外转动基体4，外转动基体4内侧表面须为向中凹的弧面，其与内转动基体1外侧表面设置的弧面相对；最后，待内转动基体1和外转动基体4都组装好后，将预先制作好的转动体21置于间隙5中同时与内转动基体1和外转动基体4组装起来，需要注意的，转动体21过盈配合于内转动基体1与外转动基体4之间，转动过程中转动体与绝缘层有接触且不会滑脱，在本实施例中内转动基体1旋转，需带动转动体相对外转动基体4有转动位移；转动体21、第一绝缘层24、第二绝缘层22与摩擦起电电极23构成摩擦起电部分2，内转动基体1与外转动基体4相对旋转时，摩擦起电部分2与压电部分3同时向外部输出电能，转动体21与第一绝缘层24、第二绝缘层22滚动摩擦时，转动体21与第一绝缘层24、第二绝缘层21会分别带上正负不同电荷，转动过程中转动体21会相对于摩擦起电电极23转动，使得摩擦起电电极23内部产生与转动体21中电荷符号相反的感应电荷，由于异号电荷相互吸引的作用，电荷会因转动体21转动而在电极间移动，这样在相邻两摩擦起电电极23间就会产生电流，转动过程中，转动体21与摩擦起电电极23之间产生感应电荷的移动，同时转动体21与凹槽内的压电层32挤压，使得压电层32在压力的作用下产生电流。
第二实施例
请参照图5，本实施例提供一种压电与摩擦起电复合的复合型摩擦发电机，结构简单，其外形类似于轴承，其包括内转动基体1、摩擦起电部分2、压电部分3、外转动基体4，其中摩擦起电部分2由转动体21、第一绝缘层24、摩擦起电电极23、第二绝缘层22组成，压电部分3由压电层32、第一压电电极31、第二压电电极33和第三绝缘层34组成，内转动部分包括内转动基体1、第一绝缘层24和摩擦起电电极34，外转动部分包括外转动基体4、第二绝缘层22和压电部分3，将内转动基体1固定，外转动基体4连接驱动装置，驱动装置为现有技术，本实施例未进行标注，由风力、水力或电力驱动的驱动装置带动外转动基体4旋转，从而产生电能，通过有效利用空间提高电能输出，通过内转动基体1和外转动基体4两部分相对旋转就产生电能，提高了能量转换效率。
第二实施例与第一实施例部分相同，在第二实施例中，压电部分3的结构和设置与第一实施例相同，内转动基体1、外转动基体4和转动体21、第一绝缘层24和第二绝缘层22分别和第一实施例相同，第二实施例与第一实施例不同之处在于：
摩擦起电电极23的设置位置不同，但其原理是相同的，摩擦起电电极23按第一实施例的布置方式置于内旋转基体1的外侧，相邻摩擦起电电极23间用导线连接外部负载，内转动基体1的外侧向内凹设有相互间隔的四个凹槽，摩擦起电电极23贴覆于该凹槽内且与内转动基体1的外侧相平齐，再将第一绝缘层24贴覆于摩擦起电电极23表面；外转动基体4带动转动体21相对于内转动基体1旋转时，转动体21与第一绝缘层24发生滚动摩擦而分别带上等量异号电荷，转动时当转动体21转动到摩擦起电电极23位置时，摩擦起电电极23会产生与转动体内等量且异号的电荷，电荷会因转动体21的转动而在间隔布置的摩擦起电电极23间移动，从而向外输出电流。
转动方式不同，本实施例中，将内转动基体1固定，外转动基体4连接驱动装置，外转动基体4的内侧的弧面使得外转动基体4转动时，转动体21会随着外转动基体4相对于内转动基体1转动，这样内转动基体1外侧的摩擦起电电极23中会产生电流，压电部分3也会输出电流。
综上所述，本发明实例通过其结构与轴承结构类似，内转动基体与外转动基体靠转动体组装在一起，可相对转动，当产生相对转动时摩擦起电部分2向外输出电能，同时转动过程中转动体隔着绝缘层经过压电部分3时，对压电部分3产生挤压作用，从而向外输出电能；本发明结构简单，有效利用发电机的内置空间，将摩擦起电和压电起电结合起来，同时将产生电荷的两种方式复合，提高了能量转换效率，增加了电流的输出效率。
本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种复合型摩擦发电机，其特征在于，包括：内转动基体、外转动基体、摩擦起电部分和压电部分，所述内转动基体外侧设有第一绝缘层，所述外转动基体内侧设有第二绝缘层，所述第一绝缘层或第二绝缘层连接有摩擦起电电极，所述内转动基体与外转动基体同轴心放置，所述内转动基体位于外转动基体内部且半径小于外转动基体，所述内转动部分与外转动部分之间具有间隙且放置转动体，所述转动体使得内转动部分与外转动部分过盈配合且形成类似轴承的结构，所述压电部分设置在外转动基体设置的凹槽内，所述压电部分由压电层、第一压电电极、第二压电电极以及第三绝缘层组成；所述转动体与第一绝缘层、第二绝缘层接触时转动摩擦产生电荷，同时转动体与内转动基体、外转动基体通过过盈配合而挤压压电层产生电荷。
2.根据权利要求1所述的一种复合型摩擦发电机，其特征在于，所述内转动基体为中部空心的圆环件，所述内转动基体为力学刚性材料制成，力学刚性材料包括亚克力板、玻璃或陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种复合型摩擦发电机，其特征在于，所述第一绝缘层贴覆在内转动基体的环外侧表面，所述第一绝缘层采用高分子绝缘弹性材料，高分子绝缘弹性材料包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种复合型摩擦发电机，其特征在于，所述外转动基体为中部空心的圆环件，所述外转动基体内侧设有凹槽，凹槽按圆周阵列模式间隔分布在外转动基体内侧，凹槽的数量可以增加或减少，所述外转动基体采用力学刚性材料，力学刚性材料包括亚克力板、玻璃或陶瓷。
5.根据权利要求4所述的一种复合型摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦起电电极置于外转动基体内侧或内转动基体外侧，所述摩擦起电电极采用金属导电材料。
6.根据权利要求5所述的一种复合型摩擦发电机，其特征在于，所述压电部分置于外转动基体的凹槽中，压电部分的数量随凹槽数量对应，可增加或减少，所述第一压电电极与第二压电电极间夹着压电层，所述第一压电电极与第二压电电极采用金属导电材料，所述压电层采用具有压电特性的材料，压电特性的材料包括钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等压电陶瓷或偏聚氟乙烯(PVDF)薄膜。
7.根据权利要求6所述的一种复合型摩擦发电机，其特征在于，所述第一压电电极贴覆于外转动基体的凹槽内侧，所述压电层和第二压电电极按顺序布置，所述第二压电电极紧贴第三绝缘层，所述摩擦起电电极置于外转动基体内侧时，所述压电部分填充外转动基体内侧的凹槽并与摩擦起电电极平齐，所述摩擦起电电极置于内转动基体外侧时，所述压电部分填充外转动基体内侧的凹槽并与和凹槽相间的凸出表面平齐，所述第三绝缘层采用高分子绝缘弹性材料，高分子绝缘弹性材料包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜。
8.根据权利要求7所述的一种复合型摩擦发电机，其特征在于，所述第二绝缘层贴覆在外转动基体的环内侧表面，第二绝缘层采用高分子绝缘弹性材料，高分子绝缘弹性材料包括聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜；当摩擦起电电极置于外转动基体内侧时，所述第二绝缘层紧贴着第三绝缘层与摩擦起电电极；当摩擦起电电极置于内转动基体外侧时，所述第二绝缘层贴着第三绝缘层和外转动基体内侧的凸出表面。
9.根据权利要求8所述的一种复合型摩擦发电机，其特征在于，所述转动体置于第一绝缘层与第二绝缘层之间，转动体可以是球体或圆柱体，所述转动体数量设为单数，转动体表面加工有纹理，使表面更粗糙，摩擦所产生的电荷量更多，所述转动体的直径大于内转动基体与外转动基体之间的间隔，制作完成的内转动基体外侧表面为向中凹的弧面，外转动基体内侧表面为向中凹的弧面，使得转动体卡在两弧面间，转动体采用具有摩擦起电效应的高分子聚合物材料，高分子聚合物材料包括聚酰胺。
10.根据权利要求9所述的一种复合型摩擦发电机，其特征在于，所述转动体、第一绝缘层、第二绝缘层与摩擦起电电极构成摩擦起电部分，内转动基体与外转动基体相对旋转时，摩擦起电部分与压电部分同时向外部输出电能。
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