CN110932591B - 摆式摩擦纳米发电机、供能器件及传感器 - Google Patents
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Abstract
一种摆式摩擦纳米发电机、供能器件及传感器，摆式摩擦纳米发电机包括：传动单元，包含传动杆，在外界激励作用下所述传动杆能够沿着轴向发生位置移动；摩擦单元，包含具有不同的摩擦电序列的定子摩擦结构和转子摩擦结构，其中，所述转子摩擦结构固定于所述传动杆上并能随着所述传动杆发生位置移动，从而与所述定子摩擦结构发生接触‑分离过程，所述转子摩擦结构具有不平衡的质量分布，在所述转子摩擦结构沿着轴向发生位置移动的同时还以自身质量重心作为平衡位置，绕着所述传动杆发生旋转摆动；以及多个间隔分布的电极单元，设置于所述定子摩擦结构的背面，用于进行电学输出。具有倍频输出、成本低、制作简单、高输出和具有高耐久性的优点。
Description
技术领域
本公开属于新能源技术领域，涉及一种摆式摩擦纳米发电机、供能器件及传感器。
背景技术
随着人类迈入物联网时代，分布于世界各个角落的传感节点与智能设备对能源的需求正不断加大，使得世界范围内面临着能源短缺的问题，探索和开发可持续的清洁能源为传感节点和智能设备供电成为当今世界发展的迫切需求。
为开发可持续的清洁能源，科学人员提出了多种能量采集方式，包括电磁、压电、太阳能电池和摩擦纳米发电机等。然而，压电材料制作的高成本和复杂性很大程度限制了能量采集技术的推广；电磁式采集器在低频下工作效率极低。太阳能电池技术受环境因素影响很大。因此，开发高输出，制备简单和稳定的能量采集器是能量采集的发展方向。
基于摩擦纳米发电机的能量采集技术具有高输出、成本低、制作简单和高转换率等特点，获得了广泛的关注。利用摩擦起电效应和静电感应的耦合作用可实现机械能到电能的转化。摩擦纳米发电机能够将环境中的各种形式的机械能，如振动、旋转以及波浪等等。
现有的摩擦纳米发电机存在诸多欠缺，如低频工作能量转化效率低和发电机工作的耐久性等问题。
例如，有的研究提出一种桶式摩擦纳米发电机用于能量采集，位于内部的圆桶的外表面与外部圆桶内表面作为摩擦层，通过圆桶的旋转，实现能量采集。然而，该摩擦纳米发电机存在摩擦层磨损，大大降低了摩擦纳米发电机的耐久性。
有的研究还涉及一种旋转式摩擦纳米发电机，通过外部的摩擦杆机构可对摩擦纳米发电机进行电荷补充，实现能量转化和增强耐久性。然而，该摩擦纳米发电机在低频下能量转化率较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种摆式摩擦纳米发电机、供能器件及传感器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种摆式摩擦纳米发电机，包括：传动单元10，包含传动杆12，在外界激励作用下所述传动杆12能够沿着轴向发生位置移动；摩擦单元20，包含定子摩擦结构21和转子摩擦结构22，所述定子摩擦结构21与所述转子摩擦结构22相对的表面具有不同的摩擦电序列，其中，所述转子摩擦结构22固定于所述传动杆12上并能随着所述传动杆12发生位置移动，从而与所述定子摩擦结构21发生接触-分离过程，所述转子摩擦结构22具有不平衡的质量分布，在所述转子摩擦结构22沿着轴向发生位置移动的同时还以自身质量重心作为平衡位置，绕着所述传动杆12发生旋转摆动；以及多个间隔分布的电极单元4，设置于所述定子摩擦结构21与所述转子摩擦结构22相背的一面，用于进行电学输出。
在本公开的一实施例中，所述摆式摩擦纳米发电机还包括：壳体3，所述摩擦单元20设置于所述壳体3内部，所述定子摩擦结构21固定于所述壳体3内部。
在本公开的一实施例中，所述定子摩擦结构21和转子摩擦结构22相对的表面设置有微纳米结构。
在本公开的一实施例中，所述传动单元10还包括：分别连接于所述传动杆12两端的扇叶13和弹性部件11。其中，所述扇叶13在外界激励作用下受轴向力作用使得所述弹性部件11发生形变带动所述传动杆12沿着轴向第一方向(例如向左)发生位置移动，在所述弹性部件11恢复原状的过程中所述传动杆12沿着轴向第二方向(例如向右)发生位置移动，所述第一方向与所述第二方向相反。
在本公开的一实施例中，其中所述扇叶13位于壳体3外部，所述弹性部件11和部分传动杆12位于壳体3内部。
在本公开的一实施例中，所述转子摩擦结构22包括：转子本体220，在所述转子本体220上设置有质量块221；或者，
所述转子摩擦结构22由不同分布密度的材料制备得到，在不同的区域具有不同的分布密度。
在本公开的一实施例中，所述定子摩擦结构21和所述转子摩擦结构22之间的间隙为：0.1mm～1mm。
在本公开的一实施例中，所述转子摩擦结构22和所述定子摩擦结构21其中一个设置有电磁线圈211，另外一个设置有磁铁223，所述电磁线圈211和所述磁铁223的设置位置相对应。例如，所述转子摩擦结构22的内部或者与所述定子摩擦结构21相背的一面设置有磁铁223/电磁线圈，所述定子摩擦结构21的内部或者与所述转子摩擦结构22相背的一面设置有电磁线圈211/磁铁。
在本公开的一实施例中，多个所述摩擦单元20沿着所述传动杆12呈阵列形式排布；或者，
一个传动单元10与一个或多个摩擦单元20对应组合成一组发电单元，若干组发电单元成阵列式排布。
根据本公开的另一个方面，提供了一种供能器件，包括本公开提及的任一种摆式摩擦纳米发电机。
根据本公开的又一个方面，提供了一种传感器，包括本公开提及的任一种摆式摩擦纳米发电机。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的摆式摩擦纳米发电机、供能器件及传感器，具有以下有益效果：
(1)基于传动单元实现了外界激励作用的传导，例如外界激励作用为海洋能、风能或者机械能对应的激励形式，使得摩擦单元中的转子摩擦结构随着传动杆沿着轴向发生位置移动，同时由于转子摩擦结构的质量分布不平衡，会产生一个质量重心作为平衡位置，在转子摩擦结构发生轴向位置移动的同时还会绕着传动杆发生旋转摆动的过程，即该转子摩擦结构在垂直于传动杆的平面内实现旋转摆动的同时还在沿着传动杆轴向发生位置移动，具体而言，沿着传动杆轴向位置在传动单元的带动下发生往复运动，实现与定子摩擦结构的接触-分离过程，同时转子摩擦结构在垂直于传动杆的平面内进行旋转摆动，使得定子摩擦结构背面间隔设置的电极单元之间产生电势差，从而在电极单元之间产生电荷流动，实现交流电的输出，该摆式摩擦纳米发电机能够在单次低频激励下不断输出，实现高频转化，大大提高了能量转换效率，此外转子摩擦结构与定子摩擦结构之间为接触-分离过程，无旋转或者滑动摩擦，在工作过程中不存在摩擦阻力，减缓了摩擦层的磨损，具有倍频输出、成本低、制作简单、高输出和具有高耐久性的优点；
(2)该摆式摩擦纳米发电机作为供能器件，其输出可以通过电源管理电路转化为直流电直接给用电器供电，例如给传感器和智能设备等进行供电，能够持续不断的驱动各种海洋设备，从而实现利用采集的机械能驱动物联网电子设备的目的；
(3)该摆式摩擦纳米发电机的输出与外界激励作用存在一定的关系，通过分析该摆式摩擦纳米发电机的输出可以表征海洋能、风能或者机械能等对应的外界激励形式，实现传感作用，基于倍频输出的特点，可以作为高灵敏度传感器。
附图说明
图1为根据本公开第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。
图2为如图1所示的摆式摩擦纳米发电机中的定子摩擦结构从左侧观察的视图。
图3为如图1所示的摆式摩擦纳米发电机中的转子摩擦结构从右侧观察的视图。
图4和图5为本公开第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的发电原理示意图。
图4示意了传动单元在外界激励作用下使得弹性部件发生压缩和恢复原样的过程中带动摩擦单元中的转子摩擦结构发生轴向位置移动，使得转子摩擦结构与定子摩擦结构发生接触-分离，从而产生摩擦电荷的过程。
图5示意了在外界激励作用下，转子摩擦结构在发生图3所示的轴向位置移动的同时还进行旋转摆动，带电后的定子摩擦结构与转子摩擦结构随着转子摩擦结构的旋转摆动在电极间产生电势差的过程。
图6为根据本公开第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的转移电荷特定曲线，其中，(a)为转移电荷量随着时间变化的曲线；(b)为转移电荷量随着转子摩擦结构与定子摩擦结构接触的次数变化的曲线。
图7为根据本公开第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的输出电压随时间变化的曲线以及在单次激励下的有效输出持续过程。
图8为根据本公开第二实施例所示的摆式摩擦纳米发电机中的转子摩擦结构的结构示意图。
图9为根据本公开第二实施例所示的摆式摩擦纳米发电机中的定子摩擦结构的结构示意图。
【符号说明】
10-传动单元；
11-弹性部件； 12-传动杆；
13-扇叶；
20-摩擦单元；
21-定子摩擦结构；
210-轴孔； 211-电磁线圈；
22-转子摩擦结构；
220-转子本体； 221-质量块；
222-轴承； 223-磁铁；
3-壳体；
4-电极单元；
41-第一电极单元； 42-第二电极单元。
具体实施方式
本公开提供了一种摆式摩擦纳米发电机、供能器件及传感器，可将环境中的机械能、风能或者海洋能等有效地转化为电能，在物联网领域具有良好的应用前景。特别地，本公开的摆式摩擦纳米发电机在工作过程中没有摩擦阻力，大大提高了摩擦纳米发电机的耐久性和稳定性。该摆式摩擦纳米发电机的输出与外界激励作用存在一定的关系，通过分析该摆式摩擦纳米发电机的输出可以表征海洋能、风能或者机械能等对应的外界激励形式，实现传感作用，基于倍频输出的特点，可以作为高灵敏度传感器。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
第一实施例
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种摆式摩擦纳米发电机。
图1为根据本公开第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的结构示意图。图2为如图1所示的摆式摩擦纳米发电机中的定子摩擦结构从左侧观察的视图。图3为如图1所示的摆式摩擦纳米发电机中的转子摩擦结构从右侧观察的视图。
参照图1-图3所示，本公开的摆式摩擦纳米发电机，包括：传动单元10，包含传动杆12，在外界激励作用下所述传动杆12能够沿着轴向发生位置移动；摩擦单元20，包含定子摩擦结构21和转子摩擦结构22，所述定子摩擦结构21与所述转子摩擦结构22相对的表面具有不同的摩擦电序列，其中，所述转子摩擦结构22固定于所述传动杆12上并能随着所述传动杆12发生位置移动，从而与所述定子摩擦结构21发生接触-分离过程，所述转子摩擦结构22具有不平衡的质量分布，在所述转子摩擦结构22沿着轴向发生位置移动的同时还以自身质量重心作为平衡位置，绕着所述传动杆12发生旋转摆动；以及多个间隔分布的电极单元4，设置于所述定子摩擦结构21与所述转子摩擦结构22相背的一面，用于进行电学输出。
在本公开的一实施例中，参照图1所示，所述摆式摩擦纳米发电机还包括：壳体3，所述摩擦单元20设置于所述壳体3内部，所述定子摩擦结构21固定于所述壳体3内部。
通过设置壳体3，将摩擦单元20设置于壳体3内部，能够有效保护摩擦单元免受外部环境的影响，使得该摆式摩擦纳米发电机具有较好的稳定性和高可靠性。例如，当该摆式摩擦纳米发电机应用于海洋环境时，壳体3能够保护摩擦单元20免受外部的海水侵蚀。
在一些实施例中，壳体3的形状可以是球体、椭球状或者其组合或者变形形式、柱状或者为桶状，柱状可以是圆柱、棱柱，桶状可以是圆桶、棱状桶，桶状是指各个横截面的尺寸大小不是一致的，柱状是指各个横截面尺寸大小是一致的。也可以是其他不规则的外形或者上述形状的组合。本实施例中，以圆柱壳体作为示例。
在本公开的一实施例中，所述定子摩擦结构21和转子摩擦结构22相对的表面设置有微纳米结构。通过设置微纳米结构来增大定子摩擦结构21和转子摩擦结构22之间的摩擦作用，从而使得二者接触过程中带有更多的电荷量，以提高最终的电学输出。
在本公开的一实施例中，参照图1所示，所述传动单元10还包括：分别连接于所述传动杆12两端的扇叶13和弹性部件11。本实施例中，扇叶13、传动杆12和弹性部件11之间依次连接，均为刚性连接。
其中，所述扇叶13在外界激励作用下转动使得所述弹性部件11发生形变带动所述传动杆12沿着轴向第一方向(例如向左)发生位置移动，在所述弹性部件11恢复原状的过程中所述传动杆12沿着轴向第二方向(例如向右)发生位置移动，所述第一方向与所述第二方向相反。
例如弹性部件11为一压缩弹簧，所述压缩弹簧的弹性系数较小，在很小的外力下会被压缩1mm的距离，与后面介绍的定子摩擦结构21和所述转子摩擦结构22之间的间隙吻合，保证在压缩弹簧的压缩范围内，定子摩擦结构21和所述转子摩擦结构22之间可以接触到。
在本公开的一实施例中，所述定子摩擦结构21和所述转子摩擦结构22之间的间隙为：0.1mm～1mm，包括端点值。正常状态下，定子摩擦结构21和所述转子摩擦结构22之间为非接触状态，例如二者的间隙为0.5mm。
在本公开的一实施例中，参照图1所示，其中所述扇叶13位于壳体3外部，所述弹性部件11和部分传动杆12位于壳体3内部。与扇叶13连接的传动杆12有部分暴露在壳体3外部，在一些应用场景中，比如应用在海水中，可以在传动杆12的外表面设置耐腐蚀涂层，以在所处的环境中保持该传动结构的结构完好和性能的可靠性。比如应用在外界环境中，可以设置抗氧化层或者防水涂层，用于防雨或者防止生锈等。在一实例中，采用密封绝缘材料作为壳体3的材料，作为密封结构，具有防水以及防腐蚀等保护作用。
在本公开的一实施例中，所述转子摩擦结构22包括：转子本体220，在所述转子本体220上设置有质量块221；或者，
所述转子摩擦结构22由不同分布密度的材料制备得到，在不同的区域具有不同的分布密度。
例如，本实施例中，参照图3所示，通过在边缘处设置有质量块使摩擦结构质量非对称，例如转子摩擦结构22包括：转子本体220，在所述转子本体220上设置有质量块221。质量块221的形状或者材料不作限定，只要能使转子摩擦结构形成不平衡的质量分布即可。在一示例中，参照图3所示，转子摩擦结构22为一圆盘状结构，该圆盘状结构的中心具有一轴承222，转子摩擦结构22通过该轴承222固定于传动杆12上。
上述形成不平衡的质量分布的方式仅作为示例，任何形成不平衡质量分布的转子摩擦结构22的方式均在本公开的保护范围之内。
参照图2所示，本实施例中，定子摩擦结构21与转子摩擦结构22相背的一面设置有电极单元4，多个电极单元4间隔分布于定子摩擦结构21表面。
在本公开的实施例中，定子摩擦结构21上设置有轴孔210，所述轴孔210供传动杆12穿过，所述轴孔210与传动杆12之间存在间隙，以保证传动杆12在左右往复运动的过程中不与定子摩擦结构21发生接触或者摩擦。
在一示例中，定子摩擦结构21为一圆盘状结构，该圆盘状结构的中心具有一轴孔210，以供传动杆12穿过。
当然，定子摩擦结构21和转子摩擦结构22的结构不局限于上述示例，还可以是其他规则或者不规则的形状，比如方形、多边形、环形或者不规则图形等等，只要能够绕着旋转中心发生旋转即可。
图4示意了传动单元在外界激励作用下使得弹性部件发生压缩和恢复原样的过程中带动摩擦单元中的转子摩擦结构发生轴向位置移动，使得转子摩擦结构与定子摩擦结构发生接触-分离，从而产生摩擦电荷的过程。其中，(a)为初始状态，(b)为外界激励作用下弹性部件发生压缩使得传动单元带动摩擦单元中的转子摩擦结构与定子摩擦结构发生接触的过程；(c)为弹性部件恢复原状的过程中带动转子摩擦结构移动，使得转子摩擦结构与定子摩擦结构发生分离的过程。
图5示意了在外界激励作用下，转子摩擦结构在发生图3所示的轴向位置移动的同时还进行旋转摆动，带电后的定子摩擦结构与转子摩擦结构随着转子摩擦结构的旋转摆动在电极间产生电势差的过程。其中以转子摩擦结构中设置的质量块所在位置作为平衡位置，以传动杆作为旋转中心，绕着旋转中心进行旋转摆动；其中，(a)为初始状态，转子摩擦结构与其中一个电极相对设置，在两个相邻的电极之间产生感应电荷的静电平衡态；(b)为转子摩擦结构在旋转摆动过程中运动至两个电极之间，由于电势差的产生而使电子流动的状态；(c)为转子摩擦结构在旋转摆动过程中与另外一个电极相对设置，静电平衡状态。
下面结合图4和图5来描述本实施例的摆式摩擦纳米发电机进行发电的原理。
参照图1和图4中(a)所示，初始状态下，摆式摩擦纳米发电机的定子摩擦结构21与转子摩擦结构22之间存在间隙，二者处于分离的状态。当该摆式摩擦纳米发电机在受到外部激励时，比如海洋能、风能或者机械能对应的激励形式，外界激励会在扇叶13上产生力的作用，从而使弹性部件11被压缩，由此传动单元10中的传动杆12会沿着轴向发生位置移动，使得固定于传动单元10的传动杆12上的转子摩擦结构22也沿着轴向发生位置移动，例如这里是沿着第一方向(图1中示意的向左)移动，从而与定子摩擦结构21接触，发生接触带电，使得两种摩擦层表面带有等量的异性电荷，接触的状态参照图4中(b)所示。随后弹性部件11恢复原状的过程中，带动传动杆12沿着第二方向(图1中示意的向右)移动，使得转子摩擦结构22也沿着第二方向移动，从而使转子摩擦结构22与定子摩擦结构21发生分离，参照图4中(c)所示。例如，本实施例中，定子摩擦结构21得电子能力强而转子摩擦结构22外表面更容易失去电子，转子摩擦结构22与定子摩擦结构21相对的两个表面中，转子摩擦结构22表面带正电荷，定子摩擦结构21表面带负电荷。
参照图1和图5中(a)所示，为了便于介绍，将电极单元4按照所在位置不同描述为第一电极单元41和第二电极单元42，初始状态下，比如该初始状态对应的是转子摩擦结构22的电荷分布位置与第一电极单元41对应，由于静电感应效应和电势平衡效应，此时在第一电极单元41上感应出负电荷，第二电极单元42上感应出与负电荷等量的正电荷以平衡电势；在外界激励作用下，转子摩擦结构22由于质量块221的存在形成不平衡的质量分布，由于外界扰动转子摩擦结构22会绕着传动杆12发生旋转摆动的过程，即在垂直于传动杆的平面内会通过中心的轴承222绕着传动杆12发生旋转摆动，因此在第二电极单元42和第一电极单元41之间产生电势差，本实施例中，第一电极单元41中的电子会流向第二电极单元42，转子摩擦结构22相对于两个电极单元4的运动方向参照图5中(b)上方的右箭头所示，电流方向参照图5中(b)下方的左箭头所示，当转子结构转动出图5中(c)对应的位置后，由于电极单元的对称性，将产生反向电流。
在本公开中，定子摩擦结构21和转子摩擦结构22和电极单元4的材料有多种选择。本实施例中转子摩擦结构22和电极单元4为铜膜，定子摩擦结构21为聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene)。在本公开的启发下，本领域技术人员可根据具体情况选择类似材料作为摩擦材料和电极材料。
在本公开的一实施例中，多个所述摩擦单元20沿着所述传动杆12呈阵列形式排布；或者，
一个传动单元10与一个或多个摩擦单元20对应组合成一组发电单元，若干组发电单元成阵列式排布。
上述摩擦单元、传动单元的个数可以进行适应性设置。
图6为根据本公开第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的转移电荷特定曲线，其中，(a)为转移电荷量随着时间变化的曲线；(b)为转移电荷量随着转子摩擦结构与定子摩擦结构接触的次数变化的曲线。
本实施例中摆式摩擦纳米发电机的转移电荷特性参照图6所示，摆式摩擦电纳米发电机的转移电荷量可达到72nC(纳库)，如图6中(a)所示。此外，定子摩擦结构21与转子摩擦结构22在接触10余次后可达到电荷饱和状态，如图6中(b)所示。
图7为根据本公开第一实施例所示的摆式摩擦纳米发电机的输出电压随时间变化的曲线以及在单次激励下的有效输出持续过程。
本实施例中的摆式摩擦纳米发电机的电输出特性参照图7所示，其电压输出可达到180V，单次激励下有效输出可持续22s。
综上所述，本实施例的摆式摩擦纳米发电机基于传动单元实现了外界激励作用的传导，例如外界激励作用为海洋能、风能或者机械能对应的激励形式，使得摩擦单元中的转子摩擦结构随着传动杆沿着轴向发生位置移动，同时由于转子摩擦结构的质量分布不平衡，会产生一个质量重心作为平衡位置，在转子摩擦结构发生轴向位置移动的同时还会绕着传动杆发生旋转摆动的过程，即该转子摩擦结构在垂直于传动杆的平面内实现旋转摆动的同时还在沿着传动杆轴向发生位置移动，具体而言，沿着传动杆轴向位置在传动单元的带动下发生往复运动，实现与定子摩擦结构的接触-分离过程，同时转子摩擦结构在垂直于传动杆的平面内进行旋转摆动，使得定子摩擦结构层背面间隔设置的电极单元之间产生电势差，从而在电极单元之间产生电荷流动，实现交流电的输出，该摆式摩擦纳米发电机能够在单次低频激励下不断输出，实现高频转化，大大提高了能量转换效率，此外转子摩擦结构与定子摩擦结构之间为接触-分离过程，无旋转或者滑动摩擦，在工作过程中不存在摩擦阻力，减缓了摩擦层的磨损，具有倍频输出、成本低、制作简单、高输出和具有高耐久性的优点。
第二实施例
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种摆式摩擦纳米发电机，本实施例的摆式摩擦纳米发电机为一复合式发电机。在第一实施例的基础上，第二实施例采用摩擦纳米发电机与电磁式发电机复合的方式实现能量采集。
在本公开的一实施例中，所述转子摩擦结构22和所述定子摩擦结构21其中一个设置有电磁线圈211，另外一个设置有磁铁223，所述电磁线圈211和所述磁铁223的设置位置相对应。
图8为根据本公开第二实施例所示的摆式摩擦纳米发电机中的转子摩擦结构的结构示意图。图9为根据本公开第二实施例所示的摆式摩擦纳米发电机中的定子摩擦结构的结构示意图。
例如，参照图8所示，本实施例中，所述转子摩擦结构22的内部或者与所述定子摩擦结构21相背的一面设置有磁铁223(其他实施例可以设置电磁线圈)，参照图9所示，所述定子摩擦结构21的内部或者与所述转子摩擦结构22相背的一面设置有电磁线圈211(其他实施例可以设置磁铁)。
具体的，例如在一实例中，在转子摩擦结构22的背部为圆形的磁铁223，在定子摩擦结构设置有均匀分布的电磁线圈211。
在外部激励下，定子摩擦结构21和转子摩擦结构22构成摩擦纳米发电机采集机械能，同时，转子摩擦结构22背部的圆形磁铁223相对于电磁线圈211运动，切割磁感线，即电磁发电机。
当然，磁铁223和电磁线圈211可根据实际实施例需求设计，同时数量可根据实际需求安置。
其他结构设置均与第一实施例相同，这里不再赘述。
第三实施例
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种供能器件，包括本公开提及的任一种摆式摩擦纳米发电机。
所述定子摩擦结构21背部的电极单元4中相邻的两个电极单元例如第一电极单元41和第二电极单元42分别与输出导线相连，输出导线的另一端连接外部电源管理电路，通过外部电源管理电路实现交流转变为直流，以给用电器进行供电。
该摆式摩擦纳米发电机作为供能器件，其输出可以通过电源管理电路转化为直流电直接给用电器供电，例如给传感器和智能设备等进行供电，能够持续不断的驱动各种海洋设备，从而实现利用采集的机械能驱动物联网电子设备的目的。
第四实施例
在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种传感器，包括本公开提及的任一种摆式摩擦纳米发电机。
该摆式摩擦纳米发电机的输出与外界激励作用存在一定的关系，通过分析该摆式摩擦纳米发电机的输出可以表征海洋能、风能或者机械能等对应的外界激励形式，实现传感作用，基于倍频输出的特点，可以作为高灵敏度传感器。
综上所述，本公开提供了一种摆式摩擦纳米发电机、供能器件及传感器，基于传动单元实现了外界激励作用的传导，例如外界激励作用为海洋能、风能或者机械能对应的激励形式，使得摩擦单元中的转子摩擦结构随着传动杆沿着轴向发生位置移动，同时由于转子摩擦结构的质量分布不平衡，会产生一个质量重心作为平衡位置，在转子摩擦结构发生轴向位置移动的同时还会绕着传动杆发生旋转摆动的过程，即该转子摩擦结构在垂直于传动杆的平面内实现旋转摆动的同时还在沿着传动杆轴向发生位置移动，具体而言，沿着传动杆轴向位置在传动单元的带动下发生往复运动，实现与定子摩擦结构的接触-分离过程，同时转子摩擦结构在垂直于传动杆的平面内进行旋转摆动，使得定子摩擦结构层背面间隔设置的电极单元之间产生电势差，从而在电极单元之间产生电荷流动，实现交流电的输出，该摆式摩擦纳米发电机能够在单次低频激励下不断输出，实现高频转化，大大提高了能量转换效率，此外转子摩擦结构与定子摩擦结构之间为接触-分离过程，无旋转或者滑动摩擦，在工作过程中不存在摩擦阻力，减缓了摩擦层的磨损，具有倍频输出、成本低、制作简单、高输出和具有高耐久性的优点；可以作为供能器件和传感器，具有良好的应用前景。
还需要说明的是，虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：
传动单元(10)，包含传动杆(12)，在外界激励作用下所述传动杆(12)能够沿着轴向发生位置移动；
摩擦单元(20)，包含定子摩擦结构(21)和与所述定子摩擦结构(21)间隔设置的转子摩擦结构(22)，所述定子摩擦结构(21)与所述转子摩擦结构(22)相对的表面具有不同的摩擦电序列，其中，所述定子摩擦结构(21)上设置有轴孔(210)，所述轴孔(210)供所述传动杆(12)穿过，所述轴孔(210)与所述传动杆(12)之间存在间隙；所述转子摩擦结构(22)固定于所述传动杆(12)上并能随着所述传动杆(12)发生位置移动，从而与所述定子摩擦结构(21)发生接触-分离过程，所述转子摩擦结构(22)具有不平衡的质量分布，在所述转子摩擦结构(22)沿着轴向发生位置移动的同时还以自身质量重心作为平衡位置，绕着所述传动杆(12)发生旋转摆动；以及
多个间隔分布的电极单元(4)，设置于所述定子摩擦结构(21)与所述转子摩擦结构(22)相背的一面，用于进行电学输出。
2.根据权利要求1所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，还包括：壳体(3)，所述摩擦单元(20)设置于所述壳体(3)内部，所述定子摩擦结构(21)固定于所述壳体(3)内部。
3.根据权利要求1所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述定子摩擦结构(21)和转子摩擦结构(22)相对的表面设置有微纳米结构。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述传动单元(10)还包括：分别连接于所述传动杆(12)两端的扇叶(13)和弹性部件(11)；其中，所述扇叶(13)在外界激励作用下受轴向力作用使得所述弹性部件(11)发生形变带动所述传动杆(12)沿着轴向第一方向发生位置移动，在所述弹性部件(11)恢复原状的过程中所述传动杆(12)沿着轴向第二方向发生位置移动，所述第一方向与所述第二方向相反。
5.根据权利要求2所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述传动单元(10)还包括：分别连接于所述传动杆(12)两端的扇叶(13)和弹性部件(11)；其中，所述扇叶(13)在外界激励作用下受轴向力作用使得所述弹性部件(11)发生形变带动所述传动杆(12)沿着轴向第一方向发生位置移动，在所述弹性部件(11)恢复原状的过程中所述传动杆(12)沿着轴向第二方向发生位置移动，所述第一方向与所述第二方向相反；其中所述扇叶(13)位于所述壳体(3)外部，所述弹性部件(11)和部分传动杆(12)位于所述壳体(3)内部。
6.根据权利要求1-3或5中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述转子摩擦结构(22)包括：转子本体(220)，在所述转子本体(220)上设置有质量块(221)；或者，
所述转子摩擦结构(22)由不同分布密度的材料制备得到，在不同的区域具有不同的分布密度。
7.根据权利要求4所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，
所述转子摩擦结构(22)包括：转子本体(220)，在所述转子本体(220)上设置有质量块(221)；或者，
所述转子摩擦结构(22)由不同分布密度的材料制备得到，在不同的区域具有不同的分布密度。
8.根据权利要求1-3或5中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述定子摩擦结构(21)和所述转子摩擦结构(22)之间的间隙为：0.1mm～1mm。
9.根据权利要求4所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述定子摩擦结构(21)和所述转子摩擦结构(22)之间的间隙为：0.1mm～1mm。
10.根据权利要求1-3或5中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述转子摩擦结构(22)和所述定子摩擦结构(21)其中一个设置有电磁线圈(211)，另外一个设置有磁铁(223)，所述电磁线圈(211)和所述磁铁(223)的设置位置相对应。
11.根据权利要求4所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述转子摩擦结构(22)和所述定子摩擦结构(21)其中一个设置有电磁线圈(211)，另外一个设置有磁铁(223)，所述电磁线圈(211)和所述磁铁(223)的设置位置相对应。
12.根据权利要求1-3、5、7、9或11中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，
多个所述摩擦单元(20)沿着所述传动杆(12)呈阵列形式排布；或者，
一个传动单元(10)与一个或多个摩擦单元(20)对应组合成一组发电单元，若干组发电单元成阵列式排布。
13.根据权利要求4所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，
多个所述摩擦单元(20)沿着所述传动杆(12)呈阵列形式排布；或者，
一个传动单元(10)与一个或多个摩擦单元(20)对应组合成一组发电单元，若干组发电单元成阵列式排布。
14.根据权利要求6所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，
多个所述摩擦单元(20)沿着所述传动杆(12)呈阵列形式排布；或者，
一个传动单元(10)与一个或多个摩擦单元(20)对应组合成一组发电单元，若干组发电单元成阵列式排布。
15.根据权利要求8所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，
多个所述摩擦单元(20)沿着所述传动杆(12)呈阵列形式排布；或者，
一个传动单元(10)与一个或多个摩擦单元(20)对应组合成一组发电单元，若干组发电单元成阵列式排布。
16.根据权利要求10所述的摆式摩擦纳米发电机，其特征在于，
多个所述摩擦单元(20)沿着所述传动杆(12)呈阵列形式排布；或者，
一个传动单元(10)与一个或多个摩擦单元(20)对应组合成一组发电单元，若干组发电单元成阵列式排布。
17.一种供能器件，其特征在于，包括权利要求1-16中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机。
18.一种传感器，其特征在于，包括权利要求1-16中任一项所述的摆式摩擦纳米发电机。
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