CN110995053B

CN110995053B - 一种基于盘式制动器的摩擦纳米发电机

Info

Publication number: CN110995053B
Application number: CN201911378287.0A
Authority: CN
Inventors: 何仁; 恽航
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Dragon Totem Technology Hefei Co ltd; Shaanxi Jienuorei Power Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN110995053A

Abstract

本发明公开了一种基于盘式制动器的摩擦纳米发电机，包括制动钳组件、制动盘组件和摩擦纳米发电机组件；所述摩擦纳米发电机组件包括摩擦组件和电能回收组件；所述摩擦组件包括绝缘摩擦层、电极层、绝缘连接层。所述摩擦组件分为左侧摩擦组件和右侧摩擦组件，所述左侧摩擦组件和右侧摩擦组件分别与电能回收组件连接；所述左侧摩擦组件和右侧摩擦组件在驱动组件的驱动下，左侧摩擦组件和右侧摩擦组件与制动盘的接触面积同时发生变化。有益效果：本发明能够随着制动器的制动实现摩擦纳米发电机的发电模式在单电极模式和独立层模式之间切换，并且能够实现两种模式下电能的存储；最大限度地收集盘式制动器制动盘的转动动能和制动钳本体的平动动能。

Description

一种基于盘式制动器的摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及能量回收装置，特别涉及一种与车辆盘式制动器结合的摩擦纳米发电机，属于发电机技术领域。

背景技术

2012年，王中林课题组首次发明了基于有机材料的摩擦纳米发电机（TENG），它的工作原理基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合。近几年，摩擦纳米发电机被用来收集人体运动、振动、机械触发、轮胎转动、风能、水能等形式的能量。现有的摩擦纳米发电机主要有四种工作模式：垂直接触分离模式，水平滑动模式，单电极模式和独立层模式。

当车辆制动器在工作时，其具有制动盘转动的动能和制动钳体平动的动能等，可以运用发电机对制动器蕴藏的能量进行回收。

中国专利CN106849496B公开了一种电动汽车上的制动摩擦力发电系统，该专利提出利用制动摩擦力发电，将制动力通过齿锥传递给发电机转子，通过调整发电机励磁电流大小控制发电机转矩，以控制制动摩擦力大小。然而，该专利发明的发电机体积大、不易安装在车辆制动器上。

中国专利CN103391020B公开了一种基于摩擦纳米发电机的多自由度能量采集装置，提出一种可以收集多维振动能量的摩擦纳米发电机，这种类型的发电机基于垂直接触分离模式和水平滑动模式的模式切换。然而，考虑到盘式制动器的制动盘由于可拆卸、转速快等特点，盘式制动器的制动盘不便于作为垂直接触分离模式和水平滑动模式摩擦纳米发电机的电极。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种可以实现单电极模式和独立层模式发电并且能够实现模式间相互切换的运用于盘式制动器的摩擦纳米发电机。

技术方案：一种基于盘式制动器的摩擦纳米发电机，包括制动钳组件和制动盘组件，所述制动钳组件包括制动钳本体和制动块，所述制动块位于制动钳本体内侧；所述制动盘组件包括制动盘和法兰盘，所述制动盘与法兰盘同轴；制动状态下制动块与制动盘接触；所述制动钳本体下方设有摩擦纳米发电机组件；所述摩擦纳米发电机组件包括摩擦组件和电能回收组件；所述摩擦组件包括绝缘摩擦层、电极层、绝缘连接层；所述电极层位于绝缘摩擦层和绝缘连接层之间，所述绝缘摩擦层位于制动盘一侧并且绝缘摩擦层的外侧面与制动块的制动面齐平；所述绝缘连接层与制动钳本体连接；所述电极层与电能回收组件连接。摩擦组件随着制动器的制动过程实现摩擦组件与制动盘之间的分离与接触，摩擦组件与接地的制动钳本体可以构成单电极模式的摩擦纳米发电机。

优选项，为了实现摩擦纳米发电机的独立层发动模式，所述摩擦组件分为左侧摩擦组件和右侧摩擦组件，所述左侧摩擦组件和右侧摩擦组件分别与电能回收组件连接；所述左侧摩擦组件和右侧摩擦组件通过驱动组件连接，所述驱动组件带动左侧摩擦组件和右侧摩擦组件同时运动，随着左侧摩擦组件和右侧摩擦组件的运动左侧摩擦组件和右侧摩擦组件与制动盘的接触面积同时发生变化。左侧摩擦组件和右侧摩擦组件与制动盘的接触面积发生变化可以构成摩擦纳米发电机的独立层发电模式。

优选项，为了实现制动过程中独立层发电模式中左侧摩擦组件和右侧摩擦组件与制动盘的接触面积发生变化，所述驱动组件包括安装支架、连接齿条、传动齿轮、驱动齿条和驱动装置；所述安装支架与制动钳本体固定连接，所述连接齿条分别通过各自的绝缘连接层与左侧摩擦组件和右侧摩擦组件连接；所述连接齿条、传动齿轮、驱动齿条和驱动装置分别与安装支架连接，所述驱动装置通过驱动齿条驱动传动齿轮旋转，传动齿轮驱动连接齿条左右平移，连接齿条带动左侧摩擦组件和右侧摩擦组件左右平移，所述连接齿条向左侧平移时左侧摩擦组件与制动盘的接触面积减小，同时右侧摩擦组件与制动盘的接触面积增加，连接齿条向右侧平移时左侧摩擦组件与制动盘的接触面积增加，同时右侧摩擦组件与制动盘的接触面积减小。通过齿轮齿条的传动方式驱动摩擦组件的左右移动，传动更加稳定可靠。

优选项，所述左侧摩擦组件和右侧摩擦组件通过连接齿条连接，并且所述左侧摩擦组件和右侧摩擦组件沿连接齿条延伸方面布置。所述连接齿条可以是一字形也可以是Z字形，还可以是其他形状，根据摩擦纳米发电机的独立层发电模式的需要进行设计。

优选项，所述驱动装置包括与法兰盘连接凸起部、驱动杠杆、支撑杆、复位装置；所述驱动杠杆一端与驱动齿条铰接，另一端与凸起部接触，与驱动齿条铰接端设有可以伸缩的连杆；所述支撑杆一端与安装支架固定连接，另一端与驱动杠杆中部铰接；所述复位装置位于支撑杆下方，两端分别与安装支架与驱动杠杆连接，复位装置推动驱动杠杆的一端与凸起部保持接触。为了实现摩擦纳米发电机的独立层发电模式需要，摩擦组件需要随制动盘的转动进而实现左右移动，进一步实现摩擦组件与制动盘的接触面积变化，采用了凸轮与杠杆结合的传动方式更加安全可靠。

优选项，为了保证驱动过程平稳可靠，所述驱动杠杆与凸起部之间设有滚轮，所述滚轮中心与驱动杠杆一端铰接，所述滚轮的轮边沿凸起部和法兰盘的外径滚动。

优选项，为了保证摩擦纳米发电机的发电效率，所述左侧摩擦组件和右侧摩擦组件的绝缘摩擦层选用的相同绝缘材料，所述左侧摩擦组件和右侧摩擦组件的电极层的选用相同金属材料，所述绝缘连接层材料为绝缘橡胶。

优选项，为了实现摩擦纳米发电机产生的电能的存储，所述电能回收组件包括整流电路和能量存储元件，所述摩擦组件通过整流电路与能量存储元件连接。

优选项，为了方便单电极模式和独立层发电两种发电模式下电能的存储，所述电能回收组件包括整流电路、能量存储元件、距离传感器和模式切换单元，所述摩擦组件通过整流电路与能量存储元件连接，所述距离传感器监测摩擦组件与制动盘的距离，模式切换单元根据距离传感器的距离信号控制整流电路实现能量存储元件对摩擦组件产生的电能收集。

有益效果：本发明能够随着制动器的制动实现摩擦纳米发电机的发电模式在单电极模式和独立层模式之间切换，并且能够实现两种模式下电能的存储；最大限度地收集盘式制动器制动盘的转动动能和制动钳体的平动动能。

附图说明

图1为本发明的结构主视图；

图2为本发明去除制动盘后的左视图；

图3为本发明制动盘的结构示意图；

图4为本发明摩擦组件的结构示意图；

图5为本发明电能回收组件的电气原理图；

图6为本发明单电极模式的发电原理图；

图7为本发明独立层模式的发电原理图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、2、4和6所示，一种基于盘式制动器的摩擦纳米发电机，包括制动钳组件1和制动盘组件2，所述制动钳组件1包括制动钳本体11和制动块12，所述制动块12位于制动钳本体11内侧；所述制动盘组件2包括制动盘21和法兰盘22，所述制动盘21与法兰盘22同轴；制动状态下制动块12与制动盘21接触；所述制动钳本体11下方设有摩擦纳米发电机组件3；所述摩擦纳米发电机组件3包括摩擦组件31和电能回收组件32；所述摩擦组件31包括绝缘摩擦层311、电极层312、绝缘连接层313；所述电极层312位于绝缘摩擦层311和绝缘连接层313之间，所述绝缘摩擦层311位于制动盘21一侧并且绝缘摩擦层311的外侧面与制动块12的制动面齐平；所述绝缘连接层313与制动钳本体11连接；所述电极层312与电能回收组件32连接。。摩擦组件31随着制动器的制动过程实现摩擦组件31与制动盘21之间的分离与接触，摩擦组件31与接地的制动钳本体11可以构成单电极模式的摩擦纳米发电机。

如图1、2、4和7所示，所述摩擦组件31分为左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b，所述左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b分别与电能回收组件32连接；所述左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b通过驱动组件4连接，所述驱动组件4带动左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b同时运动，随着左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的运动左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b与制动盘21的接触面积同时发生变化。左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b与制动盘21的接触面积发生变化可以构成摩擦纳米发电机的独立层发电模式。

所述驱动组件4包括安装支架41、连接齿条42、传动齿轮43、驱动齿条44和驱动装置45；所述安装支架41与制动钳本体11固定连接，所述连接齿条42分别通过各自的绝缘连接层313与左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b连接；所述连接齿条42、传动齿轮43、驱动齿条44和驱动装置45分别与安装支架41连接，所述驱动装置45通过驱动齿条44驱动传动齿轮43旋转，传动齿轮43驱动连接齿条42左右平移，连接齿条42带动左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b左右平移，所述连接齿条42向左侧平移时左侧摩擦组件31a与制动盘21的接触面积减小，同时右侧摩擦组件31b与制动盘21的接触面积增加，连接齿条42向右侧平移时左侧摩擦组件31a与制动盘21的接触面积增加，同时右侧摩擦组件31b与制动盘21的接触面积减小。通过齿轮齿条的传动方式驱动摩擦组件的左右移动，传动更加稳定可靠；本发明还可以采用多个齿轮配合的方式改变传动比，还可以采用其他传动方式实现左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的移动。

所述左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b通过连接齿条42连接，并且所述左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b沿连接齿条42延伸方面布置。所述连接齿条42可以是一字形也可以是Z字形，还可以是其他形状，根据摩擦纳米发电机的独立层发电模式的需要进行设计。

如图1、2和3所示，所述驱动装置45包括与法兰盘22连接凸起部451、驱动杠杆452、支撑杆453、复位装置454；所述驱动杠杆452一端与驱动齿条44铰接，另一端与凸起部451接触，与驱动齿条44铰接端设有可以伸缩的连杆455；所述支撑杆453一端与安装支架41固定连接，另一端与驱动杠杆452中部铰接；所述复位装置454位于支撑杆453下方，两端分别与安装支架41与驱动杠杆452连接，复位装置454推动驱动杠杆452的一端与凸起部451保持接触。为了实现摩擦纳米发电机的独立层发电模式需要，摩擦组件31需要随制动盘21的转动进而实现左右移动，进一步实现摩擦组件31与制动盘21的接触面积变化，采用了凸轮与杠杆结合的传动方式更加安全可靠。

所述凸起部451为半椭圆形结构与法兰盘22平滑过渡，椭圆的短轴长度等于法兰盘22的直径长度，椭圆的长轴等于1.2倍~1.4倍的短轴，具体根据法兰盘22、制动盘21和制动钳本体11的尺寸确定。

所述驱动杠杆452与凸起部451之间设有滚轮456，所述滚轮456中心与驱动杠杆452一端铰接，所述滚轮456的轮边沿凸起部451和法兰盘22的外径滚动。

如图4所示，为了保证摩擦纳米发电机的发电效率，所述左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的绝缘摩擦层311选用的相同绝缘材料，所述左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的电极层312的选用相同金属材料，所述绝缘连接层313材料为绝缘橡胶。

因为制动盘21的材料一般为灰铸铁，所以根据材料的摩擦电序列，侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的绝缘摩擦层311可以选用为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚3,3-双丁氧环等，绝缘摩擦层311用以摩擦的表面在z轴方向分布有达到纳米尺度的结构，左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的绝缘摩擦层311的材料选择一致。左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的电极层312选用同种金属做电极，绝缘连接层313用来防止电极层312上的电荷流失，绝缘连接层313的材料优选为橡胶。

如图5所示，所述电能回收组件32包括整流电路321、能量存储元件322、距离传感器323和模式切换单元324，所述摩擦组件31通过整流电路321与能量存储元件322连接，所述距离传感器323监测摩擦组件31与制动盘21的距离，模式切换单元324根据距离传感器323的距离信号控制整流电路321实现能量存储元件322对摩擦组件31产生的电能收集。

整流电路321包括三个整流电路即U1、U2、U3，四个上拉电阻R1，四个限流电阻R2，四个下拉电阻R3，四个三极管即Q1、Q2、Q3、Q4。整流电路可以将交流电转化为直流电，直流电输入给能量存储元件322，能量存储元件322优选为蓄电池。

摩擦纳米发电机组件3的发电过程是：利用制动块12压靠或离开制动盘21的平动动能设计单电极模式摩擦纳米发电机，利用左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的绝缘摩擦层311分别和制动盘21的接触面积大小随制动盘21的转动发生相反变化的机理设计独立层模式摩擦纳米发电机，电能回收组件32的模式切换单元324根据距离传感器323的信号，将摩擦纳米发电机组件3的发电模式在单电极模式和独立层模式之间切换。

电能回收组件32的距离传感器323实时地测得摩擦组件31和制动盘21之间的距离，并将距离信号传输给模式切换单元324。在制动块12压靠或者离开制动盘21过程中，摩擦纳米发电组件3的左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的绝缘摩擦层311与接地的制动钳本体11构成了单电极模式的摩擦纳米发电机，此时，摩擦纳米发电组件3和制动盘21之间的距离大于零，则模式切换单元324根据距离传感器323的信号，将P1口置为低电平，P2口置为高电平，那么三极管Q1和Q3关闭，三极管Q2和Q4导通，制动钳本体11接地，制动钳本体11分别与左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的电极层312构成整流电路U2和U3的输入，整流电路U1没有输入，最终整流电路U2和U3并联输入给能量存储单元322。当制动块12和制动盘21接触时，只要制动盘21转动，则摩擦纳米发电组件3的左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的绝缘摩擦层311与制动盘21构成了独立层模式摩擦纳米发电机，此时，摩擦纳米发电组件3与制动盘21之间的距离等于零，模式切换单元324根据距离传感器323的信号，将P1口置为高电平，P2口置为低电平，那么三极管Q1和Q3导通，三极管Q2和Q4关闭，左侧摩擦组件31a和右侧摩擦组件31b的电极层312构成整流电路U1的输入，整流电路U2和U3没有输入，最终整流电路U1输入给能量存储单元322。

从分析中可以看出，摩擦纳米发电机可以将制动钳的平动动能和制动盘的转动动能转化为电能，设计了单电极模式摩擦纳米发电机和独立层模式摩擦纳米发电机的耦合发电，可为制动器控制系统的嵌入式系统和传感器提供可持续的清洁能源。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于盘式制动器的摩擦纳米发电机，包括制动钳组件（1）和制动盘组件（2），所述制动钳组件（1）包括制动钳本体（11）和制动块（12），所述制动块（12）位于制动钳本体（11）内侧；所述制动盘组件（2）包括制动盘（21）和法兰盘（22），所述制动盘（21）与法兰盘（22）同轴；制动状态下制动块（12）与制动盘（21）接触；其特征在于：所述制动钳本体（11）下方设有摩擦纳米发电机组件（3）；所述摩擦纳米发电机组件（3）包括摩擦组件（31）和电能回收组件（32）；所述摩擦组件（31）包括绝缘摩擦层（311）、电极层（312）、绝缘连接层（313）；所述电极层（312）位于绝缘摩擦层（311）和绝缘连接层（313）之间，所述绝缘摩擦层（311）位于制动盘（21）一侧并且绝缘摩擦层（311）的外侧面与制动块（12）的制动面齐平；所述绝缘连接层（313）与制动钳本体（11）连接；所述电极层（312）与电能回收组件（32）连接；

所述摩擦组件（31）分为左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b），所述左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）分别与电能回收组件（32）连接；所述左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）通过驱动组件（4）连接，所述驱动组件（4）带动左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）同时运动，随着左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）的运动左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）与制动盘（21）的接触面积同时发生变化；

所述驱动组件（4）包括安装支架（41）、连接齿条（42）、传动齿轮（43）、驱动齿条（44）和驱动装置（45）；所述安装支架（41）与制动钳本体（11）固定连接，所述连接齿条（42）分别通过各自的绝缘连接层（313）与左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）连接；所述连接齿条（42）、传动齿轮（43）、驱动齿条（44）和驱动装置（45）分别与安装支架（41）连接，所述驱动装置（45）通过驱动齿条（44）驱动传动齿轮（43）旋转，传动齿轮（43）驱动连接齿条（42）左右平移，连接齿条（42）带动左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）左右平移，所述连接齿条（42）向左侧平移时左侧摩擦组件（31a）与制动盘（21）的接触面积减小，同时右侧摩擦组件（31b）与制动盘（21）的接触面积增加，连接齿条（42）向右侧平移时左侧摩擦组件（31a）与制动盘（21）的接触面积增加，同时右侧摩擦组件（31b）与制动盘（21）的接触面积减小；

所述驱动装置（45）包括与法兰盘（22）连接凸起部（451）、驱动杠杆（452）、支撑杆（453）、复位装置（454）；所述驱动杠杆（452）一端与驱动齿条（44）铰接，另一端与凸起部（451）接触，与驱动齿条（44）铰接端设有可以伸缩的连杆（455）；所述支撑杆（453）一端与安装支架（41）固定连接，另一端与驱动杠杆（452）中部铰接；所述复位装置（454）位于支撑杆（453）下方，两端分别与安装支架（41）与驱动杠杆（452）连接，复位装置（454）推动驱动杠杆（452）的一端与凸起部（451）保持接触。

2.根据权利要求 1所述的基于盘式制动器的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）通过连接齿条（42）连接，并且所述左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）沿连接齿条（42）延伸方面布置。

3.根据权利要求 1所述的基于盘式制动器的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述驱动杠杆（452）与凸起部（451）之间设有滚轮（456），所述滚轮（456）中心与驱动杠杆（452）一端铰接，所述滚轮（456）的轮边沿凸起部（451）和法兰盘（22）的外径滚动。

4.根据权利要求 1 所述的基于盘式制动器的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）的绝缘摩擦层（311）选用的相同绝缘材料，所述左侧摩擦组件（31a）和右侧摩擦组件（31b）的电极层（312）的选用相同金属材料，所述绝缘连接层（313）材料为绝缘橡胶。

5.根据权利要求 1 所述的基于盘式制动器的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电能回收组件（32）包括整流电路（321）和能量存储元件（322），所述摩擦组件（31）通过整流电路（321）与能量存储元件（322）连接。

6.根据权利要求 1 所述的基于盘式制动器的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电能回收组件（32）包括整流电路（321）、能量存储元件（322）、距离传感器（323）和模式切换单元（324），所述摩擦组件（31）通过整流电路（321）与能量存储元件（322）连接，所述距离传感器（323）监测摩擦组件（31）与制动盘（21）的距离，模式切换单元（324）根据距离传感器（323）的距离信号控制整流电路（321）实现能量存储元件（322）对摩擦组件（31）产生的电能收集。