CN111193431A - 直流输出摩擦纳米发电装置及传感设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流输出摩擦纳米发电装置及传感设备。该直流输出摩擦纳米发电装置能够实现直流输出，包括定子部及转子部；定子部包括筒体及设置于筒体内壁的沿筒体轴向依次排列的至少两个第一摩擦组，第一摩擦组包括沿筒体周向设置的偶数个第一摩擦件，转子部包括与筒体同轴设置的转轴及设置于转轴的第二摩擦组，第二摩擦组包括为第一摩擦组的第一摩擦件数量一半的沿转轴周向设置的第二摩擦件；相邻第一摩擦组的第一摩擦件之间在筒体周向上依次错位设置；或相邻第一摩擦组的第一摩擦件之间在筒体周向上一一对齐设置，第二摩擦组与第一摩擦组数量相同且在转轴的径向上一一对应，相邻第二摩擦组的第二摩擦件之间在转轴周向上依次错位设置。

Description

直流输出摩擦纳米发电装置及传感设备

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种直流输出摩擦纳米发电装置及传感设备。

背景技术

随着物联网技术的快速发展，需要分布广泛的传感器集成到世界的各个角落，用于健康监测、生化检测、医疗保健、环境保护、基础设施管理和安全监测等，庞大数量的传感器需要独立供电，传统的电池供电需要经常更换且造成了严重的环境污染，限制了传感器的使用。

摩擦纳米发电机自问世以来，因其具有结构简单，质量轻，价格便宜，材料选择丰富，且更适合收集低频(小于5Hz)下的能量的优点，可广泛从人类活动、海洋能、风能、机械振动等环境中获取能量，并可为小型电子产品供电，具有良好的商业价值和社会效益。

目前的摩擦纳米发电机的工作方式主要有接触分离式和水平滑动式，由于摩擦纳米发电机在工作时电势变化会造成电荷的回流，因此摩擦纳米发电机本身输出的是交流电，而传感器多是直流供电，因此亟需设计一种可实现直流输出的摩擦纳米发电机，能够为传感器直接供电。

发明内容

本发明实施例提供一种直流输出摩擦纳米发电装置及传感设备，以解决现有的摩擦纳米发电机存在的交流输出，波峰因数高，为小型传感器供电效率低的技术问题。

一方面，本发明实施例提出了一种直流输出摩擦纳米发电装置，包括定子部及转子部，转子部设置于定子部内；其中，定子部包括筒体及设置于筒体内壁的沿筒体轴向依次排列的至少两个第一摩擦组，第一摩擦组包括沿筒体周向设置的偶数个第一摩擦件，转子部包括与筒体同轴设置的转轴及设置于转轴的第二摩擦组，第二摩擦组包括为第一摩擦组的第一摩擦件数量一半的沿转轴周向设置的第二摩擦件；相邻第一摩擦组的第一摩擦件之间在筒体周向上依次错位设置，转子部转动时第二摩擦件能够与全部第一摩擦组的第一摩擦件摩擦发电；或者，相邻第一摩擦组的第一摩擦件之间在筒体周向上一一对齐设置，第二摩擦组与第一摩擦组数量相同且在转轴的径向上一一对应，相邻第二摩擦组的第二摩擦件之间在转轴周向上依次错位设置，转子部转动时第二摩擦组的第二摩擦件能够与对应的第一摩擦组的第一摩擦件摩擦发电。

根据本发明实施例的一个方面，当第一摩擦组的第一摩擦件的数量为两个时，两个第一摩擦件电性连接形成一个第一摩擦对；当第一摩擦组的第一摩擦件的数量为四个以上时，相隔的第一摩擦件两两电性连接形成两个以上第一摩擦对。

根据本发明实施例的一个方面，筒体的两端分别设置有第一端盖和第二端盖，筒体、第一端盖和第二端盖构成具有容纳空间的筒状结构，第一摩擦组和第二摩擦组均位于该筒状结构内。

根据本发明实施例的一个方面，筒体的侧壁上设置有多个排线孔，排线孔用于向筒体外输出第二摩擦件与第一摩擦件摩擦发电的电能。

根据本发明实施例的一个方面，转子部包括转筒，转筒通过转轴同轴设置于筒体内，第二摩擦组环绕转轴的轴向设置于转筒的外壁上。

根据本发明实施例的一个方面，转子部包括转动架，转动架通过转轴同轴设置于筒体内，第二摩擦组环绕转轴的轴向设置于转动架的外周面上。

根据本发明实施例的一个方面，第二摩擦件为拨片状，第二摩擦件的第一端固定连接于转轴，第二摩擦件的第二端自由，第二摩擦件的第二端用于与第一摩擦件摩擦。

根据本发明实施例的一个方面，第二摩擦件为曲面板状，第二摩擦件的第一侧固定连接于转轴，第二摩擦件的第二侧用于与第一摩擦件摩擦。

根据本发明实施例的一个方面，第一摩擦件的材料为具备电正性的材料，第二摩擦件的材料为具备电负性的材料。

另一方面，本发明实施例提出了一种传感设备，包括如前述的直流输出摩擦纳米发电装置。

本发明实施例提供的直流输出摩擦纳米发电装置，多个第一摩擦组的第一摩擦件之间依次错位设置，或者多个第二摩擦组的第二摩擦件之间依次错位设置，即多个第一摩擦组的第一摩擦件之间具有相位差，或者多个第二摩擦组的第二摩擦件之间存在相位差，当转子部在外部激励作用下旋转时，第二摩擦件与第一摩擦件摩擦接触，实现了摩擦起电与静电感应过程，使每个第一摩擦组均产生电能，能够向外输出交流电，且每个第一摩擦组向外输出的交流电的波形存在相位差，多个第一摩擦组的多路交流电通过波形整流元件，如整流桥等，转换为脉动直流，通过对多个存在相位差的脉动直流进行多个相位耦合叠加，降低电流整体的波峰因数，实现直流输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的局部剖视结构示意图。

图2为本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的转子部的结构示意图。

图3为本发明另一实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的局部剖视结构示意图。

图4为本发明另一实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的转子部的结构示意图。

图5为本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的第一摩擦组的结构示意图。

图6为本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的筒体的结构示意图。

图7为本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的转筒的结构示意图。

图8为本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的第二摩擦件的结构示意图。

图9为本发明另一实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的第二摩擦件的结构示意图。

图10为本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置所输出的交流电的电流波形图。

图11为本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置的一种整流电路的示意图。

图12为本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置所输出的交流电经过耦合叠加后的电流波形图。

附图中：

110-筒体，120-第一摩擦组，130-第一端盖，140-第二端盖；

210-转轴，220-第二摩擦组，230-转筒，240-转动架；

111-排线孔；

121-第一摩擦件；

211-定位键；

221-第二摩擦件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1、图2及图5，本发明实施例的直流输出摩擦纳米发电装置，包括定子部及转子部，转子部设置于定子部内；其中，定子部包括筒体110及设置于筒体110内壁的沿筒体110轴向依次排列的至少两个第一摩擦组120，第一摩擦组120包括沿筒体110周向设置的偶数个第一摩擦件121，转子部包括与筒体110同轴设置的转轴210及设置于转轴210的第二摩擦组220，第二摩擦组220包括为第一摩擦组120的第一摩擦件121数量一半的沿转轴210周向设置的第二摩擦件221；相邻第一摩擦组120的第一摩擦件121之间在筒体110周向上依次错位设置，转子部转动时第二摩擦件221能够与全部第一摩擦组120的第一摩擦件121摩擦发电；或者，请参阅图3及图4，相邻第一摩擦组120的第一摩擦件121之间在筒体110周向上一一对齐设置，第二摩擦组220与第一摩擦组120数量相同且在转轴210的径向上一一对应，相邻第二摩擦组220的第二摩擦件221之间在转轴210周向上依次错位设置，转子部转动时第二摩擦组220的第二摩擦件221能够与对应的第一摩擦组120的第一摩擦件121摩擦发电。本实施例的多个第一摩擦组120的第一摩擦件121之间依次错位设置，或者多个第二摩擦组220的第二摩擦件221之间依次错位设置，即多个第一摩擦组120的第一摩擦件121之间依次具有相位差，或者多个第二摩擦组220的第二摩擦件221之间依次具有相位差，当转子部在外部激励作用下旋转时，第二摩擦件221与第一摩擦件121摩擦接触，实现了摩擦起电与静电感应过程，使每个第一摩擦组120均产生电能，能够向外输出交流电，且如图10所示，每个第一摩擦组120向外输出的交流电的波形存在相位差，多个第一摩擦组120的多路交流电通过波形整流元件，如整流桥等，其整流电路可为图11所示，转换为脉动直流，通过对多个存在相位差的脉动直流进行多个相位耦合叠加，降低电流整体的波峰因数，如图12所示，实现直流输出，以解决现有的摩擦纳米发电机存在的交流输出，波峰因数高，为小型传感器供电效率低的技术问题。

本实施例的直流输出摩擦纳米发电装置，具有结构简单、安装方便、可有效实现直流输出的特点，在微纳能源俘获领域具有良好的商业价值和社会效益，能够为传感器直接供电。

在本实施例中，同一第一摩擦组120的相邻第一摩擦件121之间相互不连通，相邻第一摩擦组120之间相互不连通；同一第二摩擦组220的相邻第二摩擦件221之间相互不连通，相邻第二摩擦组220之间相互不连通。

作为一个可选实施例，当第一摩擦组120的第一摩擦件121的数量为两个时，两个第一摩擦件121电性连接形成一个第一摩擦对；当第一摩擦组120的第一摩擦件121的数量为四个以上时，相隔的第一摩擦件121两两电性连接形成两个以上第一摩擦对。

本实施例的每个第一摩擦对均向外输出交流电，由于多个第一摩擦组120的第一摩擦件121之间依次错位设置，或者多个第二摩擦组220的第二摩擦件221之间依次错位设置，多个第一摩擦组120的第一摩擦对向外输出的多路交流电之间依次存在相位差，多个第一摩擦组120的第一摩擦对输出的多路交流电经过耦合叠加后类似于直流电，实现直流输出。

作为一个可选实施例，筒体110的两端分别设置有第一端盖130和第二端盖140，筒体110、第一端盖130和第二端盖140构成具有容纳空间的筒状结构，第一摩擦组120和第二摩擦组220均位于该筒状结构内。

本实施例的筒体110、第一端盖130和第二端盖140构成封闭的、中空的筒状结构，将第一摩擦组120和第二摩擦组220容置在其中，为摩擦发电提供稳定、可靠的环境。

结合图6，作为一个可选实施例，筒体110的侧壁上设置有多个排线孔111，排线孔111用于向筒体110外输出第二摩擦件221与第一摩擦件121摩擦发电的电能。

本实施例的第一摩擦件121设置于筒体110的内壁，第一摩擦件121连接有导线，导线穿过排线孔111而向外输出电能。

在本实施例中，不同的第一摩擦对与不同的排线孔111对应，每个第一摩擦对单独匹配一个排线孔111。

作为一个可选实施例，转子部包括转筒230，转筒230通过转轴210同轴设置于筒体110内，第二摩擦组220环绕转轴210的轴向设置于转筒230的外壁上。

本实施例的转筒230通过转轴210同轴设置于筒体110内，转轴210转动时转筒230随转轴210同步转动，使得转筒230能够相对于筒体110转动，进而使得第二摩擦组220能够相对于第一摩擦组120转动。

在本实施例中，如图7所示，转轴210上设置有定位键211，定位键211用于限定转筒230在转轴210上的相对位置。

结合图4，作为一个可选实施例，转子部包括转动架240，转动架240通过转轴210同轴设置于筒体110内，第二摩擦组220环绕转轴210的轴向设置于转动架240的外周面上。

本实施例的转动架240通过转轴210同轴设置于筒体110内，转轴210转动时转动架240随转轴210同步转动，使得转动架240能够相对于筒体110转动，进而使得第二摩擦组220能够相对于第一摩擦组120转动。

在本实施例中，转轴210上设置有定位键211，定位键211用于限定转动架240在转轴210上的相对位置。

结合图8，作为一个可选实施例，第二摩擦件221为拨片状，第二摩擦件221的第一端固定连接于转轴210，第二摩擦件221的第二端自由，第二摩擦件221的第二端用于与第一摩擦件121摩擦。

在本实施例中，当转轴210转动时，拨片状的第二摩擦件221随转轴210一并转动，第二摩擦件221与第一摩擦件121之间实现扫掠式滑动摩擦，摩擦损耗小，使用寿命长。

结合图9，作为一个可选实施例，第二摩擦件221为曲面板状，第二摩擦件221的第一侧固定连接于转轴210，第二摩擦件221的第二侧用于与第一摩擦件121摩擦。

在本实施例中，当转轴210转动时，拨片状的第二摩擦件221随转轴210一并转动，第二摩擦件221与第一摩擦件121之间实现面接触式滑动摩擦，摩擦面积大，发电电量高。

作为一个可选实施例，第一摩擦件121的材料为具备电正性的材料，第二摩擦件221的材料为具备电负性的材料。

在本实施例中，第一摩擦件121的材料为具备电正性的材料，可选为金属、合金、氧化铟锡和导电有机物高分子材料，其中金属可选为铜、金、银、铂、铝、镍、钛、铬及硒等，合金可选为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬及硒等中的两种以上物质所形成，导电有机物高分子材料可选为聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺及聚噻吩等；第二摩擦件221的材料为具备电负性的材料，可选为聚全氟乙烯丙烯共聚物、四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯及派瑞林等。

以下，提供一种传感设备，包括如上述实施例的直流输出摩擦纳米发电装置。

在本实施例中，直流输出摩擦纳米发电装置能够实现直流输出，能够为多种传感设备直接供电，不需要经常更换，不会造成严重的环境污染，便于实现传感设备的独立供电，为传感器的普遍使用提供了便利，能够极大地提升物联网技术的发展速度，适于进行推广应用。

本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种直流输出摩擦纳米发电装置，其特征在于，包括定子部及转子部，所述转子部设置于所述定子部内；

其中，所述定子部包括筒体及设置于筒体内壁的沿筒体轴向依次排列的至少两个第一摩擦组，所述第一摩擦组包括沿筒体周向设置的偶数个第一摩擦件，所述转子部包括与所述筒体同轴设置的转轴及设置于所述转轴的第二摩擦组，所述第二摩擦组包括为所述第一摩擦组的第一摩擦件数量一半的沿转轴周向设置的第二摩擦件；

相邻所述第一摩擦组的第一摩擦件之间在筒体周向上依次错位设置，所述转子部转动时所述第二摩擦件能够与全部所述第一摩擦组的第一摩擦件摩擦发电；或者，

相邻所述第一摩擦组的第一摩擦件之间在筒体周向上一一对齐设置，所述第二摩擦组与所述第一摩擦组数量相同且在所述转轴的径向上一一对应，相邻所述第二摩擦组的第二摩擦件之间在转轴周向上依次错位设置，所述转子部转动时所述第二摩擦组的第二摩擦件能够与对应的所述第一摩擦组的第一摩擦件摩擦发电。

2.根据权利要求1所述的直流输出摩擦纳米发电装置，其特征在于，当所述第一摩擦组的第一摩擦件的数量为两个时，两个所述第一摩擦件电性连接形成一个第一摩擦对；

当所述第一摩擦组的第一摩擦件的数量为四个以上时，相隔的所述第一摩擦件两两电性连接形成两个以上第一摩擦对。

3.根据权利要求1所述的直流输出摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述筒体的两端分别设置有第一端盖和第二端盖，所述筒体、第一端盖和第二端盖构成具有容纳空间的筒状结构，所述第一摩擦组和所述第二摩擦组均位于该筒状结构内。

4.根据权利要求1所述的直流输出摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述筒体的侧壁上设置有多个排线孔，所述排线孔用于向所述筒体外输出第二摩擦件与第一摩擦件摩擦发电的电能。

5.根据权利要求1所述的直流输出摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述转子部包括转筒，所述转筒通过所述转轴同轴设置于所述筒体内，所述第二摩擦组环绕所述转轴的轴向设置于所述转筒的外壁上。

6.根据权利要求1所述的直流输出摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述转子部包括转动架，所述转动架通过所述转轴同轴设置于所述筒体内，所述第二摩擦组环绕所述转轴的轴向设置于所述转动架的外周面上。

7.根据权利要求1所述的直流输出摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第二摩擦件为拨片状，所述第二摩擦件的第一端固定连接于所述转轴，所述第二摩擦件的第二端自由，所述第二摩擦件的第二端用于与所述第一摩擦件摩擦。

8.根据权利要求1所述的直流输出摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第二摩擦件为曲面板状，所述第二摩擦件的第一侧固定连接于所述转轴，所述第二摩擦件的第二侧用于与所述第一摩擦件摩擦。

9.根据权利要求1所述的直流输出摩擦纳米发电装置，其特征在于，所述第一摩擦件的材料为具备电正性的材料，所述第二摩擦件的材料为具备电负性的材料。

10.一种传感设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的直流输出摩擦纳米发电装置。

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