CN111711380B - 一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于滚动摩擦的电磁‑摩擦复合型纳米发电机，属于系能源技术领域。该电磁‑摩擦复合型纳米发电机包括摩擦纳米发电单元、线圈式电磁感应发电单元和机械动力捕获单元。所述摩擦纳米发电单元包括滚筒电极阵列和粘附在中心滚筒外表面的摩擦电材料阵列；所述线圈式电磁感应发电单元包括线圈和中心滚筒内部的永磁体；所述机械动力捕获单元包括中心滚筒、轴杆和外部能量收集部件。本发明电磁‑摩擦复合型纳米发电机，通过外部流体能量或者旋转能量的输入转化，驱动中心滚筒和滚筒电极旋转，在滚筒电极与摩擦电材料的接触和电磁感应的作用下产生交流电供给负载，实现对外部流体能量或者旋转能量的收集并转化为可用的电能。

Description

一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机。

背景技术

随着微机电和物联网系统的井喷式发展，每年都有大量的便携、分布式的低功耗无线通信电子设备应用于智慧城市或智能工厂中。这些设备中所存在的共同特点之一便是需要为其提供动力。然而，传统的电源解决方案已经无法完全满足低功耗无线通信电子设备的供电需求，正在成为制约微机电和物联网系统发展的不利因素。因此，需要一种崭新的电源解决方案来满足日益复杂的供电需求。作为传统电源最有前途的替代方法，能量收集技术正在过去的几年中受到越来越多的关注。它可以将环境中的各种能量转化为电能。这使得新的电源解决方案可以摆脱对电池等传统电源的依赖，从而实现持久的、免维护、自驱动的供电目标。

摩擦纳米发电机技术是利用两种不同材料发生摩擦，从而在其表面形成感应电荷，通过外电路连接实现电荷转移产生交流电。由于其独特的工作方式，摩擦纳米发电机特别适合低频能量采集，且可以实现高效的能源转化效率。同时，为了对环境中的各种能量进行高效的收集，结合不同发电形式的复合型发电机应运而生。其中，电磁-摩擦复合型纳米发电机成为高效收集微纳能量的重要研究方向之一。目前，收集流体能量或者旋转能量的电磁-摩擦复合型纳米发电机大多采用滑动模式，通过可旋转的叶片与固定电极之间的摩擦产生摩擦电荷。叶片与电极之间的摩擦为滑动摩擦。这使得随着摩擦频率的提高而增大电磁-摩擦复合型纳米发电机内部的热损耗，限制了其在较高频率条件下的优异表现，降低了能量的转化效率，同时也影响器件的耐久性。

因此亟需一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机，通过滚筒之间产生的滚动摩擦实现对能量的转化输出，同时降低了内部的热损耗。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机，该复合型纳米发电机包括摩擦纳米发电单元、线圈式电磁感应发电单元和机械动力捕获单元；

所述摩擦纳米发电单元包括滚筒电极阵列(201)和粘附在中心滚筒(303)外表面的摩擦电材料阵列(301)，滚筒电极阵列(201)与摩擦电材料阵列(301)保持良好接触并且随中心滚筒(303)转动；

所述线圈式电磁感应发电单元包括线圈(103)和中心滚筒(303)内部的永磁体(302)，线圈(103)置于外筒(101)底部的盖板上，永磁体(302)内置于中心滚筒(303)下端的盖板上；

所述机械动力捕获单元包括中心滚筒(303)、中心滚筒轴杆(304)和外部能量收集部件(102)，中心滚筒轴杆(304)穿过中心滚筒(303)的上下盖板，并通过外筒轴承(104)与外筒(101)的上下盖板相连接。

可选的，所述滚筒电极阵列(201)均匀对称分布于中心滚筒(303)外围，个数为偶数，从顺时针方向起始，每两个相邻的滚筒电极通过电路连接形成电极对，分别为电极Ⅰ和电极Ⅱ。

可选的，所述滚筒电极的筒身由亚克力或塑料制作，铜箔或铝箔粘附在筒身表面组成滚筒电极；滚筒电极上下端通过内嵌滚筒轴承(202)与旋转轴连接固定在中心滚筒(303)周围。

可选的，所述摩擦电材料均匀对称粘附于中心滚筒(303)外侧面，形状为矩形，个数为滚筒电极数量的一半，材质为导电性较差或绝缘薄膜材料。

可选的，所述线圈(103)为空心自粘线圈，放置于外筒(101)的底部盖板上；所述永磁体(302)为钕铁硼强磁铁，放置于中心滚筒(303)的底部盖板上。

可选的，所述中心滚筒(303)由亚克力或塑料制作，形状为圆柱形，上下盖板各开有一个圆孔，用于与中心滚筒轴杆(304)连接，所述轴杆材质为金属。

可选的，所述外部能量收集部件(102)由风杯或导轮组成，与中心滚筒(303)通过中心滚筒轴杆(304)相连接，通过外筒(101)的上下盖板固定位置。

可选的，所述外筒(101)由亚克力制作，形状为圆柱形，上下盖板圆心各内嵌一个轴承，与轴杆相连。

本发明的有益效果在于：本发明主要的应用场景为收集各种流体能量或旋转能量，将其转化可供低功耗电子设备使用的电能。该基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机包括一个由滚筒电极阵列和摩擦材料阵列构成的工作在滚动摩擦模式下的摩擦纳米发电机和一个由永磁体与线圈构成的电磁发电机。外部能量收集部件对环境中的能量进行捕获，通过轴杆驱动中心滚筒转动，滚筒电极由于与中心滚筒外侧面的摩擦电材料紧密接触而随之转动。相邻成对的滚筒电极由于与摩擦电材料阵列接触具有时间先后的顺序差别而导致电极Ⅰ和电极Ⅱ之间存在电势差，通过外电路的连接便可以在电路上形成电流。同时，放置于中心滚筒底部盖板上的永磁体也会随着中心滚筒的转动而转动。根据法拉第电磁感应定律，线圈由于切割磁感线而产生感应电动势，可实现电磁发电的功能。该装置利用了滚筒电极与中心滚筒之间的滚动摩擦而使得摩擦阻力大大下降，减少了能量转化的浪费，也提高了器件的耐久性。因此，基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机可以同时实现摩擦发电和电磁发电并且降低了内部的热损耗，拓展了其应用的场景范围。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所提供的基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机除掉外筒时的内部立体结构图；

图2为基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机的底视图；

图3为基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机的外观结构图；

图4为基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机的外筒底部结构图；

附图标记：

1-外壳，101-外筒，102-外部能量收集部件，103-线圈，104-外筒轴承；

2-副滚筒，201-滚筒电极阵列，202-滚筒轴承；

3-主滚筒，301-摩擦电材料阵列，302-永磁体，303-中心滚筒，304-中心滚筒轴杆。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图4，1为外壳，101为外筒，102为外部能量收集部件，103为线圈，104为外筒轴承；2为副滚筒，201为滚筒电极阵列，202为滚筒轴承；3为主滚筒，301为摩擦电材料阵列，302为永磁体，303为中心滚筒，304为中心滚筒轴杆。

图1为本发明所述的基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机除掉外筒时的内部立体结构，包括：副滚筒1和主滚筒2。其中，副滚筒1由滚筒电极阵列201和滚筒轴承202组成；主滚筒2由摩擦电材料阵列301、永磁体302、中心滚筒303和中心滚筒轴杆304组成。副滚筒1和主滚筒2的筒身均由亚克力材料制作。铜箔粘附在副滚筒1筒身表面形成滚筒电极。从顺时针方向起始，每两个相邻的滚筒电极通过电路连接形成电极对，分别为电极Ⅰ和电极Ⅱ。在同一时间，只有电极Ⅰ或电极Ⅱ的滚筒电极与矩形摩擦电材料保持紧密接触，其余一半处于悬空状态。

如图2所示，基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机的底视图，包括：外筒101，滚筒电极阵列201，滚筒轴承202，摩擦电材料阵列301，永磁体302，中心滚筒303,和中心滚筒轴杆304。外筒101由亚克力材料制作。

如图3所示，基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机的外观结构图，包括：外筒101，中心滚筒轴杆304和外部能量收集器件102。

如图4所示，基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机的外筒底部结构图，包括：线圈103和外筒轴承104。

如图1、图3所示，当外部能量收集部件102捕获到外界的流体能量或者旋转能量时，在轴杆的传动作用下，驱动中心滚筒303旋转同时也会带动滚筒电极阵列转动。在这个过程之中，摩擦电材料阵列301与滚筒电极阵列201之间的摩擦力为滚动摩擦，同时会产生感应电荷，此时构成一个滚动摩擦纳米发电机。电极Ⅰ和电极Ⅱ之间由于发生摩擦的时间先后不同而产生不同的感应电动势，通过串联就可以使得电荷在电路中转移，从而形成交流电。与此同时，位于中心滚筒303内底端的永磁体302也跟随着中心滚筒一起旋转，而固定于外筒101内底部的线圈103与永磁体发生相对运动，便可以在线圈的两端上产生感应电动势，组成一个旋转式的电磁发电机。摩擦纳米发电机的特点是高输出电压低输出电流，因此不能够直接驱动负载；而电磁发电机的特点是低输出电压高输出电流，驱动负载能力较强。因此，将两者相结合可以实现优异特性的整合以提高整个发电装置的总输出功率。同时，该电磁-摩擦复合型纳米发电机的摩擦层之间的摩擦力为滚动摩擦力，在相等条件下要远远小于滑动摩擦力，这就降低了内部的热损耗，能够将更多的外界能量转化可用电能，大大提高了整个装置的能量转化效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机，其特征在于：该复合型纳米发电机包括摩擦纳米发电单元、线圈式电磁感应发电单元和机械动力捕获单元；

所述摩擦纳米发电单元包括滚筒电极阵列(201)和粘附在中心滚筒(303)外表面的摩擦电材料阵列(301)，滚筒电极阵列(201)与摩擦电材料阵列(301)保持良好接触并且随中心滚筒(303)转动；

所述线圈式电磁感应发电单元包括线圈(103)和中心滚筒(303)内部的永磁体(302)，线圈(103)置于外筒(101)底部的盖板上，永磁体(302)内置于中心滚筒(303)下端的盖板上；

所述机械动力捕获单元包括中心滚筒(303)、中心滚筒轴杆(304)和外部能量收集部件(102)，中心滚筒轴杆(304)穿过中心滚筒(303)的上下盖板，并通过外筒轴承(104)与外筒(101)的上下盖板相连接；

所述滚筒电极阵列(201)均匀对称分布于中心滚筒(303)外围，个数为偶数，从顺时针方向起始，每两个相邻的滚筒电极通过电路连接形成电极对，分别为电极Ⅰ和电极Ⅱ。

2.根据权利要求1所述的一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机，其特征在于：所述滚筒电极的筒身由亚克力或塑料制作，铜箔或铝箔粘附在筒身表面组成滚筒电极；滚筒电极上下端通过内嵌滚筒轴承(202)与旋转轴连接固定在中心滚筒(303)周围。

3.根据权利要求1所述的一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机，其特征在于：所述摩擦电材料均匀对称粘附于中心滚筒(303)外侧面，形状为矩形，个数为滚筒电极数量的一半，材质为导电性较差或绝缘薄膜材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机，其特征在于：所述线圈(103)为空心自粘线圈，放置于外筒(101)的底部盖板上；所述永磁体(302)为钕铁硼强磁铁，放置于中心滚筒(303)的底部盖板上。

5.根据权利要求1所述的一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机，其特征在于：所述中心滚筒(303)由亚克力或塑料制作，形状为圆柱形，上下盖板各开有一个圆孔，用于与中心滚筒轴杆(304)连接，所述轴杆材质为金属。

6.根据权利要求1所述的一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机，其特征在于：所述外部能量收集部件(102)由风杯或导轮组成，与中心滚筒(303)通过中心滚筒轴杆(304)相连接，通过外筒(101)的上下盖板固定位置。

7.根据权利要求1所述的一种基于滚动摩擦的电磁-摩擦复合型纳米发电机，其特征在于：所述外筒(101)由亚克力制作，形状为圆柱形，上下盖板圆心各内嵌一个轴承，与轴杆相连。

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