CN112019083A - 一种3d打印的夹心结构摩擦纳米发电机 - Google Patents
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- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
Abstract
本发明公开了一种3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，框架机构上部设有轴承座，扇叶机构的转轴通过轴承组件固定于轴承座上，扇叶机构中转轴的末端设有偏心凸块，滑块机构滑配于框架机构的竖向滑道内，滑块机构的上部设有与偏心凸块相配的连接孔，转轴末端的偏心凸块插接于滑块机构的连接孔内实现扇叶机构与滑块机构的连接传动，抽替机构由活动抽替组件和固定抽替组件构成。本发明提出的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机采用多层抽替机构构成夹心结构能够在较小的空间中实现多个摩擦层的集成，且摩擦层之间能够充分接触，提高了摩擦纳米发电机的输出性能和空间利用率。
Description
技术领域
本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及一种3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机。
背景技术
传统能源的使用在造福人类的同时也带来了能源危机和环境污染，从环境中寻找新型可再生能源引起了业内人员的广泛关注。摩擦纳米发电机作为一种新型的能量转换装置，能够有效的将环境中的风能、水波能以及人体运动等形式的机械能转换为电能，摩擦纳米发电机的应用对提高资源利用效率、调整能源结构具有重要意义。
不同结构的摩擦纳米发电机已经被用于多种形式能量的收集，过往的摩擦纳米发电机通常采用亚克力板或塑料板制作，其不同部件之间通过螺栓、螺母等连接，增加了制造成本并降低了结构一体性。3D打印技术以数字化模型文件为基础，能够实现不同结构层的精密控制和复杂结构的一体化成型，进而实现了摩擦纳米发电机零部件的自由组合和精确拼装。
原有摩擦纳米发电机通常通过增加结构尺寸来提高输出性能，较大的结构尺寸降低了空间利用率且不利于摩擦层之间的充分接触，在一定程度上限值了摩擦纳米发电机的大规模使用。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，该结构的摩擦纳米发电机零部件采用C4D软件设计制作后导出stl程序代码，将stl程序代码导入切片软件处理后获得gcode程序代码转载到3D打印机中，通过增材制造实现各零部件的精确打印，其中采用多层抽替机构构成夹心结构能够在较小的空间中实现多个摩擦层的集成，且摩擦层之间能够充分接触，提高了摩擦纳米发电机的输出性能和空间利用率。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，其特征在于包括抽替机构、滑块机构、扇叶机构和框架机构，框架机构上部设有轴承座，扇叶机构的转轴通过轴承组件固定于轴承座上，扇叶机构中转轴的末端设有偏心凸块，滑块机构滑配于框架机构的竖向滑道内，滑块机构的上部设有与偏心凸块相配的连接孔，转轴末端的偏心凸块插接于滑块机构的连接孔内实现扇叶机构与滑块机构的连接传动，抽替机构由活动抽替组件和固定抽替组件构成，固定抽替组件安装于框架机构上且该固定抽替组件上布置有第一摩擦单元，该第一摩擦单元包括粘附于固定抽替组件上方的背电极和粘附于背电极上方的第一摩擦层或者包括粘附于固定抽替组件上方的第一摩擦层，活动抽替组件安装于滑块机构上且该活动抽替组件上布置有与第一摩擦单元相对的第二摩擦单元，该第二摩擦单元包括粘附于活动抽替组件下方的背电极和粘附于背电极上的第二摩擦层，当扇叶机构在外界风力的作用下转动时通过转轴带动偏心凸块圆周运动，进而带动滑块机构上下运动，安装在滑块机构上的活动抽替组件被滑块机构带动进行上下运动，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层同步接触与分离并产生感应电流。
优选的，所述第一摩擦层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯或尼龙，第二摩擦层的厚度为50μm-1mm。
优选的，所述第二摩擦层进行高压极化处理以提高第二摩擦层表面的电荷密度。
优选的，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元中的背电极均选用导电性良好的金、银、铂、铁、铜或铝中的一种或至少两种材料的合金，当第一摩擦单元中的背电极选用以上金属或合金时，该背电极同时作为第一摩擦层。
优选的，所述滑块机构上的活动抽替组件下方和框架机构上的固定抽替组件上方分别设置有海绵层。
优选的，所述抽替机构、滑块机构、扇叶机构和框架机构的打印材料均选用机械性能和物理性能优良的PLA或ABS制得，选用的3D打印设备是基于熔融沉积式3D打印设备。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提出的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机采用熔融沉积式3D打印设备制作，实现发电机各零部件尺寸的精确控制，C4D建模软件可以根据不同的工况环境进行摩擦纳米发电机结构和尺寸的改良，拓宽摩擦纳米发电机的应用范围；
2、本发明提出的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机采用多层抽替机构构成夹心结构能够在较小的空间中实现多个摩擦层的集成，并且摩擦层之间能够充分接触，提高了摩擦纳米发电机的输出性能和空间利用率。
附图说明
图1是本发明的装配结构示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是本发明的短路电流示意图；
图4是本发明的开路电压示意图。
图中：1-扇叶机构，2-轴承组件，3-滑块机构，4-框架机构，5-抽替机构，51-活动抽替组件，52-固定抽替组件，6-第一摩擦层，7-第二摩擦层，8-背电极，9-偏心凸块。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明提出的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机的具体制备过程为：将设计好的扇叶机构1、滑块机构3、框架机构4和抽替机构5的三维模型数据导入到切片软件中，切片软件切片后导出gcode文件转载到熔融沉积式3D打印机中，通过逐层成型的方式获得设计的模型。如图1和图2所示，将第一摩擦层6裁剪成半径48mm的圆形，再沿半径方向裁出48mm×4mm的长方形缺口后粘附于活动抽替组件51下方。将第二摩擦层7裁剪成半径48mm的圆形，再以圆心为中心裁出20mm×5mm的长方形缺口后粘附在裁成同样形状的背电极8上，随后一起贴附于固定抽替组件52上方。将固定抽替组件52插接固定于框架机构4的沟槽中。框架机构4上方正面设有轴承座，将轴承组件2固定在框架机构4的轴承座中，扇叶机构1的转轴插入轴承2中间空心部分进行固定。滑块机构3上方设有半径5mm的连接孔，扇叶机构1转轴尾部设有半径5mm的偏心凸块9，框架机构4上方设有长方形通孔，滑块机构3贯穿框架机构4上方的长方形通孔后与扇叶机构1尾部的偏心凸块9连接传动。将活动抽替组件51插入到滑块机构3的开槽中进行固定。偏心凸块9在以扇叶机构1中心为圆心做圆周运动，进而带动滑块机构3上下运动。安装在滑块机构3上的活动抽替组件51被滑块机构3带动上下运动，实现贴附于活动抽替组件51的第一摩擦层6和贴附于的固定抽替组件52的第二摩擦层7同步接触与分离并产生感应电流。
本发明所述第一摩擦层6的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层6的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层7的材质为聚四氟乙烯或尼龙，第二摩擦层7的厚度为50μm-1mm，背电极8的材质为铝或铜；所述第二摩擦层7进行电荷注入预处理；所述扇叶机构1、滑块机构3、框架机构4和抽替机构5的材质均为PLA或ABS。
本发明所述3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机通过扇叶机构将环境中的风能转换为转动形式的机械能，再由扇叶机构末端的偏心凸块和滑块机构的结合实现机械运动的转动变平动，从而使第一摩擦层与第二摩擦层周期性的接触与分离，经过摩擦起电和静电感应在两个摩擦层间产生等量相反的电荷。本发明所述3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机的特点是采用多层抽替机构构成夹心结构，能够在较小的空间中实现多个摩擦层的集成，且摩擦层之间能够充分接触，提高了摩擦纳米发电机的输出性能和空间利用率。
根据上述对3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机制作过程和工作原理的说明，按上述优选方案制造的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机的摩擦单元数为4个，4个第二摩擦单元的摩擦层粘附于活动抽替组件上，并安装在上下运动的滑块机构上。随着滑块机构的上下运动，4个第二摩擦单元的第二摩擦层分别与粘附在固定抽替组件的4个第一摩擦单元的第一摩擦层周期性的接触和分离，相同的摩擦单元通过导线并联连接。当扇叶机构被外部机械能驱动时，如图3和4所示的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机的最大短路电流与开路电压分别为0.2mA和＋1000V。该3D打印的夹心机构摩擦纳米发电机工作时可同时驱动100个LED灯发光。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (6)
1.一种3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，其特征在于包括抽替机构、滑块机构、扇叶机构和框架机构，框架机构上部设有轴承座，扇叶机构的转轴通过轴承组件固定于轴承座上，扇叶机构中转轴的末端设有偏心凸块，滑块机构滑配于框架机构的竖向滑道内，滑块机构的上部设有与偏心凸块相配的连接孔，转轴末端的偏心凸块插接于滑块机构的连接孔内实现扇叶机构与滑块机构的连接传动，抽替机构由活动抽替组件和固定抽替组件构成，固定抽替组件安装于框架机构上且该固定抽替组件上布置有第一摩擦单元，该第一摩擦单元包括粘附于固定抽替组件上方的背电极和粘附于背电极上方的第一摩擦层或者包括粘附于固定抽替组件上方的第一摩擦层，活动抽替组件安装于滑块机构上且该活动抽替组件上布置有与第一摩擦单元相对的第二摩擦单元，该第二摩擦单元包括粘附于活动抽替组件下方的背电极和粘附于背电极上的第二摩擦层，当扇叶机构在外界风力的作用下转动时通过转轴带动偏心凸块圆周运动，进而带动滑块机构上下运动，安装在滑块机构上的活动抽替组件被滑块机构带动进行上下运动，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层同步接触与分离并产生感应电流。
2.根据权利要求1所述的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯或尼龙，第二摩擦层的厚度为50μm-1mm。
3.根据权利要求1所述的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第二摩擦层进行高压极化处理以提高第二摩擦层表面的电荷密度。
4.根据权利要求1所述的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦单元和第二摩擦单元中的背电极均选用导电性良好的金、银、铂、铁、铜或铝中的一种或至少两种材料的合金，当第一摩擦单元中的背电极选用以上金属或合金时，该背电极同时作为第一摩擦层。
5.根据权利要求1所述的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，其特征在于：所述滑块机构上的活动抽替组件下方和框架机构上的固定抽替组件上方分别设置有海绵层。
6.根据权利要求1所述的3D打印的夹心结构摩擦纳米发电机，其特征在于：所述抽替机构、滑块机构、扇叶机构和框架机构的打印材料均选用机械性能和物理性能优良的PLA或ABS制得，选用的3D打印设备是基于熔融沉积式3D打印设备。
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