CN112468012A - 一种3d打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，在人力驱动摇臂或风力驱动风力扇叶作用下带动转轴圆周运动，并由转轴带动外转子转动以实现通过筒形壳体内侧壁上的滚轴对弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步接触分离，第一摩擦层和第二摩擦层接触摩擦起电。本发明具有结构简单、外表美观、输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点。

Description

一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机

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打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机。

背景技术

摩擦纳米发电机是由王中林院士及其科研团队于2012年开发的一种可以将机械能转换为电能的发电装置，自其诞生以来已经成功实现了将自然界中不同形式的机械能转化为电能，例如风能、潮汐能、雨滴落下的重力势能以及人体运动过程中的机械能等多种能量形式，成功实现了最高可达上千伏特的开路电压和毫安级别的短路电流。摩擦纳米发电机以其制作成本低廉、结构简单、转化效率高及无污染的特点，受到了越来越多科研工作者的关注。

随着科技的发展与进步，人们日常生活中所使用到的电子器件更新换代的速度逐渐加快，且电子设备的体积也越来越小，可移动性也越来越高，正因为如此，移动电源的需求量也变得越来越大。就目前而言，电能是人类赖以生存的最重要的能量形式之一，而获取电能的主要方式依然是传统火力发电，即燃烧化石燃料产生电能，在加重能源负担的同时对环境造成了严重的污染。同时，当佩戴的电子器件电能消耗殆尽时，如何对其充电是决定这类设备便携式发展的关键。摩擦纳米发电机作为一种清洁的电能获得装置，在产生电能的同时不会释放有害物质，且可以实现随时随地为电子设备充电的目的。

为了利用不同形式的机械能，研究者们开发出了不同结构的摩擦纳米发电机。如滚轮式摩擦纳米发电机能够将滚动的机械能转化为电能。但传统滚轮式摩擦纳米发电机在转动时由于摩擦力较大，造成摩擦层材料磨损严重，这不利于对滚动式机械能的收集利用，因此，探寻能够将滚动能转化为对摩擦层材料磨损影响较小的接触分离形式的能量，成为研究滚动式机械能的关键。此外，传统滚轮式摩擦纳米发电机制作过程较为繁琐，且操作难度较大。因此，如果能够将3D打印技术融入摩擦纳米发电机的制作过程，将对滚轮式摩擦纳米发电机制作的便捷性和自由性提升起到决定性作用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、设计合理且成本低廉的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，以此来解决摩擦纳米发电机在能量收集方面等问题。

为了达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：该摩擦纳米发电机主要由内定子和外转子构成，其中内定子包括支撑柱及沿圆周方向依次均匀交替设置于支撑柱上的弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元，第一摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第二摩擦层，支撑柱的一端设有安装座且内定子通过该安装座固定于支撑板上；外转子包括与内定子相配的筒形壳体及沿圆周方向均匀设置于筒形壳体内侧壁上的滚轴，筒形壳体铰接安装于支撑座上，该筒形壳体的一端固定安装有封装端盖，封装端盖外侧与转轴一端固定连接，转轴通过轴承座固定于支撑架上，转轴另一端与摇臂或风力扇叶连接，用于在人力驱动摇臂或风力驱动风力扇叶作用下带动转轴圆周运动，并由转轴带动外转子转动以实现通过筒形壳体内侧壁上的滚轴对弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步接触分离，第一摩擦层和第二摩擦层接触摩擦起电，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，当两个接触面在外力作用而分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，致使相互接触分离的第一摩擦层与第二摩擦层间电势周期性变化，驱动电子流向外电路产生交流电。

进一步限定，所述第一摩擦层均经高压设备进行高压5kV的电荷预注入极化处理，提高单位面积电荷密度，进而提高电流输出，通过这种方法可以使得第一摩擦层与第二摩擦层之间产生的电荷量更大，进而可以提升电流输出效率和数据输出稳定性。

进一步限定，所述第一摩擦单元与第二摩擦单元的摩擦层按照弧形均匀分布，形成面对面的形式，且所贴合的金属箔的形状和尺寸大小均相同。

进一步限定，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的形状和尺寸大小相同，但是厚度却并不相同，这样制作出的内定子在外界滚轴进行转动时可以产生不同大小的承受力，使得一组摩擦层能够贴合的更加紧密。

进一步限定，所述第一摩擦单元中第一摩擦层为聚合物薄膜，并均进行了高压5kV的电荷预注入处理，第二摩擦单元中的第二摩擦层均未做出电荷预注入处理。

进一步限定，所述第一摩擦单元中弧形长板状基底与第二摩擦单元中弧形长板基底材质相同，均为绝缘材料，并使用3D打印技术进行增材制造，所使用到的材料为TPU材料。

进一步限定，所述外转子使用的材料同样为3D打印技术进行的增材制造，使用材料为PLA材料。

进一步限定，所述第一摩擦单元与第二摩擦单元中的金属箔导电层面积和形状与第一摩擦层和第二摩擦层相等。

本发明设计并制作的一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，第一摩擦层均经过电荷预注入处理，提高摩擦层电荷密度；所述3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机整体结构采用多接触层同步接触分离的圆周阵列弧形长板结构，可以使各摩擦层能够同步进行接触分离式运动，大大的提高了空间利用率，在外观非常美观的前提下又兼顾了输出特性和输出稳定性；所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的摩擦层的数量可以根据应用场景和需求相应的增加或减少，控制其输出特性以扩大其应用范围。所述3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机可以在不同风俗环境下进行不同频率的接触分离运动，应用性较强。

本发明3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的输出性能由多重因素共同决定，包括摩擦层所选材料、摩擦接触层数量、连接风力扇叶的转轴的转动频率等，目前利用10个摩擦层制备的摩擦纳米发电机的最佳输出短路电流和开路电压分别为150μA和+90V（每个摩擦层有效接触面积为30cm²）。在应用上10个摩擦层摩擦纳米发电机可同时点亮70个LED灯。

本发明的有益效果是：本发明的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机具有结构简单、外表美观、输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点，这种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机可以将大自然中的风能、水流势能等机械能转化为圆周运动的的能量，并将这些能量转化为可以使两个摩擦层进行接触分离的挤压力，并产生电荷，应用范围广。

本发明提供的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的优势在于：

（1）通过对两个摩擦层基底之间的距离进行严格把控和均匀划分，使各摩擦层能够尽量同步的进行接触或分离，尽可能的提高了摩擦纳米发电机的输出功率和输出稳定性，所述3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机在结构设计上有效利用了空间，并且该发电机的结构美观，同时也提高了摩擦纳米发电机的空间利用率。

（2）所述第一摩擦层聚合物经过高压设备在高压5kV的条件下进行电荷注入预处理，这种方法的优势大大提高了聚合物表面的电荷密度，该方法与对摩擦层做微纳结构处理的方法相比较来看，可以获得更高的输出性能，同时该方法的步骤简易，容易操作，也降低了制作成本，有利于推广应用。

（3）所述3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的动力源采用转轴连接的外转子结构，这种结构可以将风能等机械能通过转轴传递到外壳中，进而带动外转子进行圆周运动，可以提高摩擦纳米发电机的应用范围。

附图说明

图1是3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的分解示意图和装配示意图；

图2是3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的基底的整体示意图；

图3是3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的基底的截面示意图；

图4是3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的外壳的整体示意图；

图5是3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的外壳的截面示意图；

图6是3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的基底和外壳组装后的结构示意图；

图7是3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的短路电流；

图8是3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的电压波形曲线。

图中：1-支撑板、2-支撑座、3-转轴、4-摇臂、5-筒形壳体、6-滚轴、7-第一摩擦单元、8-第二摩擦单元、9-封装端盖、10-支撑架。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机主要由内定子和外转子构成，其中内定子包括支撑柱及沿圆周方向依次均匀交替设置于支撑柱上的弧形叶片状第一摩擦单元7和弧形叶片状第二摩擦单元8，第一摩擦单元7包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第二摩擦层，支撑柱的一端设有安装座且内定子通过该安装座固定于支撑板1上；外转子包括与内定子相配的筒形壳体5及沿圆周方向均匀设置于筒形壳体5内侧壁上的滚轴6，筒形壳体5铰接安装于支撑座2上，该筒形壳体5的一端固定安装有封装端盖9，封装端盖9外侧与转轴3一端固定连接，转轴3通过轴承座固定于支撑架10上，转轴3另一端与摇臂4或风力扇叶连接，用于在人力驱动摇臂或风力驱动风力扇叶作用下带动转轴圆周运动，并由转轴带动外转子转动以实现通过筒形壳体内侧壁上的滚轴对弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步接触分离，第一摩擦层和第二摩擦层接触摩擦起电，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，当两个接触面在外力作用消失而分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，致使相互接触分离的第一摩擦层与第二摩擦层间电势周期性变化，驱动电子流向外电路产生交流电。

本实施方式中，所述两个导电层由可导电的金属材料制成，采用的金属材料包括铜或铝中的一者或者两者的任意比例合金。优选地，所述两个导电层的面积相同，并通过导线输出产生的静电荷形成电流。

本实施方式中，所述摩擦材料由具有相反电负性的薄膜材料组成，第二摩擦层为金属电极板Cu、Al以及尼龙等，优选为Cu。所述3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的摩擦层材质和尺寸可变，摩擦导电层的尺寸可大可小，摩擦导电层的数量也可以适当增减。

本实施方式所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的工作原理为：首先在任何频率条件下的圆周运动的外力作用下，通过转动摇臂或转动风力扇叶的作用力下，带动外转子进行旋转，使得多个彼此之间有相对距离的第一摩擦层和第二摩擦层能同时进行接触分离运动，摩擦层上产生大量的摩擦静电荷（负电荷），电极板上产生等量的相反电荷。

第一摩擦单元与第二摩擦单元的两个电极板直接用导线连接时，即在短路条件下，当带电摩擦层接触或分离时，电荷会发生流动，进而形成电流。当第一摩擦单元与第二摩擦单元的两个金属电极未连接时，即在开路条件下，两个摩擦层的电极板在一定时刻电势不同，形成电势差。当两个电极间连接负载时，往复运动导致电荷在两个电极间通过负载不断往复流动，从而对负载供电。

下面给出制造本实施方式所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的一个优选方案，但该3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的制造并不限制于此。

在该优选方案中：选择使用3D打印技术进行弧形长板状阵列式基底的制造，制作该基底时3D打印机所用的耗材为TPU材料。弧形长板状基底的尺寸为70mm×100mm；选择面积为30mm×100mm面积的导电层，导电层材质为Cu，厚度为50μm～1mm，优选0.1mm；第一摩擦单元的摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，第二摩擦单元的摩擦层为Cu，此处第二摩擦层与电极板均为金属，可以直接用电极充当摩擦层，摩擦层尺寸同导电层尺寸一致，覆盖程度为100%。

根据上述对摩擦纳米发电机工作原理的说明按上述优选方案制造的摩擦纳米发电机的摩擦单元数为5个，5个第一摩擦单元的第一摩擦层在弧形长板状基底上均匀阵列式排布；分别与阵列式弧形长板状基底上的第二摩擦单元中的第二摩擦层进行接触分离，各相同摩擦单元中的电极板用导线并联连接。当摇臂或风力扇叶带动外转子进行转动时，则如图7和图8所示的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的最大短路电流与开路电压分别为150μA和+90V。

利用该3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机可以进行风能与人体机械能的收集，在该摩擦纳米发电机工作时可以同时驱动70个LED灯发光。

因此，可知本发明的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机具有结构简单、成本低廉、经久耐用、有较为稳定的输出性能等优点，同时这种独特的圆周阵列式的弧形长板状结构可以进行方便地改变所述3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的摩擦层数量，进而调整其输出性能。同时，该3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的弧形长板状基底可以对其进行正反贴膜，提高输出频率，可以使摩擦纳米发电机进行近似的不间断供电，即断电间隙小。本发明所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的两种摩擦单元总是同时接触或分离。另外本发明所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机对振动频率的要求不高，可以将自然界中低频振动的能量转化为电能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：该摩擦纳米发电机主要由内定子和外转子构成，其中内定子包括支撑柱及沿圆周方向依次均匀交替设置于支撑柱上的弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元，第一摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第二摩擦层，支撑柱的一端设有安装座且内定子通过该安装座固定于支撑板上；外转子包括与内定子相配的筒形壳体及沿圆周方向均匀设置于筒形壳体内侧壁上的滚轴，筒形壳体铰接安装于支撑座上，该筒形壳体的一端固定安装有封装端盖，封装端盖外侧与转轴一端固定连接，转轴通过轴承座固定于支撑架上，转轴另一端与摇臂或风力扇叶连接，用于在人力驱动摇臂或风力驱动风力扇叶作用下带动转轴圆周运动，并由转轴带动外转子转动以实现通过筒形壳体内侧壁上的滚轴对弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步接触分离，第一摩擦层和第二摩擦层接触摩擦起电，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，当两个接触面在外力作用而分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，致使相互接触分离的第一摩擦层与第二摩擦层间电势周期性变化，驱动电子流向外电路产生交流电。

2.根据权利要求1所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的摩擦层圆周阵列式面对面设置，且形状、尺寸大小相同。

3.根据权利要求1所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：第二摩擦单元中的第二摩擦层为金属导电层时直接用金属箔做摩擦层。

4.根据权利要求1所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：多个第一摩擦单元的金属导电层并联，多个第二摩擦单元的金属电极板并联。

5.根据权利要求1所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：选择使用3D打印技术制作的圆周阵列的弧形长板状模型作为基底，使用的材料为柔性的TPU材料，阵列式基底尺寸为70mm×100mm；导电层材质为Cu，尺寸为30mm×100mm，厚度为50μm～1mm，选择使用3D打印技术制作的圆筒状外转子作为外壳，对内部的基底进行周期性按压，使用的材料为PLA材料。

6.根据权利要求1所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦层在高压5kV的条件下进行电荷注入预处理。

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