CN112737399A - 一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其组件包括：质量块、内圆筒、内圆筒盖板、轴承、片状薄膜阵列、中心轴、外圆筒、电极阵列、拱形柔性薄膜阵列、外圆筒盖板。本发明的发电部分为片状薄膜阵列和电极阵列构成的感应式纳米发电机；拱形柔性薄膜阵列与片状薄膜阵列之间接触摩擦使片状薄膜阵列交替带正负静电荷；其它部分保证片状薄膜阵列与电极阵列之间相对运动。由于片状薄膜阵列和电极阵列之间非接触无摩擦，而且拱形柔性薄膜数量很少，极大的减小了发电机的阻力。本发明能收集微弱转动、振动或摆动的能量并将微弱转动、振动或摆动的能量转化为电能。

Description

一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机

技术领域

本发明属于发电机技术领域，具体地，涉及一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机。

背景技术

摩擦起电现象是现实生活中最常见的现象之一，这一现象早在公元前就被人们观察到。但在2012年之前，人们却一直没有研究摩擦起电的实际应用。2012年，王中林教授课题组首次发明了摩擦纳米发电技术，人们才开始意识到摩擦起电产生的电可以被收集利用。随着研究的不断深入，人们越来越清晰的意识到，摩擦纳米发电技术未来在能量收集和自驱动传感中有着巨大的应用前景。

任意两种不同物质之间的相互摩擦或接触，两种物质表面都会产生极性相反的电荷。用现代微加工的方法将材料表面形貌制成纳米结构、或通过化学方法用纳米管、纳米颗粒等修饰材料的表面，都能大大提高摩擦起电的电量。由于相互摩擦或接触之后两种材料表面的电荷极性是相反的，所以会形成电势差。若将两个电极分别靠近这两种材料的表面，那么两个电极之间就会有电势差。此时如果将两个电极连接成通路，就会有电流从高电势处流向低电势处，这就是摩擦纳米发电机的基本原理。由于摩擦纳米发电机能够实现简单、可靠、高效且低成本的能量收集，特别是在低频情况下较传统的电磁发电更具优势，自2012年王中林教授提出这个全新的技术以来，这个领域引起了世界各国能源界和科学界的广泛关注，不断有研究人员投身于这个领域，使得摩擦纳米发电机在短短的八年时间里取得了超乎想象的巨大发展。

转动式滑动独立层模式的摩擦纳米发电机是该领域的一个重要研究方向。最初这种摩擦纳米发电机中产生摩擦电荷的两个摩擦层之间多为滑动式的硬-硬接触。这种接触一方面，会不断加大材料的磨损程度，缩短器件的使用寿命；另一方面，这种接触使得两摩擦层之间摩擦阻力过大，为克服摩擦力则需消耗大量的机械能。2018年，文献[ACS Nano12,9433-9440]中报道了一种基于片状柔性薄膜的旋转式摩擦纳米发电机，利用柔性聚合物薄膜与金属电极之间为柔性接触的特点，克服了传统转动式摩擦纳米发电机器件中摩擦层之间为硬-硬接触，导致摩擦阻力很大限制实际应用的缺点。但该发明需要注意转动的方向不能反向，对于往复振动或摆动更是无能为力。2020年，文献[Nano Energy 74,104937]中报道了一种基于拱形柔性薄膜的摆动式超低阻力摩擦纳米发电机，其独特的拱形膜结构使得收集往复摆动或振动的能量成为可能。但以上两篇文献中薄膜的个数均为电极个数的一半，虽然柔性接触减小了阻力，但薄膜与电极之间的静电吸引力却无法避免，加上薄膜数量众多，这样的吸引力使得收集微弱振动能量变得不可能。如果要再将阻力降低，必然需要减少膜的个数，这样又会使得输出减小。

发明内容

本发明的目的在于迎合现今能量采集和传感器需求，提供一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，用于采集振动或摆动的机械能。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，包括：内圆筒、内圆筒盖板、中心轴、轴承、外圆筒、外圆筒盖板、拱形柔性薄膜阵列、片状薄膜阵列、电极阵列。

电极阵列位于外圆筒内表面，等间距排列，个数为偶数。单个电极在粘贴到外圆筒之前形状为矩形，可用铜、铝、银等导电材料制作。该电极阵列被均分后串联形成电极I和电极II，相邻两个电极分别属于电极I和电极II。

拱形柔性薄膜阵列与外圆筒内表面连接，且与内圆筒外表面弹性接触连接，随着内圆筒和外圆筒之间的相对运动，拱形柔性薄膜阵列和内圆筒外表面之间会相互摩擦。

所述拱形柔性薄膜可将长方形柔性薄膜两对边粘贴到外圆筒内表面制成，拱形柔性薄膜的个数为至少1个，优选1到4个，所述拱形柔性薄膜在外圆筒内侧表面均匀分布了电极阵列之后，占据该处电极的位置而与内圆筒外表面的片状薄膜阵列弹性接触连接，拱形柔性薄膜选择电负性强的绝缘薄膜材料制作。

所述拱形柔性薄膜的占据是指将该处的电极替换为拱形柔性薄膜，或是将拱形柔性薄膜直接粘贴到电极上。

片状薄膜阵列由等宽的矩形薄膜粘贴到内圆筒外表面一周，片状薄膜的个数与未设置拱形柔性薄膜前的电极个数相同，片状薄膜阵列与电极阵列之间不相互接触。

片状薄膜阵列为两种不同材料组成；任意相邻的两个片状薄膜之一是电负性大于或等于拱形柔性薄膜阵列所用材料，记为薄膜I，另一个是电正性强的薄膜II。

外圆筒、电极阵列、拱形柔性薄膜阵列、外圆筒盖板构成定子；质量块、内圆筒、片状薄膜阵列、内圆筒盖板构成转子。

当拱形柔性薄膜阵列由1个拱形柔性薄膜构成时，中心轴设置于内圆筒内，中心轴与两个内圆筒盖板固定，两端同时从两个外圆筒盖板上设置的轴承穿出，从而使转子可以绕中心轴自由转动；

当拱形柔性薄膜阵列由2个以上拱形柔性薄膜构成时，中心轴设置于外圆筒内，内圆筒内部一侧还集中固定有质量块，中心轴穿过两个内圆筒盖板上设置的轴承，两端同时与两个外圆筒盖板分别固定，从而使转子可以绕中心轴自由摆动。

质量块的质量和重心可根据实际应用情景调整，质量块材料不限、形状不限。

所述外圆筒由亚克力或塑料等绝缘材料制作，或用金属制作并在内表面贴绝缘层；所述中心轴由硬塑料或金属制作。

所述摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机整个装置可以封装，外圆筒内既可充入有利于摩擦起电的气体如氩气等，也可根据外圆筒材料的硬度适度抽真空。

本发明主要用于采集自然界环境中广泛存在的各种振动机械能并转换为电能。当外圆筒、电极阵列、拱形柔性薄膜阵列、外圆筒盖板构成的定子往复振动时，由内圆筒、片状薄膜阵列、内圆筒盖板构成的转子部分会相对定子来回摆动；当由内圆筒、片状薄膜阵列、内圆筒盖板构成的转子部分随外界策动力转动时，由外圆筒、电极阵列、拱形柔性薄膜阵列、外圆筒盖板构成的定子固定，二者相对转动。由于拱形柔性薄膜固定在外圆筒内表面，所以拱形柔性薄膜与薄膜I和II往复摩擦。由于所用薄膜II和拱形柔性薄膜之间的摩擦极性差别很大，不断摩擦导致薄膜II带正电而拱形柔性薄膜带负电；由于所用薄膜I的电负性大于等于拱形柔性薄膜，薄膜I将带负电，因此薄膜I和薄膜II之间就会存在电势差。由于电极阵列与片状薄膜阵列距离很近，由于静电感应，电极I和电极II之间也会产生电势差。如果两电极之间形成通路，电路上就会有交流电流流过。

本发明的有益效果如下：

一、由于拱形柔性薄膜的个数远远小于电极个数的一半，克服了文献[NanoEnergy 74,104937]所述模型形柔性薄膜过多静电吸引力过大的缺点，而且片状柔性薄膜阵列与电极阵列之间非接触无摩擦阻力，因此可以采集更微弱振动的能量；二、可根据实际应用场景调节内圆筒内部质量块的质量大小和重心位置，使转子和定子之间的固有振动频率与外界驱动力频率匹配、获得较大的摆动幅度，从而提高输出；三、当拱形薄膜的个数减少为1个、质量块质量调整为零、中心轴与内圆筒固定在一起、两个轴承设置在外圆筒盖板并使中心轴两端固定到轴承上，本发明也可以收集旋转的能量。所以，本发明既可以采集微弱的旋转能量，也可以采集微弱振动的能量，大大拓宽了本发明的适用环境。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。另外，在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按照实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是本发明所提供的摆动式超低阻力摩擦纳米发电机在去掉外圆筒盖板时沿轴线方向的俯视图；

图2是本发明所提供的摆动式超低阻力摩擦纳米发电机的爆炸图；

图3是本发明所提供的摆动式超低阻力摩擦纳米发电机的转子相对定子往复摆动的示意图；

图4是本发明所提供的转动式超低阻力摩擦纳米发电机的爆炸图；

图5是本发明所提供的转动式超低阻力摩擦纳米发电机的转子相对定子转动的示意图；

图6是摆动式摩擦纳米发电机左右振动的坐标图；

图7是对比例摆动式摩擦纳米发电机的短路电流输出图；

图8是实施例1摆动式超低阻力摩擦纳米发电机的短路电流输出图。

附图标记：

1-定子，101-外圆筒，102-电极阵列，104-拱形柔性薄膜阵列，105-外圆筒盖板；

2-转子，201-内圆筒，202-内圆筒盖板，203-片状薄膜阵列，205-质量块；

301-中心轴，302-轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式详细说明。应当了解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于清晰、详细的描述本发明，并不用于限制本发明。

实施例1摆动式超低阻力摩擦纳米发电机

如图1所示，本发明所提供的摆动式超低阻力摩擦纳米发电机在去掉外圆筒盖板时沿轴线方向的俯视图，包括：定子1和转子2。

如图2所示，摆动式超低阻力摩擦纳米发电机的爆炸图，包括：外圆筒101，二十八片矩形电极组成的电极阵列102，两个拱形柔性薄膜组成的拱形柔性薄膜阵列104，中心轴301；内圆筒201，三十二个片状薄膜组成的片状薄膜阵列203，质量块205；内圆筒盖板202厚度3mm，直径90mm，采用亚克力材料制作；所选轴承302内径8mm，外径16mm，厚4mm，嵌于内圆筒盖板202正中央；外圆筒盖板105厚度3mm，直径100mm，采用亚克力材料制作；外圆筒盖板105正中央有直径8mm、深2mm的柱状槽。

外圆筒101高94mm，内直径94mm，壁厚约3mm。内圆筒201高85mm，内直径84mm，壁厚约3mm。均采用亚克力材料制作。

矩形电极阵列102由二十八片铜箔构成，单片铜箔长和宽分别为85mm和8mm，采用背面带有粘性的铜箔制作，同时考虑缺失的四个电极所占空间，二十八片铜箔等间距地粘贴在外圆筒101内侧表面。奇数号电极被导线串联在一起构成电极I，偶数号电极被导线串联在一起构成电极II。

拱形柔性薄膜阵列104由两片矩形FEP薄膜构成，单片薄膜长和宽分别为85mm和20mm，厚度为12.5μm，矩形FEP薄膜的两个长边分别有3mm宽度粘贴在外圆筒101内表面，占据缺失的电极位置，这里的两个长边在粘贴之后正好重合从而薄膜形成拱形面，拱形面与内圆筒外表面的片状薄膜阵列203弹性接触。

片状薄膜阵列203由十六片长85mm，宽8.8mm，厚30μm的FEP薄膜构成薄膜I；十六片长85mm，宽8.8mm，厚30μm的尼龙66薄膜构成薄膜II。薄膜I和薄膜II交替贴满内圆筒201的外表面。片状薄膜阵列203与电极阵列之间的间隙为1mm左右。

中心轴301为圆柱形，直径8mm，长98mm，采用亚克力材料制作。穿过在内圆筒两个盖板中心固定的轴承302，中心轴301的两端分别固定在两个外圆筒盖板105中央的柱状槽内。

质量块205为三十分之一圆柱体，材料为铜，圆柱体长80mm，直径87mm左右，三十分之一铜圆柱体质量约为130g，平行于中心轴301粘贴于内圆筒201内表面。

如图3所示，如果外界机械能带动定子1往复振动时相当于给转子2施加了一个周期性的策动力，转子2就会相对定子1来回摆动。薄膜II与拱形柔性FEP薄膜的摩擦表面就会使薄膜II表面失电子带正电荷而柔性FEP薄膜表面得电子带负电荷；薄膜I与拱形柔性FEP薄膜的摩擦会使拱形柔性FEP薄膜上的负电荷部分转移到薄膜I上，从而薄膜I会带负电荷。因此内圆筒外表面上的薄膜I与薄膜II之间会形成电势差。由于静电感应，外圆筒内表面的电极I和II之间也会产生电势差。由于片状薄膜阵列相对电极的往复运动，电极I和II的电势差会周期性变化，如果将电极I和II连成回路，回路中就会输出交流电流。

实施例2转动式超低阻力摩擦纳米发电机

如图4所示，转动式超低阻力摩擦纳米发电机的爆炸图，包括：外圆筒101，三十片矩形电极组成的电极阵列102，一个拱形柔性薄膜组成的拱形柔性薄膜阵列104；内圆筒201，三十二个片状薄膜组成的片状薄膜阵列203，中心轴301；内圆筒盖板202厚度3mm，直径90mm，采用亚克力材料制作；内圆筒盖板202正中央有直径8mm通透的圆孔；所选轴承302内径8mm，外径16mm，厚4mm，嵌于外圆筒盖板105正中央；外圆筒盖板105厚度3mm，直径100mm，采用亚克力材料制作。

外圆筒101高94mm，内直径94mm，壁厚约3mm。内圆筒201高85mm，内直径84mm，壁厚约3mm。均采用亚克力材料制作。

矩形电极阵列102由三十片铜箔构成，单片铜箔长和宽分别为85mm和8mm，采用背面带有粘性的铜箔制作，同时考虑缺失的两个电极所占空间，三十片铜箔等间距地粘贴在外圆筒101内侧表面。奇数号电极被导线串联在一起构成电极I，偶数号电极被导线串联在一起构成电极II。

拱形柔性薄膜阵列104由一片矩形FEP薄膜构成，单片薄膜长和宽分别为85mm和20mm，厚度为12.5μm，矩形FEP薄膜的两个长边分别有3mm宽度粘贴在外圆筒101内表面，占据缺失的电极位置，这里的两个长边在粘贴之后正好重合从而薄膜形成拱形面，拱形面与内圆筒外表面的片状薄膜阵列203弹性接触。

片状薄膜阵列203由十六片长85mm，宽8.8mm，厚30μm的FEP薄膜构成薄膜I；十六片长85mm，宽8.8mm，厚30μm的尼龙66薄膜构成薄膜II。薄膜I和薄膜II交替贴满内圆筒201的外表面。片状薄膜阵列203与电极阵列之间的间隙为1mm左右。

中心轴301为圆柱形，直径8mm，长98mm，采用亚克力材料制作。中心轴301与内圆筒两个盖板固定，两端分别从两个外圆筒盖板105中央设置的轴承302穿出。

不设置质量块。

如图5所示，定子1固定，如果外界机械能通过伸出来的中心轴301带动转子2转动时相当于给转子2施加了一个转动力矩，转子2就会相对定子1转动。薄膜II与拱形柔性FEP薄膜的摩擦表面就会使薄膜II表面失电子带正电荷而柔性FEP薄膜表面得电子带负电荷；薄膜I与拱形柔性FEP薄膜的摩擦会使拱形柔性FEP薄膜上的负电荷部分转移到薄膜I上，从而薄膜I会带负电荷。因此内圆筒外表面上的薄膜I与薄膜II之间会形成电势差。由于静电感应，外圆筒内表面的电极I和II之间也会产生电势差。由于片状薄膜阵列相对电极的旋转运动，电极I和II的电势差会周期性变化，如果将电极I和II连成回路，回路中就会输出交流电流。

对比例摆动式摩擦纳米发电机(申请号201910355766.4)

如申请号201910355766.4所述的摆动式摩擦纳米发电机，包括：

外圆筒，三十二片矩形电极阵列，中心轴；内圆筒，十六个拱形柔性薄膜阵列，质量块。内圆筒盖板厚度3mm，直径85mm，采用亚克力材料制作；所选轴承为内径8mm，外径16mm，厚4mm，嵌于内圆筒盖板202正中央。外圆筒盖板厚度3mm，直径100mm，采用亚克力材料制作；外圆筒盖板正中央有直径8mm、深2mm的柱状槽。外圆筒高94mm，内直径94mm，壁厚约3mm。内圆筒高85mm，内直径79mm，壁厚约3mm。均采用亚克力材料制作。

电极阵列由三十二片矩形铝箔构成，单片铝箔长和宽分别为85mm和8mm，采用背面带有粘性的铝箔制作，等间距地粘贴在外圆筒内侧表面。奇数号电极被导线串联在一起构成电极I，偶数号电极被导线串联在一起构成电极II。

拱形柔性薄膜阵列由十六片矩形FEP薄膜构成，单片薄膜长和宽分别为80mm和30mm，厚度为12.5μm，矩形FEP薄膜的两个长边分别有3mm宽度粘贴在内圆筒外表面，这里的两个长边在粘贴之后正好重合从而薄膜形成拱形面，拱形面与电极弹性接触。

中心轴为圆柱形，直径8mm，长98mm，采用亚克力材料制作。上下两端分别穿过两个内圆筒盖板中心固定的轴承，分别固定在两个外圆筒盖板中央的柱状槽内。

质量块为三十分之一圆柱体，材料为铜，圆柱体长80mm，直径79mm左右，三十分之一铜圆柱体质量约为130g，平行于中心轴粘贴于内圆筒内表面。

当简谐振动振幅A为30mm，频率为1.5Hz(图6)时，比较对比例与实施例1发电机的短路电流输出，分别如图7和8所示。可见，实施例1不但电流峰值大于对比例，而且电流频率远大于对比例，从而平均电流输出远远大于对比例。

因此，由于采取拱形FEP薄膜结构，所以本发明具有文献[Nano Energy 74,104937]一样的优势，即定子1和转子2之间的相对运动并不局限于转动，还可以往复摆动。更重要的是，由于片状薄膜阵列与电极之间非接触无摩擦阻力，同时拱形FEP薄膜的数量远远小于电极数量的一半，从而相比文献[Nano Energy 74,104937]，静电吸引力大大减小，可以用来采集更微弱的转动或摆动的能量，大大拓宽了本发明的适用环境。

以上实施例详细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，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同物界定。

Claims (10)

1.一种摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

定子(1)和套设在其内的转子(2)，

定子(1)包括外圆筒(101)、电极阵列(102)、拱形柔性薄膜阵列(104)和外圆筒盖板(105)，所述电极阵列(102)和拱形柔性薄膜阵列(104)固定于外圆筒(101)内壁，外圆筒(101)上下两端分别与两个外圆筒盖板(105)固定；所述拱形柔性薄膜阵列(104)由至少1个拱形柔性薄膜构成，所述拱形柔性薄膜在外圆筒(101)内侧表面均匀分布了电极阵列(102)之后，占据该处电极的位置而与内圆筒(201)弹性接触连接；

转子(2)包括内圆筒(201)、内圆筒盖板(202)和片状薄膜阵列(203)，所述片状薄膜阵列(203)固定于内圆筒(201)外壁且均匀分布，片状薄膜的数量与未设置拱形柔性薄膜前的电极数量相同，片状薄膜阵列(203)与拱形柔性薄膜阵列(104)弹性接触连接，随着内圆筒(201)和外圆筒(101)之间的相对运动，拱形柔性薄膜阵列(104)和片状薄膜阵列(203)之间相互摩擦，电极阵列(102)与片状薄膜阵列(203)之间有微小缝隙保证二者无接触；内圆筒(201)上下两端分别与两个内圆筒盖板(202)固定；

所述发电机还包括中心轴(301)和轴承(302)，

当拱形柔性薄膜阵列(104)由1个拱形柔性薄膜构成时，中心轴(301)设置于内圆筒(201)内，中心轴(301)与两个内圆筒盖板(202)固定，两端同时从两个外圆筒盖板(105)上设置的轴承(302)穿出，从而使转子(2)可以绕中心轴(301)自由转动；

当拱形柔性薄膜阵列(104)由2个以上拱形柔性薄膜构成时，中心轴(301)设置于外圆筒(101)内，内圆筒(201)内部一侧还集中固定有质量块(205)，中心轴(301)穿过两个内圆筒盖板(202)上设置的轴承(302)，两端同时与两个外圆筒盖板(105)分别固定，从而使转子(2)可以绕中心轴(301)自由摆动。

2.根据权利要求1所述的摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的电极阵列(102)均匀分布于外圆筒(101)内侧表面，个数为偶数，所有电极经过串联形成电极I和电极II且相邻两个电极分别位于电极I和电极II上。

3.根据权利要求1所述的摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于：所述拱形柔性薄膜是将长方形柔性薄膜两对边粘贴到外圆筒(101)内表面制成，拱形柔性薄膜的个数为1到4个，拱形柔性薄膜阵列(104)均匀分布于外圆筒(101)内侧表面，拱形柔性薄膜选择电负性强的绝缘薄膜材料制作。

4.根据权利要求1或2所述的摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电极由导电薄膜材料制作。

5.根据权利要求1所述的摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于，所述拱形柔性薄膜的占据是指将该处的电极替换为拱形柔性薄膜，或是将拱形柔性薄膜直接粘贴到电极上。

6.根据权利要求1所述的摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于：所述片状薄膜阵列(203)为两种不同绝缘材料组成；任意相邻的两个片状薄膜之一是电负性大于或等于拱形柔性薄膜阵列(104)所用材料，记为薄膜I，另一个是电正性强的薄膜II。

7.根据权利要求1所述的摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于：质量块(205)的质量和重心、拱形柔性薄膜的个数、电极个数都可根据实际应用情景调整。

8.根据权利要求1所述的摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于：当中心轴(301)设置于外圆筒(101)内时，整个装置可以封装，外圆筒(101)内可充入有利于摩擦起电的气体，或为低真空状态。

9.根据权利要求1所述的摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于，所述的外圆筒(101)由内壁绝缘的材料制作。

10.根据权利要求1所述的摆动/转动式超低阻力摩擦纳米发电机，其特征在于，所述的中心轴(301)为圆棒、或半圆棒、或方棒，由硬塑料或金属制作。

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