CN113162460A - 一种静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，属于微能源系统领域；包括定子、转子、马赛克式驻极体膜以及导电电极；定子为一端开口的套筒结构；转子同轴设置于定子开口端，转子能够通过外部驱动相对定子进行周向旋转和轴向位移；马赛克式驻极体膜铺贴于转子的外周面上，导电电极铺贴于定子内周面上；通过外部驱动转子与定子产生相对运动，相对位置发生变化，由静电感应原理，导电电极上同一区域在一定时间内感应出相反电荷，产生电流。本发明采用马赛克式图形化驻极体，有效提高了灵敏度；轴向直线运动和周向旋转运动中，驻极体材料与电极板都能够快速交替，产生快速变化的感应电荷，两种运动的结合，可用于双自由度复合运动能量收集。

Description

一种静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器
技术领域
本发明属于微能源系统领域，具体涉及一种静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器。具体可以将旋转运动及直线往复运动的机械能转换为电能，进而发电以及检测运动情况。
背景技术
近十年来，随着摩擦纳米发电技术的飞速发展，与之相关的材料、仪器以及充电方式层出不迭，为摩擦纳米技术的可持续发展做出了巨大的贡献。由于静电感应原理无需使电极材料与导体直接接触，极大地减小了摩擦阻尼。因而，静电式发电储能设备在摩擦纳米发电技术的应用中占据了相当大的比例，能够实现高效的机械能收集。自然界中的运动往往是多自由度的，即多向运动。然而，许多静电式发电机仅能收集单向运动机械能，无法对多自由运动机械能同步收集。而且在收集单向运动机械能的发电机进行能量收集时，其余方向的运动激励往往会对该收集装置起到不利的影响，如失稳以及影响结构强度等。因而，如何收集双自由度，乃至多自由度运动机械能成为了当前研究的空白领域，亟待解决。
近来，电晕放电法得到了越来越广泛的应用，通过针尖放电促使驻极体带电已成为多数驻极体发明的通用手段。但是如何在已有方法的基础上，对充电产品进行改造与利用成为了当前的热门研究方向。多数驻极体产品的应用创新集中于改变机械结构，而本发明由驻极体图形模式化入手进行创新，为现有技术提供了一种新思路。
经过对现有技术的检索发现，在专利号为“CN111641347A”，题为“一种捕获风能和声能的摩擦纳米发电机”的发明中报道了一种旋转类收集风能的发电机构。其利用风力使得叶片旋转，进而带动驻极体发电。但是利用风能推动扇叶旋转转换能量的同时，风车轴势必会收到轴向作用力。该结构非但无法利用轴向能量，还会由于轴向力的冲击作用给结构带来额外负载，降低其耐度。同时由于其驻极体区域化较为分散，相对运动时能量转换效率较低，对于微弱能量收集效果不佳。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，将驻极体膜进行马赛克式充电，极大地优化了平面利用率，同时为收集多自由度运动机械能提供了技术可能。
本发明的技术方案是：一种静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，其特征在于：包括定子、转子、马赛克式驻极体膜以及导电电极；所述定子为一端开口的套筒结构；转子为圆柱结构，同轴设置于定子开口端，并与定子内周面之间形成等距的环形空气间隙，转子能够通过外部驱动相对定子进行周向旋转和轴向位移；所述马赛克式驻极体膜铺贴于转子的外周面上，导电电极铺贴于定子内周面上；
所述马赛克式驻极体膜包括若干正方形结构的正电区和非带电区，所述正电区与非带电区为相邻、并交错排布形成马赛克结构，覆盖于整个转子的外周面；
所述导电电极包括若干正方形结构的感应一区和感应二区，所述感应一区和感应二区相邻并交错排布，覆盖于整个定子的内周面，相邻感应区之间留有间隙；其中，感应一区与马赛克式驻极体膜的正电区对应，感应二区与马赛克式驻极体膜的非带电区对应；各感应一区的方形区域之间通过对角导线连接，以保证整个电极的导电区域的统一性，各感应二区的方形区域之间也通过对角导线连接；进而将整个导电电极面分为两部分，即相邻感应区电路不相通，对角感应区电路相通；输出导线分别从感应一区和感应二区引出；
通过外部驱动转子的输入轴，与定子产生相对运动，马赛克式驻极体膜上的带电激励源区域与导电电极感应区域的相对位置发生变化，由静电感应原理，导电电极上同一区域在一定时间内感应出相反电荷，在外接回路时，产生电流。
本发明的进一步技术方案是：所述马赛克式驻极体膜的正电区通过电晕极化放电法为其进行充电。
本发明的进一步技术方案是：所述马赛克式驻极体膜的厚度为200μm，其正电区和非带电区均为边长1cm的正方形区域。
本发明的进一步技术方案是：所述导电电极采用铜进行电子印刷技术加工而成。
本发明的进一步技术方案是：所述马赛克式驻极体膜采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅。
本发明的进一步技术方案是：所述马赛克式驻极体膜及导电电极通过粘结剂分别黏接在转子的外圆柱面与定子的内周上。
本发明的进一步技术方案为：所述定子内径为70-100mm，轴向长度为50-60mm；转子外径为65-90mm，轴向长度为30-40mm。
本发明的进一步技术方案为：所述转子进行轴向直线运动与周向旋转运动，相互独立，输出电压随转速及轴向运动速度增大而增大。
有益效果
本发明的有益效果在于：在以往对驻极体静电发电机的设计和改善中，人们还未从驻极体材料在电极板上的布局角度来改善发电机的整体性能。本发明对驻极体电极板的结构和布局进行了创新设计和改善，提升了其对于各类机械结构的适配性。同时，将驻极体薄膜充电区域的细分也是开创性的成果，为实现多自由度运动机械能采集、多自由度运动检测与分析提供了原理技术方案。
与现有驻极体极板的设计相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明采用马赛克式图形化驻极体，在优化的结构参数范围内，将平面细分为方形区域，形成密集、交错排列的方形驻极体栅格，在微小位移下，即可实现感应电流的形成，即有效提高了灵敏度，为微小运动下相对位移运动能量收集提供了设计基础。
2.实现多向运动发电耦合，提升其在各种机械结构中的适用性。特殊的驻极体材料布局能实现多方向发电，突破了驻极体发电机对发电结构运动形式的限制。在轴向直线运动和周向旋转运动中，驻极体材料与电极板都能够快速交替，产生快速变化的感应电荷，两种运动的结合，可用于双自由度复合运动能量收集。且根据电路需要，调整转子的转速或轴向运动速度即可实现不同电量的输出。
本发明马赛克式驻极体膜与导电电极配合的发电机理，当驻极体膜相对于导电电极纵向或横向运动时，导电电极的感应一区和感应二区带有的电荷量不断变化，即对角线上的方形区域电荷量同步变动，相邻的方形区域电荷量异步变动；将导电电极的感应一区和感应二区通过外电路联通，则电荷经由外电路进行转移，进而实现了在转子进行旋转及轴向直线耦合运动时，能够持续输出电流。
附图说明
图1为本发明实例示意图；
图2为导电电极结构示意图；
图3为马赛克式驻极体膜示意图；
图4为本发明展开结构发电示意图；
图5为机构在周向旋转和轴向直线运动输入下的输出性能图；
图6为输出电压随转速变化实验数据图；
图7为本发明整体装配示意图；
附图标记说明：1、定子，2、转子，3、马赛克式驻极体膜，4、导电电极；3-1、正电区，3-2、非带电区，4-1、感应一区，4-2、感应二区，4-3、第一组，4-4、第二组。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器至少包括定子1、转子2、马赛克式驻极体膜3以及导电电极4。定子1为一端开口的套筒结构；转子2为圆柱结构，与其输入轴为过盈配合，以保证转子2与输入轴的同步运动；转子2同轴设置于定子1开口端，并与定子1内周面之间形成等距的环形空气间隙，转子2能够通过外部驱动相对定子进行周向旋转和轴向位移；马赛克式驻极体膜3铺贴于转子的外周面上，导电电极4铺贴于定子内周面上；
如图3所示，马赛克式驻极体膜3包括若干正方形结构的正电区3-1和非带电区3-2；正电区3-1与非带电区3-2为相邻、交错排列形成马赛克结构，每个正方形区域边长为1cm,分布于整张驻极体薄膜上。
所述正电区3-1通过电晕极化放电法为其进行充电；在电晕极化放电中，针尖连接高压电源正极，控制开路电压在3kV以上，接入高压之后，针尖附近的空气分子被强电场电离为正负离子，在空间电场的作用下加速轰击下方放置的驻极体薄膜，进而使得驻极体薄膜在吸附离子的同时自身发生极化。
所述马赛克式驻极体薄膜3的制作也依赖于导电电极，将充电完成的驻极体薄膜剪成与导电单元大小相同的方块，采用黏合剂将其粘接在另一张导电电极相应的感应一区，进而简便地实现了导电电极感应区与驻极体薄膜正电区的对应，提高了发电效率。
如图2所示，导电电极4包括若干正方形结构的感应一区4-1和感应二区4-2，感应一区4-1和感应二区4-2相邻并交错排布，相邻感应区之间留有间隙；感应一区4-1与马赛克式驻极体膜3中正电区对应，感应二区4-2与驻极体膜中非带电区对应；各感应一区4-1的方形区域间通过对角导线连接，以保证整个电极导电区域的统一性，各感应二区4-2的方形区域间也通过对角导线连接，进而将整个导电电极平面分为了两部分；导电电极采用铜进行PCB加工制成；输出导线分别从感应一区4-1和感应二区4-2引出。
所述导电电极4采用铜进行电子印刷技术加工而成，所述PCB电路板通过每一个导电单元对角连接，将整个平面电路分成两块区域，感应一区4-1和感应二区4-2；两组对角线，第一组4-3和第二组4-4分别置于导电单元的上层和下层，彼此间互相不连通，保证了电流的完整输出。
通过外部驱动转子的输入轴，与定子产生相对运动，马赛克式驻极体膜上的带电激励源区域与导电电极感应区域的相对位置发生变化，由静电感应原理，导电电极上同一区域在一定时间内感应出相反电荷，在外接回路时，产生电流。所述静电式发电机理为静电感应原理；当带有正电的驻极体区域正对于导电电极的相应区域上时，导电电极上感应出相反的负电荷；在运动过程中，驻极体带电区域远离导电电极正对区域，非带电区域靠近导电电极的同一区域，此时该区域电荷量随驻极体带电区域的远离而减少；在导电电极输出端口接入外电路，由电荷守恒原理可知，外电路中会产生电流，进而将运动机械能转换为电能.
如图4所示，在对输入轴输入旋转运动、轴向往复直线运动时，转子与之同步运动；从导电电极展开图观察，在旋转时，驻极体薄膜相对于导电电极横向运动，对角方形区域电荷同步变化，电荷经过外接回路在相邻方形区域间流动，产生横向感应电流；在轴向往复直线运动时，驻极体薄膜相对于导电电极纵向运动，产生纵向感应电流；在两种运动耦合输入时，两组电流叠加输出，输出效率升高。
如图5和6所示，分别为旋转运动与轴向运动时的输出电压特性，显而易见两种运动能量的复合收集输出性能远大于其中单自由度能量收集。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，其特征在于：包括定子、转子、马赛克式驻极体膜以及导电电极；所述定子为一端开口的套筒结构；转子为圆柱结构，同轴设置于定子开口端，并与定子内周面之间形成等距的环形空气间隙，转子能够通过外部驱动相对定子进行周向旋转和轴向位移；所述马赛克式驻极体膜铺贴于转子的外周面上，导电电极铺贴于定子内周面上；
所述马赛克式驻极体膜包括若干正方形结构的正电区和非带电区，所述正电区与非带电区为相邻、并交错排布形成马赛克结构，覆盖于整个转子的外周面；
所述导电电极包括若干正方形结构的感应一区和感应二区，所述感应一区和感应二区相邻并交错排布，覆盖于整个定子的内周面，相邻感应区之间留有间隙；其中，感应一区与马赛克式驻极体膜的正电区对应，感应二区与马赛克式驻极体膜的非带电区对应；各感应一区的方形区域之间通过对角导线连接，以保证整个电极的导电区域的统一性，各感应二区的方形区域之间也通过对角导线连接；进而将整个导电电极面分为两部分，即相邻感应区电路不相通，对角感应区电路相通；输出导线分别从感应一区和感应二区引出；
通过外部驱动转子的输入轴，与定子产生相对运动，马赛克式驻极体膜上的带电激励源区域与导电电极感应区域的相对位置发生变化，由静电感应原理，导电电极上同一区域在一定时间内感应出相反电荷，在外接回路时，产生电流。
2.根据权利要求1所述静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，其特征在于：所述马赛克式驻极体膜的正电区通过电晕极化放电法为其进行充电。
3.根据权利要求1所述静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，其特征在于：所述马赛克式驻极体膜的厚度为200μm，其正电区和非带电区均为边长1cm的正方形区域。
4.根据权利要求1所述静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，其特征在于：所述导电电极采用铜进行电子印刷技术加工而成。
5.根据权利要求1所述静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，其特征在于：所述马赛克式驻极体膜采用派瑞林Parylene、特氟龙Teflon或二氧化硅。
6.根据权利要求1所述静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，其特征在于：所述马赛克式驻极体膜及导电电极通过粘结剂分别黏接在转子的外圆柱面与定子的内周上。
7.根据权利要求1所述静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，其特征在于：所述定子内径为70-100mm，轴向长度为50-60mm；转子外径为65-90mm，轴向长度为30-40mm。
8.根据权利要求1所述静电式旋转、直线往复运动耦合能量收集器，其特征在于：所述转子进行轴向直线运动与周向旋转运动，相互独立，输出电压随转速及轴向运动速度增大而增大。
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