CN113472235A - 基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，包括动子和定子，所述动子包括第一硬质基板、电荷收集金属电极和两个摩擦金属电极，电荷收集金属电极设置在两个摩擦金属电极之间，且互不接触；所述定子包括第二硬质基板和绝缘介电层，绝缘介电层包括第一绝缘介电膜和第二绝缘介电膜，第一绝缘介电膜和第二绝缘介电膜构成电极对，且位于第二硬质基板的表面，第一绝缘介电膜和第二绝缘介电膜的电性相反。本发明通过设计交替的绝缘介电材料极性分布区域，实现了基于摩擦起电和空气击穿耦合的摩擦发电机的逆变交流输出。

Description

基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机
技术领域
本发明涉及发电机技术领域，特别涉及基于摩擦电效应和空气击穿耦合的 逆变摩擦发电机。
背景技术
随着物联网的发展，由于分布式电子器件的需求迅猛增长，自供电的电子 器件获得了越来越多的关注。在室温条件下，摩擦纳米发电机(TENG)被视为 一种新兴技术，由于其可以将环境中各种机械能转化为电能。此外，TENG还用 于以高灵敏度感知机械运动。
目前，摩擦纳米发电机有两种输出模式，一种是基于摩擦起电和静电感应 耦合形成的交流输出模式，另外一种是基于摩擦起电和空气击穿耦合的直流输 出模式。
众所周知，可以通过整流效应实现交流到直流的转换，则从对称性论证来 看，这里应该有基于摩擦起电和空气击穿耦合的逆变输出反机制(即将直流电 转换为交流电输出)。然而，目前没有相关发明研究摩擦纳米发电机的逆变输 出模式。因此，探索并发明具有新颖特性的摩擦纳米发电机输出新模式具有重 要意义。
发明内容
针对现有技术中摩擦发电机无逆变交流输出的问题，本发明提出基于摩擦 电效应和静电击穿耦合的逆变摩擦发电机，通过设计交替的摩擦材料极性分布 区域，实现了基于摩擦起电和空气击穿耦合的摩擦发电机的逆变交流输出。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，包括动子和定子，所 述动子包括第一硬质基板、电荷收集金属电极和两个摩擦金属电极，电荷收集 金属电极设置在两个摩擦金属电极之间，且互不接触；所述定子包括第二硬质 基板和绝缘介电层，绝缘介电层包括第一绝缘介电膜和第二绝缘介电膜，第一 绝缘介电膜和第二绝缘介电膜的电性相反，且位于第二硬质基板的表面。
优选的,所述绝缘介电层和第二硬质基板之间设置有柔性接触层。
优选的,所述摩擦金属电极的材料包括铜、铁、铝。
优选的,所述第一硬质基板和第二硬质基板为硬质绝缘材料或带有绝缘涂 层的金属基底，且第一硬质基板的长度小于第二硬质基板的长度，以保证动子 在滑动过程中产生持续的空气击穿。
优选的,所述电荷收集电极与定子上的绝缘介电层之间的间隙为d，以保证 动子在滑动过程中产生持续的空气击穿。
优选的,所述逆变摩擦发电机输出电荷Q＝σcWl，Q表示输出的电荷，W表 示绝缘介电层的宽度，σc表示绝缘介电层上的电荷密度，l表示动子相对于定子 的滑动距离。
优选的,所述第一绝缘介电膜采用聚酰亚胺，第二绝缘介电膜采用尼龙。
优选的,所述电荷收集金属电极的高度小于摩擦金属电极的高度。
优选的,所述柔性接触层采用弹性聚氨酯泡棉或硬质泡棉。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有 以下有益效果：
本发明通过耦合摩擦起电效应和空气击穿，并且定子上设计了极性相反的 绝缘介电材料交替分布，实现了直流转交流的逆变输出模式。
逆变式发电机的动子部分采用两个铜棒作为互相支撑的摩擦电极，一方面 是使得在同一种绝缘介电层上滑动时输出保持一致，另一方面是铜棒具有较好 的耐磨性。
定子上柔性接触层的设计，使得动子部分的摩擦电极与动子上的介电绝缘 层得到充分接触，可以延长发电机使用寿命。
动子部分多对电极的集成设计，使得发电机具备可调节的输出性能，以便 该发明的实际应用。该摩擦发电机设计简单、灵活、成本低、适用场景广。这 种交流发电机具有可调节的脉冲宽度比和幅值比，独特的输出特性使得该发明 更容易建立一个有效自供电智能系统。
附图说明：
图1为根据本发明示例性实施例1的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆 变摩擦发电机结构示意图，图1a为动子正视图，图1b为定子正视图。
图2为根据本发明示例性实施例1的摩擦发电机在不同对数的绝缘介电材 料和电极的输出性能示意图，图2a表示相同工作面积的绝缘介电层被分割成不 同对数的结构示意图，图2b表示发电机在不同对数绝缘介电材料下的电荷输出， 图2c表示发电机在不同对数绝缘介电材料下的电流输出,图2d表示定子上多对 电极的电荷输出,图2e表示定子上多对电极的电流输出，图2f表示电荷密度与 电极对数的关系。
图3为根据本发明示例性实施例1的摩擦发电机在不同滑动速度和匹配阻 抗下的输出示意图。图3a、图3b、图3c分布表示发电机在不同滑动速度下的 电荷输出、电流输出、电压输出，图3d、图3e分布表示动子在第一绝缘介电膜 和第二绝缘介电膜上滑动时发电机的匹配阻抗图。
图4为根据本发明示例性实施例1的摩擦发电机在第一绝缘介电膜和第二 绝缘介电膜上滑动时点亮LED灯示意图。
图5为根据本发明示例性实施例2的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆 变摩擦发电机的实时计算机模拟位移和方向控制系统示意图，图5a表示实时计 算机模拟的汽车位移和方向控制器，图5b、图5c、图5d分布汽车的三个运动 过程。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将 此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实 现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、 “下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、 “顶”、“底”“内”、“外”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，因此不能理 解为对本发明的限制。
实施例1
如图1所示，本发明提供基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电 机，包括动子和定子，动子是相对于定子滑动，定子可以固定和运动，动子和 定子互相配合，产生交流电输出，为负载提供电能。
本实施例中，如图1a所示为动子正视图，动子包括第一硬质基板1、电荷 收集金属电极2和摩擦金属电极3，摩擦金属电极3包括第一摩擦金属电极(位 于动子的左侧)和第二摩擦金属电极(位于动子的右侧)；电荷收集金属电极2 和两个摩擦金属电极3均固定在硬质基板1的下表面，电荷收集金属电极2固 定在两个摩擦金属电极3之间，且电荷收集金属电极2、两个摩擦金属电极3互 不接触，即电荷收集金属电极2和两个摩擦金属电极3之间具有空气间隙。
本实施例中，第一摩擦金属电极和第二摩擦金属电极通过导线并联，再和 电荷收集电极2共同通过导线与外界负载连接，从而将发电机的电流输出到外 界负载。
本实施例中，动子上电荷收集金属电极2、两个摩擦金属电极3的数量可以 根据所需要的电荷、电压、电流要求进行调整，摩擦电极3为电荷收集电极2 数量的两倍即可。
本实施例中，两个摩擦金属电极3为铜棒电极，直径范围为1.5-3mm，可 根据环境需要进行调节，摩擦电极直径越小，输出性能越好。电荷收集金属电 极2的结构为长方形，且电荷收集电极2与摩擦金属电极3的横向距离可以在 0.5-3mm之间调节，理论上，横向距离的变化并不影响发电机输出性能。
如图1b所示为定子正视图，定子包括第二硬质基板4、柔性接触层5、绝 缘介电层，绝缘介电层包括第一绝缘介电膜6和第二绝缘介电膜7；柔性接触层 5位于硬质基板4的上表面，第一绝缘介电膜6和第二绝缘介电膜7构成电极对， 且位于柔性接触层5的表面。
本实施例中，所述第一硬质基板1和第二硬质基板4为硬质绝缘材料或带 有绝缘涂层的金属基底。
本实施例中，柔性接触层5采用弹性聚氨酯泡棉，也可以采用硬质泡棉， 用于提高定子上第一绝缘介电膜6和第二绝缘介电膜7和动子上两个摩擦金属 电极3之间的表面接触。第一绝缘介电膜6和第二绝缘介电膜7的尺寸比例可 以任意调节，以保证适合特定的应用场景。
本实施例中，动子上的两个摩擦金属电极3可采用铜，也可以采用铁、铝 等金属导电材料，为金属导电电极；定子上的第一绝缘介电膜6和第二绝缘介 电膜7为绝缘材料，绝缘材料包括Kapton、PTFE、FEP、PET。
第一绝缘介电膜6(聚酰亚胺)和第二绝缘介电膜7(尼龙)具备相反的电 性，动子在定子上两个相反极性的绝缘介电膜上滑动，从而实现了逆变输出模 式的摩擦纳米发电机，且其结构简单灵活。若第一绝缘介电膜6(聚酰亚胺)和 第二绝缘介电膜7(尼龙)之间的电性差异较小，就会出现两个同方向的直流输 出，没有交流出现，即不能形成逆变输出模式。
本发明的工作原理如下(以动子向右滑动为例，向左滑动同理)：
当动子在第一绝缘介电膜6上滑动：
首先，动子位于定子的左侧(第一绝缘介电膜6位于定子的左侧，第二绝 缘介电膜7位于定子的右侧)，当动子相对于定子开始滑动时，由于摩擦起电 效应的存在，负电荷将会存在于定子的第一绝缘介电膜6(聚酰亚胺)表面，相 同数量的正电荷存在于动子右侧的第二摩擦金属电极，并且正电荷最终会转移 到电荷收集电极2上；在直线电极驱动下动子向右滑动，由于电荷收集电极2 和定子上的绝缘介电层之间有一个空气间隙，当静电场的强度大于空气间隙之 间空气的介电强度，空气将会被电离即空气击穿，然后正负离子中和位于第一 绝缘介电膜6(聚酰亚胺)和电荷收集电极2上的相反电荷，从而输出第一电流(正电荷)到外界负载；第一电流为直流电流。
当动子在第二绝缘介电膜7上滑动：
当动子继续向右滑行到第二绝缘介电膜7，由于第二绝缘介电膜7采用的 尼龙材料是一种电正性材料，由于摩擦起电效应，正电荷将存在与第二绝缘介 电膜7表面，等量负电荷聚集在动子右侧的第二摩擦电极上，随着电荷收集电 极2和第二绝缘介电膜7高电势差下的电荷累计，发电机输出与第一电流方向 相反的第二电流到外界负载，从而形成交流输出。
本实施例中，动子的尺寸小于定子尺寸(即第一硬质基板1的长度小于第 二硬质基板4的长度)，以保证动子在滑动过程中产生持续的击穿效果。
本实施例中，电荷收集电极2应与定子的上的绝缘介电膜6和第二正性绝 缘介电膜7有一定的空气间隙以保证空气击穿的形成，即电荷收集电极2高度 (垂直距离)小于摩擦金属电极3的高度(直径)，从而与定子不接触。
为方便理解，根据公式E＝ΔV/d，E、ΔV、d分别表示电场强度、电势差和 电荷收集电极2与定子之间的间隙。根据Paschen定律，空气中的介电强度是3 kV/mm，如果电场强度E大于3kV/mm，空气将会被电离并且导电；ΔV由电荷 收集电极2和定子之间的电荷密度所决定，当设定ΔV为常数时，在电荷收集电 极2和定子之间的电场强度E就会随着间隙d的减小而增大，越有利于击穿的 发生，所以空气间隙d越小，发电机输出性能越好。
本实施例中，当定子的长度固定时，可以被切分为不同对数(例如onepair、twopair、threepair、sixpair)的介电绝缘层，如图2a。不同对数的介电 绝缘层的发电机输出电荷和电流被显示在图2b、图2c。如图2d、图2e可知， 随着定子绝缘介电膜的对数增加，脉冲数量增加并且电流保持在一个稳定值， 然而，随着定子绝缘介电膜对数的增加，单个脉冲下的输出电荷是减小的，细 节分析如下：dQ＝σcWdx，dQ表示滑动距离dx所输出的电荷，W表示绝缘介电 膜的宽度，σc表示绝缘介电膜上的电荷密度。在滑动距离为l时，总的输出电 荷Q可以被描述为
Figure BDA0003201493030000071
因此，在运行过程中，当σc和W为常数时，输出电荷Q是随着动子在每种摩擦材料上滑动距离增加而增 加的。如图2f，定子上的电极对数是影响发电机输出的，当在定子上并联集成 电极对数增加时，发电机的电荷和电流是增大的。
动子的滑动速度是可以改变的，并且影响发电机的输出性能，如图3。发电 机在不同滑动速度下(0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s、0.6m/s、0.7m/s、0.8m/s)的电荷输出(图3a)、电流输出(图3b)、电压输出(图3c)， 滑块在尼龙上滑动时发电机的匹配阻抗图(图3d)和聚酰亚胺上滑动时发电机 的匹配阻抗图(图3e)。
本实施例中，第一硬质基板1是长、宽、厚分别为40mm、10mm、4mm 亚克力板。电荷收集电极2为长40mm，厚0.1mm，宽度可调节的铜箔。摩擦电 极(3)为两个对称的铜棒电极，长40mm、直径为1.5mm；定子中第二硬质基 板4是长、宽、厚分别为140mm、50mm、4mm亚克力板。柔性接触层5的长 宽与第二硬质基板4相同，厚度为1.5mm。第一绝缘介电膜6和第二绝缘介电 膜7之间没有空隙，贴附在柔性接触层5表面,分布采用50微米厚长为70mm 聚酰亚胺和长为70mm尼龙薄膜(即第一绝缘介电膜6材料为聚酰亚胺，第二 绝缘介电膜7材料为尼龙薄膜)，与柔性接触层5的宽度相同。
为了测试摩擦发电机的输出电性能，用直线电机在匀速直线运动模式下驱 动发电机，同时使用吉时利静电计(Keithley 6514)测量发电机输出性能。
如图4所示，当手动将滑块在两种电异性的介电材料上滑动时，发电机可 以在不加外部整流桥的情况下瞬间交替点亮228个直径为5mm的商业LED灯。
实施例2
动子尺寸与实施例1相同，定子尺寸中第二硬质基板4为长、宽、厚分别 为300mm、50mm、4mm亚克力板。柔性接触层5的长宽与第二硬质基板4相 同，厚度为1.5mm。第一绝缘介电膜6和第二绝缘介电膜7之间没有空隙，贴 附在柔性接触层5上,均采用50微米厚聚酰亚胺和尼龙薄膜，聚酰亚胺膜长为 100mm，尼龙薄膜长为200mm，宽均与柔性接触层5相同。
为了展示该发明独特性能的应用，设计了一种实时计算机模拟的汽车位移 和方向控制器(图5a)。如图5b、图5c、图5d所示，该车有三个运动过程，验 证了滑块在两种相反电负性介电材料上运动时表现出非常灵敏和高效的特性， 小车运动方向对应于图5a中发电机的电流方向。因此可以通过调节滑块的移动 距离来控制小车的移动距离，最重要的是可以通过切换滑块在两个介电材料上 滑动来改变小车运动方向。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实 施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本 发明的精神和范围。

Claims (9)

1.基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，包括动子和定子，其特征在于,所述动子包括第一硬质基板、电荷收集金属电极和两个摩擦金属电极，电荷收集金属电极设置在两个摩擦金属电极之间，且互不接触；所述定子包括第二硬质基板和绝缘介电层，绝缘介电层包括第一绝缘介电膜和第二绝缘介电膜，第一绝缘介电膜和第二绝缘介电膜的电性相反，且位于第二硬质基板的表面。
2.如权利要求1所述的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，其特征在于,所述绝缘介电层和第二硬质基板之间设置有柔性接触层。
3.如权利要求1所述的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，其特征在于,所述摩擦金属电极的材料包括铜、铁、铝。
4.如权利要求1所述的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，其特征在于,所述第一硬质基板和第二硬质基板为硬质绝缘材料或带有绝缘涂层的金属基底，且第一硬质基板的长度小于第二硬质基板的长度，以保证动子在滑动过程中产生持续的空气击穿。
5.如权利要求1所述的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，其特征在于,所述电荷收集电极与定子上的绝缘介电层之间的间隙为d，以保证动子在滑动过程中产生持续的空气击穿。
6.如权利要求1所述的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，其特征在于,所述逆变摩擦发电机输出电荷Q＝σcWl，Q表示输出的电荷，W表示绝缘介电层的宽度，σc表示绝缘介电层上的电荷密度，l表示动子相对于定子的滑动距离。
7.如权利要求1所述的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，其特征在于,所述第一绝缘介电膜采用聚酰亚胺，第二绝缘介电膜采用尼龙。
8.如权利要求1所述的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，其特征在于,所述电荷收集金属电极的高度小于摩擦金属电极的高度。
9.如权利要求2所述的基于摩擦电效应和空气击穿耦合的逆变摩擦发电机，其特征在于,所述柔性接触层采用弹性聚氨酯泡棉或硬质泡棉。
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