CN114123842B - 一种弧形自回弹摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，包括底板，底板顶部设有弧形盖板，发电机组件包括连接在弧形盖板底部的上电极，上电极底部连接有摩擦层，底板顶部连接有下电极，弧形盖板内壁处连接有形变组件，弧形盖板的内壁上连接有多个摩擦增加件，且弧形盖板在形变达到一定程度后带动上摩擦层与下电极摩擦；底板设有拆装组件，且拆装组件用于将弧形盖板从底板处拆出，此弧形自回弹摩擦纳米发电机，通过在弧形盖板内壁设计形变组件，在外力使弧形盖板发生变形后，形变组件同步保证整个弧形盖板的形变运动，同时弧形盖板上连接的摩擦增加件，可以根据外力变换相应改变摩擦层和下电极之间摩擦。

Description

一种弧形自回弹摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，具体为一种弧形自回弹摩擦纳米发电机。

背景技术

随着现代社会和经济的快速发展，在物联网(IoT)新时代，基于分布式、便携式实时传感技术的大数据采集和分析显得尤为重要。运动数据对运动员来说非常重要，正在成为赢得比赛不可或缺的手段。因为它不仅可以获得运动时间、频率、速度等重要信息，还可以通过这些信息直观地了解运动员的状态，但是较大的体积以及相对固定的位置限制了其对特定时间和情况的分析。因此，针对以上问题采用一种分布式无线传感网络设备，成为一种可解决的思路。

分布式无线传感网络的供电一直是一个难点，但在其应用的领域生物机械能却一直存在，例如心脏跳动产生的能量、人或动物在运动时会产生能量，但这些能量过于微小难以收集，近年来，王中林等人于2012 年发明了摩擦纳米发电机（TENG），它是一种基于接触带电和静电感应耦合效应将机械能转化为电能的有效装置，具有低成本、结构简单、重量轻、功率密度高的独特优势，TENG已被证明在生物机械能收集和高精度自供电传感系统中具有全面的应用,由于摩擦纳米发电机发电时通过摩擦运动引起电荷运动，由于产生摩擦的外力不同，导致摩擦运动不同，且由于包裹在摩擦纳米电机外壳运动受外力影响程度不同，从而使得摩擦运动后纳米电机外壳恢复不同，导致输出不同，为此，我们提出了一种弧形自回弹摩擦纳米发电机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，包括底板，所述底板顶部设有弧形盖板，所述弧形盖板顶部为平顶状，所述底板和弧形盖板形成的腔体处设置有发电机组件，所述发电机组件包括连接在弧形盖板底部的上电极，所述上电极底部连接有摩擦层，所述底板顶部连接有下电极，所述摩擦层在所述弧形盖板受到外力压迫时与所述下电极发生重复接触分离运动；所述弧形盖板内壁处连接有形变组件，且形变组件在弧形盖板顶部受力后将带动整个弧形盖板发生形变，所述弧形盖板的内壁上连接有多个摩擦增加件，且弧形盖板在形变达到一定程度后带动上摩擦层与下电极摩擦；所述底板设有拆装组件，方便将弧形盖板从底板处拆出。

优选的，所述形变组件包括设置在弧形盖板平顶状底部的连接圈板，所述连接圈板上连接有多个收缩肋条，且收缩肋条一侧与弧形盖板内壁连接，且收缩肋条外侧设有多个收缩凹槽，所述连接圈板顶部连接有多个滑动杆，且滑动杆滑动穿过弧形盖板顶部平顶状区域，所述滑动杆外侧连接有复位弹簧，且复位弹簧一端与弧形盖板内壁连接，所述滑动杆穿过弧形盖板顶部处连接有按压块，复位弹簧有利于滑动杆的复位。

优选的，所述摩擦增加件包括连接在弧形盖板内壁的膨胀球体，所述膨胀球体一端连通有伸缩气管，且伸缩气管内壁处连接有限位板，所述限位板上设有通气孔，所述限位板一侧连接有支撑弹簧，且支撑弹簧另一端连接有摩擦胶球，所述伸缩气管位于摩擦胶球的一端分布在下电极处，所述膨胀球体顶部连接有弹性连杆，且弹性连杆与弧形盖板的内壁连接，支撑弹簧有利于摩擦胶球的复位。

优选的，所述拆装组件包括连接在弧形盖板底部的的卡圈，所述卡圈底部等角度连接有三个弧形卡块，所述底板上等角度设有与弧形卡块相互匹配的弧形槽，所述弧形卡块穿过弧形槽的一端连接有凸起胶块，所述弧形卡块的内壁连接有吸附盘，所述底板底部连接有将弧形卡块顶出的顶出件，通过通气空腔内部与吸附盘相互吸附。

优选的，所述顶出件包括设置在底板底部的顶起圈，且顶起圈与凸起胶块相互配合，所述底板内部设有通气空腔，且通气空腔处设有与吸附盘相互配合的通气口，所述通气空腔底部连接有通气塞口，所述通气塞口外侧连接有环形块，且环形块上连接有与通气塞口相互配合的顶起柱，所述环形块外侧连接有多个连接板，且连接板一端与顶起圈连接，所述连接板底部连接有伸缩胶体，且伸缩胶体与底板连接，伸缩胶体便于底板的伸缩处理。

优选的，所述弧形盖板为圆形，其侧壁为弧形，并且均匀设置了四个换气口与一个线孔，换气口便于弧形盖板的回复。

优选的，所述弧形盖板为TPU（热塑性聚氨酯弹性体橡胶）材料经D打印制成，TPU材料有利于弧形盖板的弹性复位。

优选的，所述上电极采用铜薄膜材料，所述摩擦层采用FEP（全氟乙烯丙烯共聚物）材料，所述下电极采用铝薄膜材料，所述底板采用聚甲基丙烯酸甲酯材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明，设计弧形盖板的摩擦纳米发电机，使施加在其上的外力消失之后，可以不需要外力辅助，自动恢复到初始位置，使摩擦纳米发电机可连续工作，从而高效的收集生物机械能，通过在弧形盖板内壁设计的形变组件，在使弧形盖板发生变形后，形变组件同步保证整个弧形盖板的形变运动，从而有利于弧形盖板上连接的摩擦层和下电极摩擦产生移动电荷，同时弧形盖板上连接的摩擦增加件，可以根据外力变换相应改变摩擦层和下电极之间摩擦。

2、本发明，设计使得该器件可以批量装配在马鞍上，每个器件作为一个传感器，形成一个分布式无线传感网络，从而来监测运动员在骑行时的运动数据，通过大数据采集和分析统计结果，可以获得运动员的运动习惯数据，辅助训练进而制定更好的比赛策略。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明整体仰视结构示意图；

图3为本发明整体局部剖切结构示意图;

图4为本发明整体爆炸结构示意图;

图5为弧形盖板处结构示意图;

图6为本发明中顶出件处结构示意图;

图7为图6的另一角度结构示意图;

图8为底板局部剖切结构示意图;

图9为摩擦增加件局部剖切结构示意图;

图10为图3中A处区域放大结构示意图;

图11为图6中B处区域放大结构示意图。

图中：1-底板；2-弧形盖板；3-上电极；4-摩擦层；5-下电极；6-形变组件；7-摩擦增加件；8-拆装组件；9-顶出件；11-通气空腔；12-通气塞口；21-换气口；22-线孔；61-连接圈板；62-收缩肋条；63-收缩凹槽；64-滑动杆；65-复位弹簧；66-按压块；71-膨胀球体；72-伸缩气管；73-限位板；74-通气孔；75-支撑弹簧；76-摩擦胶球；77-弹性连杆；81-卡圈；82-弧形卡块；83-弧形槽；84-吸附盘；85-凸起胶块；91-顶起圈；92-环形块；93-顶起柱；94-连接板；95-伸缩胶体；96-通气口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-11，本发明提供一种技术方案：一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，包括底板1，此处的底板1外形设计为圆盘状，所述底板1顶部设有弧形盖板2，所述弧形盖板2顶部为平顶状，所述底板1和弧形盖板2形成的腔体处设置有发电机组件，所述发电机组件包括连接在弧形盖板2底部的上电极3，所述上电极3底部连接有摩擦层4，所述底板1顶部连接有下电极5，所述摩擦层4在所述弧形盖板2受到外力压迫时与所述下电极5发生重复接触分离运动；所述弧形盖板2内壁处连接有形变组件6，且形变组件6在弧形盖板2顶部受力后将带动整个弧形盖板2发生形变，所述弧形盖板2的内壁上连接有多个摩擦增加件7，且在弧形盖板2发生一定的变形程度后下电极5与摩擦层4之间摩擦；所述底板1设有拆装组件8，且拆装组件8用以将弧形盖板2从底板1处拆出，在使用本方案中装置进行摩擦发电时，外力加压在弧形盖板2处，由于弧形盖板2具有弹性，在受压作用下，弧形盖板2向下电极5处运动，固定连接在弧形盖板2内壁的上电极3以及摩擦层4向下运动，摩擦层4和下电极5摩擦接触，便于产生摩擦电荷，从而产生电势差，形成电流，同时连接在弧形盖板2内壁的形变组件6，便于弧形盖板2的整体变形，且摩擦增加件7有利于根据弧形盖板2的变形程度形成电势差，进而形成电流。

本发明中的纳米发电机主要包括两大部分，一是弧形盖板2，二是底板1。弧形盖板2采用热塑性聚氨酯经3D打印制成，主要起到结构的支撑与恢复形变的作用。一片圆形铜箔作为上电极3，直径与弧形盖板2的盖顶一致，并紧贴于盖顶内壁，一片表面光滑的圆形FEP薄膜作为摩擦层4，直径与上电极3一致，并紧贴于上电极3之上。在弧形盖板2的弧面上均匀设置了四个圆形换气口21，并在弧形顶盖的边上设置了一个长方形线孔22，用来进出线束。底板1采用亚克力经激光切割制成，直径与弧形盖板2的最大直径一致，一片圆形铝箔作为下电极5，同心放置于底板1之上，直径与摩擦层4一致。弧形盖板2周围的底边与底板1相连，组装成一个完整的摩擦纳米发电机装置。

弧形盖板2为热塑性聚氨酯材料制成，因为材料本身的特性，加之弧形结构不易变形的特点，使器件可以在消除外加应力后，不需要外力辅助迅速恢复形变，使摩擦纳米发电机可连续工作。弧形盖板2在侧面弧面上等距设置了四个换气口21，用于施加或释放应力时快速排气，平衡器件内外压差。顶盖底边设置的长方形线孔22，用于两根垂直接触分离模式线束的进出。

摩擦纳米发电机在工作时，在外界压力作用下，弧形盖板2会变形和弯曲，摩擦层4靠得更近，由于摩擦电性能不同，会在摩擦层4表面感应出负电荷，而当摩擦层4接触下电极5时，由于其对电子的亲和力更高，电子将转移到上电极3，并在下电极5上感应出正电荷。上电极3上的正电荷会导致更高的电位，电子会通过外电路在两个电极之间转移以抵消电势差，在外电路中形成电流。

本方案中所述形变组件6包括设置在弧形盖板2平顶状底部的连接圈板61，所述连接圈板61上连接有多个收缩肋条62，且收缩肋条62一侧与弧形盖板2内壁连接，且收缩肋条62外侧设有多个收缩凹槽63，所述连接圈板61顶部连接有多个滑动杆64，且滑动杆64滑动穿过弧形盖板2顶部平顶状，所述滑动杆64外侧连接有复位弹簧65，且复位弹簧65一端与弧形盖板2内壁连接，所述滑动杆64穿过弧形盖板2顶部处连接有按压块66。所述摩擦增加件7包括连接在弧形盖板2内壁的膨胀球体71，所述膨胀球体71一端连通有伸缩气管72，且伸缩气管72内壁处连接有限位板73，所述限位板73上设有通气孔74，所述限位板73一侧连接有支撑弹簧75，且支撑弹簧75另一端连接有摩擦胶球76，所述伸缩气管72位于摩擦胶球76的一端分布在下电极5处，所述膨胀球体71顶部连接有弹性连杆77，且弹性连杆77与弧形盖板2的内壁连接，在外界力接触到弧形盖板2前，由于滑动杆64伸出弧形盖板2处，当外力接触到滑动杆64上的按压块66，从而使得滑动杆64带动复位弹簧65向下挤压连接圈板61，同时由于连接圈板61外侧固定连接多个具有伸缩性的收缩肋条62，收缩肋条62内侧和弧形盖板2的内壁相互缝合，使得在外界力作用下，便于同时带动四个收缩肋条62收缩运动，进而将整个弧形盖板2向下发生形变，同时在滑动杆64的复位作用下，便于将弧形盖板2复位到原来位置，因为在收缩肋条62的外侧处设计的收缩凹槽63便于整条的收缩肋条62的收缩运动，在弧形盖板2变形运动时，由于弹性连杆77和弧形盖板2固定连接，从而使得弹性连杆77对膨胀球体71挤压，便于使得膨胀球体71产生的加压气体沿着伸缩气管72流动，当气体通过通气孔74后，便于气体推动摩擦胶球76在摩擦层4和下电极5之间摩擦，由于摩擦胶球76采用塑料材质，避免摩擦产生电荷的转移，摩擦胶球76便于摩擦层4和下电极5之间根据外力对弧形盖板2变形相应产生摩擦，增加摩擦力度，从而便于摩擦产生的电势差根据摩擦力度进行相应改变。

进一步所述拆装组件8包括连接在弧形盖板2底部的的卡圈81，所述卡圈81底部等角度连接有三个弧形卡块82，所述底板1上等角度设有与弧形卡块82相互匹配的弧形槽83，所述弧形卡块82穿过弧形槽83的一端连接有凸起胶块85，所述弧形卡块82的内壁连接有吸附盘84，所述底板1底部连接有将弧形卡块82顶出的顶出件9。所述顶出件9包括设置在底板1底部的顶起圈91，且顶起圈91与凸起胶块85相互配合，所述底板1内部设有通气空腔11，且通气空腔11处设有与吸附盘84相互配合的通气口96，所述通气空腔11底部连接有通气塞口12，所述通气塞口12外侧连接有环形块92，且环形块92上连接有与通气塞口12相互配合的顶起柱93，所述环形块92外侧连接有多个连接板94，且连接板94一端与顶起圈91连接，所述连接板94底部连接有伸缩胶体95，且伸缩胶体95与底板1连接，在弧形盖板2内部需要更换时，通过手指按压顶起柱93，因为顶起柱93和通气塞口12相互配合，在加压作用下，便于通气塞口12打开，从而使得通气空腔11气体失去，使得吸附盘84从吸附位置处脱离，同时在顶起柱93向下运动时，顶起柱93和环形块92固定连接，在对顶起柱93挤压作用下，从而使得环形块92带动多个连接板94，在连接板94底部连接多个伸缩胶体95，伸缩胶体95便于上下伸缩运动，由于连接板94和顶起圈91固定连接，从而使得顶起圈91顶动凸起胶块85从弧形槽83处脱离，因为凸起胶块85和弧形卡块82固定连接，且弧形卡块82和卡圈81固定连接，且卡圈81和弧形盖板2底部固定连接，从而使得弧形盖板2从底板1处脱离，便于拆装处理。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，包括底板（1），所述底板（1）顶部设有弧形盖板（2），所述弧形盖板（2）顶部为平顶状，其特征在于：所述底板（1）和弧形盖板（2）形成的腔体处设置有发电机组件，所述发电机组件包括连接在弧形盖板（2）底部的上电极（3），所述上电极（3）底部连接有摩擦层（4），所述底板（1）顶部连接有下电极（5），所述摩擦层（4）在所述弧形盖板（2）受到外力压迫时与所述下电极（5）发生重复接触分离运动；

所述弧形盖板（2）内壁处连接有形变组件（6），且形变组件（6）在弧形盖板（2）顶部受力后将带动整个弧形盖板（2）发生形变，所述弧形盖板（2）的内壁上连接有多个摩擦增加件（7），且在弧形盖板（2）发生一定的变形程度后下电极（5）与摩擦层（4）接触摩擦；

所述底板（1）设有拆装组件（8），且拆装组件（8）用于将弧形盖板（2）从底板（1）处拆出；

所述摩擦增加件（7）包括连接在弧形盖板（2）内壁的膨胀球体（71），所述膨胀球体（71）一端连通有伸缩气管（72），且伸缩气管（72）内壁处连接有限位板（73），所述限位板（73）上设有通气孔（74），所述限位板（73）一侧连接有支撑弹簧（75），且支撑弹簧（75）另一端连接有摩擦胶球（76），所述伸缩气管（72）位于摩擦胶球（76）的一端分布在下电极（5）处，所述膨胀球体（71）顶部连接有弹性连杆（77），且弹性连杆（77）与弧形盖板（2）的内壁连接；

所述弧形盖板（2）为圆形，其侧壁为弧形，并且均匀设置了四个换气口（21）与一个线孔（22）。

2.根据权利要求1所述的一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，其特征在于：所述形变组件（6）包括设置在弧形盖板（2）平顶状底部的连接圈板（61），所述连接圈板（61）上连接有多个收缩肋条（62），且收缩肋条（62）一侧与弧形盖板（2）内壁连接，且收缩肋条（62）外侧设有多个收缩凹槽（63），所述连接圈板（61）顶部连接有多个滑动杆（64），且滑动杆（64）滑动穿过弧形盖板（2）顶部平顶状，所述滑动杆（64）外侧连接有复位弹簧（65），且复位弹簧（65）一端与弧形盖板（2）内壁连接，所述滑动杆（64）穿过弧形盖板（2）顶部处连接有按压块（66）。

3.根据权利要求1所述的一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，其特征在于：所述拆装组件（8）包括连接在弧形盖板（2）底部的的卡圈（81），所述卡圈（81）底部等角度连接有三个弧形卡块（82），所述底板（1）上等角度设有与弧形卡块（82）相互匹配的弧形槽（83），所述弧形卡块（82）穿过弧形槽（83）的一端连接有凸起胶块（85），所述弧形卡块（82）的内壁连接有吸附盘（84），所述底板（1）底部连接有将弧形卡块（82）顶出的顶出件（9）。

4.根据权利要求3所述的一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，其特征在于：所述顶出件（9）包括设置在底板（1）底部的顶起圈（91），且顶起圈（91）与凸起胶块（85）相互配合，所述底板（1）内部设有通气空腔（11），且通气空腔（11）处设有与吸附盘（84）相互配合的通气口（96），所述通气空腔（11）底部连接有通气塞口（12），所述通气塞口（12）外侧连接有环形块（92），且环形块（92）上连接有与通气塞口（12）相互配合的顶起柱（93），所述环形块（92）外侧连接有多个连接板（94），且连接板（94）一端与顶起圈（91）连接，所述连接板（94）底部连接有伸缩胶体（95），且伸缩胶体（95）与底板（1）连接。

5.根据权利要求1所述的一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，其特征在于：所述弧形盖板（2）为TPU材料经3D打印制成。

6.根据权利要求1所述的一种弧形自回弹摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上电极（3）采用铜薄膜材料，所述摩擦层（4）采用FEP材料，所述下电极（5）采用铝薄膜材料，所述底板（1）采用聚甲基丙烯酸甲酯材料。