CN114665742A - 一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，包括上摩擦发电部、绝缘转子层和下摩擦发电部，其中上摩擦发电部包括设置在绝缘转子层上方的上转子和上定子；上定子包括上定子基底、上摩擦面、上触发正开关和上触发负开关；上转子包括上转子基底、上正电极、上负电极、上正环状触发开关和上负环状触发开关；下摩擦发电部包括设置在绝缘转子层下方的下转子和下定子；下转子包括下转子基底、下正电极、下负电极、下正环状触发开关和下负环状触发开关；下定子包括下定子基底、下摩擦面、下触发正开关和下触发负开关，通过上摩擦发电部和下摩擦发电部电流输出相位互补，耦合后得到稳恒直流输出。

Description

一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机，具体涉及到一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机。

背景技术

传统旋转式摩擦纳米发电机具有交流、脉冲输出的特点，不能直接为电子产品供能，这就需要使用多种电阻元器件组成的外电路将其进行整合，最终使输出为稳恒直流信号；利用摩擦纳米发电机输出相位差互补的原理可以将输出电流耦合为双向恒流，再通过整流桥或电容等电子元器件将其整合为恒流输出信号；过于复杂的外电路系统会造成能源消耗，降低能量利用率；目前仍没有一种可以无需整流电路可直接输出稳恒直流信号的摩擦纳米发电机；因此一种具有高集成度、高稳定性、实现直接输出为稳恒直流信号的摩擦纳米发电机成为目前急需解决的难题。

发明内容

为了克服上述现有技术中的难点，本发明提供了一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，通过一种结构简单、设计合理、制备方式简单的机械能收集装置，实现从旋转模式的机械能直接转化为电能，且该电能具有稳恒直流电学输出。

技术方案

一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，包括上摩擦发电部、绝缘转子层 (19)和下摩擦发电部，其中上摩擦发电部包括设置在所述绝缘转子层(19)上方的上定子 (I)和上转子(II)；所述上定子(I)包括上定子基底(1)、上摩擦面(2)、上触发正开关 (3)和上触发负开关(4)；所述上转子II包括上转子基底(5)、上正电极(6)、上负电极(7)、上正环状触发开关(8)和上负环状触发开关(9)；所述下摩擦发电部包括设置在所述绝缘转子层(19)下方的下转子(IV)和下定子(V)；所述下转子(IV)包括下转子基底(10)、下正电极(11)、下负电极(12)、下正环状触发开关(13)和下负环状触发开关(14)；所述下定子(I)包括下定子基底(15)、下摩擦面(16)、下触发正开关(17)和下触发负开关(18)。

在所述上定子(I)和所述上转子(II)完全接触的过程中，所述上触发正开关(3)和所述上触发负开关(4)始终与所述上正环状触发开关(8)和所述上负环状触发开关(9)接触滑动，此时输出为正向脉冲信号；在所述下转子(IV)和所述下定子(V)完全接触的过程中，所述下触发正开关(17)和所述下触发负开关(18)始终与所述下正环状触发开关(13) 和所述下负环状触发开关(14)接触滑动，输出为正向脉冲信号。

所述上定子(I)和所述下定子(V)的位置固定；所述上转子(II)和下转子(IV)围绕轴心沿顺时针方向错开角度为45°。

所述上定子(I)上定子(I)、所述下定子(V)，所述上转子(II)、所述下转子(IV) 均采用电路印刷法制备。

所述上触发正开关(3)、上触发负开关(4)、所述下触发正开关(17)和所述下触发负开关(18)均为为圆形金属铜触点，触点直径为3mm。

所述上触发正开关(3)和上触发负开关(4)在摩擦面上的厚度与所述上摩擦层(2)的厚度一致；所述下触发正开关(17)和下触发负开关(18)在摩擦面上的厚度与所述下摩擦层(16)的厚度一致；所述上触发正开关(3)和所述上触发负开关(4)与上定子基底(1) 的上表面导通，并引出接线端；所述下定子(V)上的所述下触发正开关(17)和所述下触发负开关(18)与上述下定子基底(15)的下表面导通，并引出接线端。

所述上环状正触发开关(8)、所述上环状负触发开关(9)、所述下环状正触发开关(13)、所述下环状负触发开关(14)的宽度为3mm。

所述上摩擦发电部中的所述上摩擦层(2)、所述上正电极(6)、所述上负电极(7)，所述下摩擦发电部中的所述下摩擦层(16)、所述下正电极(11)、所述下负电极(12)均为90°扇形结构，半径均为10cm。

所述上定子基底(1)上表面、所述上转子基底(5)下表面、所述下转子基底(10)上表面、所述下定子基底(15)下表面，均采用电路印刷法接线，线宽为1mm，间距均大于3mm。

进一步的，所述上摩擦层(2)和下摩擦层(16)的材质为聚四氟乙烯(PTFE)。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果。

1)无需外接整流装置，可直接输出单向稳恒直流信号；

2)将复杂的接线高度集成，简单易操作；

3)空间占用率低，应用场景广泛；

4)在高速运动下保持触发开关与环状触发开关之间持续接触，机械阻力小。

附图说明

图1是本发明中旋转耦合式摩擦纳米发电机的整体结构示意图；

图2是本发明中旋转耦合式摩擦纳米发电机的整体结构平面俯视图；

图3是本发明中旋转耦合式摩擦纳米发电机的工作原理示意图；

图4是电荷转移过程所对应的波形示意图；

图5是本发明的耦合前的实际电流输出图；

图6是本发明的耦合后的实际电流输出图；

附图标记

上定子(I)：1-上定子基底、2-上摩擦层、3-上触发正开关、4上-触发负开关；

上转子II：5-上转子基底、6-上正电极、7-上负电极、8-上环状正触发开关、9-上环状负触发开关、20-导电孔；21-上接线电路；

转子III：19-绝缘转子层；

下转子IV：10-下转子基底、11-下正电极、12下-负电极、13-下环状正触发开关、14下-环状负触发开关、20-导电孔；22-下接线电路；

下定子V：15-下定子基底、16下-摩擦层、17-下触发正开关、18-下触发负开关。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清晰，下面结合图1-图4，对本发明技术方案进行详细阐述。

本发明公开了一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，包括上摩擦发电部 (TENG1)和下摩擦发电部(TENG2)，上摩擦发电部(TENG1)上定子(I)和转子II，下摩擦发电部(TENG2)包括下转子IV和下定子V。

其中，上定子(I)包括，上定子基底1，上定子摩擦层2，上触发正开关3，上触发负开关4；上定子触发正开关3和上定子触发负开关4均为圆形结构，导电连接口(未标示) 位于圆心处；上摩擦层2是两个相对的90°扇形；上触发正开关3，上触发负开关4与上摩擦层2的位置严格固定于上定子基底1；上转子II包括，上正电极6，上负电极7，上正环状触发开关8，上负环状触发开关9；上正电极6为两个相对的90°扇形；上负电极7为两个相对的90°扇形；上正环状触发开关8和上负环状触发开关9径向分布于上正电极6和上负电极7周围；上正电极6，上负电极7，上正环状触发开关8，上负环状触发开关9的位置严格固定于上转子基底5；上转子II固定于转子III上表面；下转子IV包括，下正电极11，下负电极12，下正环状触发开关13，下负环状触发开关14；下正电极11为两个相对的90°扇形；下负电极12为两个相对的90°扇形；下正环状触发开关13和下负环状触发开关14 径向分布于下正电极11和下负电极12周围；下正电极11，下负电极12，下正环状触发开关13，下负环状触发开关14的位置严格固定于下转子基底10；下转子IV固定于转子III的下表面；下定子V包括，下定子基底15，下摩擦层16，下触发正开关17，下触发负开关18；下触发正开关17和下触发负开关18均为圆形结构，导电连接口位于圆心处；下摩擦层16是两个相对的90°扇形；下触发正开关17，下触发负开关18与下摩擦层16的位置严格固定于下定子基底15；上定子I、上转子II、下转子IV、下定子V层的基底分为摩擦面和接线面；上定子I的上定子基底(1)的上表面为接线面(I-接)，下表面为摩擦面(I-摩)；上转子 II的上转子基底(5)上表面为摩擦面(II-摩)，下表面为接线面(II-接)；下转子IV基底 (10)上表面为接线面(IV-接)，下表面为摩擦面(IV-摩)；下定子V下定子基底(15)上表面为摩擦面(V-摩)，下表面为接线面(V-接)；转子III即绝缘转子层(19)分为上表面 (III-上)和下表面(III-下)。上定子I(I-摩)和下定子V(V-摩)的位置严格固定，纵向重合；上转子II和下转子IV在顺时针角度相差45度；由于接线设计得到单向输出，以及相位互补，使上摩擦发电部(TENG1)和下摩擦发电部(TENG2)耦合后可直接输出稳恒直流电。

进一步的，上定子1中上触发正开关3、上触发负开关4均直径为3mm的圆形，导电连接口直径为0.3mm位于圆心处，采用电路印刷法制备，材质为铜。

优选的，上转子II中上正环状触发开关8、上负环状触发开关9的宽度为3mm，为提高上正环状触发开关8和上触发正开关3接触的容错率，上正环状触发开关的宽度可大于3mm。

优选的，上转子II中上正环状触发开关8、上负环状触发开关9的宽度为3mm，为提高上负环状触发开关9和上触发正开关4接触的容错率，上负环状触发开关9的宽度可大于3mm。

进一步的，上定子(I)中摩擦层2的材料为PTFE。

优选的，上摩擦层2的90°扇形，上正电极6为90°扇形金属铜，上负电极7为90°扇形金属铜，半径10cm，三者尺寸完全相同，纵向位置可重合。

优选的，上定子(I)中上触发正开关3和上触发负开关4在上定子基底1的下表面(I- 摩)厚度等于或大于上摩擦层2的厚度才能保证分别与上正环状触发开关8和上负环状触发开关9接触。

进一步的，上转子II的下表面接线层(II-接)底部设有通过导电孔20与上正环状触发开关8、上负环状触发开关9对应电连接的上接线电路21，下转子IV的下表面接线层(IV- 接)底部设有通过导电孔20与下正环状触发开关13和下负环状触发开关14对应电连接的下接线电路22，其中上接线电路21和下接线电路22的金属导线线宽为3mm，该参数灵活，不影响效果。线间距不小于3mm，防止金属之间产生放电。

进一步的，转子III为刚性绝缘材料，该材料灵活，绝缘即可，防止上转子II和下转子IV接触短路。

进一步的，转子IV的特征与转子II完全一致。

优选的，转子II固定与转子III的上表面，转子IV固定于转子III的下表面；

优选的，上转子II与下转子IV相差45度。

进一步的，下定子V的特征与上定子(I)完全一致，纵向位置固定且重合。

进一步的，图2为本发明中一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机的俯视图，如图2所示，上定子(I)(I-摩)和下定子V(V-摩)的相位固定。

进一步的，如图2所示，上转子II与下转子IV相位顺时针相差45度后固定于转子III 的上下两表面，具体接线方式如图II-接和IV-接。

进一步的，图3为本发明中一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机的工作原理示意图。

其中，图3为本发明中一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机的电荷转移机制示意图，为方便表达，该截面展开图的表达方式为相对运动。

具体的，当上摩擦发电部(TENG1)的上正电极6、上负电极7与上摩擦层2摩擦的过程中，上摩擦层2表面带负电荷，由于静电感应效应，上摩擦层2当下对应的电极层会感应出等量相反的正电荷，从而在上正电极6和上负电极7之间出现电势差，从而形成正负交替的正弦波电流信号；上正环状触发开关8、上负环状触发开关9、上正电极6、上负电极7，接线方式见图3<i>；上正环状触发开关8、上负环状触发开关9将上正电极6和上负电极7中的电荷进行整流，通过上触发正开关3、上触发负开关4输出，最终全部输出为正向电流信号。

具体的，当下摩擦发电部(TENG2)的下正电极11、下负电极12与下摩擦层16摩擦的过程中，下摩擦层16表面带负电荷，由于静电感应效应，下摩擦层16当下对应的电极层会感应出等量相反的正电荷，从而在下正电极11和下负电极12之间出现电势差，从而形成正负交替的正弦波电流信号；下正环状触发开关13、下负环状触发开关14、下正电极11、下负电极12，接线方式见图3；下正环状触发开关13、下负环状触发开关14将下正电极11和下负电极12中的电荷进行整流，通过下触发正开关17、下触发负开关18输出，最终全部输出为由下触发正开关17到下触发负开关18输出的由左向右的电流信号。

进一步的，图3<i>的上摩擦发电部(TENG1)中，上摩擦层2与上正电极6完全重合，此时上正电极6与上负电极(7)的电势差达到最大，电荷转移为零，电流为零；

进一步的，图3<i>的下摩擦发电部(TENG2)中，下摩擦层16位于下正电极11和下负电极12的中间，此时下正电极11与下负电极12之间的电势差为零，电荷转移速度最快，电流达到峰值，此时下正电荷由正电极11流向下负电极12，下正电极11通过下正环状触发开关13流向下正触发开关17，通过下正触发开关17流向下负触发开关18(电荷流向：11—13 —17—18—14—12)，得到由左向右的峰值信号；

进一步的，图3<i>的耦合式TENG中，由于上摩擦发电部(TENG1)电流值为零，下摩擦发电部(TENG2)中电流达到峰值，因此该状态最终输出为由左向右峰值信号。

进一步的，图3<ii>的上摩擦发电部(TENG1)中，上摩擦层2位于上正电极6和上负电极7的中间，此时上正电极6与上负电极7之间的电势差为零，电荷转移速度最快，电流达到峰值，此时正电荷由上正电极6流向上负电极7，通过上正环状触发开关8流向上正触发开关3，通过上正触发开关3流向上负触发开关4(电荷流向：6—8—3—4—9—7)，得到由左向右的峰值信号；

进一步的，图3<ii>的下摩擦发电部(TENG2)中，下摩擦层16与下负电极12完全重合，此时下正电极11与下负电极12的电势差达到最大，电荷转移为零，电流为零；

进一步的，图3<ii>的耦合式TENG中，由于上摩擦发电部(TENG1)中电流达到峰值，下摩擦发电部(TENG2)中电流值为零，因此该状态最终输出为由左向右峰值信号。

进一步的，图3<iii>的上摩擦发电部(TENG1)中，上摩擦层2与上正电极6完全重合，此时上正电极6与上负电极7的电势差达到最大，电荷转移为零，电流为零；

进一步的，图3<iii>的下摩擦发电部(TENG2)中，下摩擦层16位于下正电极11和下负电极12的中间，此时下正电极11与下负电极12之间的电势差为零，电荷转移速度最快，电流达到峰值，此时下正电荷由下负电极12流向下正电极11，通过下正环状触发开关14流向下正触发开关17，通过下正触发开关17流向下负触发开关18(电荷流向：12—14—17—18—13—11)，得到由左向右的峰值信号；

进一步的，图3<iii>的耦合式TENG中，由于上摩擦发电部(TENG1)电流值为零，下摩擦发电部(TENG2)中电流达到峰值，因此该状态最终输出为由左向右峰值信号。

进一步的，图3<iv>的上摩擦发电部(TENG1)中，上摩擦层2位于上正电极6和上负电极7的中间，此时上正电极6与上负电极7之间的电势差为零，电荷转移速度最快，电流达到峰值，此时正电荷由上负电极7流向上正电极6，通过上负环状触发开关9流向上正触发开关3，通过上正触发开关3流向上负触发开关4(电荷流向：7—9—3—4—8—6—7)，得到由左向右的峰值信号；

进一步的，图3<iv>的下摩擦发电部(TENG2)中，下摩擦层16与下负电极12完全重合，此时下正电极11与下负电极12的电势差达到最大，电荷转移为零，电流为零；

进一步的，图3<iv>的耦合式TENG中，由于上摩擦发电部(TENG1)中电流达到峰值，下摩擦发电部(TENG2)中电流值为零，因此该状态最终输出为由左向右峰值信号。

其中，图4为本发明中一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机的电荷转移过程所对应的波形示意图，波形与图3描述过程一一对应。

进一步的，图5是本发明的耦合前的实际电流输出图，进一步的，图6是本发明的耦合后的实际电流输出图。本发明能够实现从旋转模式的机械能直接转化为电能，且该电能具有稳恒直流电学输出。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前叙述实施对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (10)

1.一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，包括上摩擦发电部、绝缘转子层(19)和下摩擦发电部，其中上摩擦发电部包括设置在所述绝缘转子层(19)上方的上定子(I)和上转子(II)；所述上定子(I)包括上定子基底(1)、上摩擦面(2)、上触发正开关(3)和上触发负开关(4)；所述上转子II包括上转子基底(5)、上正电极(6)、上负电极(7)、上正环状触发开关(8)和上负环状触发开关(9)；所述下摩擦发电部包括设置在所述绝缘转子层(19)下方的下转子(IV)和下定子(V)；所述下转子(IV)包括下转子基底(10)、下正电极(11)、下负电极(12)、下正环状触发开关(13)和下负环状触发开关(14)；所述下定子(I)包括下定子基底(15)、下摩擦面(16)、下触发正开关(17)和下触发负开关(18)。

2.根据权利要求1所述的一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：在所述上定子(I)和所述上转子(II)完全接触的过程中，所述上触发正开关(3)和所述上触发负开关(4)始终与所述上正环状触发开关(8)和所述上负环状触发开关(9)接触滑动，此时输出为正向脉冲信号；在所述下转子(IV)和所述下定子(V)完全接触的过程中，所述下触发正开关(17)和所述下触发负开关(18)始终与所述下正环状触发开关(13)和所述下负环状触发开关(14)接触滑动，输出为正向脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上定子(I)和所述下定子(V)的位置固定；所述上转子(II)和下转子(IV)围绕轴心沿顺时针方向错开角度为45°。

4.根据权利要求1所述的一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上定子(I)上定子(I)、所述下定子(V)，所述上转子(II)、所述下转子(IV)均采用电路印刷法制备。

5.根据权利要求2所述的一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上触发正开关(3)、上触发负开关(4)、所述下触发正开关(17)和所述下触发负开关(18)均为圆形金属铜触点，触点直径为3mm。

6.根据权利要求1所述的一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上触发正开关(3)和所述上触发负开关(4)在上摩擦面(2)上的厚度与所述上摩擦层(2)的厚度一致；所述下触发正开关(17)和下触发负开关(18)在摩擦面上的厚度与所述下摩擦层(16)的厚度一致；所述上触发正开关(3)和所述上触发负开关(4)与上定子基底(1)的上表面导通，并引出接线端；所述下定子(V)上的所述下触发正开关(17)和所述下触发负开关(18)与上述下定子基底(15)的下表面导通，并引出接线端。

7.根据权利要求2所述的一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上环状正触发开关(8)、所述上环状负触发开关(9)、所述下环状正触发开关(13)、所述下环状负触发开关(14)的宽度为3mm。

8.根据权利要求1所述的一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上摩擦发电部中的所述上摩擦层(2)、所述上正电极(6)、所述上负电极(7)，所述下摩擦发电部中的所述下摩擦层(16)、所述下正电极(11)、所述下负电极(12)均为90°扇形结构，半径均为10cm。

9.根据权利要求2所述的一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述上定子基底(1)上表面、所述上转子基底(5)下表面、所述下转子基底(10)上表面、所述下定子基底(15)下表面，均采用电路印刷法接线，线宽为1mm，间距均大于3mm。

10.根据权利要求1或6或8之一所述的一种具有稳恒直流输出的旋转耦合式摩擦纳米发电机，其特征在于：进一步的，所述上摩擦层(2)和下摩擦层(16)的材质为聚四氟乙烯(PTFE)。

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