CN115313902A - 一种基于3d打印的同心独立层摩擦纳米发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，属于发电机技术领域；本发明的技术方案要点为，包括转子和内外定子，在风力驱动风力扇叶作用下带动转动件做圆周运动，并由转动件带动转子转动以实现通过转子轴上的弧形块状第一摩擦单元和内外定子上弧形块状第二摩擦单元进行周期性圆周运动，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步滑动分离，第一摩擦层和第二摩擦层滑动摩擦起电；本发明的基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机具有结构简单、转换效率高、输出功率大、并且输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点，应用范围广。

Description

一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机
技术领域
本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，具体为一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机。
背景技术
摩擦纳米发电机以其制作成本低廉、结构简单、转化效率高及无污染的特点，受到了越来越多科研工作者的关注。
摩擦纳米发电机的基本原理是利用摩擦极性相差较大的不同材料间相互滑动摩擦产生静电荷，并耦合静电感应将周围环境中机械能转化为电能，具有结构简单，转化效率高，无污染等优点。但传统滑动式摩擦纳米发电机在转动时由于摩擦力较大，造成摩擦层材料磨损严重，这不利于对滑动式机械能的收集利用，因此，探寻能够将滑动能转化为对摩擦层材料磨损影响较小的接触分离形式的能量，成为研究滑动式机械能的关键。此外，传统滑动式摩擦纳米发电机制作过程较为繁琐，且操作难度较大。因此，如果能够将3D打印技术融入摩擦纳米发电机的制作过程，将对滚轮式摩擦纳米发电机制作的便捷性和自由性提升起到决定性作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，能够解决摩擦纳米发电机输出性能低，输出不稳定，输出特性不易控制的问题，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，包括外定子、内定子、转子，所述内定子的定子轴上外表面上和外定子的筒形壳体内侧壁上均设置有第一摩擦单元，所述第一摩擦单元包括第一弧形块状基底和依次覆盖于基底上的第一缓冲层、第一导电层、第一摩擦层，所述转子的内表面和外表面分别设置有第二摩擦单元，第二摩擦单元包括第二弧形块状基底和依次覆盖于基底上的第二缓冲层、第二导电层、第二摩擦层，所述内定子的定子轴穿在转子中，转子穿在外定子中，所述转子通过螺栓连接有转动件，转动件的另一端与风力扇叶连接，所述第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷。
进一步的，所述外定子、内定子、第一弧形块状基底、第二弧形块状基底选择使用基于3D打印机的增材制造技术制作，第一弧形块状基底的基底和第二弧形块状基底的基底尺寸均为90mm×40mm；
进一步的，所述第一导电层和第二导电层的导电层材质为Cu，导电层的面积小于基底的面积，导电层的尺寸为 90mm×35mm，厚度为50μm～1mm，优选0.1mm。
进一步的，所述第二摩擦层进行高压极化处理以提高第二摩擦层表面的电荷密度。
进一步的，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元中的背电极均选用导电性良好的金、银、铂、铁、铜、铝中的一种或至少两种材料的合金，当第一摩擦单元中的背电极选用以上金属或合金时，该背电极同时作为第一摩擦层。
进一步的，所述第一缓冲层和第二缓冲层的材质均为海绵。
进一步的，还包括左固定架、中间固定架、右固定架，所述转子与转动件之间设置有左垫片，左垫片通过螺栓安装在左固定架上，所述内定子与右固定架之间设置有右垫片，内定子上的固定板与右固定架之间通过螺栓固定，中间固定架对外定子进行支撑。
进一步的，所述转动件、外定子、内定子和左固定架、右固定架、中间固定架的打印材料均选用PLA或ABS。选用的3D打印设备是基于熔融沉积式3D打印设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机具有结构简单、零件一体化强，成本低廉、经久耐用、无毒害环保等优点，通过海绵的参与，即贴附在摩擦层下的海绵，可以保证各摩擦层紧密接触，极大提高了摩擦纳米发电机的稳定输出，所述同心独立层结构在设计上：其结构有效利用了空间，增加了中心定子，节约成本，进而提高了摩擦纳米发电机空间利用率。
2、本发明中基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机的摩擦层经过高压极化仪，进行电荷预注入处理，使得所述基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机具有较高且稳定的输出特性，优于其它类似摩擦纳米发电机的输出性能；配合3D打印技术，使得所述摩擦纳米发电机具有制作简单、成本较低等优势，有利于推广应用。
3、基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机拥有独特的同心独立层结构，经过设计，并且能严格同步地进行圆周运动，使得结构稳定输出，同时也可以轻松改变所述摩擦发电机的摩擦层数量和尺寸，调整输出性能使得该摩擦纳米发电机可以收集更多形式的机械能，极大地提高了摩擦纳米发电机的应用范围；由于结构的封闭严密性，该结构未来可以在恶劣环境下使用；本发明的基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机具有结构简单、转换效率高、输出功率大、并且输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点，应用范围广。
附图说明
图1为本发明装配结构示意图；
图2为本发明内定子结构示意图；
图3为本发明外定子结构示意图；
图4为本发明转子结构示意图；
图5为本发明整体结构示意图；
图6为本发明第一摩擦单元结构示意图；
图7为本发明第二摩擦单元结构示意图；
图8为本发明转动时的输出电压示意图；
图9为本发明转动时的输出电流示意图；
图10为本发明转动时的转移电荷示意图。
图中：1左固定架、2转动件、3左垫片、4外定子、5内定子、6右垫片、7右固定架、8中间固定架、9转子、10第一摩擦单元、101第一弧形块状基底、102第一缓冲层、103第一导电层、104第一摩擦层、11第二摩擦单元、111第二弧形块状基底、112第二缓冲层、113第二导电层、114第二摩擦层。
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1-10，本发明提供一种技术方案：一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，包括外定子4、内定子5、转子9，内定子的定子轴上外表面上和外定子的筒形壳体内侧壁上均设置有第一摩擦单元10，第一摩擦单元包括第一弧形块状基底101和依次覆盖于基底上的第一缓冲层102、第一导电层103、第一摩擦层104，转子的内表面和外表面分别设置有第二摩擦单元11，第二摩擦单元包括第二弧形块状基底111和依次覆盖于基底上的第二缓冲层112、第二导电层113、第二摩擦层114，内定子的定子轴穿在转子中，转子穿在外定子中，转子通过螺栓连接有转动件2，转动件的另一端与风力扇叶连接，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，在风力驱动风力扇叶作用下带动转动件圆周运动，并由转动件带动转子转动以实现通过转子沿圆周方向转动，第一摩擦单元和第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步滑动分离，第一摩擦层和第二摩擦层滑动摩擦起电，当两个接触面在外力作用而分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，致使相互接触分离的第一摩擦层和第二摩擦层间电势周期性变化，驱动电子流向外电路产生交流电。
外定子、内定子、第一弧形块状基底、第二弧形块状基底选择使用基于3D打印机的增材制造技术制作，第一弧形块状基底的基底和第二弧形块状基底的基底尺寸均为90mm×40mm；第一导电层和第二导电层的导电层材质为Cu，导电层的面积小于基底的面积，导电层的尺寸为 90mm×35mm，厚度为50μm～1mm，优选0.1mm。
第二摩擦层进行高压极化处理以提高第二摩擦层表面的电荷密度。
第一摩擦单元和第二摩擦单元中的背电极均选用导电性良好的金、银、铂、铁、铜、铝中的一种或至少两种材料的合金，当第一摩擦单元中的背电极选用以上金属或合金时，该背电极同时作为第一摩擦层。
第一缓冲层和第二缓冲层的材质均为海绵。
还包括左固定架1、中间固定架8、右固定架7，转子与转动件之间设置有左垫片3，左垫片通过螺栓安装在左固定架上，内定子与右固定架之间设置有右垫片6，内定子上的固定板与右固定架之间通过螺栓固定，中间固定架对外定子进行支撑。
转动件、外定子、内定子和左固定架、右固定架、中间固定架的打印材料均选用PLA或ABS；选用的3D打印设备是基于熔融沉积式3D打印设备。
本实施方式的基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机的工作原理为：首先在任何频率条件下的旋转作用下，通过转子和定子机构使得相对的第一摩擦层和第二摩擦层能实现同步滑动，摩擦层上产生大量摩擦静电荷，电极板上产生等量的相反电荷。
第一摩擦单元与第二摩擦单元的两个电极板直接用导线连接时，即短路条件下，当带电摩擦层滑动时，电荷发生流动，形成电流。当第一摩擦单元与第二摩擦单元的两个金属电极未连接时，即开路条件下，两个摩擦层的电极板在一定时刻电势不同，形成电势差。当两个电极间连接负载时，往复旋转运动导致电荷在两个电极间通过负载不断往复流动，从而对负载供电。
本发明设计并制作的一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，第二摩擦层均经高压设备进行电荷预注入极化处理，提高单位面积电荷密度，进而提高性能输出；基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机整体结构采用独立层滑动摩擦方式，利用基于3D打印的同心独立层结构，不仅保证各摩擦层能严格同步相对运动，使各摩擦层同一时刻发生滑动摩擦，又大大提高了空间利用率，提高输出特性和输出稳定性；基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机摩擦层的数量可根据应用场景和需求相应的增加或减少，控制其输出特性以扩大其应用范围。基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机可以在不同外力环境下进行不同频率的圆周运动，应用性较强。
下面给出制造本实施方式的基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机的一个优选方案，但该基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机的制造并不限制于此。
该优选方案中：选择使用基于3D打印机的增材制造技术制作的定子或者转子作为基底，阵列式基底尺寸为90mm×40mm；选择面积略小于基底的导电层，导电层材质为Cu，尺寸为 90mm×35mm，厚度为50μm～1mm，优选0.1mm；第一摩擦单元的摩擦层为聚四氟乙烯薄膜，第二摩擦单元的摩擦层Cu，此处第二摩擦层与电极板均为金属，可直接用电极板充当摩擦层，摩擦层尺寸同导电层尺寸一致，覆盖程度为100%。
根据上述对基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机工作原理的说明，按上述优选方案制造的基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机的摩擦单元数为4个，4个第一摩擦单元的摩擦层在转子上圆周排列分布；分别与8个在定子上圆周排列分布的第二摩擦单元的摩擦层进行同步的滑动，各相同摩擦单元中的电极板用导线并联连接。当转动件旋转时，则基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机的最大短路电流与开路电压分别为35μA和450V。
利用该基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机组成自驱动系统，可以进行环境风或者水能的收集，在该摩擦纳米发电机工作时可以同时驱动120个LED灯发光。
因此，可知本发明的基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机具有结构简单、成本低廉、经久耐用、输出电压高、输出电流大和输出性能稳定等优点，同时这种独特的同心独立层结构使我们可以方便地改变摩擦发电机的摩擦层数量，调整输出性能。本发明的基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机的两种摩擦单元总是同时滑动。另外本发明的基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机对振动频率的要求不高，可以将自然界中低频机械能转化成电能。
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、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，包括外定子（4）、内定子（5）、转子（9），其特征在于：所述内定子（5）的定子轴上外表面上和外定子（4）的筒形壳体内侧壁上均设置有第一摩擦单元（10），所述第一摩擦单元（10）包括第一弧形块状基底（101）和依次覆盖于基底上的第一缓冲层（102）、第一导电层（103）、第一摩擦层（104），所述转子（9）的内表面和外表面分别设置有第二摩擦单元（11），第二摩擦单元（11）包括第二弧形块状基底（111）和依次覆盖于基底上的第二缓冲层（112）、第二导电层（113）、第二摩擦层（114），所述内定子（5）的定子轴穿在转子（9）中，转子（9）穿在外定子（4）中，所述转子（9）通过螺栓连接有转动件（2），转动件（2）的另一端与风力扇叶连接，所述第一摩擦层（104）与第二摩擦层（114）的接触面分别带符号相反的表面电荷。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，其特征在于：所述外定子（4）、内定子（5）、第一弧形块状基底（101）、第二弧形块状基底（111）选择使用基于3D打印机的增材制造技术制作，第一弧形块状基底（101）的基底和第二弧形块状基底（111）的基底尺寸均为90mm×40mm。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一导电层（103）和第二导电层（113）的导电层材质为Cu，导电层的面积小于基底的面积，导电层的尺寸为 90mm×35mm，厚度为50μm～1mm，优选0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第二摩擦层（114）进行高压极化处理以提高第二摩擦层（114）表面的电荷密度。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦单元（10）和第二摩擦单元（11）中的背电极均选用导电性良好的金、银、铂、铁、铜、铝中的一种或至少两种材料的合金，当第一摩擦单元（10）中的背电极选用以上金属或合金时，该背电极同时作为第一摩擦层（104）。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一缓冲层（102）和第二缓冲层（112）的材质均为海绵。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，其特征在于：还包括左固定架（1）、中间固定架（8）、右固定架（7），所述转子（9）与转动件（2）之间设置有左垫片（3），左垫片（3）通过螺栓安装在左固定架（1）上，所述内定子（5）与右固定架（7）之间设置有右垫片（6），内定子（5）上的固定板与右固定架（7）之间通过螺栓固定，中间固定架（8）对外定子（4）进行支撑。
8.根据权利要求6所述的一种基于3D打印的同心独立层摩擦纳米发电机，其特征在于：所述转动件（2）、外定子（4）、内定子（5）和左固定架（1）、右固定架（7）、中间固定架（8）的打印材料均选用PLA或ABS，选用的3D打印设备是基于熔融沉积式3D打印设备。
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