CN116260357A - 一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机包括底座、定子、转子、转轴、旋翼，所述定子由基板、电极和纸张组成，固定安装于底座上，所述转轴可转动地安装在底座上，所述定子穿过转轴，所述旋翼套装在转轴上，固定连接在转子顶部，旋翼旋转产生拉力带动转子轴向滑动，转子套装在转轴上，与定子轴向间隔设置，转轴可带动转子同轴转动，与转子固定连接的旋翼旋转产生的拉力使转子沿着转轴轴向滑动，当转子向上滑动时，转子与定子分离，当转子向下滑动时，转子与定子接触，实现发电机接触模式与分离模式自动切换。本发明的优点是可以自动调节其工作模式，在转速较高时工作在非接触模式，避免产生材料磨损，解决了高转速下的磨损问题，高耐久性高压摩擦纳米发电机的耐久性得以增强，基于空气动力学的自动模式转换策略提高了高耐久性高压摩擦纳米发电机的电荷输出稳定性。

Description

一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机

技术领域

本发明属于纳米发电机技术领域，具体涉及高耐久性高压摩擦纳米发电机。

背景技术

电子器件和智能设备的运行都意味着能量的消耗，摩擦纳米发电机能够有效的从自然环境中收集机械能并将其转化为电能，具有可选材料广、柔性、成本低等优点。摩擦纳米发电机天然具有高电压、低电流的输出特性，在外接电极间容易产生高压静电场，在特定场景下是一种理想的高压电源。

摩擦纳米主要有四种工作模式：垂直接触—分离式、水平滑移式、单电极模式、独立层模式。

旋转独立层式摩擦纳米发电机结构制备简单、成本低廉且性能优异，可以收集滑动和转动的能量。

Long Lin等人设计出了具有分段结构，基于水平滑动摩擦的圆盘式摩擦纳米发电机，该器件由两个具有圆盘形状的且各有四个扇区的组件构成，虽然在相对旋转的接触平面内的电荷分离实现了外部负载中电子的运动，但对于输出性能，尤其是稳定性等方面还需要进一步加强，因为旋转摩擦电层和静止摩擦电层都需要沉积金属电极并与电导线连接，所以旋旋转部分操作十分不便。

Long Lin等人设计出了一种新型非接触独立旋转轮盘状摩擦纳米发电机，静止的轮盘状基底上分别镀上两组电极，在另一个旋转轮盘上做层独立层，因此不需要在旋转的部位进行电极沉积或连接导线。同时归功于电介质FEP膜表面的电荷可以保存若干天这种特殊性质，该器件可以在没有摩擦的条件下连续工作，降低了材料摩擦带来的损耗。

然而，现有的旋转独立层式摩擦纳米发电机在应用上还面临一些问题：第一，若使摩擦材料始终处于接触的状态，在长时间的高频率运转下，材料的机械磨损会导致摩擦纳米发电机的耐久性和输出性能下降；第二，若使摩擦材料先接触起电再处于分离状态，随着长时间的运转，摩擦材料表面的电荷会逐渐消散，导致摩擦纳米发电机输出性能下降。

因此，亟需开发一种综合性能优异、制备工艺简单、制造成本低、高耐久性的摩擦纳米发电机。

发明内容

针对现有的旋转独立层式摩擦纳米发电机在应用上还面临一些问题，提供了一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机。

一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机，包括：

底座；

定子，定子由基板、电极和纸张组成，固定安装于底座上；

转轴，可转动地安装在底座上，所述定子穿过转轴；

旋翼，旋翼套装在转轴上，固定连接在转子顶部，旋翼

旋转产生拉力带动转子轴向滑动；

转子，套装在转轴上，与定子轴向间隔设置，转轴可带动转子同轴转动，与转子固定连接的旋翼旋转产生的拉力使转子沿着转轴轴向滑动，当转子向上滑动而使转子与定子分离，当转子向下滑动时，转子与定子接触，实现发电机接触模式与分离模式自动切换。

其中，所述一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机所述转子包括旋翼、轴套以及转子盘，通过连接件将轴套、转子盘与旋翼固定连接为一个整体，可以同时在转轴上旋转或者轴向滑动。

其中，所述一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机所述轴套为套筒类零件，套装于转轴上，可与转轴同轴旋转且可以在转轴上轴向滑动，转轴旋转带动轴套旋转，以带动整个转子旋转。

其中，所述一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机转轴的旋转是由驱动轮驱动。

其中，所述一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机转轴为滚珠花键轴，所述轴套为花键螺母。

其中，所述一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机转子下方设置有穿过转轴的弹簧，弹簧上端紧靠转子，用于降低摩擦纳米发电机模式转换的速度阀值。

其中，所述一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机底座上安装有轴承，轴承与转轴同轴且转轴穿过轴承，用于支撑转轴，降低其转动的阻力。

本发明的有益效果：

1.自动调节其工作模式，在转速较高时工作在非接触模式，避免产生材料磨损，解决了高转速下的磨损问题，高耐久性高压摩擦纳米发电机的耐久性得以增强；

2.基于空气动力学的自动模式转换策略提高了高耐久性高压摩擦纳米发电机的电荷输出稳定性。

附图说明

图1为基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为基于空气动力学的自动模式转换机理图；

图3为摩擦纳米发电机的工作原理图；

图4为本摩擦纳米发电机在不同转速下的转移电荷量和分离距离测试结果图

图5为本摩擦纳米发电机在周期性信号驱动下电荷输出结果图；

图6为在连续运转48h后，自动切换模式、分离模式、接触模式的摩擦纳米发电机耐久性对比及聚氯乙烯薄膜表面光学图；

图7为摩擦纳米发电机驱动商用温度计和LED灯珠的测试照片。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

参见图1-图7，本实施例提供一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机。

基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机的三维结构如图1所示，底座7、定子2和转子1组成。

如图1所示，底座由三个相互平行设置的亚克力圆盘7组成，三个亚克力圆盘7轴心处开设通孔，三个亚克力圆盘7通过多个螺杆螺栓固定在一起。

转轴8可转动地安装在底座上，转轴8与底座、转子1和定子2同轴且贯穿定子2和转子1。

定子2固定设置于底座上，定子2基板为圆盘形状，中心线处开设有通孔。

作为优选方案，定子2由基板、12栅极电极和纸张组成，基板材料优选为FR-4板，基板表面沉积一层铜电极，电极表面被一层纸张完全覆盖，其中纸张作为正摩擦材料。

转子1包括旋翼11、连接件12、轴套13以及转子盘14。

其中，轴套13套装在转轴8上，并且与转轴8键连接，既可以与转轴8同轴转动，又可以沿着转轴8轴向滑动。

连接件12为套筒类零件，其套装在转轴8上，并与轴套13的上端固定连接。

转轴8的上端有凸起，防止轴套13从转轴8上滑出，起到限位的作用。

旋翼11套装在转轴8上，并与连接件12的上端固定连接。

转子盘14为圆盘形状，中间开设通孔，套装在转轴8上，转子盘14下部间隔设置定子2，转子盘14上部与轴套13的下端连接。优选的，轴套13通过螺栓连接转子转盘14，转子盘14加工有沉头孔，以保证螺栓不会高于转子盘14的平面。

如图1所示，旋翼11、连接件12、轴套13以及转子盘14固定连接成为一个整体，可以同时在转轴8上旋转或者轴向位移。

转轴8优选为滚珠花键轴，轴套13为花键螺母，当转轴8转动时，带动轴套13旋转，轴套13带动整个转子1旋转。

作为优选，使用聚氯乙烯薄膜作为高耐久性高压摩擦纳米发电机的负摩擦材料，多个扇形聚氯乙烯薄膜呈圆周均匀分布黏贴在转子盘14上朝向定子2的一面。

弹簧3上端紧靠转子盘14，弹簧3下端紧靠限位块4，弹簧3穿过定子2通孔，套装在转轴8上。当转子1与定子2完全接触摩擦时，弹簧3处于压缩状态。弹簧3为转子盘14提供一定的支撑力，用于降低摩擦纳米发电机模式转换的速度阀值。

限位块4为套筒类零件，限位块4上径向设置有螺纹孔，螺钉与限位块4螺纹连接，螺钉尖端压紧在转轴8上，使限位块4固定套装在转轴8上，限位块4可以防止弹簧3脱落。

轴承5与转轴8同轴以可转动地方式安装于底座上，用于支撑转轴8，降低其转动的阻力，通过轴承的作用使转轴8可以在底座上自由的旋转。

驱动轮6与转轴8同轴安装，驱动轮上设有多个轮叶，当环境中的机械力驱动驱动轮6转动时，驱动轮6可以带动转轴8旋转。

底座7、定子2底板与转子盘14优选为圆形盘状，也可以设计为其他的形状，如正方形、多边形等形状。

将转子1、定子2、驱动轮、转轴等部件按图1所示结构组装，即得到完整的摩擦纳米发电机。

本高耐久性高压摩擦纳米发电机的机械结构工作原理如下，发电机从自然环境中收集机械能，例如环境中不稳定的气流或者水流等，机械力驱动驱动轮6旋转，从而带动转轴8旋转，此时定子2与转子盘14完全接触摩擦，摩擦纳米发电机工作在接触模式，补充耗散的电荷。转轴8旋转同时带动轴套13旋转，与轴套13固定连接为整体的转子1一同旋转，旋翼11旋转后产生拉力，当达到一定的转速，借助旋翼11产生的拉力以及弹簧3释放的弹性势能，可以克服转子1重力及滑动阻力使得转子1提升，此时定子2与转子盘14脱离接触，摩擦纳米发电机工作在分离模式。

本高耐久性高压摩擦纳米发电机实现自动模式转换的机理如图2所示，其中旋翼11旋转产生的拉力作为摩擦纳米发电机在接触模式和分离模式之间进行自动模式转换的触发动力；在转子1转速较低时，旋翼11产生的拉力较小，不足以克服转子1重力及滑动阻力使得转子1提升，此时转子1和定子2完全接触，随着转子1转速的升高，旋翼11产生的拉力也逐渐增大，同时处于压缩状态的弹簧3逐渐张开，并释放弹性势能，借助旋翼11产生的拉力及弹簧3释放的弹性势能，使转子1克服本身的重力及滑动阻力沿轴向向上运动，此时转子1和定子2脱离接触，当转子2转速降低，旋翼11产生的拉力降低，在转子2本身重力的作用下，转子1沿轴向下降，直至与定子2接触。由以上过程，转子2可以随着转速的变化，自动调节其工作模式，在转速较高时工作在非接触模式，避免产生材料磨损，在转速降低时，工作在接触模式，补充在非接触模式时耗散的电荷，从而在兼顾输出性能的同时，解决了高转速下的磨损问题，摩擦纳米发电机的耐久性得以增强。弹簧3的设置使得旋翼产生的拉力相对较小的情况下也可以实现转子1向上滑动，实现摩擦纳米发电机的模式转换功能，降低了摩擦纳米发电机模式转换时的旋翼转速阀值。

采用滚珠花键轴结构可以使动力传递到转子1，同时，转子1也可以沿轴向自由移动，且摩擦力非常小，达到既传递扭矩使得转子1旋转，又可以使得转子1沿轴向自由运动，在接触和分离模式间转换的目的。

本高耐久性高压摩擦纳米发电机在接触模式下的工作原理如图3a所示，当转子1在机械力驱动下进行旋转时，带动聚氯乙烯(PVC)薄膜在纸上滑动，由于摩擦起电和静电感应效应，根据摩擦序列表，纸张为正极性材料，趋向于失电子，聚氯乙烯为负极性材料，趋向于得电子，所以电子从纸转移到聚氯乙烯上，聚氯乙烯通过摩擦起电带负电荷，纸上产生等量的正电荷。本摩擦纳米发电机的工作原理可以分为四个典型的阶段，如图3a阶段I所示，聚氯乙烯完全位于纸张的左侧，左侧的铜电极带正电荷，右侧的铜电极带等量的负电荷，随着聚氯乙烯向右移动(II)，电子通过负载从右电极流向左电极，此时电流通过负载从左电极流向右电极，随着聚氯乙烯继续向右移动直至完全位于纸张的右侧(III)，两电极的电荷分布与图3a阶段I相反，从阶段III到阶段IV，电子和电流的流动方向与阶段I到阶段II相反，由此，重复以上过程，聚氯乙烯的持续滑动可以驱动电子持续移动，在外电路产生周期性的交流电。

本高耐久性高压摩擦纳米发电机在分离模式下的工作原理与接触模式下的工作原理类似，如图3b所示，不同之处在于聚氯乙烯和纸上的电荷密度会随着时间的推移而逐渐降低，使得摩擦纳米发电机的输出性能降低；因而可自动调节接触和分离模式的摩擦纳米发电机是在电学输出和耐久性方面取得平衡的较好解决方式，即在高转速下，摩擦纳米发电机工作在分离模式，无材料磨损，在低转速下，摩擦纳米发电机工作在接触模式，补充耗散的电荷，材料磨损相对较轻。

摩擦纳米发电机的短路电荷量是衡量其电学输出性能的关键指标，通过吉时利6517静电计对高耐久性高压摩擦纳米发电机在50～500rpm下的转移电荷量进行了表征，结果如图4所示，当高耐久性高压摩擦纳米发电机的转速从50rpm增加到150rpm，随着旋翼11的转速逐渐增加，旋翼11所能提供的拉力也逐渐增大，转子1在旋翼11拉力的作用下沿轴线上升，此时转子1与定子2逐渐分离，但分离距离相对较小，高耐久性高压摩擦纳米发电机的转移电荷量变化不明显；当高耐久性高压摩擦纳米发电机的转速在150-500rpm时，转子1与定子2分离距离逐渐变大，此时高耐久性高压摩擦纳米发电机的转移电荷量有较大的降低，从约222nC降低至约84nC；这是因为手工制作器件的精度限制，高耐久性高压摩擦纳米发电机转子1旋转时会有上下起伏的现象存在，在本工作中转子1分离距离超过0.4mm后，转子1与定子2可以完全脱离接触，所以转子1转速在150rpm以内时，转子1与定子2未完全分离，所以此时随着转速的变化，高耐久性高压摩擦纳米发电机转移电荷量变化不明显，当转速超过150rpm后，转子1与定子2完全分离，高耐久性高压摩擦纳米发电机转移电荷量有明显下降。

采用可编程伺服电机对高耐久性高压摩擦纳米发电机长时间工作的电学稳定性进行了测试，伺服电机在周期性信号驱动下连续工作，即以50rpm工作5s，然后以500rpm持续工作100s，在此循环下，高耐久性高压摩擦纳米发电机的转移电荷量如图5a所示，在50rpm下，高耐久性高压摩擦纳米发电机有较高的电荷输出(约222nC)，在500rpm下，高耐久性高压摩擦纳米发电机的电荷输出降低，维持在较低的水平(约84nC)，高耐久性高压摩擦纳米发电机转速从500rpm降低至50rpm时，转移电荷过程如图5b所示，可以看出，随着驱动转速从500rpm降低至50rpm，高耐久性高压摩擦纳米发电机的转移电荷量在逐渐增大，即高耐久性高压摩擦纳米发电机可以在低转速下进行摩擦起电，补充材料的表面电荷，从而在补充在高转速下，摩擦材料不接触时造成的电荷耗散，以此达到高输出性能和长寿命之间的平衡。

基于高耐久性高压摩擦纳米发电机运转模式，对高耐久性高压摩擦纳米发电机、非接触式摩擦纳米发电机、接触式摩擦纳米发电机均进行了连续运行48h(超过137.8万次循环)的测试，并记录测试过程中的输出电荷量；对上述摩擦纳米发电机输出电荷量进行归一化处理，如图6所示，可以看出，高耐久性高压摩擦纳米发电机在连续工作48h后，仍然保持95.12％的电荷输出，表现出了良好的电学稳定性，与之相比，接触和非接触式摩擦纳米发电机分别只有12.57％和47.22％的电荷输出。

高耐久性高压摩擦纳米发电机连续工作48h后，在自动转换模式、分离模式、接触模式下聚氯乙烯表面的光学照片如图6所示，可以看出，在连续长时间工作后，分离模式下，聚氯乙烯表面没有磨损，接触模式下，聚氯乙烯表面有较多杂质，材质磨损严重，自动转换模式下，聚氯乙烯表面磨损较为轻微，有较少的杂质，上述照片也证实了此种减少磨损策略的有效性。

高耐久性高压摩擦纳米发电机在不规则气流驱动下，经由能量管理电路，将电能储存在10mF的电容中，如图7所示，可以驱动1个带蓝牙功能的商业温湿度计，并实时将温湿度信息发送到智能手机端，显示在app界面上，高耐久性高压摩擦纳米发电机还可以同时点亮240个直径10mm的绿色LED灯珠，如图7所示。

综上所述，本发明一种空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机具有以下优点：

1、发电机结构紧凑，使用方式灵活方便；

2、基于空气动力学的自动模式转换策略提高了高耐久性高压摩擦纳米发电机的电荷输出稳定性；

3、摩擦纳米发电机对低频到高频能量均可以进行收集，且不会造成材料过度磨损问题；

4、高耐久性和稳健的电学输出性能，提高了TENG收集各种不稳定机械能的可靠性；

5、可根据转子质量和弹簧常数按需调整高耐久性高压摩擦纳米发电机接触分离模式转换的临界转速。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顺时针”和“逆时针”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。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

底座(7)；

定子(2)，定子2由基板、电极和纸张组成，固定安装于底座(7)上；

转轴(8)，可转动地安装在底座(7)上，所述定子(2)穿过转轴(8)；

旋翼(11)，旋翼(11)套装在转轴(8)上，固定连接在转子(1)顶部，旋翼(11)旋转产生拉力带动转子(1)轴向滑动；

转子(1)，套装在转轴(8)上，与定子(2)轴向间隔设置，转轴(8)可带动转子(1)同轴转动，与转子(1)固定连接的旋翼(11)旋转产生的拉力使转子(1)沿着转轴(8)轴向滑动，当转子(1)向上滑动而使转子(1)与定子(2)分离，当转子(1)向下滑动时，转子(1)与定子(2)接触，实现发电机接触模式与分离模式自动切换。

2.如权利要求1所述的一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机，其特征在于所述转子(1)包括旋翼(11)、轴套(13)以及转子盘(14)，通过连接件将轴套(13)、转子盘(14)与旋翼(11)固定连接为一个整体，可以同时在转轴(8)上旋转或者轴向滑动。

3.如权利要求2所述的一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机，其特征在于所述轴套(13)为套筒类零件，套装于转轴(8)上，可与转轴(8)同轴旋转且可以在转轴(8)上轴向滑动，转轴(8)旋转带动轴套(13)旋转，以带动整个转子(1)旋转。

4.如权利要求1所述的一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机，其特征在于转轴(8)的旋转是由驱动轮(6)驱动。

5.如权利要求2所述的一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机，其特征在于转轴(8)为滚珠花键轴，所述轴套(13)为花键螺母。

6.如权利要求2所述的一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机，其特征在于转子(1)下方设置有穿过转轴(8)的弹簧(3)，弹簧(3)上端紧靠转子(1)，用于降低摩擦纳米发电机模式转换的速度阀值。

7.如权利要求1所述的一种基于空气动力学的高耐久性高压摩擦纳米发电机，其特征在于底座上安装有轴承(5)，轴承(5)与转轴(8)同轴且转轴(8)穿过轴承(5)，用于支撑转轴(8)，降低其转动的阻力。

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