CN117294166A - 摩擦纳米发电机及充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种摩擦纳米发电机及充电装置，摩擦纳米发电机包括底座、发电装置和驱动装置，发电装置包括第一摩擦件和第二摩擦件，第一摩擦件与第二摩擦件同轴相对设置，驱动装置包括压杆、转轴和齿轮传动组件，转轴设置于底座，压杆通过齿轮传动组件与第一摩擦件连接，压杆与转轴转动连接，压杆适于在驱动位置与恢复位置之间转动，由恢复位置转至驱动位置的过程中，第一摩擦件与第二摩擦件相对转动摩擦，由驱动位置转至恢复位置的过程中，第一摩擦件与第二摩擦件相对静止。解决现有技术中摩擦纳米发电机仅能够适用于往复滑动或周向绕转的运行形式作为输入端，应用场景受限的问题。

Description

摩擦纳米发电机及充电装置

技术领域

本发明涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种摩擦纳米发电机及充电装置。

背景技术

近年来，随着物联网(IOT)的构建以及可穿戴智能电子设备和个人便携式电子设备的快速发展，除了需要满足对大型能源的需求外，还需要满足对便携式移动电子设备的需求。目前对于此类微小型电子设备主要的供能方式是将传统发电方式产生的电能存储在电池或电容器中为其提供能量，一方面增加了电子设备的体积和质量，另一方面也存在成本、环保和使用场景受限的问题，这些缺陷大大限制了大型传感器网络及柔性可穿戴等电子设备的发展。因此，迫切需要寻找可持续自供电能源来为便携式电子产品供电。开发自驱动式电子设备不仅能大大拓宽其适用范围，还能减小设备的整体体积与重量，满足微小型设备对舒适度和耐久性的要求。

摩擦纳米发电机(TENG)作为机械能-电能转换装置已被广泛开发。TENG的出现提供了一种新的能量供给方式，它可作为能量收集器从生活环境中获取能量，尤其是常被人忽视或未被充分利用的人体运动、机械振动等能量，具有轻质化、微型化、柔性、环境友好性和制造成本低廉等优点，能够实现微小电子器件的无源自供电功能，在可穿戴领域的微能源收集中有着广泛的应用前景。生活中微弱能源的收集和利用补充了传统发电机技术的空白，在能源危机日趋严重的今天具有重要的战略意义。

为了提高TENG的性能，有必要增加其传输电荷以提高其摩擦电荷密度。研究表明，摩擦纳米发电机的电荷密度受材料、器件结构和摩擦接触面表面形貌的影响最大，因此摩擦纳米发电机的性能优化主要分为两个方向：材料的选择和器件结构设计。

在器件结构方面，摩擦纳米发电机的结构决定了摩擦纳米发电机的工作模式、输出稳定性、对外界能量的转化率，因此合理地设计器件的宏观结构也可以提高TENG的输出。此外，通过结构优化还能够更好地收集各种机械能，比如人体运动的能量，机械运动和旋转运动的能量等，使其具有更优的实用性。目前，滑动摩擦纳米发电机较为常见的器件结构为：栅状电极结构、旋转圆盘结构、旋转圆柱体结构等。但由于其固有的结构形式，只能收集单一的往复滑动或旋转运动产生的机械能，其应用大大受限。

(1)不适用于所有应用场景：传统结构形式的滑动摩擦纳米发电机的适用范围受到限制。它更适用于需要单一的往复滑动或旋转运动的设备或系统，而对于其他形式运动的应用场景来说，其发电效果可能会受到限制。

(2)低能量转换效率：滑动摩擦纳米发电机的输出性能仍然较低，需要进一步提高以加速大规模商业应用。很多关于提升滑动摩擦纳米发电机输出性能的制备方法较为复杂,对生产设备要求较高，或者是原材料较为昂贵，导致制备的成本较为高昂。

发明内容

本发明提供一种摩擦纳米发电机，用以解决现有技术中存在的缺陷之一，实现使摩擦纳米发电机能适用于更多变的机械运动形式作为输入端，应用场景和适用范围更加广泛的效果，解决现有技术中摩擦纳米发电机仅能够适用于往复滑动或周向绕转的运行形式作为输入端，应用场景受限的问题。

本发明提供一种摩擦纳米发电机，包括底座、发电装置和驱动装置，所述发电装置包括第一摩擦件和第二摩擦件，所述第一摩擦件与所述第二摩擦件同轴相对设置，所述驱动装置包括压杆、转轴和齿轮传动组件，所述转轴设置于所述底座，所述压杆通过所述齿轮传动组件与所述第一摩擦件连接，所述压杆与所述转轴转动连接，所述压杆适于在驱动位置与恢复位置之间转动，由所述恢复位置转至所述驱动位置的过程中，所述第一摩擦件与所述第二摩擦件相对转动摩擦，由所述驱动位置转至所述恢复位置的过程中，所述第一摩擦件与所述第二摩擦件相对静止。

根据本发明提供的一种摩擦纳米发电机，所述齿轮传动组件包括啮合传动的第一齿轮部和第二齿轮部，所述压杆包括依次连接的着力部、连接部和齿部，所述连接部与所述转轴转动连接，所述齿部与所述第一齿轮部啮合，所述第二齿轮部与所述第一摩擦件连接。

根据本发明提供的一种摩擦纳米发电机，所述第一齿轮部包括第一齿轮组，所述第一齿轮组与所述第二齿轮部啮合传动，所述齿部与所述第一齿轮组啮合，所述驱动位置与所述恢复位置之间设有中间位置，所述齿部由所述恢复位置转至所述中间位置的过程中，所述第一齿轮组靠近所述第二齿轮部直至与所述第二齿轮部啮合，所述齿部所述中间位置转至所述驱动位置，所述第一齿轮组向驱动所述第二齿轮部转动；所述齿部由所述驱动位置转至所述中间位置的过程中，所述第一齿轮组远离所述第二齿轮部直至与所述第二齿轮部分离，所述齿部所述中间位置转至所述恢复位置，所述第一齿轮组自转。

根据本发明提供的一种摩擦纳米发电机，所述第一齿轮部还包括至少一个第二齿轮组，所述齿部通过所述第二齿轮组与所述第一齿轮组进行啮合传动。

根据本发明提供的一种摩擦纳米发电机，所述第二齿轮部包括啮合传动的齿轮轴和第三齿轮组，所述第一齿轮组与所述第三齿轮组啮合传动，所述齿轮轴与所述第一摩擦件同轴连接。

根据本发明提供的一种摩擦纳米发电机，所述底座设有滑槽，所述第一齿轮组的轴体插设于所述滑槽，所述齿部在所述恢复位置与所述中间位置之间转动的过程中，所述第一齿轮组的轴体沿所述滑槽滑动。

根据本发明提供的一种摩擦纳米发电机，还包括盖体，所述盖体与所述底座连接并围设出安装腔，所述驱动装置设置于所述安装腔内，所述发电装置设置于所述安装腔外，所述盖体和所述底座中的至少一个设有与所述安装腔连通的开口，所述着力部可由所述开口沿伸至所述安装腔外，所述底座或所述盖体设有通孔，所述齿轮轴的轴体穿出所述通孔与所述第一摩擦件连接。

根据本发明提供的一种摩擦纳米发电机，所述驱动装置还包括弹性件，所述弹性件一端与所述底座固定，另一端与所述压杆连接。

根据本发明提供的一种摩擦纳米发电机，所述第一摩擦件为叶片，所述第二摩擦件为基板，所述叶片与所述基板相对的表面设有尼龙薄膜，所述基板与所述叶片相对的表面设有PDMS薄膜。

本发明还提供一种充电装置，包括蓄电器和如上所述的摩擦纳米发电机，所述蓄电器与所述发电装置连接。

本发明提供的摩擦纳米发电机，底座上固定转轴，驱动装置的压杆可绕转轴在设定角度范围内转动，即压杆自恢复位置正转设定角度后到达驱动位置，自驱动位置反转设定角度后到达恢复位置，压杆与齿轮传动组件连接，齿轮传动组件与第一摩擦件或第二摩擦件连接，压杆正转时带动齿轮传动组件转动，齿轮传动组件驱动第一摩擦件转动，第二摩擦件保持静止，以使第一摩擦件相对第二摩擦件转动，第一摩擦件与第二摩擦件同轴相对设置，在转动过程中第一摩擦件与第二摩擦件之间接触摩擦起电，形成交流电。压杆反转时同样带动齿轮传动组件转动，但齿轮传动组件不驱动第一摩擦件转动，使第一摩擦件与第二摩擦件之间保持相对静止。

通过对压杆的操纵使压杆在恢复位置与驱动位置之间转动，进而通过齿轮传动组件带动第一摩擦件相对第二摩擦件做旋转运动，使发电装置能够产生电流，即齿轮传动组件与发电装置的旋转结构相结合，将对能够使压杆转动设定角度的机械操纵动作转化为转动动作，使其能收集更多形式的机械运动产生的机械能，不仅仅局限于滑动运动或旋转运动产生的机械能，使摩擦纳米发电机能适用于更多变的机械运动形式作为输入端，应用场景和适用范围更加广泛，解决现有技术中摩擦纳米发电机仅能够是适用于往复滑动或周向绕转的运行形式作为输入端，应用场景受限的问题。

进一步的，本发明依靠齿轮传动组件传递机械能，结构设计更为轻量和紧凑，可避免较大的机械部件为实现转动而产生的机械摩擦和磨损，进而导致能量损失和寿命缩短，输出性能更加稳定。同时，齿轮传动组件更容易控制传动比，使压杆在小幅度转动的情况下，第一摩擦件与第二摩擦件之间进行更多圈的摩擦转动，压杆再一次动作周期的条件下，发电装置能够输出更多的电能，提高发电效率和摩擦纳米发电机的输出性能。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的摩擦纳米发电机的结构示意图之一；

图2是本发明提供的摩擦纳米发电机的结构示意图之二；

图3是本发明提供的摩擦纳米发电机的驱动装置的结构示意图；

图4是本发明提供的摩擦纳米发电机的底座的结构示意图；

图5是本发明提供的摩擦纳米发电机的发电装置的结构示意图；

图6是本发明提供的摩擦纳米发电机的第二摩擦件的结构示意图；

图7是本发明提供的摩擦纳米发电机的第一摩擦件的结构示意图。

附图标记：

100、底座；110、滑槽；111、第一凸起；120、第二轴孔；121、第二凸起；130、第三轴孔；131、第三凸起；

200、发电装置；210、第一摩擦件；211、叶片；2111、基材；2112、尼龙薄膜；220、第二摩擦件；221、基板；2211、基片；2212、铜箔；2213、PDMS薄膜；

300、驱动装置；310、压杆；311、着力部；312、连接部；313、齿部；320、转轴；330、齿轮传动组件；331、第一齿轮组；3311、第一上层齿轮；3312、第一下层齿轮；332、第二齿轮组；3321、第二上层齿轮；3322、第二下层齿轮；333、齿轮轴；334、第三齿轮组；3341、第三上层齿轮；3342、第三下层齿轮；340、弹性件；

400、盖体；410、安装腔；420、开口；430、通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1、图2和图5所示，本发明实施例提供的摩擦纳米发电机，包括底座100、发电装置200和驱动装置300，发电装置200包括第一摩擦件210和第二摩擦件220，第一摩擦件210与第二摩擦件220同轴相对设置，驱动装置300包括压杆310、转轴320和齿轮传动组件330，转轴320设置于底座100，压杆310通过齿轮传动组件330与第一摩擦件210连接，压杆310与转轴320转动连接，压杆310适于在驱动位置与恢复位置之间转动，由恢复位置转至驱动位置的过程中，第一摩擦件210与第二摩擦件220相对转动摩擦，由驱动位置转至恢复位置的过程中，第一摩擦件210与第二摩擦件220相对静止。

本发明实施例的摩擦纳米发电机，底座100上固定转轴320，驱动装置300的压杆310可绕转轴320在设定角度范围内转动，即压杆310自恢复位置正转设定角度后到达驱动位置，自驱动位置反转设定角度后到达恢复位置，压杆310与齿轮传动组件330连接，齿轮传动组件330与第一摩擦件210或第二摩擦件220连接，压杆310正转时带动齿轮传动组件330转动，齿轮传动组件330驱动第一摩擦件210转动，第二摩擦件220保持静止，以使第一摩擦件210相对第二摩擦件220转动，第一摩擦件210与第二摩擦件220同轴相对设置，在转动过程中第一摩擦件210与第二摩擦件220之间接触摩擦起电，形成交流电。压杆310反转时同样带动齿轮传动组件330转动，但齿轮传动组件330不驱动第一摩擦件210转动，使第一摩擦件210与第二摩擦件220之间保持相对静止。

通过对压杆310的操纵使压杆310在恢复位置与驱动位置之间转动，进而通过齿轮传动组件330带动第一摩擦件210相对第二摩擦件220做旋转运动，使发电装置200能够产生电流，即齿轮传动组件330与发电装置200的旋转结构相结合，将对能够使压杆310转动设定角度的机械操纵动作转化为转动动作，使其能收集更多形式的机械运动产生的机械能，不仅仅局限于滑动运动或旋转运动产生的机械能，使摩擦纳米发电机能适用于更多变的机械运动形式作为输入端，应用场景和适用范围更加广泛，解决现有技术中摩擦纳米发电机仅能够是适用于往复滑动或周向绕转的运行形式作为输入端，应用场景受限的问题。

进一步的，本发明依靠齿轮传动组件330传递机械能，结构设计更为轻量和紧凑，可避免较大的机械部件为实现转动而产生的机械摩擦和磨损，进而导致能量损失和寿命缩短，输出性能更加稳定。同时，齿轮传动组件330更容易控制传动比，使压杆310在小幅度转动的情况下，第一摩擦件210与第二摩擦件220之间能进行更多圈的摩擦转动，压杆310在一次动作周期的条件下，发电装置200能够输出更多的电能，提高发电效率和摩擦纳米发电机的输出性能。

本实施例中，操纵压杆310的动作可为按压压杆310、推拉压杆310等，可根据实际应用场景和需要进行选择调整，能够使压杆310往复转动设定角度即可。

根据本发明提供的一种实施例，齿轮传动组件330包括啮合传动的第一齿轮部和第二齿轮部，压杆310包括依次连接的着力部311、连接部312和齿部313，连接部312与转轴320转动连接，齿部313与第一齿轮部啮合，第二齿轮部与第一摩擦件210连接。本实施例中，齿轮传动组件330分为两个部分，即第一齿轮部和第二齿轮部，压杆310分为三个部分，即着力部311、连接部312和齿部313，着力部311与齿部313分别设置于连接部312的两侧，齿部313、第一齿轮部和第二齿轮部依次啮合传动，操纵动作施加于着力部311，使连接部312在转轴320上转动，着力部311与齿部313同步转动，带动第一齿轮部和第二齿轮部同步转动，依次驱动与第二齿轮部连接的第一摩擦件210旋转。

本实施例中，将压杆310与第一齿轮组331连接的部分设计为齿部313与第一齿轮部的啮合结构，进一步增加了驱动装置300中齿轮啮合传动的结构数量，通过啮合传动，使压杆310在有限的角度转动过程中，能够最大程度的驱动齿轮传动组件330的转动频次，增加压杆310在单次转动周期驱动第一摩擦件210转动的周次，以提升摩擦纳米发电机的发电效率。通过优化齿轮传动的设计和机构布局，提高了能量转化效率和输出性能，并降低了制备成本。

可以理解的是，通过改变第一齿轮部与第二齿轮部中任意一个的传动比，均可改变整体齿轮传动组件330的传动效率，提升摩擦纳米发电机的发电效率。

本实施例中，连接部312为连接套，连接套套设在转轴320的外侧，以实现与转轴320的转动连接，连接套的内径为6mm，齿部313为扇形齿轮，齿部313的扇形角度为60°，即压杆310转动的设定角度为60°，扇形半径为16mm。根据本发明提供的一种实施例，第一齿轮部包括第一齿轮组331，第一齿轮组331与第二齿轮部啮合传动，齿部313与第一齿轮组331啮合，驱动位置与恢复位置之间设有中间位置，齿部313由恢复位置转至中间位置的过程中，第一齿轮组331靠近第二齿轮部直至与第二齿轮部啮合，齿部313中间位置转至驱动位置，第一齿轮组331向驱动第二齿轮部转动；齿部313由驱动位置转至中间位置的过程中，第一齿轮组331远离第二齿轮部直至与第二齿轮部分离，齿部313中间位置转至恢复位置，第一齿轮组331自转。

本实施例中，压杆310的齿部313、第一齿轮组331和第二齿轮部依次啮合，压杆310自恢复位置转动至驱动位置的过程为驱动第一摩擦件210转动的过程，压杆310自驱动位置转动至恢复位置的过程为压杆310的复位过程，在压杆310的复位过程中，第一摩擦件210需要与第一摩擦件210保持相对静止，不产生摩擦，因此设计压杆310复位过程中，齿部313带动第一齿轮组331转动的同时，也使第一齿轮组331与第二齿轮部分离，解除第一齿轮组331与第二齿轮部的啮合传动关系。在压杆310转动的过程中，齿部313始终与第一齿轮组331保持啮合关系，压杆310在恢复位置与驱动位置之间具有中间位置，第一齿轮组331仅具有起始位置和与第二齿轮部啮合的啮合位置，压杆310在恢复位置保持不动时，第一齿轮组331与第二齿轮部分离。

在驱动第一摩擦件210相对于第二摩擦件220转动的过程中，压杆310由恢复位置转动至中间位置再转动至驱动位置，由恢复位置转至中间位置的过程中，齿部313转动带动第一齿轮组331转动，同时随着齿轮转动一定角度，带动第一齿轮组331由起始位置移动逐渐向第二齿轮部靠近，压杆310到达中间位置时，第一齿轮组331与第二齿轮部啮合到达啮合位置，由中间位置转至驱动位置的过程中，齿部313继续转动带动第一齿轮组331转动，同时第一齿轮组331在啮合位置带动第二齿轮部转动，实现驱动第一摩擦件210转动。

在压杆310的复位过程中，压杆310由驱动位置转动至中间位置再转动至恢复位置，由恢复位置转至中间位置的过程中，齿部313转动带动第一齿轮组331转动，同时随着齿轮转动一定角度，带动第一齿轮组331由啮合位置移动逐渐远离第二齿轮部，使第一齿轮组331与第二齿轮部分离，压杆310到达中间位置时，第一齿轮组331到达起始位置，由中间位置转至驱动位置的过程中，齿部313继续转动带动第一齿轮组331在起始位置转动，实现第二齿轮部与第一摩擦件210转保持静止。

由于压杆310与齿轮驱动组件之间的传动是通过齿部313与第一齿轮部啮合实现的，所以在既要求压杆310能够在正转驱动齿轮驱动组件转动后正常反转复位，又要保证压杆310在反转复位时，第一摩擦件210保持静止不转动的情况下，设计压杆310在反转时能够带动第一齿轮组331进行位移，与连接第一摩擦件210的第二齿轮部啮合分离，效果最直接明显，且无需加入其他部件结构既能够实现，即保证了驱动装置300的传动效率，又使驱动装置300的结构更加集成紧凑。

根据本发明提供的一种实施例，第一齿轮部还包括至少一个第二齿轮组332，齿部313通过第二齿轮组332与第一齿轮组331进行啮合传动。本实施例中，压杆310的齿部313、第二齿轮组332、第一齿轮组331和第二齿轮部依次啮合传动，若第二齿轮组332为多个，则多个第二齿轮组332也依次啮合连接，再将首尾的第二齿轮组332分别与齿部313和第一齿轮组331啮合。在齿部313与第一齿轮组331之间增加第二齿轮组332，第二齿轮组332保持固定不动，随着压杆310的转动，带动第二齿轮组332在固定位置转动，第二齿轮组332与第一齿轮组331啮合传动使第一齿轮组331转动的同时，还能够使第一齿轮组331在起始位置和啮合位置之间移动。即增加的第二齿轮组332不影响压杆310自身的转动位置以及第一齿轮组331自身的移动状态。

本实施例中，第二齿轮组332可为一个，在其它实施例中，第二齿轮组332的个数可根据实际需要进行选择，各第二齿轮组332自身的传动比也可根据实际需要调整，通过第二齿轮组332的设置，能够改变第一齿轮部的传动比，进而改变齿轮传动组件330的传动比，改变齿轮传动组件330的传动效率，提升摩擦纳米发电机的发电效率。

根据本发明提供的一种实施例，第二齿轮部包括啮合传动的齿轮轴333和至少一个第三齿轮组334，第一齿轮组331与第三齿轮组334啮合传动，齿轮轴333与第一摩擦件210同轴连接。本实施例中，齿部313、第二齿轮组332、第一齿轮组331、第三齿轮组334和齿轮轴333依次啮合连接，若第三齿轮组334为多个，则多个第三齿轮组334依次啮合传动，首尾的第三齿轮组334分别与第一齿轮组331和齿轮轴333啮合，第三齿轮组334与齿轮轴333的位置均保持不动，齿轮部通过第二齿轮组332的转动带动第一齿轮组331靠近或远离第三齿轮组334，在第二齿轮组332与第三齿轮组334啮合传动时，第三齿轮组334带动齿轮轴333转动，齿轮轴333带动第一摩擦件210同步旋转。

在其它实施例中，驱动装置300还可为齿部313、第一齿轮组331、第三齿轮组334和齿轮轴333依次啮合连接。

本实施例中，第三齿轮组334可为一个，在其它实施例中，第三齿轮组334的个数可根据实际需要进行选择，各第三齿轮组334自身的传动比也可根据实际需要调整，通过第三齿轮组334和齿轮轴333的设置，能够改变第二齿轮部的传动比，进而改变齿轮传动组件330的传动比，改变齿轮传动组件330的传动效率，提升摩擦纳米发电机的发电效率。

如图3所示，在一个实施例中，第一齿轮部包括一个第一齿轮组331和一个第二齿轮组332，第二齿轮部包括一个第三齿轮组334和一个齿轮轴333，第一齿轮组331、第二齿轮组332和第三齿轮组334均为双层齿轮，即均包括同轴设置的一个上层齿轮和一个下层齿轮，且上层齿轮的直径小于下层齿轮的直径。相邻两个双层齿轮之间的啮合形式均为一个双层齿轮的下层齿轮与另一个双层齿轮的上层齿轮啮合，扇形齿轮与双层齿轮的上层齿轮啮合，齿轮轴333与双层齿轮的下层齿轮啮合，以此最大程度的增加齿轮传动组件330的传动比，优化齿轮传动组件330的组成布置。

其中，齿轮轴333的轴体直径为2mm，齿轮直径为6mm，第一齿轮组331的第一上层齿轮3311直径为6mm，第一下层齿轮3312直径为20mm，第二齿轮组332的第二上层齿轮3321直径为9mm，第二下层齿轮3322直径为22mm，第三齿轮组334的第三上层齿轮3341直径为8mm，第三下层齿轮3342直径为18mm。

如图4所示，根据本发明提供的一种实施例，底座100设有滑槽110，第一齿轮组331的轴体插设于滑槽110，齿部313在恢复位置与中间位置之间转动的过程中，第一齿轮组331的轴体沿滑槽110滑动。本实施例中，底座100上设置滑槽110，滑槽110的延伸方向为第一齿轮组331在齿部313的驱动下靠近和远离第二齿轮部的移动轨迹，滑槽110的两端分别为第一齿轮组331的起始位置和啮合位置，滑槽110作为第一齿轮组331的移动限位，保证第一齿轮组331能够在压杆310的带动下准确进行往复移动，以及保证第一齿轮组331的移动状态的稳定性。

本实施例中，底座100上设置第一凸起111，第一凸起111围设出滑槽110，滑槽110长度为6mm。在其它实施例中，底座100上可设置凹陷形成滑槽110。

在一个实施例中，第二齿轮组332、第三齿轮组334和齿轮轴333均设置于底座100上，相应的，底座100上设置用于安装第二齿轮组332的轴体、第三齿轮组334的轴体和齿轮轴333的轴体的第二轴孔120、第三轴孔130和第四轴孔，且第二轴孔120、第三轴孔130和第四轴孔分别通过第二凸起121、第三凸起131和第四凸起围设形成。在其它实施例中，第二轴孔120、第三轴孔130和第四轴孔可通过设置凹陷形成。

根据本发明提供的一种实施例，摩擦纳米发电机还包括盖体400，盖体400与底座100连接并围设出安装腔410，驱动装置300设置于安装腔410内，发电装置200设置于安装腔410外，盖体400和底座100中的至少一个设有与安装腔410连通的开口420，着力部311可由开口420沿伸至安装腔410外，底座100或盖体400设有通孔430，齿轮轴333的轴体穿出通孔430与第一摩擦件210连接。

本实施例中，盖体400盖设在底座100上，与底座100共同形成摩擦纳米发电机的壳体，壳体内部为安装腔410，且壳体上设置开口420和通孔430，驱动装置300设置在安装腔410内，使齿轮驱动组件形成封闭安装结构，防止齿轮发生位移，齿轮轴333的轴体由通孔430伸出与安装腔410外的发电装置200的第一摩擦件210连接，压杆310的齿部313和转轴320设置在安装腔410内，压杆310的着力部311在驱动位置由开口420转入安装腔410内，在恢复位置由开口420转出安装腔410。以此设置的壳体使摩擦纳米发电机的装置结构更加集成紧凑，节省空间占用量，更有利于小型化便携设备的组装应用。

本实施例中，盖体400的侧面设置开口420，盖体400的顶面设置通孔430，发电装置200设置在盖体400的顶面外侧。在其它实施例中，底座100的侧面可设置开口420，或底座100与盖体400的侧面均对应形成凹陷构成开口420，底座100的底面也可设置通孔430，发电装置200设置在底座100的底面外侧。

根据本发明提供的一种实施例，驱动装置300还包括弹性件340，弹性件340一端与底座100固定，另一端与压杆310连接。本实施例中，压杆310的复位过程通过弹性件340实现自动回弹复位。弹性件340与压杆310的齿部313连接，通过对着力部311施加按压动作，压杆310由恢复位置转动至驱动位置，弹性件340受拉伸张，撤掉对着力部311施加的按压动作，弹性件340收缩，弹性恢复力拉动压杆310由驱动位置转动至恢复位置。

在其它实施例中，弹性件340与压杆310的着力连接，通过对着力部311施加按压动作，压杆310由恢复位置转动至驱动位置，弹性件340受压收缩，撤掉对着力部311施加的按压动作，弹性件340回弹伸张，弹性恢复力推动压杆310由驱动位置转动至恢复位置。

本实施例中，驱动压杆310转动的操纵动作为按压动作，当对着力部311进行按压动作时，通过杠杆原理作用，齿部313发生转动并带动第二齿轮组332在原位上转动。由于第一齿轮组331固定于滑槽110中，第二齿轮组332带动第一齿轮组331转动的同时也使得第一齿轮组331向第三齿轮组334移动，使其与第三齿轮组334相互啮合。这样，第三齿轮组334也在原位上发生转动。由于第三齿轮组334与齿轮轴333相互啮合，最终使得齿轮轴333在原位上转动，并实现第一摩擦件210的同步转动。对着力部311的按压动作结束后，齿部313依靠弹性件340的回弹力自动回归恢复位置，第一齿轮组331则依靠滑槽110和第二齿轮组332的带动回到起始位置，因此便可避免弹性件340回弹时出现齿轮自锁现象。由此，整个齿轮传动组件330完成一次完整的将按压动作转化为旋转运动的操作。通过优化齿轮传动的设计和机构布局，该系统实现了高效的能量转化和灵活的动作控制。这种齿轮传动机制可以应用于各种需要将按压动作转化为旋转运动的设备和系统，为其提供稳定可靠的运转方式。

如图5、图6和图7所示，根据本发明提供的一种实施例，第一摩擦件210为叶片211，第二摩擦件220为基板221，叶片211与基板221相对的表面设有尼龙薄膜2112，基板221与叶片211相对的表面设有PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜2213。本实施例中，第一摩擦件210选择为叶片211，第二摩擦件220选择为基板221，叶片211上设置尼龙薄膜2112，基板221上设置PDMS薄膜2213。在其它实施例中，第一摩擦件210可以为基板221，第二摩擦件220可以为叶片211。

本实施例中，发电装置200的工作原理是基于摩擦起电和相对旋转诱导的PDMS薄膜2213和尼龙薄膜2112之间的平面内循环电荷分离。在第一摩擦件210与第二摩擦件220相对旋转中，PDMS薄膜2213表面和尼龙薄膜2112表面相对滑动摩擦，使得电子从尼龙薄膜2112注入到PDMS薄膜2213的内表面，在尼龙薄膜2112上留下正电荷，在PDMS薄膜2213上留下负电荷。

本实施例中，基板221采用圆盘状基板221定子，由基片2211、铜箔2212和PDMS薄膜2213组成，通过激光切割机切割亚克力板作为圆盘状基片2211，基片2211厚度为4mm，直径为10cm。此外，在基片2211中心钻一个直径为1cm的孔以放置齿轮轴333的轴体。然后，将厚度为60μm的铜箔2212粘贴在衬底上，切割成4对大小相同的径向排列形状作为输出电极，输出电极之间的间隙为4mm。随后，在输出电极的整个表面附着厚度为1mm的PDMS薄膜2213作为负摩擦层。

叶片211采用扇形旋转叶片211，由基材2111和尼龙薄膜2112组成，基材2111为扇形橡胶薄片，厚度为1mm，外径为10cm，内径为2mm。然后，将厚度为1mm的一对径向排列形状的尼龙薄膜2112粘接在扇形橡胶薄片上作为正摩擦层，值得注意的是，尼龙薄膜2112的形状与输出电极的形状相同。

圆盘状基板221定子与扇形旋转叶片211组成的发电装置200的发电过程可分为四个阶段：

第一阶段，扇形旋转叶片211和圆盘状基板221定子的扇形电极处于重叠位置。由于两个带电表面紧密接触，没有极化，因此两个电极之间不会有电位差，因此外部负载中不会有电流流动。

第二阶段，当外力进行按压时，尼龙薄膜2112相对于PDMS薄膜2213开始旋转，对应的两段开始产生部分不匹配的接触面积，平面内摩擦荷在几乎与滑动方向平行的方向上分离，这将在尼龙薄膜2112层上产生比PDMS薄膜2213更高的电位，因此，附着在PDMS薄膜2213上的电极中的电子将通过外部负载被驱动流向尼龙薄膜2112，形成反向电流，从而产生相反的电位，以平衡由分离的摩擦电荷产生的电位差。

第三阶段，在第二阶段的过程中，电子持续流动，直到两个圆盘在接触的分段区域达到完全分离，即旋转45°，此时，两电极之间的感应电位差和转移电荷量均达到最大值。

第四阶段，随着叶片211继续旋转，PDMS薄膜2213表面开始与另一相邻的尼龙薄膜2112段接触，两电极之间的电位差随着接触面积的减小而减小。结果，电子将以相反的方向从尼龙薄膜2112回流到附着在PDMS薄膜2213上的电极。

因此，整个过程将导致交流电输出，这样的电荷转移周期将从第一阶段开始重新开始，当叶片211的电极与基板221的电极再次达到完全重叠。

在一个实施例中，驱动装置300驱动位于壳体安装腔410外部的发电装置200的叶片211转动同时，还可连接风扇叶片211，可使摩擦纳米发电机成为自发电风扇，即摩擦纳米发电机还能与风扇叶片211进行集成，制备成既能发电又能扇风的摩擦自发电风扇，其能将按压产生的机械能转化为电能和风能，能量利用率更高，能量转换形式更多样。

本发明实施例还提供一种充电装置，包括蓄电器和如上述实施例的摩擦纳米发电机，蓄电器与发电装置200连接。

本发明实施例的充电装置，具有重要的实用性和经济效益，可以为便携式电子产品提供可持续自供电能源解决方案。例如：

(1)移动设备：该技术可以应用于智能手机、平板电脑等移动设备中。通过将按压动作转化为圆盘转动运动，摩擦纳米发电机可以收集用户的手指按压力量并转化为电能，从而为设备供电或充电。这种技术在移动设备中可以增加能源稳定性和续航能力。

(2)可穿戴设备：摩擦纳米发电机的结合使用使其适用于可穿戴设备，如智能鞋垫、健身追踪器等。通过用户运动时的按压动作，发电机可以将机械能转化为电能，为可穿戴设备提供持续供电，减少对电池的依赖和频繁充电。

(3)物联网设备：摩擦纳米发电机的应用还可以扩展到物联网设备领域。无线传感器网络、智能家居设备等可以利用用户的按压动作转化为圆盘转动运动的能源转化，从而延长设备的寿命和稳定性，减少更换电池的频率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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等同替换；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和范围。

Claims (10)

1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于：包括底座、发电装置和驱动装置，所述发电装置包括第一摩擦件和第二摩擦件，所述第一摩擦件与所述第二摩擦件同轴相对设置，所述驱动装置包括压杆、转轴和齿轮传动组件，所述转轴设置于所述底座，所述压杆通过所述齿轮传动组件与所述第一摩擦件连接，所述压杆与所述转轴转动连接，所述压杆适于在驱动位置与恢复位置之间转动，由所述恢复位置转至所述驱动位置的过程中，所述第一摩擦件与所述第二摩擦件相对转动摩擦，由所述驱动位置转至所述恢复位置的过程中，所述第一摩擦件与所述第二摩擦件相对静止。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述齿轮传动组件包括啮合传动的第一齿轮部和第二齿轮部，所述压杆包括依次连接的着力部、连接部和齿部，所述连接部与所述转轴转动连接，所述齿部与所述第一齿轮部啮合，所述第二齿轮部与所述第一摩擦件连接。

3.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一齿轮部包括第一齿轮组，所述第一齿轮组与所述第二齿轮部啮合传动，所述齿部与所述第一齿轮组啮合，所述驱动位置与所述恢复位置之间设有中间位置，所述齿部由所述恢复位置转至所述中间位置的过程中，所述第一齿轮组靠近所述第二齿轮部直至与所述第二齿轮部啮合，所述齿部所述中间位置转至所述驱动位置，所述第一齿轮组向驱动所述第二齿轮部转动；所述齿部由所述驱动位置转至所述中间位置的过程中，所述第一齿轮组远离所述第二齿轮部直至与所述第二齿轮部分离，所述齿部所述中间位置转至所述恢复位置，所述第一齿轮组自转。

4.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一齿轮部还包括至少一个第二齿轮组，所述齿部通过所述第二齿轮组与所述第一齿轮组进行啮合传动。

5.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第二齿轮部包括啮合传动的齿轮轴和至少一个第三齿轮组，所述第一齿轮组与所述第三齿轮组啮合传动，所述齿轮轴与所述第一摩擦件同轴连接。

6.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述底座设有滑槽，所述第一齿轮组的轴体插设于所述滑槽，所述齿部在所述恢复位置与所述中间位置之间转动的过程中，所述第一齿轮组的轴体沿所述滑槽滑动。

7.根据权利要求5所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：还包括盖体，所述盖体与所述底座连接并围设出安装腔，所述驱动装置设置于所述安装腔内，所述发电装置设置于所述安装腔外，所述盖体和所述底座中的至少一个设有与所述安装腔连通的开口，所述着力部可由所述开口沿伸至所述安装腔外，所述底座或所述盖体设有通孔，所述齿轮轴的轴体穿出所述通孔与所述第一摩擦件连接。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述驱动装置还包括弹性件，所述弹性件一端与所述底座固定，另一端与所述压杆连接。

9.根据权利要求1至7任意一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦件为叶片，所述第二摩擦件为基板，所述叶片与所述基板相对的表面设有尼龙薄膜，所述基板与所述叶片相对的表面设有PDMS薄膜。

10.一种充电装置，其特征在于：包括蓄电器和如权利要求1至9任意一项所述的摩擦纳米发电机，所述蓄电器与所述发电装置连接。