CN117439439A - 一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，其组成包括多组转盘式摩擦纳米发电机、整流电路和转盘式摩擦纳米发电机组件。该发明所述的转盘式摩擦纳米发电机组件包括转动马达、弱电负性材料、强电负性材料和导电材料。强电负性材料和弱电负性材料在进行相对运动时，通过不断地切换两种电负性材料的分离状态和接触状态，发电机能够持续且稳定地产生交流电，交流电经过整流电路整流后得到脉冲直流电。通过叠加多组不同相位的脉冲直流电可将其转化为稳恒直流电。稳恒直流电可以直接给电子设备供电，使电子设备可以持续而不间断地工作。

Description

一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发 电机

技术领域

本发明属于微纳能源收集领域，具体涉及一种可产生低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机。

背景技术

传统的摩擦纳米发电机具有成本低、重量轻、材料和结构选择多样化的优点，这些优点也为其能够投入到智能穿戴、医疗、环保等领域的使用中增添了可能；但不管是智能穿戴设备的运转，还是医疗设备长时间的运行，或者是环保设备需要的动力，其对纳米发电机的输出都具有一定的要求。但是传统的摩擦纳米发电机产生的交流输出无法使用电设备不间断运行，同时自生产生的输出频率也较低。以上所述的问题大大限制了传统纳米发电机在各领域中的使用，导致了其无法全面投入到各产业的使用中去。

传统的摩擦纳米发电机即使是在经过人为整流后得到的输出也还是类似于脉冲直流电，若以其直接给电子设备供电，电子设备的工作状态也很不稳定。不但影响工作的持续性和高效性，而且还会减少电子设备的使用寿命；因此，纳米发电机在未来能否得到更为广泛的推广和应用，取决于当下是否能够解决降低纳米发电机的波峰因子、将脉冲直流电转化为稳恒直流电这一难题。

发明内容

本发明针对目前传统转盘式摩擦纳米发电机产生的输出无法使用电器持续工作的问题，提出了一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机。将多个转盘式摩擦纳米发电机产生的输出分别经过整流，再叠加经过整流后的多组不同相位的脉冲直流电，最终可将其转化为稳恒直流电，从而使摩擦纳米发电机更好地适用于各个领域。以上，从根本上解决了传统转盘式摩擦纳米发电机无法使用电器持续工作的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，所述一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机仍然基于静电感应；其包括多组转盘式摩擦纳米发电机、整流电路和发电机组件。

所述转盘式摩擦纳米发电机组件包括转动马达、弱电负性材料、强电负性材料和导电材料。

强电负性材料和弱电负性材料在进行相对运动时，通过不断切换两种电负性材料之间的接触状态和分离状态，转盘式摩擦纳米发电机产生交流电，将其经过整流后可以得到脉冲直流电。

在每一组转盘式摩擦纳米发电机弱电负性材料位置的摆放上，要求相邻各组转盘式摩擦纳米发电机的弱电负性材料两两间朝同一方向(顺时针方向或逆时针方向)依次偏移原位置的角度为Q，而各组中粘贴在一起的强电负性材料和导电材料相互对齐。

我们令转盘式摩擦纳米发电机的组数为M(M>1)，每组转盘式摩擦纳米发电机上的弱电负性材料个数为N(N>1)，每组转盘式摩擦纳米发电机上的弱电负性材料与弱电负性材料之间相隔的角度为P，相邻各组转盘式摩擦纳米发电机间的弱电负性材料之间相隔的度数为Q。随着M、N、P、Q的改变，各参数之间的关系为：N×P＝180°，M×Q＝P。通过相位叠加，脉冲直流电转化为稳恒直流电。通过这种叠加的方式，我们能得到了可使设备持续工作的稳恒直流电。

优选地，所述一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机的一组转盘式摩擦纳米发电机的两基底之间的间隙相隔3～5mm，在此距离下，一组转盘式摩擦纳米发电机的输出为最优。在一定范围内，随着两基底间距离的减小，两种摩擦材料能够更加充分的接触，而接触面积的增大有利于提高转盘式摩擦纳米发电机的输出。当超过该范围时，摩擦纳米发电机的输出不会再有明显的提升，而且随着两基底间距离的逐渐减小，两种摩擦材料的磨损情况还会逐渐变得严重，使用寿命也会有明显的下降。综合考虑所述情况，在3～5mm的情况下转盘式摩擦纳米发电机的输出为最优。

优选地，所述转盘式摩擦纳米发电机可以采用以下结构代替：垂直接触分离结构的纳米发电机、平行滑动结构的纳米发电机、单电极接触结构的纳米发电机、滑动式自由移动结构的纳米发电机或接触式自由移动结构的纳米发电机。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明所述一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机工作时，各组转盘式摩擦纳米发电机的输出经过整流后产生的脉冲直流电相位不同，经过叠加后产生的稳恒直流电可以使外部用电器持续工作。

(2)本发明所述一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机相对于传统的摩擦纳米发电机而言，可以提高输出的频率，达到提高各产业的生产效率和产品质量的目的。

(3)本发明所述一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机结构简单、成本低廉，有利于产业化的推广应用；可以让电器持续且稳定高效率地工作，解决了传统转盘式摩擦纳米发电机输出不稳定的问题。

附图说明

图1为本发明所述一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机的结构示意图。

图2为转盘式摩擦纳米发电机的内部结构示意图。

图3为不同栅格数的转盘式摩擦纳米发电机的结构示意图。

图4为一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机的电学仿真输出图。

图5为一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机的电学输出图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做出进一步的说明。

实验例一

如图1所示，一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机其包括三组转盘式摩擦纳米发电机、整流电路和框架组件。实验中利用转动马达带动转轴的旋转(在实际的应用中可以利用风能、水能等带动其旋转)，而固定在转轴上的法兰座同时带动与法兰座相固定的转子旋转，从而使得每组转盘式摩擦纳米发电机产生输出，再将各组转盘式摩擦纳米发电机产生的输出分别通过整流电路整流得到脉冲直流电，叠加不同相位的脉冲直流电得到稳恒直流电。利用得到的稳恒直流电来达到使用电器持续且稳定工作的目的。

转盘式摩擦纳米发电机的内部结构如图2所示，图中对应的组件分别为：

1、弱电负性材料(兔毛)；

2、粘贴在一起的导电材料(厚度为50μm的铜膜)和强电负性材料(厚度约为0.2mm的PTFE)；

3、5mm厚的亚克力板圆盘；

4、与亚克力板圆盘和转轴相固定的法兰座。

详细地结构如图2(b)所示。具体情况为：PTFE固定在铜膜上，而四个粘贴在一起的PTFE和铜膜一起固定在一个亚克力板圆盘上。两个四分之一亚克力板圆盘大小的扇形兔毛固定在另一个亚克力板圆盘上，扇形兔毛与扇形兔毛之间间隔一个90°角的扇形空位。固定在亚克力板圆盘上的扇形铜膜为输出电极，其中每间隔一个铜膜位置的电极为同一输出电极，利用导线将同一输出电极连接，以此为两个输出电极。发电机工作时，转轴带动固定的法兰座，同时，固定在法兰座上的亚克力板圆盘带动兔毛，铜电极和PTFE共同固定在另一块亚克力板圆盘上不动。兔毛和PTFE摩擦后会发生电子的转移，随着兔毛和PTFE的不断接触和分离，各组转盘式摩擦纳米发电机会输出交流电。

不同栅格数的转盘式摩擦纳米发电机的内部结构如图3所示，(a)表示转盘式摩擦纳米发电机的转子结构；(b)表示转盘式摩擦纳米发电机的定子结构。(Ⅰ)表示栅格数为4时，转子和定子的内部结构示意图；此时：N＝2，M＝3，P＝90°，Q＝30°。(Ⅱ)表示栅格数为六时，转子和定子的内部结构示意图。此时：N＝3，M＝3，P＝60°，Q＝20°。(Ⅲ)表示栅格数为八时，转子和定子的内部结构示意图。此时：N＝4，M＝3，P＝45°，Q＝15°。

实验的模拟数据如图4所示，其分别表示三组转盘式摩擦纳米发电机各自接入整流电路后产生的不同相位输出，通过叠加的方式，最终可以得到稳恒直流电。

实验结果如图5所示，(a)表示不同栅格数的转盘式摩擦纳米发电机的输出分别经过整流后，三组转盘式摩擦纳米发电机在无相位差的情况下，经过叠加后的输出特性曲线图形；(b)表示不同栅格数的转盘式摩擦纳米发电机的输出分别经过整流后，三组转盘式摩擦纳米发电机在有相位差的情况下，经过叠加后的输出特性曲线图形。(Ⅰ)表示三组转盘式摩擦纳米发电机的栅格数均为四时，各自产生的输出分别经过整流后，在有无相位摆放的情况下叠加后的输出特性曲线图形；(Ⅱ)表示三组转盘式摩擦纳米发电机的栅格数均为六时，各自产生的输出分别经过整流后，在有无相位摆放的情况下叠加后的输出特性曲线图形；(Ⅲ)表示三组转盘式摩擦纳米发电机的栅格数均为八时，各自产生的输出分别经过整流后，在有无相位摆放的情况下叠加后得输出特性曲线图形。

实施例一

一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，包括摩擦转盘组成的转盘式摩擦纳米发电机，摩擦转盘上的强电负性材料和弱电负性材料在进行相对运动时，通过不断地切换两种电负性材料的分离状态和接触状态，每组转盘式摩擦纳米发电机能够持续且稳定地产生交流电；转盘式摩擦纳米发电机的组数为M(M>1)，每组转盘式摩擦纳米发电机上的弱电负性材料个数为N(N>1)，每组转盘式摩擦纳米发电机上的弱电负性材料或空格扇形的角度为P，相邻各组转盘式摩擦纳米发电机间的弱电负性材料之间相隔的度数为Q，Q即为相位差；随着参数M、N、P、Q的改变，各变量之间的关系为：N×P＝180°，M×Q＝P；还包括整流电路，转盘式摩擦纳米发电机产生的交流电经过整流电路转化为脉冲直流电输出；若干个转盘式摩擦纳米发电机叠加成堆叠结构将输出的脉冲直流电再次转换为稳恒直流输出，进而得到能使设备持续工作的稳恒直流电。

转盘式摩擦纳米发电机的直径为10～30cm；各组转盘式摩擦纳米发电机包括定子和转子，定子包括固定在各组转盘式摩擦纳米发电机最底部的基底；基底材料为金属材料、半导体材料或导电聚合物的导电材料；导电材料上粘贴有强电负性材料，强电负性材料为聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯或尼龙；通过导线连接导电材料，同时作为输出电极；基底的直径为14～24cm，厚度为5～10mm的塑料板、橡胶板或玻璃板；定子顶部设有转子，转子同样包括直径为10～30cm，厚度为5～10mm的基底；转子上的基底朝向定子上基底的一面贴有弱电负性材料，弱电负性材料为毛皮、玻璃或尼龙；弱电负性材料与强电负性材料摩擦完成发电，其余各组转盘式摩擦纳米发电机的结构与之类似；两相邻转子在水平面上依次偏移原位置角度Q。

当多组所述转盘式摩擦纳米发电机同时工作，且单组所述转盘式摩擦纳米发电机的输出都经过整流后，通过叠加不同相位的脉冲直流电，可以得到使用电器持续工作的稳恒直流电，从而达到让用电器持续高效运转的同时又能提高其稳定性的效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施示例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施示例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施示例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，包括摩擦转盘组成的转盘式摩擦纳米发电机，所述摩擦转盘上的强电负性材料和弱电负性材料在进行相对运动时，通过不断地切换两种电负性材料的分离状态和接触状态，每组转盘式摩擦纳米发电机能够持续且稳定地产生交流电；

其特征在于：

所述转盘式摩擦纳米发电机产生的交流电经过所述整流电路转化为脉冲直流电输出，所述转盘式摩擦纳米发电机为若干个；

若干个所述转盘式摩擦纳米发电机叠加成堆叠结构将输出的脉冲直流电再次转换为稳恒直流输出，得到能使设备持续工作的稳恒直流电；

所述堆叠结构包括，

转盘式摩擦纳米发电机的组数为M(M>1)，每组转盘式摩擦纳米发电机上的弱电负性材料个数为N(N>1)，每组转盘式摩擦纳米发电机上的弱电负性材料或空格扇形的角度为P，相邻各组转盘式摩擦纳米发电机间的弱电负性材料之间相隔的度数为Q，Q即为相位差；

随着参数M、N、P、Q的改变，各变量之间的关系为：N×P＝180°，M×Q＝P。

2.根据权利要求1所述的一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述转盘式摩擦纳米发电机的直径为10～30cm。

3.根据权利要求2所述的一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，其特征在于：各组所述转盘式摩擦纳米发电机包括定子和转子，所述定子包括固定在各组所述转盘式摩擦纳米发电机最底部的基底；

所述基底材料为绝缘材料，如玻璃，亚克力板等；绝缘基底上粘贴有栅格状强电负性材料作为转子，也作为介电层。所述强电负性材料为聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯等；绝缘基底上贴有相邻栅格隔开的栅格状导电薄膜作为定子，通过导线连接不相邻栅格作为电极。

4.根据权利要求3所述的一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述基底的直径为14～24cm，厚度为5～10mm的塑料板、橡胶板或玻璃板。

5.根据权利要求4所述的一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述定子顶部设有转子，所述转子同样包括直径为10～30cm，厚度为5～10mm的基底；

所述转子上的基底朝向所述定子上基底的一面贴有弱电负性材料，所述弱电负性材料为铜、毛皮、玻璃、尼龙等；所述弱电负性材料与强电负性材料摩擦完成发电，其余各组转盘式摩擦纳米发电机的结构与之类似。

6.根据权利要求5所述的一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，其特征在于：两相邻所述转子在水平面上依次偏移原位置角度Q。

7.权利要求6所述的一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机，其特征在于：当多组所述转盘式摩擦纳米发电机同时工作，且单组所述转盘式摩擦纳米发电机的输出都经过整流后，通过叠加不同相位的脉冲直流电，可以得到使用电器持续工作的稳恒直流电，从而达到让用电器持续高效运转的同时又能提高其稳定性的效果。