CN203537269U

CN203537269U - 多层插齿式摩擦发电机

Info

Publication number: CN203537269U
Application number: CN201320553911.8U
Authority: CN
Inventors: 杜伟明; 潘曹峰; 王中林
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2023-09-06

Abstract

本实用新型公开了一种多层插齿式摩擦发电机，该发电机包括：上摩擦面，下摩擦面和连接件，其中：上摩擦面位于发电机的上部，其包括第一绝缘层，所述第一绝缘层的一面镀有第一导电层；下摩擦面位于发电机的下部，其包括第二导电摩擦层或一面镀有第三导电层的第三绝缘层；第一绝缘层和第二导电摩擦层/第三绝缘层均为齿状，相互交叉分布且可啮合；上下摩擦面通过连接件连接在一起。本实用新型不仅可以通过压力发电，也可以通过拉力和震动发电；在同样的空间结构中，本实用新型使得摩擦面积增大数倍，提高了发电机的功率输出和电流输出；插齿式的结构使得本实用新型在微小的压力和震动时也有输出。

Description

多层插齿式摩擦发电机

技术领域

本实用新型属于新能源技术领域，尤其是一种多层插齿式摩擦发电机。

背景技术

传感器技术是实现测试和自动控制的重要环节，无论是在生活中使用的手机、通讯、产品跟踪、医疗检测，还是在军事领域的探测、侦查、追踪，都与传感器息息相关。

近期，物联网的兴起，又是传感器另一项重要应用。在物联网中，大量的传感器被放置在需要检测或者跟踪的物品或位置上。目前的传感器都是电池供电，一方面数量庞大的传感器需要定期更换电池，使得传感器后期的维护工作十分艰巨；另一方面，部分类型的传感器，例如地面传感器，在放置后经过一段时间，位置会发生变化，无法找到而直接导致传感器的报废。如果能够做到器件自驱动，或者能够有一个能源能给器件相连的电池进行自充电，那么将使传感器应用的范围更广，极大地减少维护工作。

自驱动系统在科研和实际应用中，都占有相当重要的地位。在自驱动系统中，采用发电机收集周围环境中的能量，将其转化为电能，为微小器件供电，使器件不需要定期更换电源，从而扩大了器件的应用范围，并大大减少了器件在使用过程中的维护工作。发电机的各种工作原理中，摩擦式因其较高的电压和功率输出，受到越来越多的重视。

图1是现有技术中的接触式摩擦发电机的结构示意图，如图1所示，现有技术中常用的方案为采用两个平行的有机玻璃板（PMMA）作为支撑，将摩擦面固定在PMMA板上，施加应力时两个摩擦面相互接触，并摩擦带电，应力消失后，弹簧的弹力使器件恢复原来的形貌，在两个摩擦面接触和分离的过程中，发生电荷的转移。

现有技术的上述技术方案存在的主要缺点有两个：一方面由于弹簧的自然状态占据一定的空间，使空间体积利用不够充分，摩擦面积相对较小，导致电流密度较低；另一方面，该器件只有上下面接触以后才会有电输出，当施加拉力时，或者施加的压力促使弹簧发生的形变量不足以使两个面接触的时候，发电机无法工作，这就限制了发电机在微小压力或者震动的方面的应用。

实用新型内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提出一种多层插齿式摩擦发电机，该发电机采用多层插齿式的结构。

本实用新型提出的一种多层插齿式摩擦发电机包括：上摩擦面10，下摩擦面20和连接件，其中：

所述上摩擦面10位于所述多层插齿式摩擦发电机的上部，所述上摩擦面10包括第一绝缘层13，所述第一绝缘层13朝向内部的一面镀有第一导电层12；

所述下摩擦面20位于所述插齿式摩擦发电机的下部，所述下摩擦面20包括第二导电摩擦层23或一面镀有第三导电层32的第三绝缘层33；

所述第一绝缘层13和第二导电摩擦层23/第三绝缘层33均为齿状，相互交叉分布且可啮合；

所述连接件用于连接所述上摩擦面10和下摩擦面20以组成所述多层插齿式摩擦发电机。

可选地，所述上摩擦面10还包括有第一支撑板11，用于为所述上摩擦面10提供支撑，所述第一绝缘层13固定在所述第一支撑板11上。

可选地，所述下摩擦面20还包括有第二支撑层22，用于为所述第二导电摩擦层23提供支撑，所述第二导电摩擦层23镀在所述第二支撑层22的一面上。

可选地，所述下摩擦面20还包括有第二支撑板21，用于为所述上摩擦面20提供支撑，所述第二支撑层22的另一面固定在所述第二支撑板21上。

可选地，所述连接件为弹性连接件，所述弹性连接件将所述上摩擦面10和下摩擦面20连接并封装在一起。

可选地，所述连接件为旋转连接件，所述旋转连接件包括固定件和旋转件，其中，所述固定件与所述上摩擦面10和下摩擦面20中的一个固连，所述旋转件与另一个固连。

可选地，所述支撑板为硬质薄板。

可选地，所述导电层由金属制成，所述第二导电摩擦层由对电子束缚能力较弱的材料制成。

可选地，所述第一绝缘层由对电子束缚能力较强的材料制成，第二支撑层由强度足够支撑第二导电摩擦层的材料制成，第三绝缘层由对电子束缚能力较弱的材料制成。

可选地，所述第二支撑层的厚度为100μm-500μm时最佳，所述第三绝缘层的厚度为50μm-200μm。

本实用新型所公开的插齿式摩擦发电机具有的有益效果是：第一方面，在同样的空间结构中，摩擦面积增大数倍甚至十几倍，从而大大提高发电机的功率输出；第二方面，所述插齿式摩擦发电机的垂直插齿式结构相当于将数片单片式的摩擦发电机并联在一起，从而提高了发电机的电流输出；第三方面，插齿式的结构使得该发电机在微小的压力和震动方面也有输出，并且该发电机不仅可以通过压力发电，也可以通过拉力和震动发电。

附图说明

图1是现有技术中的接触式摩擦发电机的结构示意图；

图2是根据本实用新型一实施例的多层插齿式摩擦发电机的核心结构示意图；

图3是根据本实用新型另一实施例的多层插齿式摩擦发电机的核心结构示意图；

图4为本实用新型提出的多层插齿式摩擦发电机的工作原理图；

图5和图6为多层插齿式摩擦发电机组装后的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

图2是根据本实用新型一实施例的多层插齿式摩擦发电机的核心结构示意图，如图2所示，在本实施例中，所述多层插齿式摩擦发电机主要包括：上摩擦面10、下摩擦面20和连接件，其中：

所述上摩擦面10位于所述多层插齿式摩擦发电机的上部，其从上至下依次包括第一支撑板11（在本实用新型一实施例中，所述第一支撑板11为硬质薄板，进一步为PMMA板）、固定在所述第一支撑板11上的第一绝缘层13；所述第一绝缘层13朝向内部的一面镀有第一导电层12；

所述下摩擦面20位于所述多层插齿式摩擦发电机的下部，其从下至上依次包括第二支撑板21（在本实用新型一实施例中，所述第二支撑板为硬质薄板，进一步为PMMA板）、固定在所述第二支撑板21上的第二支撑层22；所述第二支撑层22朝向外部的一面镀有第二导电摩擦层23，所述第二支撑层22的作用是支撑所述第二导电摩擦层23，若所述第二导电摩擦层23结构足够稳定，则所述第二支撑层22可以去掉，另外，所述第二支撑层22所使用的材料没有限制，可使用绝缘材料也可使用金属材料，只要该材料的强度足够支撑第二导电摩擦层即可。

在本实用新型一实施例中，所述第一绝缘层13由对电子束缚能力较强的材料制成，如聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰亚胺（PI）等，所述第二支撑层的厚度为100μm-500μm时最佳。

在本实用新型一实施例中，所述第一导电层12和第二导电摩擦层23由金属制成。第一导电层12优选导电性良好的Al、Au、Cu、Pt、Ag等金属，比如Cu；第二导电摩擦层23优选对电子束缚能力较弱的材料，如Al。

所述连接件用于连接所述上摩擦面10和下摩擦面20。

在图2所示的发电机中，发生摩擦的两个面是第一绝缘层和第二导电摩擦层。

图3是根据本实用新型另一实施例的多层插齿式摩擦发电机的核心结构示意图，如图3所示，在本实施例中，所述多层插齿式摩擦发电机主要包括：上摩擦面10、下摩擦面20和连接件，其中：

所述上摩擦面10和连接件与上一实施例相同，在此不做赘述；

所述下摩擦面20位于所述多层插齿式摩擦发电机的下部，其从下至上依次包括第二支撑板21（在本实用新型一实施例中，所述第二支撑板为硬质薄板，进一步为PMMA板）、固定在所述第二支撑板21上的第三绝缘层33；所述第三绝缘层33朝向内部的一面镀有第三导电层32。

在本实用新型一实施例中，所述第三导电层32由金属制成，优选导电性良好的Al、Au、Cu、Pt、Ag等金属，比如Cu；所述第三绝缘层33由对电子束缚能力较弱的材料制成，如苯胺甲醛树脂、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66等，所述第三绝缘层的厚度为50μm-200μm时最佳。

该实施例中，所述发电机接触面的摩擦形式与上一实施例有所不同，在图3所示的发电机中，发生摩擦的两个面是第一绝缘层和第三绝缘层。

在图2和图3所示的发电机中，分别作为上摩擦面和下摩擦面的所述第一绝缘层13和第二导电摩擦层22、第三绝缘层33均为齿状，所述第一绝缘层13与第二导电摩擦层22/第三绝缘层33相互交叉分布且可啮合，当上摩擦面和下摩擦面发生相对位移时，通过摩擦形成电流；其中，所述上摩擦面和下摩擦面的上下位置并不固定，可以互换。所述上摩擦面和下摩擦面中的第一支撑板11和第二支撑板21的作用是支撑所述发电机的摩擦结构，若图2中的绝缘层和导电层，以及图3中的绝缘层组成的结构较为固定，则所述第一支撑板11和第二支撑板21可以去掉。

图4为本实用新型提出的多层插齿式摩擦发电机的工作原理图，如图4所示，当图2和图3中的上摩擦层10和下摩擦层20发生相对位移的时候，无论相对位移的方向为x轴，y轴，或任意方向a，均会使上下摩擦层之间发生电荷转移，在两个摩擦层分离的过程中，两个摩擦层之间的电势差驱动电子通过两个电极和外电路发生流动，从而在外电路中有电信号输出。

将两层摩擦层组装起来，就可以由外界的力驱动该多层插齿式摩擦发电机工作。图5和图6为两种不同的组装结构的示例图。

图5为由压力、拉力或者震动驱动发电机工作的组装结构示意图，图5中，所述连接件为弹性连接件，比如弹簧3，所述弹簧3将上摩擦面10、下摩擦面20连接并封装在一起，不受力时，弹簧3处于松弛状态，发电机无电信号输出；当器件受到外界施加的拉力、压力或震动时，弹簧3的拉伸和压缩使两个摩擦层发生相对位移，同时外电路有电信号输出。

图6为由转动驱动发电机工作的组装结构示意图，图6中，所述连接件为旋转连接件，所述旋转连接件包括固定件和旋转件，其中，所述固定件与所述上摩擦面10和下摩擦面20中的一个固连，所述旋转件与另一个固连，比如可将上摩擦面10固定在固定件1上，将下摩擦面20固定在旋转件2上，在旋转的过程中，上摩擦面10和下摩擦面20发生相对位移，同时外电路有电信号输出，当然，也可将上摩擦面10固定在旋转件2上，将下摩擦面20固定在固定件1上。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种多层插齿式摩擦发电机，其特征在于，该发电机包括：上摩擦面（10），下摩擦面（20）和连接件，其中：

所述上摩擦面（10）位于所述多层插齿式摩擦发电机的上部，所述上摩擦面（10）包括第一绝缘层（13），所述第一绝缘层（13）的一面镀有第一导电层(12)；

所述下摩擦面（20）位于所述插齿式摩擦发电机的下部，所述下摩擦面（20）包括第二导电摩擦层（23）或一面镀有第三导电层（32）的第三绝缘层（33）；

所述第一绝缘层（13）和第二导电摩擦层（23）/第三绝缘层（33）均为齿状，相互交叉分布且可啮合；

所述连接件用于连接所述上摩擦面（10）和下摩擦面（20）以组成所述多层插齿式摩擦发电机。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述上摩擦面（10）还包括有第一支撑板（11），用于为所述上摩擦面（10）提供支撑，所述第一绝缘层（13）固定在所述第一支撑板（11）上。

3.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述下摩擦面（20）还包括有第二支撑层（22），用于为所述第二导电摩擦层（23）提供支撑，所述第二导电摩擦层（23）镀在所述第二支撑层（22）的一面上。

4.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于，所述下摩擦面（20）还包括有第二支撑板（21），用于为所述上摩擦面（20）提供支撑，所述第二支撑层（22）的另一面固定在所述第二支撑板（21）上。

5.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述连接件为弹性连接件，所述弹性连接件将所述上摩擦面（10）和下摩擦面（20）连接并封装在一起。

6.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述连接件为旋转连接件，所述旋转连接件包括固定件和旋转件，其中，所述固定件与所述上摩擦面（10）和下摩擦面（20）中的一个固连，所述旋转件与另一个固连。

7.根据权利要求2或4所述的发电机，其特征在于，所述支撑板为硬质薄板。

8.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述导电层由金属制成，所述第二导电摩擦层由对电子束缚能力较弱的材料制成。

9.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于，所述第一绝缘层由对电子束缚能力较强的材料制成，所述第二支撑层由强度足够支撑第二导电摩擦层的材料制成，第三绝缘层为对电子束缚能力较弱的材料制成。

10.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述第二支撑层的厚度为100μm-500μm，所述第三绝缘层的厚度为50μm-200μm。