CN220273456U - 一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，包括电磁发电组，所述的电磁发电组包括转动磁铁、感应线圈，转动磁铁与感应线圈一一对应设置；还包括摩擦发电组、风力驱动机构，所述的风力驱动机构驱动所述的摩擦发电组发电，同时所述的风力驱动机构驱动所述的转动磁铁转动后与感应线圈的位置发生变化，以产生感应电动势而使电磁发电组发电。本实用新型利用在旋转运动状况下材料的接触摩擦及磁通量的变化产生电能，实现由风能到电能的转换。
Description
技术领域
本实用新型属于风能发电装置制造技术领域，涉及一种将风能转化成电能的发电技术，特别涉及一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置。
背景技术
随着移动通讯、云计算和大数据技术的快速发展，人类逐渐步入物联网时代，然而数亿个传感器网络节点的供电问题成为制约物联网发展的瓶颈问题之一。由于传统电池存在使用寿命短、污染环境等缺点，人们尝试将周围环境中的能量转化为电能，为传感器节点供电。自然界中的风能具有储量大、分布广、可再生、无污染等优点，被认为是重要的清洁能源之一。传统的风力发电机重量和体积大、安装位置偏远、制造和安装成本高，限制了其在自供电无线传感器网络中的应用。因此，亟需开发小型化高效风力发电机用于传感器网络节点供电。
目前常见的小型化风力发电机多基于电磁感应原理，具有结构简单、机电耦合系数高、容易加工的特点，但是在低转速下发电效率低；摩擦纳米发电机基于接触带电和静电感应原理，具有输出电压高、成本低、材料选择性宽、适用于低转速等优点，将两种俘能机制结合，提出摩擦电电磁复合发电装置，可提高输出功率。但现有的复合发电装置能量转换效率、输出稳定性、工作寿命等方面仍有待提升。
发明内容
本实用新型提供了一种摩擦电与电磁复合发电装置，其利用在旋转运动状况下材料的接触摩擦及磁通量的变化产生电能，实现由风能到电能的转换，能为无线传感器节点供电。
本实用新型解决技术问题采取的技术方案是:
一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，包括电磁发电组，所述的电磁发电组包括转动磁铁、感应线圈，转动磁铁与感应线圈一一对应设置；还包括摩擦发电组、风力驱动机构，所述的风力驱动机构驱动所述的摩擦发电组发电，同时所述的风力驱动机构驱动所述的转动磁铁转动后与感应线圈的位置发生变化，以产生感应电动势而使电磁发电组发电。
优选的，所述的电磁发电组包括外壳，外壳的上盖与底部之间装配一转动式光轴，光轴伸出上盖之外并与风力驱动机构的风杯相连。
优选的，光轴的下部连接转子盘，转子盘上均布数个转动磁铁，与此相对应的，外壳的底部均布数个感应线圈，从而形成转动磁铁与感应线圈一一对应设置。
优选的，所述的摩擦发电组由多组摩擦发电单元构成，所述的摩擦发电单元包括两金属电极；外壳的内壁均匀分布数块立板，立板安装平行布设所述的两金属电极，且第一金属电极贴合介电薄膜，介电薄膜与第二金属电极在静止状态下相互接触，第一金属电极及介电薄膜凸出于第二金属电极以形成自由端；所述的光轴连接拨动机构，拨动机构随光轴转动并能拨动自由端以使第一金属电极发生偏转至介电薄膜与第二金属电极分离，拨动机构脱离自由端后，第一金属电极复位。
优选的，所述的拨动机构包括数个拨齿，拨齿的个数与立板相对应，且拨齿固定于所述光轴；拨齿能拨动所述的自由端以使第一金属电极发生偏转。
优选的，所述光轴外壁固定两卡盘，两卡盘之间固定连接所述的数个拨齿。
优选的，所述的第一金属电极贴合于第一连接片，所述的第二金属电极贴合于第二连接片，第一连接片的厚度大于第二连接片的厚度；第二连接片固定连接于所述的立板；第一连接片通过悬臂梁固定连接于所述的立板。
优选的，悬臂梁外侧面贴合盖板，螺丝穿过盖板及悬臂梁与立板固定连接。
优选的，转动磁铁的磁极沿轴向布置，极性相同的磁极方向一致。
优选的，摩擦发电组、电磁发电组分别与一整流桥串联后并联，摩擦发电组、电磁发电组产生的电能用于供电，或存储于超级电容器，或存储于可充电电池组。
优选的，外壳选择具备精确和耐久特性的类ABS立体光造型树脂材料制成。介电薄膜选择聚四氟乙烯薄膜，此种高分子聚合物具有耐高温特点且摩擦系数极低，有助于提高摩擦发电效率。金属电极选择铜薄膜，通过刻蚀等微加工手段形成高密度薄膜，有效提高摩擦电效果。悬臂梁选择聚对苯二甲酸乙二醇酯材料，其耐疲劳性、耐摩擦性和尺寸稳定性优良，可有效提高摩擦电效果。
摩擦电与电磁复合发电装置的发电过程如下:
所有摩擦发电单元第一金属电极通过导线连接作为输出端A，第二金属电极通过导线连接作为输出端B。摩擦发电组在初始状态无外力驱动时，输出端A上的介电薄膜与输出端B上的金属电极接触，未发生摩擦，无电荷产生，输出端A和输出端B的金属电极之间没有电势差。拨齿与第二连接片不接触，与第一连接片自由端有一定长度的重合。当风力驱动风杯转动时，光轴上的拨齿以一定速度转动，拨动第一连接片自由端使其发生偏转，输出端A上的介电薄膜与输出端B上的金属电极分离。随着光轴转动，当拨齿与第一连接片自由端分离时，第一连接片被释放并回转。当第一连接片与第二连接片发生碰撞接触时，由于摩擦起电效应，介电薄膜带负电荷，输出端B的金属电极带正电荷。当拨齿再次拨动第一连接片使得介电薄膜与输出端B的金属电极分离时，输出端A和输出端B的金属电极之间形成电势差，驱动电子从输出端A的金属电极流向输出端B的金属电极，产生一个瞬时电流，此时输出端A的金属电极所带正电荷逐渐增加，输出端B的金属电极所带正电荷逐渐减少；随着分离角度的增加，介电薄膜与输出端B上的金属电极分开距离达到最大时，电势差达到最大值，电荷转移达到饱和，输出端A的金属电极所带正电荷与介电薄膜所带负电荷达到电荷平衡。第一连接片与拨齿分离后回转，随着介电薄膜与输出端B上的金属电极靠近，电势差逐渐减小，电子从输出端B的金属电极流向输出端A的金属电极，产生一个瞬时的反向电流，此时输出端A的金属电极所带正电荷逐渐减少，输出端B的金属电极所带正电荷逐渐增加；当介电薄膜与输出端B的金属电极碰撞接触时，输出端A的金属电极所带正电荷被电子中和，介电薄膜带负电荷，输出端B的金属电极所带正电荷量达到最大值，至此完成一个发电周期。
电磁发电组转子转动带动转子盘及转动磁铁的转动，初始静止状态下转动磁铁与感应线圈一一对应，磁通量保持在某一个数值，转动磁铁转动后与感应线圈的位置发生变化，磁感线穿过感应线圈的数目改变，从而引起磁通量的变化，产生感应电动势。改变转速，磁通量变化率改变，在某一转速下磁通量变化率最大，产生的感应电动势最大。
本实用新型具有的有益效果如下:
1、摩擦发电单元沿定子内壁均匀周向分布，拨齿拨动实现发电单元同步发电，无相位差，易于后续电路调理。
2、拨齿拨动第一连接片转动后，其上的介电薄膜回转时与第二连接片上的金属电极通过碰撞接触带电而非滑动带电，有效减小金属电极与介电薄膜之间的摩擦损耗，延长摩擦电发电单元的工作寿命。
3、定子采用一体成型式结构，不需反复组装和拆卸，使发电装置整体的结构更加稳定。
4、磁铁采用同极性方向一致的放置方式，在一定的转速范围内发电效果更佳。
5、悬臂梁具有一定的弹性刚度，利于贴有介电薄膜的第一连接片回转时具有更大的动能，从而实现介电薄膜与第二连接片上的金属电极碰撞接触的更加紧密，微观增大有效接触面积，进而摩擦产生更多电荷，有效提高发电效率。
附图说明
图1为本实用新型整体装置的爆炸图；
图2为本实用新型摩擦发电单元放大示意图；
图3为本实用新型摩擦发电单元发电过程动作示意图；
图4为本实用新型摩擦发电单元发电原理图；
图5为本实用新型电磁部分示意图；
图6为本实用新型复合发电装置供电电路连接图。
图中，风杯1、上盖2、光轴3、卡盘4、拨齿5、第一连接片6、第二连接片7、盖板8、悬臂梁9、转子盘10、转动磁铁11、感应线圈12、轴承座13、外壳14、介电薄膜15、金属电极16。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型优选实施例做详细说明。
结合图1、图2、图3、图4、图5所示，本实施例一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，包括风杯1、上盖2、光轴3、卡盘4、拨齿5、第一连接片6、第二连接片7、盖板8、悬臂梁9、转子盘10、转动磁铁11、感应线圈12、轴承座13、外壳14、介电薄膜15、金属电极16。外壳14为圆柱形壳体，其内安装上盖2及一体成型的用以装配摩擦发电单元的8块立板，外壳14的底部沿中心轴线周向均匀地形成六个凹槽，用于放置感应线圈12，感应线圈12为圆柱形平面螺旋线圈。
上盖2与外壳14的顶部紧密卡合。
8块立板沿外壳14的内壁周向均匀分布固定，每块立板呈矩形状，其上开有上下两个直径为4mm的通孔。
转子盘10、卡盘4、风杯1、拨齿5和光轴3共同组成转子；光轴3的下端通过轴承与转子盘10、上盖2及外壳14的底部转动配合，轴承安装于轴承座13，轴承座13安装于外壳14的底部。
卡盘4外壁沿周向均匀分布四个方形槽，上、下两个卡盘4的内孔都与光轴3过盈配合；上、下相对应卡盘4的方形槽之间各紧密配合一拨齿5。
光轴3的上端伸出上盖2之外，风杯1通过联轴器与光轴3的上端紧密配合。
转子盘10上固定有沿周向均匀分布的6块转动磁铁11；转动磁铁11的磁极沿轴向布置，极性相同的磁极方向一致，与感应线圈一一对应构成6组电磁发电单元；6组电磁发电单元电学串联构成电磁发电组。
电磁发电组转子转动带动转子盘10及转动磁铁11的转动，初始静止状态下转动磁铁11与感应线圈12一一对应，磁通量保持在某一个数值，转动磁铁11转动后与感应线圈12的位置发生变化，磁感线穿过感应线圈12的数目改变，从而引起磁通量的变化，产生感应电动势。改变转速，磁通量变化率改变，在某一转速下磁通量变化率最大，产生的感应电动势最大。
8组摩擦发电单元，每组包括金属电极16、介电薄膜15、第二连接片7、第一连接片6、悬臂梁9，第二连接片7、第一连接片6、悬臂梁9平行布设。8组摩擦发电单元均匀周向分布在外壳14内部，且采用塞打螺丝和盖板8固定在立板上。盖板8与立板的侧面紧密结合。第二连接片7和悬臂梁9的一侧均布有两直径为4mm的通孔，与立板上的通孔相对应。第二连接片7与第一连接片6的相对侧面均贴合一金属电极16，且在第一连接片6侧面的金属电极16表面再贴合一介电薄膜15。第一连接片6未贴合任何薄膜的一面与悬臂梁9贴合；悬臂梁9通过盖板8和塞打螺丝固定于立板。
外壳14选择具备精确和耐久特性的类ABS立体光造型树脂材料制成。介电薄膜15选择聚四氟乙烯薄膜，此高分子聚合物具有耐高温特点且摩擦系数极低，以提高摩擦发电的效果。金属电极16选择铜薄膜，通过刻蚀等微加工手段形成高密度薄膜，有助于提高摩擦发电效率。悬臂梁9选择聚对苯二甲酸乙二醇酯材料，其耐疲劳性、耐摩擦性和尺寸稳定性优良，可有效提高摩擦电效果。第一连接片6和第二连接片7均采用亚克力板。
每组摩擦发电单元贴合在第一连接片6上的金属电极16通过导线连接作为输出端A，贴合在第二连接片7上的金属电极16通过导线连接作为输出端B，所有摩擦发电单元电学并联构成摩擦发电组。
摩擦发电组在初始状态无外力驱动时，输出端A上的介电薄膜15与输出端B上的金属电极16接触，未发生摩擦，无电荷产生，输出端A和输出端B的金属电极16之间没有电势差。拨齿5与第二连接片7不接触，与第一连接片6自由端有一定长度的重合。当风力驱动风杯1转动时，光轴3上的拨齿5以一定速度转动，拨动第一连接片6自由端使其发生偏转，输出端A上的介电薄膜15与输出端B上的金属电极16分离。随着光轴3转动，当拨齿5与第一连接片6自由端分离时，第一连接片6被释放并回转。当第一连接片6与第二连接片7发生碰撞接触时，由于摩擦起电效应，介电薄膜15带负电荷，输出端B的金属电极16带正电荷。当拨齿5再次拨动第一连接片6使得介电薄膜15与输出端B的金属电极16分离时，输出端A和输出端B的金属电极16之间形成电势差，驱动电子从输出端A的金属电极16流向输出端B的金属电极16，产生一个瞬时电流，此时输出端A的金属电极16所带正电荷逐渐增加，输出端B的金属电极16所带正电荷逐渐减少；随着分离角度的增加，介电薄膜15与输出端B上的金属电极16分开距离达到最大时，电势差达到最大值，电荷转移达到饱和，输出端A的金属电极16所带正电荷与介电薄膜15所带负电荷达到电荷平衡。第一连接片6与拨齿5分离后回转，随着介电薄膜15与输出端B上的金属电极16靠近，电势差逐渐减小，电子从输出端B的金属电极16流向输出端A的金属电极16，产生一个瞬时的反向电流，此时输出端A的金属电极16所带正电荷逐渐减少，输出端B的金属电极16所带正电荷逐渐增加；当介电薄膜15与输出端B的金属电极16碰撞接触时，输出端A的金属电极16所带正电荷被电子中和，介电薄膜15带负电荷，输出端B的金属电极16所带正电荷量达到最大值，至此完成一个发电周期。
摩擦发电组、电磁发电组分别与整流桥串联后并联，发电组产生的电能给用电装置供电，或存储于超级电容器，或存储于可充电电池组。
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要说明的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，包括电磁发电组，所述的电磁发电组包括转动磁铁(11)、感应线圈(12)，转动磁铁(11)与感应线圈(12)一一对应设置；其特征是还包括摩擦发电组、风力驱动机构，所述的风力驱动机构驱动所述的摩擦发电组发电，同时所述的风力驱动机构驱动所述的转动磁铁(11)转动后与感应线圈(12)的位置发生变化，以产生感应电动势而使电磁发电组发电；
所述的电磁发电组包括外壳(14)，外壳(14)的上盖(2)与底部之间装配一转动式光轴(3)，光轴(3)伸出上盖(2)之外并与风力驱动机构的风杯(1)相连；
光轴(3)的下部连接转子盘(10)，转子盘(10)上均布数个转动磁铁(11)，与此相对应的，外壳(14)的底部均布数个感应线圈(12)，从而形成转动磁铁(11)与感应线圈(12)一一对应设置；
摩擦发电组由多组摩擦发电单元构成，所述的摩擦发电单元包括两金属电极；外壳(14)的内壁均匀分布数块立板，立板安装平行布设所述的两金属电极，且第一金属电极贴合介电薄膜(15)，介电薄膜(15)与第二金属电极在静止状态下相互接触，第一金属电极及介电薄膜(15)凸出于第二金属电极以形成自由端；所述的光轴(3)连接拨动机构，拨动机构随光轴(3)转动并能拨动自由端以使第一金属电极发生偏转至介电薄膜(15)与第二金属电极分离，拨动机构脱离自由端后，第一金属电极复位。
2.如权利要求1所述一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，其特征是，所述的拨动机构包括数个拨齿(5)，拨齿(5)的个数与立板相对应，且拨齿(5)固定于所述光轴(3)；拨齿(5)能拨动所述的自由端以使第一金属电极发生偏转。
3.如权利要求2所述一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，其特征是，所述光轴(3)外壁固定两卡盘(4)，两卡盘(4)之间固定连接所述的数个拨齿(5)。
4.如权利要求1-3任一项所述一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，其特征是，所述的第一金属电极贴合于第一连接片(6)，所述的第二金属电极贴合于第二连接片(7)，第一连接片(6)的厚度大于第二连接片(7)的厚度；第二连接片(7)固定连接于所述的立板；第一连接片(6)通过悬臂梁(9)固定连接于所述的立板。
5.如权利要求4所述一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，其特征是，悬臂梁(9)外侧面贴合盖板(8)，螺丝穿过盖板(8)及悬臂梁(9)与立板固定连接。
6.如权利要求1所述一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，其特征是，转动磁铁(11)的磁极沿轴向布置，极性相同的磁极方向一致。
7.如权利要求1所述一种风力驱动的摩擦电与电磁复合发电装置，其特征是，摩擦发电组、电磁发电组分别与一整流桥串联后并联，摩擦发电组、电磁发电组产生的电能用于供电，或存储于超级电容器，或存储于可充电电池组。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |