CN220711363U - 一种偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种偏心式摩擦电‑电磁复合型发电装置，包括定子部与转子部，所述转子部相对所述定子部摆动，摩擦发电单元包括分别位于所述转子部、所述定子部上的摩擦电材料和电极阵列，电磁发电单元包括分别位于所述转子部、所述定子部上的磁铁和线圈。本装置为偏心结构，环境中的机械能带动转子部进行复摆，同时转子部本身在惯性作用下可自摆动，在同样的机械能作用下，本装置的发电效率更高，收集转轴方向上的角度旋转运动的能量，拥有更多的自由度与更好的通用性；转子部与定子部相贴合，结构紧凑，占用空间小，方便携带，实现更多场合的潜在应用。

Description

一种偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置

技术领域

本实用新型属于新能源技术领域，具体是一种偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置。

背景技术

随着微电子技术和无线通讯技术的迅速发展，微电子器件的功耗在不断降低，其数量多且分布广泛。目前，大多数电子设备仍依靠传统的电缆或者电池，这些供电方式会耗费大量的成本，并且由于设备传感器的广泛分布特性，这些使用后的废旧电池以及废旧线路会对环境产生非常大的污染。因此，为了人类社会的可持续发展，需要新的电源解决方案来解决满足复杂庞大的供电需求。能量收集技术作为一种新兴的电力供给方案，正受到行业内越来越多的关注。该技术可将环境中的各种能量收集起来并转化为电能，为设备源源不断地供应电力，彻底摆脱对传统电池或其他电源的依赖，拥有高效能、持久、免维护的供电优势。

摩擦纳米发电机是近年来新兴的一门能量收集技术。它能够用于获取人们日常生活中被浪费掉的各种能量，尤其在低频能量收集领域拥具有相当大的优势。同时，为了对环境中的机械能更高效地收集，解决设备密集区域较高的电量需求，能够结合不同发电方式的复合型发电装置成为了新的研究热点。其中，摩擦电-电磁复合型发电装置成为能量高效收集地重要方向之一。目前，大多数摩擦电-电磁复合型发电装置采用单向旋转式，这种模式收集方向单一，工作频率较高，装置笨重复杂，不利于便携性。

如申请公布日为2022.02.11、申请公布号为CN114039503A的中国发明专利申请所公开的一种摩擦-电磁复合型发电装置及其性能测试平台和方法，包括转子部、定子部和中心轴，转子部和定子部套设在中心轴上，转子部轴向方向上的两侧均套设有一个定子部；转子部设置有转子板、磁铁阵列和叶片阵列，磁铁阵列固定在转子板上，转子板的两轴向端均固定连接一个叶片阵列，叶片阵列设置有第一介电薄膜；定子部设置有定子板、线圈阵列、电极阵列和摩擦层，线圈阵列固定在定子板上，电极阵列与定子板的内侧轴向面固定连接，由第二介电薄膜构成的摩擦层覆盖在电极阵列上；摩擦层与叶片阵列上的第一介电薄膜接触，第一介电薄膜和第二介电薄膜存在电极序差异。

上述现有技术中，可通过环境中的机械能带动装置实现发电，但装置的组成构件较为复杂，通过做圆周运动来发电，不可自摆，机械阻尼较大，便携性较差，应用场景的适用范围小。

因此，如何简化装置便于携带、实现更高的收集方向从而来提高发电效率是亟待解决的技术问题。

实用新型内容

针对上述背景技术中的不足，本实用新型提出一种偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置，解决了装置的组成构件较为复杂，机械阻尼较大，发电效率低，便携性差，应用场景的适用范围小的问题。

本申请的技术方案为：

一种偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置，包括定子部与转子部，所述转子部相对所述定子部摆动，摩擦发电单元包括分别位于所述转子部、所述定子部上的摩擦电材料和电极阵列，电磁发电单元包括分别位于所述转子部、所述定子部上的磁铁和线圈。本装置为偏心结构，环境中的机械能带动转子部进行复摆，同时转子部本身在惯性作用下可自摆动，在同样的机械能作用下，本装置的发电效率更高，收集转轴方向上的角度旋转运动的能量，拥有更多的自由度与更好的通用性；转子部与定子部相贴合，结构紧凑，占用空间小，方便携带，实现更多场合的潜在应用。

进一步地，所述磁铁沿第一弧线排布，所述线圈沿第二弧线排布，所述电极阵列沿第三弧线分布，所述第一弧线、所述第二弧线、所述第三弧线的半径均相同且圆心重合。

进一步地，所述定子部包括连接有底盘的基座，所述底盘的中心点设置有与所述转子部相连的通孔一。

进一步地，所述定子部包括连接有底盘的基座，所述底盘的中心点设置有与所述转子部相连的通孔一。

进一步地，所述转子部包括与第一弧线弧度相同的偏心盘，所述偏心盘的中心点设置有通孔二，轴杆依次穿过所述通孔一、所述通孔二并通过固定件轴向定位，使所述底盘与所述偏心盘贴合。

进一步地，所述摩擦发电单元包括设置于所述底盘内表面的电极阵列，当所述转子部摆动时，所述电极阵列与设置于所述偏心盘内表面上的摩擦电材料摩擦发电。

进一步地，所述电极阵列包括沿所述底盘11周向等间距交替排布的电极一与电极二，多个所述电极一之间电性连接，多个所述电极二之间电性连接，每两个相邻的所述电极一与所述电极二形成电极对并通过外电路相连。

进一步地，所述摩擦电材料为绝缘薄膜。

进一步地，所述磁铁之间的间距与所述线圈之间的间距相同，当所述转子部摆动时，所述磁铁与所述线圈配合做切割运动。

进一步地，每个所述线圈的缠绕方向相同并串联连接。

进一步地，所述底盘的外表面设置有用于内嵌所述线圈的圆孔。使所述线圈与所述磁铁阵列拉近距离，加大产生的感应电压，并且可缩小本装置的厚度，节省空间、美观、便于携带。

进一步地，所述通孔二内嵌有轴承。便于所述转子部的摆动，减少摩擦力，降低机械阻尼，提升发电效率。

本实用新型具体的有益效果包括：

1、本装置为偏心结构，环境中的机械能带动转子部进行复摆，同时转子部本身在惯性作用下可自摆动，在同样的机械能作用下，本装置的发电效率更高，收集转轴方向上的角度旋转运动的能量，拥有更多的自由度与更好的通用性；

2、本实用新型主要应用于收集环境中的机械能，拓宽机械能的收集方向，将其转化为电能，为传感器或其他设备持续供电，避免了外接电源的使用。比如安装在人的手臂或腿上，人走路时带动此发电装置摆动，转子就与定子发生相对位移，从而进行双模式发电，极大地提高了能量收集能力与通用性；

3、转子部与定子部相贴合，结构紧凑，占用空间小，方便携带，实现更多场合的潜在应用；

4、本装置可以有效地捕捉物体的运动，然后将其转换为转子部的旋转，黏附于转子部内侧面上的摩擦电材料与定子部内侧面上的电极阵列发生相对位移与摩擦，相邻的电极对由于与摩擦电材料接触的时间有先后顺序，使得连接两电极的外电路形成电流；

5、偏心盘外侧面上的永磁体阵列也会随着偏心盘绕轴转动，与圆孔内的线圈发生相对位移，此时线圈因切割磁感线从而产生感应电动势，实现电磁发电功能；

6、本装置体积小，重量轻，携带方便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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为装置整体图；

图2为定子部的正面图；

图3为定子部的背面图；

图4为转子部的正面图；

图5为转子部的背面图。

附图标号说明：

1、定子部；2、转子部；

11、底盘；12、基座；14、轴杆；

21、偏心盘；22、摩擦电材料；23、通孔二；

31、电极一；32、电极二；

51、磁铁；52、线圈。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置，如图1所示，包括定子部1与转子部2，所述转子部2相对所述定子部1摆动，摩擦发电单元包括分别位于所述转子部2、所述定子部1上的摩擦电材料22和电极阵列，电磁发电单元包括分别位于所述转子部2、所述定子部1上的磁铁51和线圈52。本装置为偏心结构，环境中的机械能带动转子部进行复摆，同时2转子部本身在惯性作用下可自摆动，在同样的机械能作用下，本装置的发电效率更高，所述转子部2与所述定子部1相贴合，结构紧凑，占用空间小，方便携带，实现更多场合的潜在应用；收集转轴方向上的角度旋转运动的能量，拥有更多的自由度与更好的通用性；可拓宽收集机械能的方向，比如安装在人的手臂或腿上，人走路时带动此发电装置摆动，所述转子部2就与所述定子部1发生相对位移，发电，因此应用于收集环境中的机械能，将机械能转化为电能，为电器设备持续供电，极大地提高了能量收集能力与通用性。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述磁铁51沿第一弧线排布，所述线圈52沿第二弧线排布，所述电极阵列沿第三弧线分布，所述第一弧线、所述第二弧线、所述第三弧线的半径均相同且圆心重合。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，如图2所示，所述定子部1包括设置有基座12的底盘11，所述底盘11的中心点设置有与所述转子部2相连的通孔一。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述转子部2包括与第一弧线弧度相同的偏心盘21，具体地，所述偏心盘21为扇形，所述偏心盘21的中心点设置有通孔二23，轴杆14依次穿过所述通孔一、所述通孔二23并通过固定件轴向定位，使所述底盘11与所述偏心盘21贴合。所述固定件包括与所述轴杆14螺纹配合的螺母，防止所述定子部的脱落，并以所述轴杆14为中心轴摆动。

优选地，所述底盘11、所述基座12、所述轴杆14可用塑料、橡胶、树脂等轻质绝缘材料制备，如亚克力材料。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述摩擦发电单元包括设置于所述底盘11内表面的电极阵列，当所述转子部2摆动时，所述电极阵列与设置于所述偏心盘21内表面上的摩擦电材料22摩擦发电。所述电极阵列与所述摩擦电材料22保持良好接触，当所述偏心盘21绕所述轴杆14转动时，所述电极阵列与所述摩擦电材料22发生相互位移与摩擦。

优选地，所述电极阵列为铜箔片或铝箔片所制。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述电极阵列包括沿所述底盘11周向等间距交替排布的电极一31与电极二32，多个所述电极一31之间电性连接，多个所述电极二32之间电性连接，每两个相邻的所述电极一31与所述电极二32形成电极对并通过外电路相连。

具体地，所述电极一31与所述电极二32为多个形状大小均相同的扇形，扇形表面设置有金属镀层，全部电极一31接近圆心的位置相连，实现相互电性连接；全部电极二32靠近圆周的位置相连，实现相互电性连接。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，如图5所示，所述摩擦电材料22为绝缘薄膜，绝缘体材料可选用聚合物高分子材料。该装置可以有效地捕捉物体的运动，然后将其转换为所述转子部2的旋转，黏附于所述转子部2内侧面上的所述摩擦电材料22与所述定子部1内侧面上的电极阵列发生相对位移与摩擦，相邻的电极对由于与所述摩擦电材料22接触的时间有先后顺序，使得连接两电极的外电路形成电流。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，如图3、图4所示，所述电磁发电单元5包括沿所述偏心盘21外表面的周向等距排布的磁铁51与沿所述底盘11外表面的周向方向等距排布的线圈52，所述磁铁51之间的间距与所述线圈52之间的间距相同，当所述转子部2摆动时，所述磁铁51与所述线圈52配合做切割运动。

具体地，多个所述磁铁51形成磁铁阵列，多个所述线圈52形成线圈阵列，所述转子部2上的磁铁阵列与所述定子部1上的线圈阵列发生相对运动形成一个电磁发电机，线圈阵列对左右摆动的磁铁阵列的磁感线做切割运动，为阻碍磁场的变化，线圈感应出电流，同时，电极阵列与左右摆动的所述摩擦电材料22发生摩擦，使得电极阵列产生电势差，驱动电荷定向移动，产生摩擦电流，形成一个摩擦纳米发电机。

优选地，所述磁铁阵列包括7个所述磁铁51，所述线圈阵列包括12个所述线圈52，所述线圈陈列确保当所述磁铁阵列摆动起来后，还可以有效做切割运动。所述偏心盘21外侧面上的永磁体阵列也会随着所述偏心盘21绕轴转动，与所述线圈陈列发生相对位移，此时线圈因切割磁感线从而产生感应电动势，实现电磁发电功能。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，每个所述线圈52的缠绕方向相同并串联连接。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述底盘11的外表面设置有用于内嵌所述线圈52的圆孔，可用环氧胶进行固定。保持所述线圈52嵌在圆孔内，与所述磁铁阵列拉近距离，加大产生的感应电压，并且可缩小本装置的厚度，节省空间、美观、便于携带。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述通孔二23内嵌有轴承，便于所述转子部2的摆动，减少摩擦力，降低机械阻尼，增加发电效率。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，在装置静止状态下，所述磁铁51与所述线圈52的位置相对应。保证摆动过程中线圈阵列与磁铁阵列的磁感线做切割运动。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述摩擦发电单元与所述电磁发电单元5所产生的电流通过能量管理电路将电能传递给电器或存储起来。

本装置的发电原理如下：

首先有效地捕捉物体的运动，如安装在人体的手臂或腿上，人体在活动时带动发电机摆动，然后将其转换为转子部的旋转，转子部上的磁铁阵列与定子部上的线圈阵列发生相对运动形成一个电磁发电机，线圈阵列对左右摆动的磁铁阵列的磁感线做切割运动，此时线圈因切割磁感线从而产生感应电动势，实现电磁发电，同时，定子部上的电极阵列与左右摆动的摩擦电材料发生摩擦，使得电极阵列产生电势差，驱动电荷定向移动，产生摩擦电流，形成一个摩擦纳米发电机，从而将环境中得到的机械能转化为电能。

本装置为偏心结构，环境中的机械能带动转子部进行复摆，同时转子部本身在惯性作用下可自摆动，在同样的机械能作用下，本装置的发电效率更高，收集转轴方向上的角度旋转运动的能量，拥有更多的自由度与更好的通用性；本实用新型主要应用于收集环境中的机械能，拓宽机械能的收集方向，将其转化为电能，为传感器或其他设备持续供电，避免了外接电源的使用，比如安装在人的手臂或腿上，人走路时带动我们的发电机摆动，转子就与定子发生相对位移，进行发电，极大地提高了能量收集能力与通用性；转子部与定子部相贴合，结构紧凑，占用空间小，方便携带，实现更多场合的潜在应用；本装置可以有效地捕捉物体的运动，然后将其转换为转子部的旋转，黏附于转子部内侧面上的摩擦电材料与定子部内侧面上的电极阵列发生相对位移与摩擦，相邻的电极对由于与摩擦电材料接触的时间有先后顺序，使得连接两电极的外电路形成电流；偏心盘外侧面上的永磁体阵列也会随着偏心盘绕轴转动，与圆孔内的线圈发生相对位移，此时线圈因切割磁感线从而产生感应电动势，实现电磁发电功能；本装置体积小，重量轻，携带方便。

本实用新型未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上内容显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的有益效果。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、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 (6)

1.一种偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置，包括定子部（1）与转子部（2），其特征在于：所述转子部（2）相对所述定子部（1）摆动，摩擦发电单元包括分别位于所述转子部（2）、所述定子部（1）上的摩擦电材料（22）和电极阵列，电磁发电单元包括分别位于所述转子部（2）、所述定子部（1）上的磁铁（51）和线圈（52），所述磁铁（51）沿第一弧线排布，所述线圈（52）沿第二弧线排布，所述电极阵列沿第三弧线分布，所述第一弧线、所述第二弧线、所述第三弧线的半径均相同且圆心重合，所述定子部（1）包括底盘（11），所述底盘（11）连接有基座（12），所述底盘（11）的中心点设置有与所述转子部（2）相连的通孔一，所述转子部（2）包括与第一弧线弧度相同的偏心盘（21），所述偏心盘（21）的中心点设置有通孔二（23），轴杆（14）依次穿过所述通孔一、所述通孔二（23）并通过固定件轴向定位，使所述底盘（11）与所述偏心盘（21）贴合，所述摩擦发电单元包括设置于所述底盘（11）内表面的电极阵列，当所述转子部（2）摆动时，所述电极阵列与设置于所述偏心盘（21）内表面上的摩擦电材料（22）摩擦发电。

2.根据权利要求1所述的偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置，其特征在于：所述电极阵列包括沿所述第三弧线等间距交替排布的电极一（31）与电极二（32），多个所述电极一（31）之间电性连接，多个所述电极二（32）之间电性连接，每两个相邻的所述电极一（31）与所述电极二（32）形成电极对并通过外电路相连。

3.根据权利要求1所述的偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置，其特征在于：所述摩擦电材料（22）为绝缘薄膜。

4.根据权利要求1所述的偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置，其特征在于：所述磁铁（51）之间的间距与所述线圈（52）之间的间距相同，当所述转子部（2）摆动时，所述磁铁（51）与所述线圈（52）配合做切割运动。

5.根据权利要求4所述的偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置，其特征在于：每个所述线圈（52）的缠绕方向相同并串联连接。

6.根据权利要求1所述的偏心式摩擦电-电磁复合型发电装置，其特征在于：所述底盘（11）的外表面设置有用于内嵌所述线圈（52）的圆孔。