CN109194185B - 一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置，其包括至少一个发电单元，所述发电单元包括第一摩擦体和第二摩擦体；第一摩擦体包括2N个第一子摩擦体，所述第二摩擦体包括N个第二子摩擦体，每个所述第二子摩擦体的第一末端和第二末端分别设置有一个导电部件，其中，N为大于等于1的正整数；第一摩擦体相对于第二摩擦体做单向摩擦滑动时，在第一子摩擦体和第二子摩擦体上会产生感应电荷，且第一子摩擦体之间也会产生电场，并驱动第一子摩擦体上的感应电荷通过导电部件单向移动，产生单向电流；本发明采用独立层发电模式，不需要单独设置导电层；且在发电过程中无需其他电子器件辅助，能直接、实时输出单向电流，可对负载供电。

Description

一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置

技术领域

本发明涉及摩擦发电技术领域，具体涉及一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置。

背景技术

摩擦纳米发电技术自提出以来就在国内外相关领域备受关注，国际著名期刊NanoEnergy上发表的综述文章《All-in-One Self-Powered Flexible Microsystems Based onTriboelectric Nanogenerators》(基于纳米摩擦发电机的单片全集成自驱动柔性微***展望)介绍：根据不同的工作原理，摩擦纳米发电机可分为四种主要类型，包括接触分离模式、相对滑动模式、单电极模式和独立层模式。通过这些结构，摩擦纳米发电机可以采集各种形式的机械能提供持续不断的电能输出(如振动、撞击、滑动、旋转等，风能、水能等)。且摩擦纳米发电机不受功能性材料的制约，结构选择灵活多样，输出性能较传统的能量采集器相比有了显著的提升。

摩擦纳米发电的装置是利用其他能量驱动发电装置进行周期运动，所以普通摩擦纳米发电机的输出电压是交流电，不能直接用于一般的负载***上，需要经过整流电路转换为单向电，才能经过滤波电路滤去纹波，输出平滑的直流电压。

申请号为201310507488.2的中国发明专利申请公开了一种输出恒定电流的旋转摩擦发电机，但是该发电机的发电模式是相对滑动模式，要求两个电极层，且要求数量为所有子摩擦体的数量总和的两倍的导电部件(最少为4个)，结构复杂、磨损严重；该发电机使用导电部件作为换向器，实现直流电的输出，与本发明的实现技术不同。

国际著名期刊Nano Energy上发表的论文《An inductor-free auto-power-management design built-in triboelectric nanogenerators》公开了一种基于串联和并联电容开关的电管理设计方法，可为负载提供单向电流。该方法使用摩擦纳米发电机的独立层带动电刷进行开关切换，在独立层摩擦过程中，通过电刷切换开关，使电容串联，并利用摩擦纳米发电机对电容进行充电；在独立层移动到发电机两端进行换向时，再通过电刷切换开关，使电容并联，可为负载提供单向电流。但是在该方法中，要求有多个电刷以及很多个专用的导体轨道相互配合(至少需要3个电刷以及20个专用的导体轨道)，才能完成电容串并联切换和负载接口的切换，结构复杂，磨损严重，器件利用率不高；在发电过程中，该方法也必须以电容为辅助，存储电能，作为电源管理模块，才能实现对负载的供电，这与本发明的原理截然不同；该方法中，若电容容量不够，该装置对负载的供电时间断性的，工作不稳定。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提出了一种能输出单向电流的旋转摩擦发电装置，该装置中首次提出了在旋转摩擦发电装置独立层的两端各设置一个导电部件。且该装置只设置了数量为所有子摩擦体的数量总和的三分之二的导电部件(最少为2个)，用于对负载传输电流；该装置采用独立层发电模式，不需要单独设置导电层；该装置在发电过程中无需其他电子器件辅助，能直接、实时输出单向电流，可对负载供电；对于需要直流电源的电路，该装置能够省去外电路的整流模块，只需经外部电路滤波，便可对电路供电；且该发明制作工艺简单，材料易于获得，并且成本低，有利于在利用机械能转变为电能方面应用推广。

本发明通过下述技术方案实现：

一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置，其包括至少一个发电单元，所述发电单元包括第一摩擦体和第二摩擦体；

第一摩擦体包括2N个第一子摩擦体，所述第二摩擦体包括N个第二子摩擦体，与每个所述第二子摩擦体相对位置不变的一对导电部件，分别位于该第二子摩擦体的第一末端和第二末端，所有位于第二子摩擦体第一末端的导电部件连接在一起形成第一导电单元，所有位于第二子摩擦体第二末端的导电部件连接在一起形成第二导电单元；其中，N为大于等于1的正整数；

任意摩擦体的内表面能够相对于另一摩擦体内表面做同轴单向的相对摩擦滑动，在摩擦滑动过程中，两个摩擦体的内表面能够产生感应电荷；第一子摩擦体内表面与第二子摩擦体内表面不断接触分离，在第一子摩擦体之间能够产生感应电场；所述第一子摩擦体交替的与所述第一导电单元和第二导电单元的导电部件接触，任意一个导电部件不会同时接触两个第一子摩擦体且任意一个第一子摩擦体不会同时接触两个导电部件，在感应电场的驱动下，所述感应电荷通过所述第一导电单元和第二导电单元在外电路中形成单向电流。

本发明的工作原理：第一子摩擦体相对于第二子摩擦体做单向摩擦滑动时，当某个第一子摩擦体与第二子摩擦体相交界面减少，必会有另一个第一子摩擦体与第二子摩擦体相交界面增加。为保持这些第一子摩擦体与第二子摩擦体相交界面处电荷的平衡，在电场的驱动下，与第二子摩擦体相交界面减少的第一子摩擦体上的电荷会固定的经第二子摩擦体的某一末端的导电部件，通过负载，再固定的经第二子摩擦体另一末端的导电部件流入与第二子摩擦体相交界面增加的第一子摩擦体上。在该过程中，电荷始终固定的从第二子摩擦体的某一末端的导电部件流出，经负载后，固定的从第二子摩擦体的另一末端的导电部件流入，该过程产生单向电流。

优选的，所述第一摩擦体和第二摩擦体具有共同的转轴，所述N为大于1的正整数，所述2N个第一子摩擦体间隔均匀、相对位置不变且以自身转轴为圆心向外辐射排列而成，所述N个第二子摩擦体间隔均匀、相对位置不变且以自身转轴为圆心向外辐射排列而成。

优选的，所述2N个第一子摩擦体和N个第二子摩擦体均为扇形结构或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形结构。

优选的，所有导电部件结构相同、材料相同且间隔均匀；在第一摩擦体相对于第二摩擦体做同轴单向的相对摩擦滑动时，以所述第二摩擦体的转轴为中心，任意两个相邻导电部件与第一子摩擦体接触面中心点的夹角相等。

优选的，在第一摩擦体相对于第二摩擦体做同轴单向的相对摩擦滑动时，任意所述导电部件与第一子摩擦体接触面的宽度小于所述第一子摩擦体之间的间距。

优选的，所述2N个第一子摩擦体的外表面设置有绝缘层，所述N个第二子摩擦体的外表面设置有绝缘层。

优选的，所述2N个第一子摩擦体的材质均为导体材料，所述N个第二子摩擦体的材质为非导体材料，且与第一子摩擦体的材质具有不同的摩擦电性质。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提出的旋转摩擦发电装置，使用导电材料作为第一子摩擦体的摩擦材料，使用与该导体材料电负性不同的另一绝缘材料作为第二子摩擦体的摩擦材料；将发电装置设置为圆盘结构，使发电单元中的所有的第一子摩擦体、第二子摩擦体各自大小相等，材料相同，间隔均匀；在每个第二子摩擦体的两端末设置有导电部件，作为对外部负载提供电流的导电介质。本发明采用独立层发电模式，不需要单独设置导电层；该装置在发电过程中无需其他电子元器件辅助，能直接、实时输出单向电流，可对负载供电；对于需要直流电源的电路，该装置能够省去外电路的整流模块，只需经外部电路滤波，便可对电路供电；且该发明制作工艺简单，材料易于获得，并且成本低，有利于在利用机械能转变为电能方面应用推广。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明第一实施例中旋转摩擦发电装置结构的俯视图。

图2是本发明第一实施例中旋转摩擦发电装置的工作原理的截面图。

图3是本发明第二实施例中旋转摩擦发电装置结构的俯视图。

图4是本发明第二实施例中旋转摩擦发电装置结构三维图示意图。

图5是本发明第二实施例中旋转摩擦发电装置结构的***视图。

图6是本发明第二实施例中旋转摩擦发电装置中第二摩擦体和导电单元结构的***示意图。

图7是本发明第二实施例中旋转摩擦发电装置中第一摩擦体三维示意图。

图8是本发明第二实施例中旋转摩擦发电装置在450rmp转速下，正转时的输出电压。

图9是本发明第二实施例中旋转摩擦发电装置在450rmp转速下，反转时的输出电压。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

该发电装置包括至少一个发电单元，在本实施例中，该输出单向电流的旋转摩擦发电装置的发电单元包括：第一摩擦体、第二摩擦体、第一导电单元和第二导电单元。第一摩擦体包括2N个第一子摩擦体，所述第二摩擦体包括N个第二子摩擦体，其中，N为大于等于1的正整数。

本实施例中，第一摩擦体包括两个第一子摩擦体101、102，第二摩擦体包括第二子摩擦体103，第一导电单元包括一个导电部件104，第二导电单元包括一个导电部件105。本实施例中，两个导电部件104、105作为对外部负载提供电流的导电介质，如图1所示。

如图1所示，两个第一子摩擦体101、102和第二子摩擦体103均为同轴的平面扇形结构，两个导电部件104、105分别位于第二子摩擦体103的第一末端和第二末端，且与第二子摩擦体103的相对位置不变。优选的，两个导电部件104、105与第二子摩擦体103的厚度相等，所述两个导电部件104、105和第二子摩擦体103的内表面在同一平面上。所述第一摩擦体和第二摩擦体具有共同的转轴，所述第一子摩擦体101、102的内表面能够相对第二子摩擦体103的内表面和两个导电部件104、105做顺时针或逆时针摩擦滑动。

本发明第一实施例中，在第一摩擦体对于第二摩擦体做同轴单向的相对摩擦滑动时，两个导电部件104、105能与第一子摩擦体的内表面保持良好的接触，且以所述第二摩擦体的转轴为中心，两个导电部件104、105与第一子摩擦体接触面中心点的夹角相等，且任意所述导电部件与第一子摩擦体接触面的宽度小于所述第一子摩擦体之间的间距。能够保证所述第一子摩擦体交替的与所述第一导电单元和第二导电单元的导电部件接触且任意一个导电部件不会同时接触两个第一子摩擦体，在感应电场的驱动下，所述感应电荷通过所述第一导电单元和第二导电单元在外电路中形成单向电流。因此，两个第一子摩擦体101、102相对第二子摩擦体103和两个导电部件104、105做顺时针或逆时针摩擦滑动过程中，两个导电部件104和105会交替的接触两个第一子摩擦体101、102，且两个导电部件104或105不会同时接触两个第一子摩擦体101、102。

本实施例中两个第一子摩擦体101、102能够相对第二子摩擦体103和两个导电部件104、105做顺时针或逆时针摩擦滑动，在滑动过程中，两个第一子摩擦体101、102交替接触两个导电部件104、105。所述导电部件的作用为电刷，其形状可为长方体结构、扇形体结构或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形体结构等，其材料为导体材料。两个第一子摩擦体101、102的材料优选为铜，第二子摩擦体103的材料优选为聚四氟乙烯(PTFE)，两个导电部件104、105的材料优选为铜或锰钢。

如图1所示，在初始状态之前，第一摩擦体与第二摩擦体上都没有电荷，当第一摩擦体相对第二摩擦体摩擦滑动，第一子摩擦体101、102的内表面会相对第二子摩擦体103的内表面和两个导电部件104、105摩擦滑动，第一子摩擦体101、102和第二子摩擦体103相交的部分发生相互摩擦。由于第一子摩擦体101、102和第二子摩擦体103的材料的电负性的不同，所以在第一子摩擦体101、102和第二子摩擦体103相交的界面处会产生等量、电性相反的静电荷。在该实例里，第一子摩擦体101、102的材料优选为铜，第二子摩擦体103的材料优选为聚四氟乙烯(PTFE)，因此第一子摩擦体101、102上产生的是正电荷，第二子摩擦体103上产生的是负电荷，且聚四氟乙烯为非导体材料，表面没有设置电极来导出电流，因此，第二子摩擦体上产生的负电荷是不可移动的。

在初始状态时(0°)，第一子摩擦体101与第二子摩擦体103的接触面积已经达到最大，为保持第一子摩擦体101与第二子摩擦体103相交的界处电荷的平衡，在电场驱动下，第一摩擦体上所有的正电荷都已经通过两个导电部件104、105，经外部负载被吸引到第一子摩擦体101上。第二子摩擦体103带有等量不可移动的负电荷。

在第一摩擦体相对第二摩擦体以顺时针方向从0°到90°的滑动过程中，第一子摩擦体101、102的内表面会相对第二子摩擦体103的内表面和两个导电部件104、105以相同的方向和角度摩擦滑动。第一子摩擦体101与第二子摩擦体103的接触面积会逐渐减小，而第一子摩擦体102与第二子摩擦体103的接触面积会逐渐增加，直到两个第一子摩擦体101、102与第二子摩擦体103的接触面积达到相等。该过程中，为了保持第一子摩擦体101、第二子摩擦体102与第二子摩擦体103接触面电荷的平衡，在电场的作用下，会驱动第一子摩擦体101上一半的正电荷逐渐通过第二导电单元流出，经过外部负载后，再经第一导电单元流入到第一子摩擦体102上，该过程形成单向电流，直到两个第一子摩擦体101、102与第二子摩擦体103相交的界面达到相等。此时两个第一子摩擦体101、102上的正电荷相等，且第一子摩擦体101、102上的正电荷数量之和等于第二子摩擦体103上负电荷的数量；

在第一摩擦体相对第二摩擦体以顺时针方向从90°到180°的滑动过程中，第一子摩擦体101、102的内表面继续相对第二子摩擦体103的内表面和两个导电部件104、105以相同的方向和角度摩擦滑动。第一子摩擦体101与第二子摩擦体103的接触面积继续逐渐减小，而第一子摩擦体102与第二子摩擦体103的接触面积会继续逐渐增加，直到第一子摩擦体101与第二子摩擦体103的接触面积减小为零，同时第一子摩擦体102与第二子摩擦体103的接触面积达到最大。该过程中，为了保持两个第一子摩擦体101、102与第二子摩擦体103接触面电荷的平衡，在电场的作用下，会驱动第一子摩擦体101上剩余的正电荷逐渐通过第二导电单元流出，经过外部负载后，再经第一导电单元流入到第一子摩擦体102上，该过程形成单向电流，直到第一子摩擦体101与第二子摩擦体103的接触面积为零，且第一子摩擦体102与第二子摩擦体103的接触面积达到最大。此时第一子摩擦体101上的正电荷数量为零，第一子摩擦体102上正电荷的数量等于二子摩擦体103上负电荷的数量；

第一摩擦体相对第二摩擦体以顺时针方向从180°到270°的滑动过程中，第一子摩擦体101、102的内表面继续相对第二子摩擦体103的内表面和两个导电部件104、105以相同的方向和角度摩擦滑动。第一子摩擦体102与第二子摩擦体103的接触面积会逐渐减小，而第一子摩擦体101与第二子摩擦体103的接触面积会逐渐增加，直到两个第一子摩擦体101、102与第二子摩擦体103的接触面积达到相等。该过程中，为了保持第一子摩擦体101、第二子摩擦体102与第二子摩擦体103接触面电荷的平衡，在电场的作用下，会驱动第一子摩擦体102上一半的正电荷逐渐通过第二导电单元流出，经过外部负载后，再经第一导电单元流入到第一子摩擦体101上，该过程形成单向电流，直到第一子摩擦体101、102与第二子摩擦体103的接触面积达到相等。此时第一子摩擦体101、102上的正电荷数量相等，且第一子摩擦体101、102上的正电荷数量之和等于第二子摩擦体103上负电荷的数量；

第一摩擦体相对第二摩擦体以顺时针方向从270°到360°的滑动过程中，第一子摩擦体101、102的内表面继续相对第二子摩擦体103的内表面和两个导电部件104、105以相同的方向和角度摩擦滑动。第一子摩擦体102与第二子摩擦体103的接触面积继续逐渐减小，而第一子摩擦体101与第二子摩擦体103的接触面积会继续逐渐增加，直到第一子摩擦体102与第二子摩擦体103的接触面积减小为零，同时第一子摩擦体101与第二子摩擦体103的接触面积达到最大。该过程中，为了保持两个第一子摩擦体101、102与第二子摩擦体103接触面电荷的平衡，在电场的作用下，会驱动第一子摩擦体102上剩余的正电荷逐渐通过第二导电单元流出，经过外部负载后，再经第一导电单元流入到第一子摩擦体101上，该过程形成单向电流，直到第一子摩擦体102与第二子摩擦体103的接触面积为零，且第一子摩擦体101与第二子摩擦体103的接触面积达到最大。此时第一子摩擦体102上的正电荷数量为零，第一子摩擦体101上正电荷的数量等于二子摩擦体103上负电荷的数量。

第一摩擦体相对第二摩擦体继续以顺时针方向滑动，会回到初始状态时(0°)，如此循环。在此过程中，正电荷始终是从某个第一子摩擦体通过第二导电单元流经负载，再经第一导电单元流入另一个第一子摩擦体，形成方向固定的电流，从而达到输出单向电流的目的。

如上述工作原理，当第一子摩擦体相对于第二子摩擦体摩擦滑动方向与上述滑动方向相反时，正电荷始终是从某个第一子摩擦体通过第一导电单元流经负载，再经第二导电单元流入另一个第一子摩擦体，形成方向固定的电流，从而达到输出单向电流的目的。

图2示出了本发明第一实施例中第一摩擦体在0°到360°的滑动过程中旋转摩擦发电装置的工作原理。

在图2中，第一摩擦体包括2个第一子摩擦体201、202，第二摩擦体包括1个第二子摩擦体203，第一导电单元包括1个导电部件204，第二导电单元包括1个导电部件205，外部负载为206。第二子摩擦体203两端位置固定的导电部件104、105作为对外部负载206提供电流的导电介质。第一子摩擦体201、202的间隔大于导电部件与第一子摩擦体接触面上的宽度，任意一个导电部件不会同时接触两个第一子摩擦体201、202，且任意第一子摩擦体201、202也不会同时接触到两个导电部件204、205，在第一摩擦体相对于第二摩擦体滑动过程中，每个导电部件有序的接触所有第一子摩擦体201、202。

在初始状态前，第一摩擦体与第二摩擦体上都没有电荷，当第一摩擦体与第二摩擦体充分摩擦接触后，两个子摩擦体的相交界面处会产生等量、电性相反的静电荷。由于第一子摩擦体201、202的材料优选为铜，第二子摩擦体203的材料优选为聚四氟乙烯(PTFE)，聚四氟乙烯为非导体材料，根据铜和聚四氟乙烯的电负性，第一子摩擦体上产生的是正电荷，第二子摩擦体上产生的是不可移动的负电荷。

在初始状态时，如图2(0°)，第一子摩擦体201与第二子摩擦体203的接触面积已经达到最大，第一摩擦体上所有的正电荷都已经通过两个导电部件204、205被吸引到第一子摩擦体201上，而第二子摩擦体203上的负电荷是不可以移动的。

当第一子摩擦体201从第二子摩擦体203的右侧滑出，与第二子摩擦体203接触面积逐渐减小，同时第一子摩擦体202从第二子摩擦体203的左侧滑入，与第二子摩擦体203接触面积逐渐增大。为保持两个第一子摩擦体201、202与第二子摩擦体203相交面上电荷的平衡，在电场力的驱动下，第一子摩擦体201上的正电荷会通过第二导电单元流出，经负载206后，通过第一导电单元流入第一子摩擦体202，形成单向电流，该过程如图2(90°)所示。直到第一子摩擦体201与第二子摩擦体203的表面接触面积为零，同时第一子摩擦体202与第二子摩擦体203的表面接触面积达到最大。此时第一子摩擦体201上所有的正电荷都已经在电场力的作用下被吸引到第一子摩擦体202上，第一子摩擦体202上正电荷数量等于第二子摩擦体203上负电荷数量，如图2(180°)所示。

第一摩擦体继续向右滑动，第一子摩擦体202从第二子摩擦体203的右侧滑出，与第二子摩擦体203接触面积逐渐减小，同时第一子摩擦体201从第二子摩擦体203的左侧滑入，与第二子摩擦体203接触面积逐渐增大。为保持两个第一子摩擦体202、201与第二子摩擦体203相交面上电荷的平衡，在电场力的驱动下，第一子摩擦体202上一半的正电荷会通过第二导电单元流出，经负载206后，通过第一导电单元流入第一子摩擦体201上，形成单向电流，该过程如图2(270°)所示。直到第一子摩擦体202与第二子摩擦体203的表面接触面积为零，同时第一子摩擦体201与第二子摩擦体203的表面接触面积达到最大。此时第一子摩擦体202上所有的正电荷都已经在电场力的作用下被吸引到第一子摩擦体201上，第一子摩擦体201上正电荷数量等于第二子摩擦体203上负电荷数量，如图2(360°)所示。

此时第一摩擦体回到了初始状态(0°)，当第一摩擦体继续循环向右滑动，正电荷始终从某个第一子摩擦体上通过第二导电单元流出，经负载206后，通过第一导电单元流入另一个第一子摩擦体上，该过程形成电流的电流方向始终是固定的，从而达到输出单向电流的目的。

如上述工作原理，当第一子摩擦体相对于第二子摩擦体摩擦滑动方向与上述滑动方向相反时，正电荷始终会从某个第一子摩擦体通过第一导电单元流出，流经负载206后，再经第二导电单元流入到另一个第一子摩擦体，形成方向固定的电流，从而达到输出单向电流的目的。

实施例2

在上述实施例1中的旋转摩擦发电装置结构中，第二子摩擦体的数量并不局限于1个，还可以是多个，但第一子摩擦体的数量须是第二子摩擦体的数量的两倍，且多个第一子摩擦体大小相同、相对位置不变且间隔均匀；多个第二子摩擦体间隔均匀、相对位置不变；多个导电部件之间间隔均匀、相对位置不变。

本实施例中，该发电装置包括至少一个发电单元，该输出单向电流的旋转摩擦发电装置的发电单元包括：第一摩擦体、第二摩擦体、第一导电单元和第二导电单元。其中，第一摩擦体包括第一子摩擦体301-308，且所述8个第一子摩擦体大小相等，材料相同，间隔均匀；第二摩擦体包括第二子摩擦体311-314，且所述4个第二子摩擦体大小相等，材料相同，间隔均匀；每个第二子摩擦体的第一末端和第二末端设置有两个导电部件A、B，共有导电部件A和导电部件B各4个，且所述8个导电部件大小相等，材料相同，间隔均匀。所有导电部件A连接形成第一导电单元，所有导电部件B连接形成第二导电单元。

本发明第二实施例中，第一摩擦体和第二摩擦体具有共同的转轴，8个第一子摩擦体301-308和4个第二子摩擦体311-314均为同轴的平面扇形结构或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形结构，且顶角相等；8个第一子摩擦体301-308以第一摩擦体的转轴为圆心，向外辐射排列而成。4个第二子摩擦体311-314以第二摩擦体的转轴为圆心，向外辐射排列而成。

本实施例中，在第一摩擦体相对于第二摩擦体做同轴单向的相对摩擦滑动时，8个导电部件A、B能与第一子摩擦体的内表面保持良好的接触，且以所述第二摩擦体的转轴为中心，8个导电部件A、B与第一子摩擦体接触面中心点的夹角相等，且任意所述导电部件与第一子摩擦体接触面的宽度小于所述第一子摩擦体之间的间距。能够保证所述第一子摩擦体交替的与所述第一导电单元和第二导电单元的导电部件接触且任意一个导电部件不会同时接触两个第一子摩擦体，在感应电场的驱动下，所述感应电荷通过所述第一导电单元和第二导电单元在外电路中形成单向电流。因此，8个第一子摩擦体301-308相对4个第二子摩擦体311-314和8个导电部件A、B做顺时针或逆时针摩擦滑动过程中，8个导电部件A、B会交替的接触8个第一子摩擦体301-308，且8个导电部件A、B不会同时接触8个第一子摩擦体301-308中的任意两个。

本实施例中，第一子摩擦体301-308的材料优选为铜，第二子摩擦体311-314的材料优选为聚四氟乙烯(PTFE)，导电部件A、B的材料优选为铜或锰钢。

在图3中，为了方便下文叙述，在本发明第二实施例中，将第一子摩擦体301、303、305、307编为第一摩擦部件，将第一子摩擦体302、304、306、308编为第二摩擦部件。

初始状态前，第一摩擦体与第二摩擦体上都没有电荷，当第一摩擦体相对于第二摩擦体摩擦滑动，第一子摩擦体301-308的内表面会相对第二子摩擦体311-317的内表面和所有导电部件A、B摩擦滑动，第一子摩擦体301-308和第二子摩擦体311-317相交的部分发生相互摩擦。由于第一子摩擦体301-308和第二子摩擦体311-317的材料的电负性的不同，所以在第一子摩擦体301-308和第二子摩擦体311-317相交的界面处会产生等量、电性相反的静电荷。在该实例里，第一子摩擦体301-308的材料优选为铜，第二子摩擦体311-317的材料优选为聚四氟乙烯(PTFE)，因此第一子摩擦体301-308上产生的是正电荷，第二子摩擦体311-317上产生的是负电荷，且聚四氟乙烯为非导体材料，表面没有设置电极来导出电流，因此，第二子摩擦体上产生的负电荷是不可移动的。

在初始状态时(0°)，第二摩擦部件(第一子摩擦体302、304、306、308)与第二子摩擦体311-314的接触面积已经达到最大，为保持第二摩擦部件(第一子摩擦体302、304、306、308)与第二子摩擦体311-314相交的界处电荷的平衡，在电场驱动下，第一摩擦体上所有的正电荷都已经通过导电部件A、B，经外部负载被吸引到第二摩擦部件(第一子摩擦体302、304、306、308)上。而第二子摩擦体311-314上带有等量不可移动的负电荷。

在第一摩擦体相对第二摩擦体以顺时针方向从0°到22.5°的滑动过程中，第一子摩擦体301-308的内表面会相对第二子摩擦体311-314的内表面和所有导电部件A、B以相同的方向和角度摩擦滑动。该滑动过程中，第二摩擦部件(第一子摩擦体302、304、306、308)与第二子摩擦体311-314的接触面积会逐渐减小，而第一摩擦部件(第一子摩擦体301、303、305、307)与第二子摩擦体311-314的接触面积会逐渐增加，直到第一摩擦部件、第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积达到相等。该过程中，为了保持第一摩擦部件、第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314接触面电荷的平衡，在电场的作用下，会驱动第二摩擦部件上一半的正电荷逐渐通过第二导电单元流出，经过外部负载后，再经第一导电单元流入到第一摩擦部件上，该过程形成单向电流，直到第一摩擦部件、第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积达到相等。此时第一摩擦部件、第二摩擦部件上的正电荷数量相等，且第一摩擦部件、第二摩擦部件上的正电荷数量之和等于第二子摩擦体311-314上负电荷的数量；

在第一摩擦体相对第二摩擦体以顺时针方向从22.5°到45°的滑动过程中，第一子摩擦体301-308的内表面继续相对第二子摩擦体311-314的内表面和所有导电部件A、B以相同的方向和角度摩擦滑动。该滑动过程中，第二摩擦部件(第一子摩擦体302、304、306、308)与第二子摩擦体311-314的接触面积继续减小，而第一摩擦部件(第一子摩擦体301、303、305、307)与第二子摩擦体311-314的接触面积会继续增加，直到第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积减小为零，同时第一摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积达到最大。该过程中，为了保持第一摩擦部件、第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314接触面电荷的平衡，在电场的作用下，会驱动第二摩擦部件上剩余的正电荷逐渐通过第二导电单元流出，经过外部负载后，再经第一导电单元流入到第一摩擦部件上，该过程形成单向电流，直到第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积为零，且第一摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积达到最大。此时第二摩擦部件上的正电荷数量之和为零，第一摩擦部件上正电荷的数量之和等于二子摩擦体103上负电荷的数量；

第一摩擦体相对第二摩擦体以顺时针方向从45.5°到67.5°的滑动过程中，第一子摩擦体301-308的内表面继续相对第二子摩擦体311-314的内表面和所有导电部件A、B以相同的方向和角度摩擦滑动。该滑动过程中，第一摩擦部件(第一子摩擦体301、303、305、307)与第二子摩擦体311-314的接触面积会逐渐减小，而第二摩擦部件(第一子摩擦体302、304、306、308)与第二子摩擦体311-314的接触面积会逐渐增加，直到第一摩擦部件、第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积达到相等。该过程中，为了保持第一摩擦部件、第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314接触面电荷的平衡，在电场的作用下，会驱动第一摩擦部件上一半的正电荷逐渐通过第二导电单元流出，经过外部负载后，再经第一导电单元流入到第二摩擦部件上，该过程形成单向电流，直到第一摩擦部件、第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积达到相等。此时第一摩擦部件、第二摩擦部件上各自的正电荷数量之和相等，且第一摩擦部件、第二摩擦部件上的正电荷数量之和等于第二子摩擦体311-314上负电荷的数量；

第一摩擦体相对第二摩擦体以顺时针方向从67.5°到90°的滑动过程中，第一子摩擦体301-308的内表面继续相对第二子摩擦体311-314的内表面和所有导电部件A、B以相同的方向和角度摩擦滑动。该滑动过程中，第一摩擦部件(第一子摩擦体301、303、305、307)与第二子摩擦体311-314的接触面积继续减小，而第二摩擦部件(第一子摩擦体302、304、306、308)与第二子摩擦体311-314的接触面积会继续增加，直到第一摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积减小为零，同时第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积达到最大。该过程中，为了保持第一摩擦部件、第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314接触面电荷的平衡，在电场的作用下，会驱动第一摩擦部件上剩余的正电荷逐渐通过第二导电单元流出，经过外部负载后，再经第一导电单元流入到第二摩擦部件上，该过程形成单向电流，直到第一摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积为零，且第二摩擦部件与第二子摩擦体311-314的接触面积达到最大。此时第一摩擦部件上的正电荷数量之和为零，第二摩擦部件上正电荷的数量之和等于二子摩擦体103上负电荷的数量。

第一摩擦体相对第二摩擦体继续以顺时针方向滑动，会回到初始状态时(0°)，如此循环。在此过程中，正电荷始终是从某一摩擦部件通过第二导电单元流经负载，再经第一导电单元流入另一摩擦部件，形成方向固定的电流，从而达到输出单向电流的目的。

如上述工作原理，当第一摩擦体相对于第二摩擦体摩擦滑动方向与上述滑动方向相反时，正电荷始终是从某一摩擦部件通过第一导电单元流经负载，再经第二导电单元流入另一摩擦部件，形成方向固定的电流，从而达到输出单向电流的目的。

图4是本实施例中旋转摩擦发电装置结构三维图示意图，图5示出了本实施例中旋转摩擦发电装置结构图的***示意图，如图5所示，该旋转摩擦发电装置包括第一摩擦体42、第二摩擦体41。

图6是本发明第二实施例中旋转摩擦发电装置中第二摩擦体和导电单元三维***示意图，其中：绝缘层为411、第一导电单元为412、第二导电单元为413、摩擦层为414。如图6所示，由4个第二子摩擦体组成第二摩擦体41的摩擦层414，所述第二子摩擦体均以所述第二摩擦体的中心为圆心向外辐射排列而成，且大小相等，材料相同，间隔均匀，在每个第二子摩擦体的第一末端和第二末端设置有一对导电部件，所有位于第二子摩擦体第一末端的子导电部件连接在一起形成第一导电单元412；所有位于第二子摩擦体第二末端的子导电部件连接在一起形成第二导电单元413，在第二摩擦体的摩擦层(即4个第二子摩擦体)的外表面设置有绝缘层411。

图7是本发明第二实施例中旋转摩擦发电装置中第一摩擦体的三维***示意图，其中：绝缘层为422、摩擦层为421。如图7所示，第一摩擦体42包括摩擦层421和绝缘层422，由8个第一子摩擦体组成第一摩擦体的摩擦层421，所述第一子摩擦体均以所述第一摩擦体的中心为圆心向外辐射排列而成，且大小相等，材料相同，间隔均匀，在第一摩擦体的摩擦层(即8个第一子摩擦体)的外表面设置有绝缘层422。

对第二实施例中旋转摩擦发电装置的输出性能进行测试。使第二实施例中旋转摩擦发电装置第一摩擦体的转速为450rmp时，使用RIGOL生产的DS2302A示波器测量旋转摩擦发电装置的第一导电单元和第二导电单元的电压输出。当电机正转时，输出电压都在正半轴，为正电压，说明其输出电流是正向电流，也是单向电流，其输出电压如图8所示；当电机反转时，输出电压都在负半轴，为负电压，说明其输出电流是反向电流，也是单向电流，其输出电压如图9所示。测试结果证明，本发明的旋转摩擦发电装置是一种可以输出单向电流的旋转摩擦发电装置。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置，其特征在于，其包括至少一个发电单元，所述发电单元包括第一摩擦体和第二摩擦体；

第一摩擦体包括2N个第一子摩擦体，所述第二摩擦体包括N个第二子摩擦体，与每个所述第二子摩擦体相对位置不变的一对导电部件，分别位于该第二子摩擦体的第一末端和第二末端，所有位于第二子摩擦体第一末端的导电部件连接在一起形成第一导电单元，所有位于第二子摩擦体第二末端的导电部件连接在一起形成第二导电单元；其中，N为大于等于1的正整数；

任意摩擦体能够相对另一摩擦体在二者相对的表面上做同轴单向的相对摩擦滑动，在摩擦滑动过程中，两个摩擦体的内表面能够产生感应电荷；第一子摩擦体内表面与第二子摩擦体内表面不断接触分离，在第一子摩擦体之间能够产生感应电场；所述第一子摩擦体交替的与所述第一导电单元和第二导电单元的导电部件接触，任意一个导电部件不会同时接触两个第一子摩擦体且任意一个第一子摩擦体不会同时接触两个导电部件，在感应电场的驱动下，所述感应电荷通过所述第一导电单元和第二导电单元在外电路中形成单向电流。

2.根据权利要求1所述的一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置，其特征在于，所述第一摩擦体和第二摩擦体具有共同的转轴，所述N为大于1的正整数，所述2N个第一子摩擦体间隔均匀、相对位置不变且以自身转轴为圆心向外辐射排列而成，所述N个第二子摩擦体间隔均匀、相对位置不变且以自身转轴为圆心向外辐射排列而成。

3.根据权利要求1所述的一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置，其特征在于，所述2N个第一子摩擦体和N个第二子摩擦体均为扇形结构或顶点被同心圆切割后形成的部分扇形结构。

4.根据权利要求1所述的一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置，其特征在于，所有导电部件结构相同、材料相同且间隔均匀；在第一摩擦体相对于第二摩擦体做同轴单向的相对摩擦滑动时，以所述第二摩擦体的转轴为中心，任意两个相邻导电部件与第一子摩擦体接触面中心点的夹角相等。

5.根据权利要求1所述的一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置，其特征在于，在第一摩擦体相对于第二摩擦体做同轴单向的相对摩擦滑动时，任意所述导电部件与第一子摩擦体接触面的宽度小于所述第一子摩擦体之间的间距。

6.根据权利要求1所述的一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置，其特征在于，所述2N个第一子摩擦体的外表面设置有绝缘层，所述N个第二子摩擦体的外表面设置有绝缘层。

7.根据权利要求1所述的一种输出单向电流的旋转摩擦发电装置，其特征在于，所述2N个第一子摩擦体的材质均为导体材料，所述N个第二子摩擦体的材质为非导体材料，且与第一子摩擦体的材质具有不同的摩擦电性质。