CN113241966B - 一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其包括放电尖端、上定子、转子、下定子、传动杆、固定端面齿轮、转子端面齿轮以及弹簧，放电尖端设置在上定子的上表面，转子设置在上定子与下定子之间，上定子、转子与下定子借助于传动杆进行连接，传动杆与上定子之间设置有固定端面齿轮，传动杆与转子之间设置有转子端面齿轮，传动杆与下定子之间设置有弹簧，固定传动齿轮与传动杆固定连接，转子端面齿轮与转子固定连接并能够在传动杆上滑动，从而能够沿着轴向的位置移动。本发明的的转子驻极与定子介电摩擦结构的接触‑分离过程，可以减少滑动摩擦的发生，在工作过程中减少摩擦阻力，减缓了介电摩擦结构的磨损，提高结构的耐久性。

Description

一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置及方法

技术领域

本发明属于环境能量采集技术领域，具体涉及一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置。

背景技术

目前，公知的旋转式摩擦纳米发电机多是利用一个转子上的驻极与定子电极上所附的摩擦材料膜接触起电，并在定子上的两组电极中产生静电感应，随后利用转子上驻极转动造成的电场变化，使两组定子电极之间产生电势差的变化，进而驱动电子通过外电路负载在两组电极之间来回流动，以此完成电荷转移，实现发电的功能。由于转子上驻极的表面电荷密度会随着时间缓慢降低，因此需要驻极与介电摩擦材料的经常性接触和摩擦，而过于频繁的摩擦会降低设备的耐久性。此外，由于摩擦纳米发电机的表面电荷密度与其功率输出的二次方成正比，而常规接触起电方式所能得到的电荷密度较低，很大程度上限制了装置的能量转化效率。

发明内容

为了解决上述现有技术中的缺陷，本公开提供了一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，以进一步提高旋转式摩擦纳米发电机的能量转化效率和耐久性。

本发明提供一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其包括放电尖端、上定子、转子、下定子、传动杆、固定端面齿轮、转子端面齿轮以及弹簧，

所述放电尖端设置在所述上定子的上表面，所述转子设置在所述上定子与下定子之间，所述上定子、转子与下定子借助于所述传动杆进行连接，所述传动杆与所述上定子之间设置有所述固定端面齿轮，所述传动杆与所述转子之间设置有所述转子端面齿轮，所述传动杆与所述下定子之间设置有所述弹簧，所述固定端面齿轮和转子端面齿轮之间相互啮合，所述固定传动齿轮与所述传动杆固定连接，所述转子端面齿轮与所述转子固定连接并能够在所述传动杆上滑动，从而能够沿着轴向的位置移动；

所述上定子包括上基板、第一上电极组、第二上电极组、介电材料薄膜，所述上基板为中心设置有通孔的环状结构，所述第一上电极组及第二上电极组分别包括多个上电极，两组上电极交替排列并各自呈环形的围绕设置在所述上基板的下表面，所述介电材料薄膜设置在所述第一上电极组及第二上电极组的表面上；

所述转子包括上驻极、转子基板以及下驻极，所述上驻极和下驻极分别呈环形的围绕设置在所述转子基板的上表面和下表面；

所述下定子包括介电摩擦材料薄膜、第一下电极组、第二下电极组和下基板，所述下基板为中心设置有通孔的环状结构，所述介电摩擦材料薄膜设置在所述下基板的内环端面上，所述第二下电极组设置在所述下基板的上表面，所述第一下电极组及第二下电极组分别包括多个下电极，两组下电极组交替排列并分别呈环形的围绕设置在所述下基板的上表面，所述介电材料薄膜设置在所述第一下电极组及第二下电极组的表面上；

所述弹簧的第一端固定于所述传动杆上，所述弹簧的第二端与所述转子接触并提供一定的初始压力，使所述固定端面齿轮与所述转子端面齿轮在角加速度小于设定阈值时充分啮合，当所述传动杆的角加速度高于设定阈值时，固定端面齿轮对转子端面齿轮的作用力沿传动杆轴向的分力将大于弹簧所提供的初始压力，此时，转子端面齿轮与转子发生轴向的位置移动，实现转子的下驻极与所述介电摩擦材料薄膜之间的接触起电；

所述上驻极和下驻极继续转动，下定子上间隔设置的第一下电极组与第二下电极组之间产生电势差，经过外部负载电路中的电压倍增电路的多级电压放大，实现放电尖端的正电荷的聚集，当角加速度小于设定阈值时，固定端面齿轮与所述转子端面齿轮相互接近，放电尖端靠近上驻极并发生放电，实现上驻极表面的高电荷密度分布。

优选地，在初始状态下，转子中的上驻极和下驻极分别与上下定子中的介电材料薄膜和介电摩擦材料薄膜之间存在间隙，动子与上定子和下定子处于分离状态。

优选地，当所述传动杆的角加速度小于设定阈值时，转子与上下定子之间无接触摩擦，上定子电极组以及下定子电极组所产生的交流电直接进行电学输出。

优选地，所述电极为平面锥形结构，所述平面锥形结构的宽度沿着由外向内的方向逐渐减小，各个电极组的所有电极彼此连通。

优选地，所述放电尖端为针状结构，所述放电尖端延伸至所述上基板的内环端面外部，并与转子上驻极表面具有微小初始间距。

优选地，设定阈值根据环境转速的波动情况进行设置，通过弹簧的刚度和初始压力能够对设定阈值进行调节。

优选地，本发明还提供一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电方法，其包括以下步骤：

S1、固定端面齿轮与转子端面齿轮在无角加速度的状态下充分啮合，当传动杆的角加速度α大于设定阈值后，固定端面齿轮对转子端面齿轮的作用力沿传动杆轴向的分力将大于弹簧所提供的预压力，转子端面齿轮与固连的转子发生轴向位置移动；

S2、转子端面齿轮与固定连接的转子发生轴向下移并压缩弹簧，使得转子下驻极与定子的介电摩擦材料薄膜发生接触起电，通过电压倍增电路使放电尖端聚集正电荷；

S3、当角加速度减小后，弹簧恢复原状时带动转子移动，使得转子中的下驻极与下定子的介电摩擦材料薄膜发生分离，同时，转子中的上驻极与放电尖端相互靠近并使放电尖端放电；

S4、当传动杆的角加速度继续减小且不足以使转子端面齿轮与固定端面齿轮发生相对移动时，转子中的上驻极和下驻极在旋转过程中运动在上定子和下定子之间，带电后的转子驻极与定子电极组随着转子的旋转使定子在不同电极组之间产生产生感应电荷，并进而产生感应电势差，当电极组之间连通时，由于电势差的作用将产生电子流动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的旋转式摩擦纳米发电装置基于端面齿轮组的离合实现了外界不稳定激励的策略性能量收集，例如通过利用机械旋转结构转化的海洋能、风能或者不稳定机械能对应的旋转激励形式，使得转动结构的有角加速度高于设定值时，转子驻极结构随着传动杆沿着轴向发生位置移动并实现接触起电和电荷补充，从而保证激励源低谷时期，发电装置的工作效率；

(2)本发明的旋转式摩擦纳米发电装置的转子驻极与定子介电摩擦结构的接触-分离过程，可以减少滑动摩擦的发生，在工作过程中减少摩擦阻力，减缓了介电摩擦结构的磨损，提高结构的耐久性；

(3)本发明的旋转式摩擦纳米发电装置利用电压倍增电路的多级电压放大，实现放电尖端的正电荷的聚集和放电，实现上驻极表面的高电荷密度分布，大大提高了能量转换效率。

附图说明

图1是根据本公开第一实施例所示的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置结构示意图；

图2a是如图1所示的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置的上定子结构示意图；

图2b是图2a的A部分的剖面结构示意图；

图3a是如图1所示的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置的转子结构示意图；

图3b是图3a的B部分的剖面结构示意图；

图4a是如图1所示的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置的下定子结构示意图；

图4b是图4a的C部分的剖面结构示意图；

图5a和图5b是如图1所示的转子端面齿轮与固定端面齿轮的相对运动示意图；

图6a-图6c是本公开第一实施例所示的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置的摩擦起电与尖端放电意图；

图7a-图7d是本公开第一实施例所示的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置平稳状态下的发电原理示意图。

1—放电尖端；2—上定子；21—介电材料薄膜；22—第一上电极组；23—第二上电极组；24—上基板；3—传动杆；4—固定端面齿轮；5—转子端面齿轮；6—转子；61—上驻极；62—转子基板；63—下驻极；7—弹簧；8—下定子；81—介电摩擦材料薄膜；82—第一下电极组；83—第二下电极组；84—下基板。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

参见附图1至图4所示，本发明提供一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其包括放电尖端1、上定子2、转子6、下定子8、传动杆3、固定端面齿轮4、转子端面齿轮5以及弹簧7。

放电尖端1设置在上定子2的上表面，转子6设置在上定子2与下定子8之间，上定子2、转子6与下定子8借助于传动杆3进行连接，传动杆3与上定子2之间设置有固定端面齿轮4，传动杆3与转子6之间设置有转子端面齿轮5，传动杆3与下定子8之间设置有弹簧7，固定端面齿轮4和转子端面齿轮5之间相互啮合，固定传动齿轮与传动杆3固定连接，转子端面齿轮5与转子固定连接并能够在传动杆3上滑动，从而能够沿着轴向的位置移动。

上定子2包括上基板24、第一上电极组22、第二上电极组23和介电材料薄膜21，上基板21为中心设置有通孔的环状结构，第一上电极组22和第二上电极组23设置在上基板的下表面，第一上电极组22和第二上电极组23分别包括多个电极，第一上电极组22和第二上电极组23的上电极之间交替排列并各自呈环形的围绕设置在上基板24的下表面，介电材料薄膜24设置在第一上电极组22和第二上电极组23的下表面上。第一上电极组22的电极和第二上电极组23的电极在上基板24上间隔设置并且互相不连通，第一上电极组22的所有电极相互连通，第二上电极组23的所有电极相互连通。

转子6包括上驻极61、转子基板62以及下驻极63，上驻极61和下驻极63分别呈环形的围绕设置在转子基板的上表面和下表面。

下定子8包括介电摩擦材料薄膜81、第一下电极组82、第二下电极组83和下基板84，下基板84为中心设置有通孔的环状结构，第一下电极组82和第二下电极组83设置在下基板的上表面，第一下电极组82和第二下电极组83分别包括多个电极，第一下电极组82的电极和第二下电极组83的电极交替排列并各自呈环形的围绕设置在下基板84的上表面，介电摩擦材料薄膜84设置在第一下电极组82和第二下电极组83的上表面上。第一下电极组82和第二下电极组83的电极在下基板上间隔设置并且互相不连通，第一下电极组82的所有电极相互连通，第二下电极组83的所有电极相互连通。

弹簧7的第一端固定于传动杆3上，弹簧7的第二端与转子接触并提供一定的初始压力，使固定端面齿轮4与转子端面齿轮5在角加速度小于设定阈值时充分啮合，当传动杆3的角加速度高于设定阈值时，固定端面齿轮4对转子端面齿轮5的作用力沿传动杆3轴向的分力将大于弹簧7所提供的初始压力，此时，转子端面齿轮5与转子发生轴向的位置移动，实现转子的下驻极与介电摩擦材料薄膜之间的接触起电。

上驻极和下驻极继续转动，下定子8上间隔设置的第一下电极组82和第二下电极组83之间产生电势差，经过外部负载电路的电压倍增电路的多级电压放大，实现放电尖端1的正电荷的聚集，当角加速度小于设定阈值时，固定端面齿轮4与转子端面齿轮5相互接近，放电尖端1靠近上驻极并发生放电，实现上驻极表面的高电荷密度分布。

图5示意了弹簧7的一端固定于传动杆3上，弹簧7的另一端与转子6接触并提供一定的初始压力，使固定端面齿轮4与转子端面齿轮5在无角加速度的状态下充分啮合。当传动杆3的角加速度α大于设定阈值后，固定端面齿轮4对转子端面齿轮5的作用力沿传动杆3轴向的分力将大于弹簧7所提供的预压力。此时，转子端面齿轮5与固连的转子6发生轴向位置移动。

图6示意了转子端面齿轮5与固连的转子6发生轴向下移，使得转子下驻极63与定子6的介电摩擦材料薄膜81发生接触-分离，产生摩擦电荷并通过电压倍增电路实现尖端放电的过程。其中图6a为初始状态，图6b为传动杆3角加速度作用下转子端面齿轮5与固定端面齿轮4发生相对移动并压缩弹簧7，进而使得转子6中的下驻极63与介电摩擦材料薄膜81发生接触起电，并通过电压倍增电路使放电尖端1聚集正电荷的过程；图6c为角加速度减小后，弹簧7恢复原状时带动转子6移动，使得转子6中的下驻极63与下定子8的介电摩擦材料薄膜81发生分离，与此同时，转子6中的上驻极61与放电尖端1相互靠近并最终发生放电现象的过程。

图7示意了传动杆3的角加速度不足以使转子端面齿轮5与固定端面齿轮4发生相对移动时，带电后的转子6驻极与定子电极组随着转子6的旋转在电极间产生电势差的过程。其中，图7a为初始状态，转子6中的上下驻极与上下定子中一组电极相对设置，在两个相邻的电极之间产生感应电荷的静电平衡态；图7b为转子6中的上下驻极在旋转过程中运动至上下定子中两组电极之间，由于电势差的产生而使电子流动的状态；图7c为转子6中的上下驻极在旋转过程中与上下定子中另外一组电极相对设置，静电平衡状态；图7d为转子6中的上下驻极在旋转过程中运动至上下定子中两组电极之间，由于电势差的产生而使电子向另一方向流动的状态。

下面结合图6和图7来描述本实施例的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置进行发电的原理。在初始状态下，转子6中的上驻极61和下驻极63分别与上下定子中的介电材料薄膜21和介电摩擦材料薄膜81之间存在间隙，动子6与上定子2和下定子8处于分离状态。当传动杆3受到外界旋转形式的激励时，比如风能、海洋能或者不稳定机械能对应的旋转激励形式，外界旋转运动将在某些时刻存在角加速度。当作用于转子端面齿轮5的惯性力大于齿轮端面摩擦力和弹簧7预压力时，固定端面齿轮4与转子端面齿轮5将产生相对滑动，并导致转子端面齿轮5沿着轴向发生位置移动(此实施例中沿着图6b中示意的向下移动)，从而使下驻极63与下定子8的介电摩擦材料薄膜81接触，发生接触带电，接触的状态参照图6b所示。当下驻极63与下定子8中的第一下电极组82和第二下电极组83发生相对位移时，第一下电极组82和第二下电极组83之间产生随驻极63位置变化的电势差，通过电压倍增电路的多级放大，使正电荷聚集在放电尖端1上，参照图6b所示。当外界旋转激励的角加速度下降时，弹簧7恢复原状的过程中，推动转子6沿着轴向发生位置移动(此实施例中沿着图6c中示意的向上移动)，从而使下驻极63与下定子8的介电摩擦材料薄膜81发生分离，参照图6c所示。与此同时，由于上驻极61与放电尖端1相互靠近，最终造成高压尖端放电，放电尖端1聚集的正电荷大部分转移到上驻极61表面，实现上驻极61表面的高电荷密度分布，由于静电感应效应和电势平衡效应，第一上电极组22感应出负电荷。

当转子6的上驻极和下驻极带电后，下电极组切换为普通连接方式，参照图7a所示，初始状态下，比如该初始状态对应的是转子6上驻极61和下驻极63的电荷分布位置分别与上下定子中第一上电极组22和第一下电极组82对应。由于静电感应，第一上电极组22和第一下电极组82感应出负电荷。与此同时，第二上电极组23和第二下电极组83感应出正电荷以平衡电势。当转子6转动时(此实施例中沿着图7b中示意的向右移动)，第一上电极组22中的电子会流向第二上电极组23，同理，第一下电极组82中电子流向第二下电极组83，对应的电流方向如图7b中右侧箭头所示。当转子6转动到图7c位置时，上下电极组中电荷分布将与7中a所示完全相反。当转子6转动到图7d位置时，由于电极组的对称性，将产生与图7b中反向的电流。

综上，本实施例的旋转式摩擦纳米发电装置基于端面齿轮组的离合实现了外界不稳定激励的策略性能量收集，例如通过机械旋转结构转化的海洋能、风能或者不稳定机械能对应的旋转激励形式，使得转动结构在有角加速度的情况下实现转子驻极结构随着传动杆沿着轴向发生位置移动并实现接触起电和电荷补充，从而保证激励源低谷时期，发电装置的工作效率。同时，利用电压倍增电路的多级电压放大，实现放电尖端的正电荷的聚集和放电，实现上驻极表面的高电荷密度分布。在平稳状态下(外界旋转运动的角加速小于设定阈值时)，转子与上下定子无接触摩擦，转子驻极的转动使上下定子上间隔设置的电极组之间产生电势差，从而在电极组之间产生电荷流动，实现交流电的输出。该旋转式摩擦纳米发电装置通过电压倍增电路的多级电压放大和尖端放电实现转子驻极的表面的高电荷密度分布，大大提高了能量转换效率，此外转子驻极与定子介电摩擦结构的策略性接触-分离过程，可以提高激励源低谷时期发电装置的工作效率，减少结构间滑动摩擦的发生，在工作过程中减少摩擦阻力，减缓了介电摩擦结构的磨损。该实施例的提高了旋转式摩擦纳米发电机在不稳定激励下的能量转化效率和耐久性。

最后应说明的是：以上的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：其包括放电尖端、上定子、转子、下定子、传动杆、固定端面齿轮、转子端面齿轮以及弹簧，

所述放电尖端设置在所述上定子的上表面，所述转子设置在所述上定子与下定子之间，所述上定子、转子与下定子借助于所述传动杆进行连接，所述传动杆与所述上定子之间设置有所述固定端面齿轮，所述传动杆与所述转子之间设置有所述转子端面齿轮，所述传动杆与所述下定子之间设置有所述弹簧，所述固定端面齿轮和转子端面齿轮之间相互啮合，所述固定端面齿轮与所述传动杆固定连接，所述转子端面齿轮与所述转子固定连接并能够在所述传动杆上滑动，从而能够沿着轴向的位置移动；

所述上定子包括上基板、第一上电极组、第二上电极组、介电材料薄膜，所述上基板为中心设置有通孔的环状结构，所述第一上电极组及第二上电极组分别包括多个电极，两组上电极组交替排列并呈环形的围绕设置在所述上基板的下表面，所述介电材料薄膜设置在所述第一上电极组及第二上电极组的下表面上；

所述转子包括上驻极、转子基板以及下驻极，所述上驻极呈环形的围绕设置在所述转子基板的上表面，下驻极呈环形的围绕设置在所述转子基板的下表面；

所述下定子包括介电摩擦材料薄膜、第一下电极组、第二下电极组和下基板，所述下基板为中心设置有通孔的环状结构，所述第一下电极组和第二下电极组设置在所述下基板的上表面，所述第一下电极组及第二下电极组分别包括多个电极，两组下电极组交替排列并呈环形的围绕设置在所述下基板的上表面，所述介电摩擦材料薄膜设置在所述第一下电极组及第二下电极组的上表面上；

所述弹簧的第一端固定于靠近下定子一端的传动杆上，所述弹簧的第二端与所述转子接触并提供一定的初始压力，使所述固定端面齿轮与所述转子端面齿轮在角加速度小于设定阈值时充分啮合，当所述传动杆的角加速度高于设定阈值时，固定端面齿轮对转子端面齿轮的作用力沿传动杆轴向的分力将大于弹簧所提供的初始压力，此时，转子端面齿轮与转子发生轴向的位置移动，实现转子的下驻极与所述介电摩擦材料薄膜之间的接触起电；

所述上驻极和下驻极继续转动，下定子上间隔设置的第一下电极组与第二下电极组之间产生电势差，经过外部负载电路中的电压倍增电路的多级电压放大，实现放电尖端的正电荷的聚集，当角加速度小于设定阈值时，固定端面齿轮与所述转子端面齿轮相互接近，放电尖端靠近上驻极并发生放电，实现上驻极表面的高电荷密度分布。

2.根据权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：在初始状态下，转子中的上驻极和下驻极分别与上下定子中的介电材料薄膜和介电摩擦材料薄膜之间存在间隙，动子与上定子和下定子处于分离状态。

3.根据权利要求2所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：当所述传动杆的角加速度小于设定阈值时，转子与上下定子之间无接触摩擦，上定子电极组以及下定子电极组所产生的交流电直接进行电学输出。

4.根据权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述电极为平面锥形结构，所述平面锥形结构的宽度沿着由外向内的方向逐渐减小，各个电极组的所有电极彼此连通。

5.根据权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述放电尖端为针状结构，所述放电尖端延伸至所述上基板的内环端面外部，并与转子上驻极表面具有微小初始间距。

6.根据权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：设定阈值根据环境转速的波动情况进行设置，通过弹簧的刚度和初始压力能够对设定阈值进行调节。

7.一种基于权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置的发电方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、固定端面齿轮与转子端面齿轮在无角加速度的状态下充分啮合，当传动杆的角加速度α大于设定阈值后，固定端面齿轮对转子端面齿轮的作用力沿传动杆轴向的分力将大于弹簧所提供的预压力，转子端面齿轮与固连的转子发生轴向位置移动；

S2、转子端面齿轮与固定连接的转子发生轴向下移并压缩弹簧，使得转子下驻极与定子的介电摩擦材料薄膜发生接触起电，通过电压倍增电路使放电尖端聚集正电荷；

S3、当角加速度减小后，弹簧恢复原状时带动转子移动，使得转子中的下驻极与下定子的介电摩擦材料薄膜发生分离，同时，转子中的上驻极与放电尖端相互靠近并使放电尖端放电；

S4、当传动杆的角加速度继续减小且不足以使转子端面齿轮与固定端面齿轮发生相对移动时，转子中的上驻极和下驻极在旋转过程中运动在上定子和下定子的四组电极组之间，带电后的转子驻极与定子电极组随着转子的旋转使定子在不同电极组之间产生产生感应电荷，并进而产生感应电势差，当电极组之间连通时，由于电势差的作用将产生电子流动。

Images