一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机的制作方法

本发明属于微能源系统的能量转化领域，具体涉及一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机。

背景技术：

随着无线传感网络在便携式电子产品等领域的广泛应用，其器件要求使用寿命相对较长且分布广泛，更换电池或采用电力线供电显得不切实际，这就对器件的电源供应提出了新的挑战。目前，微型无线产品和微机电系统器件能耗已降低至毫瓦级别，这就为利用环境中存在的机械振动能、水力能源及风能转换为电能，进而驱动微型器件的工作成为可能。

然而，在实际应用能量采集技术之前，有几个问题亟待解决。首先，当前绝大多数的基于驻极体的静电式能量采集器以面内振荡式结构，而且振动的自由度受限，以一个方向居多，双方向也有少量的报道。虽然这种结构原理简单，但需要有弹簧作为复位元件，其制作装配通常较为复杂，同时由于支撑弹簧，振动过程中会产生较大机械和材料阻尼，影响了器件能量转化效率，例如kaitao等人在“sandwich-structuredtwo-dimensionalmemselectretpowergeneratorforlow-levelambientvibrationalenergyharvesting”(sensorsandactuatorsa228(2015)95–103)(中文题目“基于mems的二自由度驻极体三明治结构低频振动能量收集器”国际期刊：传感器与制动器)报道了一种面内二自由度叉指式能量收集器。它在0.2g的激励下在本征频率125hz时实现了0.12μw的输出，但由于该结构只能收集两个方向的机械振动能量，需要进一步的探索灵活且耐用的能量转换装置。另一方面，也为了增加器件灵活性，也有研究旨在减小收集环境能量过程中的摩擦阻力，如xiandaizhong等人在“rotatingtriboelectricgeneratorusingslidingcontactandnoncontactfrom1dfiberfriction”(nanoenergy33(2017)184–194)(中文题目“滑动接触和一维纤维摩擦非接触旋转摩擦发电机”国际期刊：纳米能源)报道了一种旋转式一维摩擦式纳米发电机，其在风速为3.5m/s时，能产生21.6vand0.6μa电能输出。然而，该发电机仅能依靠旋转轴带动纤维摩擦产生能量，在相同体积情况下，接触面积小，且经过长时间反复的摩擦，表面纳米结构容易被破坏，而且最低的起振风速也偏大。

技术实现要素：

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机，利用了驻极体薄膜提供偏置电压的可变电容器结构。该拾振转子组件在外部固定组件中磁力作用下处于悬浮状态，当受到外界激励时，拾振转子组件可以产生任意方向相对摆动，又可以发生自由转动。其发电原理是基于驻极体的薄膜摩擦/静电感应原理，该悬浮的拾振转子外圆柱表面覆盖了一层衬底电极和驻极体薄膜，并且驻极体薄膜采用荷电植入方法植入表面电荷，促使衬底电极上形成表面偏置电压。当外界激励造成悬浮拾振转子组件与外部固定组件发生相对运动时，由于驻极体摩擦/静电感应，经由外部电路的连接，就可以把外界的动能转化为电能。其外界动能既可以是机械振动动能，也可以是由风力或水流引起的拾振转子的旋转动能。

本发明的技术方案是：一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机，其特征在于：包括外部固定组件和拾振转子组件，所述拾振转子组件位于所述外部固定组件正上方，且两者中心轴平行；

所述外部固定组件包括绝缘基板、三角形永磁体、固定磁铁罩和定位挡片；所述绝缘基板用于固定支撑整个发电机，在其上表面设置有四个呈矩形分布的凹槽，用于分别固定四个所述三角形永磁体；四个所述三角形永磁体相对于与所述外部固定组件的中心轴对称排布，同时四个所述三角形永磁体的斜边朝向其对称轴；所述固定磁铁罩为上表面呈凹圆弧的壳体结构，固定于所述绝缘基板上表面，将所述三角形永磁体置于其内，其凹圆弧面的中心轴与所述三角形永磁体的对称轴平行；所述定位挡片垂直固定于所述绝缘基板的一端，并垂直于所述三角形永磁体的对称轴，用于限定所述拾振转子组件的轴向位移；

所述拾振转子组件包括叶片转子、拾振转子和环形永磁体；所述拾振转子为中空的圆柱状结构，与所述拾振转子组件同轴；两个所述环形永磁体同轴安装于所述拾振转子内，且每个环形永磁体位于两个斜边相对的三角形永磁体的正上方，所述环形永磁体与所述三角形永磁体的相对面磁化极性相同，形成互斥效果，能够将所述拾振转子组件悬浮于所述外部固定组件上方；所述拾振转子悬伸一端安装有所述叶片转子，另一端与所述定位挡片为点接触；

所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面上均设置有一层衬底电极，并在所述拾振转子的衬底电极上覆盖一层驻极体聚合物薄膜；所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面的衬底电极分别通过导线与外电路两极连接，实现外部激励下两衬底电极的电荷重新分配引起的电荷流动，进而向外部电路输出电能。

本发明的进一步技术方案是：所述的绝缘基板、固定磁铁罩、拾振转子及叶片转子材料均为工程塑料，厚度在1～3mm之间。

本发明的进一步技术方案是：所述定位挡片材料选择铝板铣削而成，厚度为2mm。

本发明的进一步技术方案是：所述定位挡片上开设定位小孔，孔径为3mm，高度为30mm，与所述拾振转子同轴；所述拾振转子另一端插入所述定位小孔，且保持间隙配合，用于限制所述拾振转子的轴向位移。

本发明的进一步技术方案是：所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面的衬底电极由柔性电路板工艺制备，基体材料为聚酰亚胺，衬底电极的图案定制成等间距的条状栅格电极形状。

本发明的进一步技术方案是：所述驻极体聚合物薄膜为派瑞林parylene或特氟龙teflon，采用化学气象沉积，旋涂，深涂，浇灌的方法进行表面覆盖到柔性衬底电极上。

本发明的进一步技术方案是：所述驻极体聚合物薄膜的荷电植入方法，采用电晕充电，电子束辐射方式完成驻极体偶极子预注入。

本发明的进一步技术方案是：两个所述环形永磁体的轴向距离l2小于与其相对的所述三角形永磁体的轴向距离l1，l1大于l2的值在0.5-1mm之间。

本发明的进一步技术方案是：所述多功能驻极体发电机包括两个所述外部固定组件，两个所述外部固定组件的凹圆弧相对设置，合体组成中空的柱状结构，将所述拾振转子组件同轴设置于两个所述外部固定组件之间的中空处。

本发明的进一步技术方案是：所述叶片转子由6个碗状叶片组成，承受风力或水力部分直径为16mm，每个叶片的总长度为28mm。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明利用的是静电感应的发电原理，通过向驻极体薄膜中注入电荷使其在拾振转子覆盖的衬底电极上产生偏置电压。当外部激励导致悬浮的拾振转子相对于固定磁铁罩凹形表面贴附的衬底电极面外摆动，或者环境中风能吹动或水力推动叶片转子旋转，带动拾振转子组件旋转，导致该永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机固有电容发生变化，进而两个衬底电极之间的电荷经过外接电路发生重新分配现象，进而向外部电路输出交流电。该永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机可以把部分机械能、风能及水力能转化成电能。与传统驻极体发电机相比，本发明所提出的一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机采用了悬磁浮陀螺式结构实现面外的旋转和摆动，摒弃了传统弹簧式复位结构，达到工作过程中低阻尼和多方向的采集转化工作，同时面外旋转式结构增加了该发电机的固有电容变化率。且可以同时收集振动能、风能及水力能，且克服了简支梁应力集中问题，同时也加大了可收集的振动频率带宽，所以易于得到高性能的输出。

本发明由于结构简单、面外旋转、永磁悬浮式支撑结构以及可以收集机械振动能、风能及水力能，并且具有耐用性和优异的灵活性等特点，有着广泛的商业价值。具体有以下几个有点：

首先，该多功能发电机结构灵巧：采用永磁悬浮支撑结构外加定位挡片，低阻尼多方向工作；可以同时在旋转和摆动两种工作模式下运行，而且无需外部其他辅助支撑，结构紧凑。经过测试，本发明磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机最小起振风速在1.8m/s，低于很多驻极体风速能量发电机。

其次，对于本发明磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机在不同风速激励与发电机输出电压之间的测试发现，输出电压与风速之间有很好的线性关系，可以当做一个风速传感器来使用。

附图说明

图1-1为本发明一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机整体示意图。

图1-2为永磁悬浮陀螺式发电机内部磁体布置示意图。

图1-3为永磁悬浮陀螺式发电机静电感应电荷分布示意图。

图1-4为永磁悬浮陀螺式发电机不同的风速激励测试结果。

图1-5为永磁悬浮陀螺式发电机不同风速激励与发电机输出电压之间的测试结果。

图2为实施方案之二局部剖视图。

图3为实施方案之三局部结构剖视图。

附图标记说明：1、叶片转子；2、三角形永磁体；3、绝缘基板；4、环形永磁体；5、拾振转子；6、定位挡片；7、固定磁铁罩；8、衬底电极；9、驻极体聚合物薄膜。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1-1所示，本实施例实质是一个利用驻极体提供偏置电压的可变电容器，该永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机主要包括叶片转子1、三角形永磁体2、绝缘基板3、环形永磁体4、拾振转子5、定位挡片6、固定磁铁罩7、衬底电极8以及驻极体聚合物薄膜9，其中：绝缘基板3、固定磁铁罩7、拾振转子5由下而上依次布置，定位挡片6插入绝缘基板对应位置的凹槽内。将三角形永磁体2、绝缘基板3、定位挡片6、固定磁铁罩7按装配次序组成的结构称为外部固定组件。将叶片转子1、拾振转子5、两块环形永磁体4按装配次序组成的结构称为拾振转子组件，其中拾振转子5内嵌两块环形永磁体4，叶片转子1固定于拾振转子5悬伸一端。如图1-2所示，4个三角形永磁体固定安放于绝缘基板3设置的凹槽内，且4个三角形永磁体斜边之间磁化极性相同。此外，选择环形永磁体径向磁化极性与三角形永磁体斜边极性相同的一面布置，即三角形永磁体2.1和2.4与环形永磁体4.1相互排斥，三角形永磁体2.2和2.3与环形永磁体4.2相互排斥。环形永磁体4.1与4.2之间的距离为l2，三角形永磁体2.1和2.2、2.3与2.4之间的距离为l1，其中l1要略大于l2，0.5-1mm之间均可，以保证拾振转子组件的悬浮状态。此外，对于静止衬底电极来说，衬底电极8覆盖在固定磁铁罩7凹圆弧表面，对于可旋转衬底电极来说，衬底电极8覆盖在拾振转子5圆柱外表面，同时再覆盖一层预先植入电荷的驻极体薄膜聚合物9。

图1-3为图1-1中a向简化视图，表示该永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机装配完成后，未受激励的状态下，预先植入电荷的驻极体薄膜聚合物9在衬底电极8上的感应电荷分布情况。图1-4为该永磁悬浮陀螺式发电机在不同的风速激励下测试结果，测试结果表示，该永磁悬浮陀螺式发电机最小起振风速降至1.8m/s。图1-5为永磁悬浮陀螺式发电机不同风速激励与发电机输出电压之间的测试结果，表明该永磁悬浮陀螺式发电机可以作为一个风速传感器使用。

所述的定位挡片6上开设定位孔，孔径为3mm，开孔高度为30mm，采用铝板制作，厚度为2mm，既起到使拾振转子组件限定在鞍点位置，又可以当做拾振转子5上覆盖的衬底电极8的信号引出电极。

所述的拾振转子5由两半圆筒粘结而成，拾振转子5一端放置于定位挡片6上开设定位孔内，拾振转子5另一端固连叶片转子1，而且拾振转子5外圆柱表面粘结一层衬底电极8，同时在衬底电极8上再覆盖一层预先植入电荷的驻极体薄膜聚合物9。

所述的三角形永磁体2为铝铁硼制作，外形截面为等腰直角三角形，直角边为5mm。

所述的环形磁铁4内径为5mm，外径为5.5mm。

所述的固定磁铁罩7采用工程塑料制作，其凹形表面粘结一层衬底电极8。

所述的衬底电极8采用柔性电路板工艺制备，形状定制成等间距的条形栅格形状。

所述的驻极体薄膜材料9采用派瑞林parylene、特氟龙teflon和二氧化硅等驻极体材料中的一种，通过向驻极体聚合物经过电晕充电方式向其表面植入电荷或偶极子，使衬底电极8表面产生一个偏置电压。

所述的绝缘基板3，平行于定位挡片6定位小孔轴线方向上，绝缘基板3安置三角形永磁体2的凹槽之间的距离为50mm；垂直定位挡片6定位小孔轴线方向上，绝缘基板3安置三角形永磁体2的凹槽之间的距离为15mm。

所述的拾振转子5内放置的环形永磁体4与三角形永磁体2要保证端面有0.5mm左右的偏差，这样磁体受力更均匀，同时克服了传统面内旋转极板面积小和需要弹簧复位的大阻尼等问题，增加了能量收集的形式，改良了电能输出特性。

实施例2

具有上、下两个外部固定组件构成的一个多功能驻极体能量采集器

如图2所示，为上、下两个外部固定组件构成的一个多功能驻极体能量采集器，其余结构原理与实施例1相同，所述的上绝缘基板3上安装同样尺寸大小的三角形永磁体2，极性选择与实施例1相同。这样两个外部固定组件可以使拾振转子组件运行过程中更加平稳，同时由于两块固定衬底电极8同时输出电能，进一步的增加了输出的电能，充分利用了拾振转子5外圆柱表面包裹的驻极体薄膜材料，使其在同一周旋转发电量为实施例1的两倍。

实施例3

如图3所示，本实例中将承受风力的叶片转子1改换成即可以受风又可收集水力能量的叶片，进一步的拓宽了能量收集的形式，扩大了该发电机的应用场合。

所述的水力收集叶片1是由6个碗状叶片组成，承受风力部分直径为16mm，长度为28mm。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。