磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机

1.本发明涉及纳米发电机技术领域，涉及一种磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机。


背景技术：

2.随着5g技术、物联网技术的进一步发展和实现，需要数量巨大的分布式传感器网络满足人们智能化、信息化、现代化的需求。然而如何给分布广泛且数量庞大的传感器网络进行供电成了亟待解决的问题。传统的电池供电对环境不友好，并且其携带能源有限，需要进行定期更换，具有增加时间成本和经济成本的弊端。
3.一种电池替代方案是收集环境中的能量给传感器供电，其中摩擦纳米发电机和驻极体发电机由于其制作简单、结构多样、低频高效和环境友好等优势在世界范围内引起了研究热潮。两种发电机共有的工作模式为垂直接触-分离模式。垂直接触-分离模式发电机包括介电-介电型和介电-导电型；垂直接触-分离模式发电机的工作原理为，其结构包括两个金属电极和至少一个带电的介电层(其中，摩擦纳米发电机通过接触带电，驻极体发电机通过预先充电方式带电)，当外力垂直作用在上电极上，上电极会向下运动直至与下介电层接触；当撤去外力时，上电极又会在发电机内部的分离回复力下，向上运动与下电极分离。由于介电层表面带有一定量的电荷，在静电感应的作用下，随着两电极的接触分离过程就会在上下电极间产生电势差。具体来说，就是接触时，电势差为0，分离到最远位置时，电势差达到最大值。由此可见，发电机的分离回复力是垂直接触-分离模式发电机能够循环往复工作的基础。
4.现有技术总通过设计间隔物结构、拱形结构、弹簧支持分离结构和多层叠加结构等来作为弹性结构为发电机提供分离回复力。但是，上述结构大多利用材料本身的弹性作为发电机两电极分离的回复力，也就是说，当发电机上电极在外力作用下向下运动会引发发电机结构的弹性变形，当外力撤销后，在发电机结构本身的弹力作用下，上电极会与下电极分离。但是，这种弹性结构具有以下弊端，如下：
5.1)弹性结构的弹性变形回复比较慢，因此，电极分离过程的电信号输出响应会更慢；2)弹性变形存在结构磨损和疲劳失效的风险，比如说外力过大或者变形次数过多，弹性结构就会失效，导致弹性结构的稳定性不高。
6.因此，亟需一种变形后恢复较快且结构稳定性高的垂直接触分离模式驻极体发电机。


技术实现要素：

7.本发明提供一种磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，利用磁铁间的斥力作为垂直接触分离力，具有变形恢复快以及结构稳定性高的技术效果。
8.为实现上述目的，本发明提供的一种磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，包括按照设定距离层叠活动设置的定极板单元和动极板单元，其中，定极板单元和动极板
单元均包括极板、设置在极板上的磁铁以及敷设在极板上的金属电极层；其中，动极板单元的金属电极层为电极一，定极板单元的金属电极层为电极二；电极一和电极二组成发电机的输出电极；
9.在第一金属电极层上敷设有驻极体介电层或者摩擦层；其中，第一金属电极层为敷设在定极板单元上与动极板单元相对的表面上的金属电极层；
10.定极板单元的磁铁与动极板单元的磁铁相斥设置，以产生用于将垂直接触后的定极板单元与动极板单元分离的斥力，从而使得在电极一与电极二之间产生电势差。
11.进一步，优选的，定极板单元与动极板单元的极板数量之和为1～4个。
12.进一步，优选的，当定极板单元和动极板单元的极板数量分别为2个；
13.动极板单元包括按照设定距离一相对固定的极板一和极板三；定极板单元包括按照设定距离二相对固定极板二和极板四；极板一、极板二、极板三和极板四从上至下依次层叠设置；
14.在极板一的下表面、极板二的上下表面、极板三的上下表面以及极板四的上表面上均敷设有金属电极层；其中，金属电极层自上至下依次为电极一、电极二、电极三、电极四、电极五和电极六；电极一与电极二、电机三与电极四、电极五与电极六分别组成一个电极对；对每个电极对进行整流桥整流，将三个电极对的正负极分别并联，形成发电机的输出电极；
15.在极板二的上金属电极层、极板三的上金属电极层以及极板四的上金属电极层上设置有驻极体介电层或摩擦层；
16.在极板三上设置有磁铁三，在极板四上设置有与所述磁铁三相斥的磁铁四；
17.磁铁三与磁铁四之间生成的斥力，斥力用于将垂直接触后的定极板单元与动极板单元分离，从而使得在三个电极对之间产生电势差。
18.进一步，优选的，设定距离一与设定距离二相等。
19.进一步，优选的，磁铁三和磁铁四分别设置在极板三和极板四的中心处。
20.进一步，优选的，磁铁三和磁铁四的横截面均为圆形；和/或磁铁四的直径大于磁铁三的直径。
21.进一步，优选的，在极板一的中心处设置有磁铁一，在极板二的中心处设置有磁铁二。
22.进一步，优选的，在极板二的对角线上设置有矫正磁铁二，在极板三的对角线上对应设置有矫正磁铁三，矫正磁铁二和矫正磁铁三相吸设置。
23.进一步，优选的，极板包括用于固定磁铁的定位板，以及分别设置在定位板上表面和下表面的覆盖板，定位板与覆盖板相互固定设置。
24.进一步，优选的，驻极体介电层为有机驻极体薄膜，为fep层、ptfe层、pea层或pe层中的任一种。
25.本发明通过建立结构简单的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，具有有益效果如下：
26.1)利用磁铁间的斥力作为分离回复力，可以加快发电机的分离运动速度；
27.2)磁铁间的斥力和距离是非线性关系，距离越靠近，其斥力增加得越快，当两磁铁靠近时，分离回复力大幅增加，从而进一步加快了发电机的分离运动速度；
28.3)将磁铁吸力作为发电机分离运动中的矫正回复力，保证了每次动极板组分离后回到设定位置，进而提升了发电机的稳定性。
29.4)分离过程没有利用结构的弹性回复力，不存在结构疲劳失效等问题，更稳定。
附图说明
30.图1为本发明实施例1提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构示意图；
31.图2为本发明实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构示意图；
32.图3为本发明实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构爆炸图；
33.图4为本发明实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构侧视图；
34.其中，1、动极板单元；2、定极板单元；3、驻极体介电层；4、导向柱；5、金属电极层；6、螺母；11、极板一；12、极板三；13、磁铁三；14、套筒一；15、矫正磁铁三；21、极板二；22、极板四；23、磁铁四；24、套筒二；25、矫正磁铁二；
35.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
36.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.实施例1
38.磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机包括按照设定距离层叠设置的动极板单元1和定极板单元2，定极板单元和动极板单元均包括极板、设置在极板上的磁铁以及敷设在极板上的金属电极层；其中，动极板单元的金属电极层为电极一，定极板单元的金属电极层为电极二；电极一和电极二组成发电机的输出电极；在第一金属电极层上敷设有驻极体介电层或者摩擦层；其中，第一金属电极层为敷设在定极板单元与动极板单元相对的表面上；定极板单元的磁铁与动极板单元的磁铁相斥设置，以产生用于将垂直接触后的定极板单元与动极板单元分离的斥力，从而使得在电极一与电极二之间产生电势差。
39.图1为本发明实施例1提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构示意图，参照图1所示，
40.动极板单元1包括1块极板，定极板单元2包括1块极板，两块极板层叠活动设置，且在两个极板的中心设置有相斥的磁铁(图中未示出)，在定极板单元的极板的朝向动极板单元的电极层表面上敷设有驻极体介电层3。动极板单元1的金属电极层(图中未示出)为电极一，定极板单元2的金属电极层为电极二；电极一和电极二组成发电机的输出电极；两个金属电极和一个带电的介电层，当外力垂直作用在动极板单元的极板上，动极板单元的极板会向下运动直至与驻极体介电层3接触。而由于设置在定极板单元上的磁铁与设置在动极板单元上的磁铁相斥，产生了斥力。在斥力存在的情况下，撤去外力后，将垂直接触的定极板单元和动极板单元分离，从而在电极一和电极二之间产生电势差。
41.具体地说，极板包括用于固定磁铁的定位板31，以及分别设置在定位板31上表面
和下表面的覆盖板32，定位板31与覆盖板32相互固定设置。其中，定位板31和上、下覆盖板32均为亚克力板，尺寸为50*50*2mm，定位板31结合覆盖板的结构主要是用于给磁铁限位，磁铁的直径为20mm。在定位板上通过激光切割的方式获得一通孔作为磁铁限位孔，将对应直径的磁铁放置入磁铁限位孔后，然后在定位板31的上下表面均该上覆盖板32，再通过m2全螺纹塑料螺栓螺母将三层亚克力板彼此锁紧；对于定位板和覆盖板的材质可以为不导电的任何硬质材料形成，例如但不限于亚克力、树脂等。磁铁可以为汝铁硼磁铁。
42.在两极板的相对面上敷设金属电极层(也就是上极板的下表面以及下极板的上表面)，金属电极层可以但不限制为铜导电胶带。在第一金属电极层上敷设有驻极体介电层或者摩擦层；其中，第一金属电极层为敷设在定极板单元与动极板单元相对的表面上的金属电极层；具体地说，定极板单元与动极板单元相对的表面可以为定极板单元的表面也可以为动极板单元的表面。也就是说，驻极体介电层或者摩擦层设置在动极板或定极板的电极层表面均可。但是，本实施例中，为了进一步提升发电机的工作稳定性，将定极板的金属电极层作为第一金属电极层，也就是说，将驻极体介电层或者摩擦层设置在定极板的金属电极层的表面上。
43.当发电机为驻极体发电机时，在定极板单元的极板的朝向动极板单元的电极层上敷设有驻极体介电层3；当发电机为摩擦纳米发电机时，在定极板单元的极板的朝向动极板单元的电极层上敷设有与动极板上电极层摩擦极性互补的摩擦层。其中，驻极体介电层3为有机驻极体薄膜，可以为fep层、ptfe层、pea层或pe层中的任一种，本实施例采用在定极板单元的极板的朝向动极板单元的电极层上敷设预充电的fep驻极体层，fep驻极体层通过采用接触微放电的方法在4.5kv直流下充电9分钟，即可在fep的表面带上足量较为均匀的电荷。
44.虽然本实施例中，动极板单元与定极板单元均只包含1块极板。需要说明的是定极板单元与动极板单元的极板数量之和可以为1～4个。动极板单元与定极板单元的极板之和的数量越多，其有效面积越大，因此可以大幅增加发电机的输出性能。
45.在具体的实施过程中，为了限制动极板单元和定极板单元间的活动路径，在动极板单元和定极板单元的极板之间对应设置有导向柱4，以使得动极板单元的极板与定极板单元的极板可以沿着导向柱4进行上下位移。在具体的实施过程中，导向结构并不限制于导向柱，还可以为滑轨等。导向柱的材质可以为为不导电的任何硬质材料形成，例如但不限于亚克力、塑料、树脂等。
46.作为本实施例的改进，为了使底部相对大的磁铁提供一个对相对小的磁铁来说尽可能均匀且方向在竖直方向的磁场，进而能够提供比较均匀的竖直方向的磁铁斥力，减小水平方向的磁铁斥力。可以将位于下方的动极板单元的磁铁的直径大于位于上方的定极板单元的磁铁的直径。
47.实施例2
48.图2～图4对本发明实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构进行了整体描述。其中，图2为本发明实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构示意图，图3为本发明实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构爆炸图；图4为本发明实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构侧视图。
49.参照图2～图4所示，定极板单元1和动极板单元2的极板数量分别为2个；动极板单元1包括按照设定距离一相对固定的极板一11和极板三12；定极板单元2包括按照设定距离二相对固定极板二21和极板四22；极板一11、极板二21、极板三12和极板四22从上至下依次层叠设置；在极板一11的下表面、极板二21的上下表面、极板三12的上下表面以及极板四22的上表面上均敷设有金属电极层5；其中，所述金属电极层自上至下依次为电极一、电极二、电极三、电极四、电极五和电极六；所述电极一与电极二、电机三与电极四、电极五与电极六分别组成一个电极对；对每个电极对进行整流桥整流，将三个电极对的正负极分别并联，形成发电机的输出电极。也就是说，从上至下，分别定义为电极一、电极二、电极三、电极四、电极五和电极六，按顺序两两组成一个输出电极对(电极一与电极二、电机三与电极四、电极五与电极六)，共有三个电极对，每个电极对通过整流桥整流后，将三个电极对进行正负极分别并联，进而组成发电机的输出电极；在极板二21的上金属电极层、极板三12的上金属电极层以及极板四22的上金属电极层上设置有驻极体介电层6或摩擦层；在极板三12上设置有磁铁三13，在极板四22上设置有磁铁四23，磁铁三13与所述磁铁三相斥的磁铁四23之间生成斥力，斥力用于将垂直接触后的定极板单元与动极板单元分离，从而使得在三个电极对之间产生电势差。
50.也就是说，主要结构为两个结构互补配合的两层动极板组(动极板单元)和定极板组(定极板单元)；四层电极板单元包括极板一11、极板三12、极板二21和极板四22；其中，极板一11、极板三12组成动极板单元1，极板二21和极板四22组成定极板单元2。极板一11、极板三12、极板二21和极板四22均是三层亚克力板结构。为了保持同一个定极板单元(或动极板单元)内的极板间距相同，在具体的实施过程中，在极板一11与极板三12之间设置有套筒一16；极板二21和极板22四之间设置有套筒二26，套筒一16的高度等于设定距离一，所述套筒二26的高度均等于设定距离二；套筒的长度根据实际应用场景的需要进行设定。为了增加磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的稳定性使设定距离一与设定距离二相等。其中，所述套筒一和/或套筒二可以但不限制为碳纤维树脂件、玻璃纤维树脂件或亚克力等硬质塑料。
51.在具体的实施过程中，极板的四个角分别从左上角按照顺时针的顺序定义为a，b，c，d。将极板四的b角和d角上安装m4的螺栓，并在螺栓上分别套上一个内外径4*6mm的炭纤维套筒二，然后将极板二装在螺栓上，并拧紧螺母，固定极板二，获得设定距离等于碳纤维套筒二的定极板组。将极板三放在极板二和极板四之间，在极板一的a角和c角上安装m4的螺栓，并将碳纤维套筒一与极板三固定在一起，获得设定距离等于炭纤维套筒一的动极板组。
52.为了使该发电机能够正常稳定地工作，极板组在外力的作用下向下运动，直至极板一与极板二相接触，同时极板三与极板四相接触(这是由两等长的碳纤维套筒决定的)，当撤去外力后，动极板组会在磁铁的作用下，向上运动与定极板组分离，直至极板三与极板二相接触。为了在磁铁的作用下，动定极板组能够更好地实现分离运动，四个极板单元的磁铁配置有所差异。首先，极板四正中是一个直径为40mm，厚度为2mm的圆磁铁，极板三正中是一个直径为20mm，厚度为2mm的圆磁铁，这两磁铁是相斥放置的。磁铁三和磁铁四可以但不限制于分别设置在极板三和极板四的中心处。磁铁三和磁铁四的横截面可以但不限制于均为圆形。
53.利用磁铁斥力作为发电机电极间分离回复力，需要对磁铁进行限位，并且控制好发电机两电极的接触分离运动方向。
54.作为本实施的改进，在极板一11的中心处设置有磁铁一14，在极板二21的中心处设置有磁铁二24。具体地说，极板一和极板二的中央可根据需要相斥放置不同直径大小的磁铁，这取决于外界作用力的大小，当极板一和极板二间也配置与极板三和四同样的磁铁对，那么将动极板单元按下到相同位置就需要2倍的外界作用力，因此，过多的磁铁配置会增加动极板质量的同时，会增加动定极板组间的排斥力；若外力过小，动极板单元在外力作用下可能无法与定极板单元接触。也就是按照应用场景下外力的大小，合理配置磁铁，包括调整磁铁的大小，磁铁对的数量等。
55.进一步的，作为本实施的改进，在极板二21的对角线上设置有矫正磁铁二25，在极板三12的对角线上对应设置有矫正磁铁三15，矫正磁铁二25和矫正磁铁三15相吸设置。具体地说，极板二和极板三的ac对角线上，按照磁铁相吸的方向放置了两对直径为10mm厚度为2mm的磁铁对，由于磁铁对间的斥力是不稳定的，因此，动极板组光靠磁铁斥力的作用向上运动会导致动极板方向偏离竖直方向，因此，极板二和极板三上的这两对相吸的磁铁对就起到了分离运动过程中矫正复位的作用，使得动极板组每次向上运动都回到相同的位置。提高了系统的稳定性。
56.在极板一11的下表面、极板二21的上下表面、极板三12的上下表面以及极板四22的上表面上均敷设有铜导电胶带作为金属电极层5；在极板二21的上金属电极层、极板三12的上金属电极层以及极板四22的上金属电极层上设置有驻极体介电层6或摩擦层；当发电机为驻极体发电机时，在极板二21的上金属电极层、极板三12的上金属电极层以及极板四22的上金属电极层上设置有预充电的fep驻极体层作为驻极体介电层6；当发电机为摩擦纳米发电机时，在极板二21的上金属电极层、极板三12的上金属电极层以及极板四22的上金属电极层上设置有与动极板上电极层摩擦极性互补的摩擦层。其中，所述金属电极层自上至下依次为电极一、电极二、电极三、电极四、电极五和电极六；所述电极一与电极二、电机三与电极四、电极五与电极六分别组成一个电极对；对每个电极对进行整流桥整流，将三个电极对的正负极分别并联，形成发电机的输出电极；在极板三12上设置有磁铁三13，在极板四22上设置有磁铁四23，磁铁三13和磁铁四23相斥设置；磁铁三13与磁铁四23之间生成的斥力，斥力用于将垂直接触后的定极板单元与动极板单元分离，从而使得在电极一与电极二之间产生电势差。也就是说，发电机具有三对相互接触-分离的表面，因此，具有三对电极对，通过合理的电极管理，就可以得到更大的电能输出。
57.在本实施例中，通过外力(按压或振动)和磁铁磁力的作用，可以使得动极板单元和定极板单元间实现循环往复的接触分离运动，此过程中，由于带电驻极体的存在，在静电感应作用下，就会在对应的铜电极间形成电势差，最后通过合理的电极管理就能够得到发电机的整体电能输出。另外，通过采用互补结构的多层驻极体(摩擦层)发电机，其有效面积增加了三倍，因此可以大幅增加发电机的输出性能。
58.本发明的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，利用磁铁间的斥力作为分离回复力，可以加快发电机的分离运动速度，磁铁间的斥力和距离是非线性关系，距离越靠近，其斥力增加得越快，当两磁铁靠近时，分离回复力大幅增加，从而进一步加快了发电机的分离运动速度；将磁铁吸力作为发电机分离运动中的矫正回复力，保证了每次动极板组
分离后回到设定位置，进而提升了发电机的稳定性的技术效果。
59.最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。