一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电的制造方法
【专利摘要】本发明涉及微能源领域，具体涉及一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机，包含外壳及外壳内从上到下设有的顶部质量块、顶部永磁体、摩擦层、金属线圈、底部永磁体，外壳呈圆筒形，顶部质量块、顶部永磁体、摩擦层、金属线圈、底部永磁体均呈圆柱形，金属线圈外包裹有薄膜，本发明优点在于：本发明可作为传统电池的替代品为低功耗电子器件供能；实现了电磁式发电机与摩擦式发电机的优势互补，提高了发电机的能量转化效率；可靠性更强，分离速度更快；简化了器件的结构，有利于大规模生产。
【专利说明】一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及微能源领域，具体涉及一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机。
【背景技术】
[0002]近年来，世界能源危机使得新能源的研究与应用日益迫切。因此，能量采集技术受到了广泛的关注。能量采集技术即收集环境中的能量并将其转换为电能加以利用。用于收集太阳能、风能的器件如太阳能电池、风车等已经实现产业化。相比之下，振动能在环境中的存在更加稳定，且分布广泛。2012年，首个基于摩擦原理的纳米发电机制备成功并实现了高性能输出[Wang,Z.Let al.Nano energy, vol.1, pp.328, 2012] ? 随后，基于摩擦原理的纳米发电机发展迅速，输出能量密度也持续增大，在能量采集、自供能系统等领域均有广泛的应用。
[0003]基于摩擦原理的纳米发电机输出电压高，经过合理的设计，其输出电压可高达上千伏。但是摩擦纳米发电机的输出电流很小，一般为微安级别，在某些需要大电流的场合无法适用。此外，摩擦纳米发电机的匹配负载过高，一般为兆欧级别，对于小内阻的器件无法实现高效地供能。相比于摩擦发电机，基于法拉第电磁感应定律的电磁式发电机具有输出电流高，低匹配负载的特点。其输出特点恰好与摩擦发电机相反，因此将两种机制相结合，实现优势互补，不仅可以提高能量转化效率，还可以拓宽器件的应用范围。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提供一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机，包括如下技术方案:包含外壳,其特征在于:外壳内从上到下设有顶部质量块、顶部永磁体、摩擦层、金属线圈和底部永磁体，外壳呈圆筒形，顶部质量块、顶部永磁体、摩擦层及金属线圈、底部永磁体均呈圆柱形，直径均小于外壳内径，金属线圈外包裹有薄膜。
[0005]所述外壳为塑料或玻璃；外壳内侧直径为5mm-30mm，外侧直径比内侧直径宽lmm-5mm,高度为 5mm-50mmo
[0006]所述顶部质量块为金属铁或金属铜或合金材料或其它密度较大的材料，顶部质量块质量为lg_50g。
[0007]所述顶部永磁体和底部永磁体均为钕铁硼。
[0008]所述摩擦层为硅橡胶或聚酰胺纤维或金属材料或其它易失电子的材料。
[0009]所述金属线圈为金属铜；金属线圈线宽为80 μ m-200 μ m,间距为80 μ m-200 μ m,高度为 10 μ m-40 μ m。
[0010]所述薄膜的材料为聚酰亚胺，薄膜的厚度为20 μ m-50 μ m。
[0011]本发明优点在于:
[0012]1、本发明提出的基于电磁与摩擦原理的复合式发电机采用圆筒式结构，与传统电池形状类似，可作为传统电池的替代品为低功耗电子器件供能。
[0013]2、本发明提出的复合式发电机，将电磁感应原理与摩擦起电-静电感应原理结合，实现了电磁式发电机与摩擦式发电机的优势互补，提高了发电机的能量转化效率。
[0014]3、本发明提出的基于电磁与摩擦原理的复合式发电机通过电磁斥力使两种摩擦材料迅速分离，同传统的机械分离方式相比，可靠性更强，分离速度更快。
[0015]4、本发明提出的基于电磁与摩擦原理的复合式发电机采用铜线圈作为摩擦发电机的底电极，采用永磁体作为摩擦发电机的顶电极，简化了器件的结构，有利于大规模生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的复合式发电机三维结构示意图；
[0017]图2为本发明的复合式发电机剖面图；
[0018]图3为本发明的复合式发电机底视图；
[0019]图4为本发明的复合式发电机金属线圈及周围包覆聚酰亚胺结构侧视图；
[0020]图5为本发明的复合式发电机电磁部分的输出电压,输出电压峰值约为IOmV ；
[0021]图6为本发明的复合式发电机摩擦部分的输出电压，输出电压峰值约为20V。
【具体实施方式】
[0022]当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。
[0023]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0024]实施例:如图1至6所示，包括外壳1、顶部质量块2、顶部永磁体3、摩擦层4、金属线圈5、薄膜6、底部永磁体7，
[0025]外壳I采用聚四氟乙烯材料(polytetrafluoroethylene, PTFE),外壳I内侧直径优选为20mm，外侧直径优选为2mm，高度优选为25mm ；
[0026]外壳I的最上层装有顶部质量块2，顶部质量块2采用金属铁材料，质量优选为30g ；
[0027]顶部质量块2下方装有顶部永磁体3，采用钕铁硼(NdFeB)材料；
[0028]顶部永磁体3下方装有硅橡胶材料的摩擦层4 ；
[0029]摩擦层4下方装有金属线圈5，金属线圈5材料采用金属铜，金属线圈线5宽优选为150 μ m,间距优选为100 μ m,高度优选为30 μ m ;
[0030]金属线圈5外包覆有薄膜6,薄膜6的材料为聚酰亚胺(polyimide,PI),薄膜6的厚度优选为35 μ m。
[0031]金属线圈5下方装有底部永磁体7，采用钕铁硼(NdFeB)材料；
[0032]通过极性相反的顶部永磁体3和底部永磁体8提供电磁斥力，使两个摩擦表面迅速分离，产生基于摩擦的电学输出。与此同时，采用挠性印刷电路板工艺制备金属线圈5，使顶部永磁体3和底部永磁体8运动的同时在金属线圈5中产生感应电压,提高复合发电机的能量转化效率。
[0033]以上对本发明所提供的一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机进行了详细介绍，以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。
【权利要求】
1.一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机，包含外壳，其特征在于:外壳内从上到下设有顶部质量块、顶部永磁体、摩擦层、金属线圈和底部永磁体，外壳呈圆筒形，顶部质量块、顶部永磁体、摩擦层、金属线圈及底部永磁体均呈圆柱形，直径均小于外壳内径，金属线圈外包裹有薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机，其特征在于:所述外壳为塑料或玻璃；外壳内侧直径为5mm-30mm，外侧直径比内侧直径宽lmm-5mm，高度为5mm-50mmo
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机，其特征在于:所述顶部质量块为金属铁或金属铜或合金材料或其它密度较大的材料，顶部质量块质量为lg-50g。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机，其特征在于:所述顶部永磁体和底部永磁体均为钕铁硼。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机，其特征在于:所述摩擦层为硅橡胶或聚酰胺纤维或金属材料或其它易失电子的材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机，其特征在于:所述金属线圈为金属铜；金属线圈线宽为80 μ m-200 μ m,间距为80 μ m-200 μ m,高度为10 μ m-40 μ m。
7.根据权利要求1所述的一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机，其特征在于:所述薄膜的材料为聚酰亚胺，薄膜的厚度为20 μ m-50 μ m。
【文档编号】H02N1/04GK103546058SQ201310517077
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】张海霞, 韩梦迪, 张晓升, 刘雯, 孟博, 孙旭明 申请人:北京大学