一种摩擦磁电复合微能源采集器

1.本技术属于能源材料与器件技术领域，具体为一种摩擦磁电复合微能源采集器.


背景技术：

2.近年来，微机电系统技术的不断进步，使得电子设备具有体积小，效能高的优势，并得到了广泛的应用。通常，这些电子设备主要采用短期电池供电，大大增加了维护成本和环境污染。特别是电子设备在森林、高原、沙漠等的恶劣环境中工作，更换电池就成了一个极大的问题。风能作为一种分布广泛的可再生能源，在电力供应中发挥了重要作用，为缓解能源危机做出了贡献。得益于电子设备的低功耗设计，从周围环境中收集和转换风能对电子设备实现可持续运行具有重要意义和价值。
3.目前，最重要的风能获取机制包括摩擦电、压电、电磁等多种形式。摩擦发电是一种新型发电方式，是摩擦效应和静电感应效应的结合。其原理是在摩擦过程中，具有不同摩擦极性的两种材料相互接触分离，进而产生电荷转移，形成电流。摩擦纳米发电机可以利用风能带动摩擦材料之间的发生周期性碰撞，在外电路产生电荷转移，进而将风能转换为电能。其有许多优点，如重量轻，输出电压高，制造简单，可靠性好等，但其输出电流却很低；电磁发电机通常利用风能驱动转子和定子发生相对运动，从而切割磁感线产生感应电动势，也可以将环境中的风能转换为电能，但其缺点是输出电压低。不论那种形式的发电都存在一定的局限性，不能达到对环境中的风能高效的采集。因此，设计一种低风速自启动且将摩擦和电磁复合的新型微能源采集器，对实现更高效率的采集，提升采集器的输出功率很有必要。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的缺点或不足，本技术要解决的技术问题是提供一种摩擦磁电复合微能源采集器。
5.为解决上述技术问题，本技术通过以下技术方案来实现：
6.本技术提出了一种摩擦磁电复合微能源采集器，包括：用于将风能转化为机械能的风能捕获装置以及与所述风能捕获装置组装的发电装置，所述发电装置包括：摩擦-电磁发电单元、外壳以及密封盖，所述摩擦-电磁发电单元安装在所述外壳内并由所述密封盖密封。
7.可选地，上述的摩擦磁电复合微能源采集器，其中，所述摩擦-电磁发电单元包括：安装在所述密封盖里的电磁感应线圈、安装有磁铁的磁盘以及止转轭机构，其中，所述止转轭机构包括偏心轴以及滑动杆，所述偏心轴的上下两端分别与所述外壳内的支撑座以及所述外壳连接；所述磁盘安装在所述偏心轴上并与所述偏心轴一起做同轴心运动；所述滑动杆通过支撑座组件安装在所述外壳内；通过所述止转轭机构将所述风能捕获装置触发的旋转运动转化为直线往复运动。
8.可选地，上述的摩擦磁电复合微能源采集器，其中，所述发电装置还包括：导电布，
所述导电布粘贴在所述外壳的内壁以及所述滑动杆两侧的端面上。
9.可选地，上述的摩擦磁电复合微能源采集器，其中，所述发电装置还包括：复合薄膜，在所述滑动杆两侧端面的所述导电布上还粘贴有复合薄膜。
10.可选地，上述的摩擦磁电复合微能源采集器，其中，所述支撑座组件包括：支撑座ⅰ和支撑座ⅱ，所述滑动杆通过所述支撑座ⅰ以及所述支撑座ⅱ组装在所述外壳内，在所述支撑座ⅰ以及所述支撑座ⅱ上分别设有安装滚珠的弧形凹槽。
11.可选地，上述的摩擦磁电复合微能源采集器，其中，所述偏心轴通过所述支撑座上的凸缘轴承和所述外壳底部的深沟球轴承ⅱ进行约束。
12.可选地，上述的摩擦磁电复合微能源采集器，其中，所述滑动杆的外形为半圆柱状结构。
13.可选地，上述的摩擦磁电复合微能源采集器，其中，所述风能捕获装置包括：挡流罩、风叶转子以及底座，所述挡流罩和所述底座连接，所述风叶转子的上下两端与所述挡流罩和所述底座连接。
14.可选地，上述的摩擦磁电复合微能源采集器，其中，所述风叶转子的外形为弧面结构。
15.可选地，上述的摩擦磁电复合微能源采集器，其中，所述挡流罩与所述底座通过螺栓和螺母连接。
16.与现有技术相比，本技术具有如下技术效果：
17.本技术将摩擦和电磁发电单元集成在同一器件上，实现对不同频率风能的高效采集，相对于传统的能源采集器件，具有更高的能源采集效率，解决了电子设备的自供电问题，特别是在无人值守环境中的监测、物联网等领域的供电和传感；
18.本技术通过巧妙设计可以有效降低风能捕获装置中风叶转子凸面受到的风阻力，导致风叶转子的凹面和凸面受到的风阻力之差增大，因此，在低风速条件下也具有良好的启动性能，从而提高风能利用率。
19.本技术在动力传递过程中，通过将滑动杆的滑动摩擦力转化为滚动摩擦力，从而减小转动过程中的摩擦阻力，通过减小风叶转子凸面所受的阻力和增加风叶转子的表面积来提高对风能的利用率；另外，良好的密封性能够有效降低湿度、尘埃等外界因素对内部摩擦-电磁发电单元输出性能的影响，最终满足发电效率高，传感性能好，实时监测等实际需求。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
21.图1：本技术一实施例摩擦磁电复合微能源采集器的整体结构示意图；
22.图2：本技术一实施例摩擦磁电复合微能源采集器的剖面示意图；
23.图3：本技术一实施例中风能捕获装置拆分示意图；
24.图4：本技术一实施例中发电装置外壳拆分示意图；
25.图5：本技术一实施例中发电装置内部部分结构拆分示意图；
26.图6：本技术一实施例摩擦纳米发电的工作原理图；
27.图7：本技术一实施例电磁感应发电的工作原理图。
28.其中，风能捕获装置1、挡流罩10、风叶转子13、底座15、深沟球轴承ⅰ12、螺栓11、螺母15；发电装置2、密封盖210、外壳216、偏心轴227、电磁感应线圈211、磁盘221、磁铁220、支撑座ⅰ228、支撑座ⅱ223、滚珠222、凸缘轴承212、深沟球轴承ⅱ215、偏心轴套225、滑动杆226、导电布214及复合薄膜224。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.如图1和图2所示，在本技术的其中一个实施例中，一种摩擦磁电复合微能源采集器，包括：用于将风能转化为机械能的风能捕获装置1以及与所述风能捕获装置1组装的发电装置2，所述发电装置2包括：摩擦-电磁发电单元、外壳216以及密封盖210，所述摩擦-电磁发电单元安装在所述外壳216内并由所述密封盖210密封。本实施例将摩擦和电磁发电单元集成在同一器件上，实现对不同频率风能的高效采集，相对于传统的能源采集器件，具有更高的能源采集效率，解决了电子设备的自供电问题，特别是在无人值守监测、物联网等领域的供电和传感。
31.如图3所示，所述风能捕获装置1包括：挡流罩10、风叶转子13以及底座15，所述挡流罩10和所述底座15连接，所述风叶转子13的上下两端分别与所述挡流罩10和所述底座15连接。其中，所述挡流罩10的作用在于降低风能对风叶凸面的阻力，使其负力矩减小，弱化了风阻力对于所述风叶转子13旋转的影响。
32.在本实施例中，所述风能捕获装置1采用阻力型风叶，通过将任意方向上的风作用在所述风叶转子13上的力转换为驱动扭矩，为所述发电装置2提供旋转的机械能。
33.所述风叶转子13的外形为弧面结构。相比于半圆柱型或半球型，该弧面结构增大了风的接触面积以及流动空间，提高风能的利用率。
34.其中，在所述挡流罩10的顶部和所述底座15的上都有安装深沟球轴承ⅰ12的圆槽，深沟球轴承ⅰ12不仅起到了支撑所述风叶转子13的作用，而且在很大的程度上减小各个转动部件之间的摩擦，减少了机械能的损耗。
35.进一步优选地，所述挡流罩10与所述底座15通过螺栓11和螺母15连接。
36.如图4和图5所示，所述摩擦-电磁发电单元包括：安装在所述密封盖210里的电磁感应线圈211、安装有磁铁220的磁盘221以及止转轭结构，其中，所述止转轭结构包括偏心轴227以及滑动杆226，所述偏心轴227的上下两端分别与所述外壳216内的支撑座ⅰ228以及所述外壳216连接；所述磁盘221安装在所述偏心轴227上并与所述偏心轴227一起做同轴心运动；所述滑动杆226通过支撑座组件安装在所述外壳216内；通过所述止转轭结构将所述风能捕获装置1触发的旋转运动转化为直线往复运动。其中，将凸缘轴承212和电磁感应线圈211固定在留有圆槽的密封盖210；将磁铁220固定在留有圆槽的磁盘221。
37.其中，所述偏心轴227通过所述支撑座ⅰ228上的凸缘轴承212和所述外壳216底部的深沟球轴承ⅱ215进行约束。上述两种轴承(凸缘轴承212和深沟球轴承ⅱ215)的作用与
风能捕获装置1中深沟球轴承ⅰ12的作用一致，而安装在偏心轴227上的深沟球轴承ⅱ215则起到了局部自由度的作用，防止滑动杆226在往复直线运动时由于驱动力不足而停止运动。
38.进一步地，所述支撑座组件包括：支撑座ⅰ228和支撑座ⅱ223，所述滑动杆226是由所述支撑座ⅰ228和所述支撑座ⅱ223通过螺栓11和螺母15实现固定的，在所述支撑座ⅰ228和所述支撑座ⅱ223还分别设有安装滚珠222的弧形凹槽，将以往的滑动摩擦转化为滚动摩擦，减小摩擦阻力。
39.另外将所述滑动杆226的外形设计为半圆柱状结构，相比于圆柱可以有效的防止在往复直线运动中发生旋转，进而整个机构的稳定性。
40.进一步地，如图5所示，所述发电装置2还包括：导电布214，所述导电布214粘贴在所述外壳216的内壁以及所述滑动杆226两侧的端面上。
41.可选地，所述发电装置2还包括：复合薄膜224，在所述滑动杆226两侧端面的所述导电布214还粘贴有复合薄膜224。
42.在本实施例中，优选地，8个电磁感应线圈211以串联的方式等间距安置在带有圆槽的密封盖210里，将8个磁铁220按照交变磁极的方式等间距安装在带有圆槽的磁盘221上，并将磁盘221固定在偏心轴227上，使其与偏心轴227同轴心转动，进而使多匝数线圈切割磁感线产生感应电流，从而为电子设备供电。将导电布214粘贴在外壳216的内壁和滑动杆226两侧的端面上，并在滑动杆226两侧端面的导电布214上粘贴复合薄膜224。通过所述偏心轴227和所述滑动杆226以及支撑座ⅰ228和支撑座ⅱ223将风能触发的旋转运动转化为直线往复运动，带动两种摩擦电材料(导电布214、复合薄膜224)实现周期性的接触和分离。在摩擦起电与静电感应的作用下，两种摩擦电材料在接触和分离的过程中产生电能。
43.如图6所示描述了摩擦纳米发电机(teng)的工作原理，以teng1为例，在初始位置(第i阶段)，导电布214(作为摩擦正层)和复合薄膜224(作为摩擦负层)之间有一定距离，导电布214和复合薄膜224表面没有产生电荷。因此，两摩擦层之间没有形成电位差。在第ii阶段，带有轴承的偏心轴227在外力作用下顺时针旋转，使电负性相反的两摩擦层接触摩擦。由于摩擦起电效应，摩擦层表面产生相等相反的电荷，电极之间还没有电位差。偏心轴227继续顺时针旋转。在第iii阶段，teng1的摩擦层相互分离，电子滞留在膜表面。在逐渐分离过程中，两个电极之间产生电位差。随着分离距离的增加，teng1的开路电压继续增大。当分离距离最大时，teng1的电压饱和。在摩擦层之间的下一接触阶段，随着摩擦层之间距离的减小，两电极之间的电位逐渐消失。同时，开路电压也从最大值开始下降。当摩擦层完全接触时，电压降为零，为下一个循环做好准备。“teng2”、“teng3”、“teng4”的工作原理与“teng1”相同。
44.如图7所示，本实施例电磁发电的工作原理：在初始位置(第i阶段)，电磁感应线圈211在磁铁220正上方且相对静止，通过电磁感应线圈211的磁通量最大并保持不变，电磁感应线圈211中没有产生感应电流。当磁铁220开始旋转时，通过电磁感应线圈211的磁通量稳定减小，在电磁感应线圈211中产生正的感应电流(阶段ii)，磁铁220继续旋转，通过电磁感应线圈211的磁通量逐渐增大，在电磁感应线圈211中产生负电流(阶段iii)。之所以相邻电磁感应线圈211中感应电流的方向相反，是因为相邻磁铁220具有相反的磁极。
45.本技术将摩擦和电磁发电单元集成在同一器件上，实现对不同频率风能的高效采集，相对于传统的能源采集器件，具有更高的能源采集效率，解决了电子设备的自供电问
题，特别是在无人值守环境中的监测、物联网等领域的供电和传感；本技术通过巧妙设计可以有效降低风能捕获装置中风叶转子凸面受到的风阻力，导致风叶转子的凹面和凸面受到的风阻力之差增大，因此在低风速条件下也具有良好的启动性能，从而提高风能利用率。本技术在动力传递过程中，通过将滑动杆的滑动摩擦力转化为滚动摩擦力从而减小转动过程中的摩擦阻力，通过减小风叶转子凸面所受的阻力和增加风叶转子的表面积来提高对风能的利用率；另外，良好的密封性能够有效降低湿度、尘埃等外界因素对内部摩擦-电磁发电单元输出性能的影响，最终满足发电效率高，传感性能好，实时监测等实际需求。综上，本技术具有良好的市场应用前景。
46.在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
47.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
48.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
49.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本技术进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本技术的权利要求范围内。