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一种三维环状摩擦发电装置
申请号	CN201810907277.0	申请日	2018-08-08	公开(公告)号	CN108768203B	公开(公告)日	2024-04-09
申请人	清华大学;			发明人	路益嘉; 刘源; 程嘉; 季林红;
摘要	本发明涉及一种三维环状摩擦发电装置，属于发电技术领域。包括上盖板、N个旋转筒、动力输入轴、径向位置调节杆，旋转筒连接块和下盖板。动力输入轴插入上盖板和下盖板，旋转筒连接块固定在动力输入轴上，N个旋转筒为支撑结构，N个旋转筒围绕旋转筒连接块沿圆周均布，N个旋转筒通过径向位置调节杆与旋转筒连接块连接，动力输入轴将动力传递至旋转筒连接块，旋转筒连接块通过径向位置调节杆带动N个旋转筒在上盖板1和下盖板相互连接后形成的环状柱空间内沿圆周作周期性旋转运动。本发明装置，提升单位空间产生的电荷量，利用上径向摩擦平面和轴向圆周摩擦面，增加摩擦面积，进而提升摩擦产生的电荷量。而且本发明装置的结构紧凑，便携性好。
权利要求	1.一种环状摩擦发电装置，其特征在于包括上盖板、N个旋转筒、动力输入轴、径向位置调节杆，旋转筒连接块和下盖板；所述的动力输入轴插入上盖板和下盖板，所述的旋转筒连接块固定在动力输入轴上，所述的N个旋转筒为支撑结构，N的取值为2‑36，N个旋转筒围绕旋转筒连接块沿圆周均布，N个旋转筒通过径向位置调节杆与旋转筒连接块连接，动力输入轴将动力传递至旋转筒连接块，旋转筒连接块通过径向位置调节杆带动N个旋转筒在上盖板和下盖板相互连接后形成的环状柱空间内沿圆周作周期性旋转运动；其中所述的旋转筒包括旋转筒本体和第二摩擦层，第二摩擦层贴合在旋转筒的外表面；其中所述的上盖板和下盖板相互连接后形成环状柱空间，上盖板和下盖板具有相同结构，包括盖板外壳、弹性层、电极层和第一摩擦层，所述的第一摩擦层、电极层、弹性层和盖板外壳由里到外依次贴合。 2.如权利要求1所述的环状摩擦发电装置，其特征在于其中所述的旋转筒的截面形状为圆形或矩形。 3.如权利要求1所述的环状摩擦发电装置，其特征在于其中所述的电极层由2N个电极组成，2N个电极沿圆周均布。 4.如权利要求1所述的环状摩擦发电装置，其特征在于其中所述的旋转筒为一个，一个旋转筒本体上的第二摩擦层分为M片，M的取值为1‑36，所述的电极层由2M个电极组成，2M个电极沿圆周均布。 5.如权利要求1所述的环状摩擦发电装置，其特征在于其中所述的第一摩擦层的材料为纸、聚酰胺、乙基纤维素或尼龙中的任何一种。 6.如权利要求1所述的环状摩擦发电装置，其特征在于其中所述的第二摩擦层的材料为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或氟化乙丙酸中的任何一种。 7.如权利要求1所述的环状摩擦发电装置，其特征在于其中所述的电极层材料为铜、银或铝。 8.如权利要求1所述的环状摩擦发电装置，其特征在于其中所述的弹性层的材料为3M双面胶带、海绵或泡沫胶。
说明书全文	一种三维环状摩擦发电装置技术领域 [0001] 本发明涉及一种三维环状摩擦发电装置，属于发电技术领域。背景技术 [0002] 全球能源需求的增加促使人们加大了对新能源和能量采集的研究；能量采集是现在的一个研究热点，通过各种装置，从自然界中采集能量。美国佐治亚理工学院的王中林教授课题组开创的纳米摩擦发电机是其中非常热门的一种，主要利用摩擦起电和静电效应。目前的纳米摩擦发电机已经在很多方面应用，比如柔性可穿戴服装、信号检测、蓝色能源等。相对而言，目前的电能是通过交流电动机发出来的，对频率的要求较高，比如国内目前使用的50Hz交流电。而摩擦发电机能够在各种频率下产生各种大小的电压和电流，特别是满足要求功率不高的用电器的要求。 [0003] 摩擦发电机的应用场合越来越多，产生了一个新的问题，比如在摩擦层一定和空间有限的条件下，如何尽可能提升发电机产生的最大电荷量。 [0004] 产生电荷本身是跟摩擦层的属性和摩擦面积相关的，在摩擦对材料一定的情况下，为了产生更多的电荷，只能要求摩擦的接触面积增加。 [0005] 中国专利公开号CN101527528A，公开日是2009年9月9日，发明专利名称为旋转摩擦发电机，该专利提出的一种旋转摩擦发电机为三维柱状，通过定子和转子上的不同绝缘材料进行轴向的圆周面旋转摩擦产生电荷。该结构适合轴径比大的空间。在安置空间轴向受约束的条件下，其产生的最大电荷量受到约束。 [0006] 中国专利公开号CN103780136A，公开日是2014年5月7日，发明专利名称为输出恒定电流的旋转摩擦发电机，该专利提出的旋转摩擦发电机是双层平面摩擦结构，上下两个摩擦层相对摩擦产生电荷，在两个摩擦层上都设置电极。中国专利公开号CN103825489A，公开日是2014年5月28日，发明专利名称为旋转摩擦发电机、稳压输出电路和供电装置，该专利中提出的旋转摩擦发电机，上方是平面摩擦层，下方是平面交错电极层，通过摩擦层跟电极层的径向平面旋转摩擦产生电荷。以上的平面结构适合轴径比(轴向尺寸跟径向尺寸之比)较小的空间。在安置空间径向受约束的条件下，其产生的最大电荷量受到约束。 [0007] 在以上大轴径比和较小轴径比之间的安置空间，以上两种专利中的摩擦面积没有得到有效的利用。发明内容 [0008] 本发明的目的是提出一种三维环状摩擦发电装置，对已有的三维柱状旋转摩擦发电机的结构进行改进，以更有效的利用介乎较小轴径比和大轴径比之间的安置空间，提升单位空间产生的电荷量，同时利用上径向摩擦平面和轴向圆周摩擦面，增加摩擦面积，进而提升摩擦产生的电荷量。 [0009] 本发明提出的环状摩擦发电装置，包括上盖板、N个旋转筒、动力输入轴、径向位置调节杆，旋转筒连接块和下盖板；所述的动力输入轴插入上盖板和下盖板，所述的旋转筒连接块固定在动力输入轴上，所述的N个旋转筒为支撑结构，N的取值为2‑36，N个旋转筒围绕旋转筒连接块沿圆周均布，N个旋转筒通过径向位置调节杆与旋转筒连接块连接，动力输入轴将动力传递至旋转筒连接块，旋转筒连接块通过径向位置调节杆带动N个旋转筒在上盖板和下盖板相互连接后形成的环状柱空间内沿圆周作周期性旋转运动。 [0010] 上述环状摩擦发电装置中，所述的旋转筒包括旋转筒本体和第二摩擦层，第二摩擦层贴合在旋转筒的外表面。旋转筒的截面形状为圆形、矩形或方形。 [0011] 上述环状摩擦发电装置中，所述的上盖板和下盖板相互连接后形成环状柱空间，上盖板和下盖板具有相同结构，以下盖板为例，包括盖板外壳、弹性层、电极层和第一摩擦层，所述的第一摩擦层、电极层、弹性层和盖板外壳由里到外依次贴合。所述的电极层由2N个电极组成，2N个电极沿圆周均布。 [0012] 上述环状摩擦发电装置中，所述的旋转筒为一个，一个旋转筒本体上的第二摩擦层分为M片，M的取值为1‑36，所述的电极层由2M个电极组成，2M个电极沿圆周均布。 [0013] 上述环状摩擦发电装置中，所述的第一摩擦层的材料为纸、聚酰胺、乙基纤维素、尼龙11或尼龙中的任何一种。 [0014] 上述环状摩擦发电装置中，所述的第二摩擦层的材料为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或氟化乙丙酸中的任何一种。 [0015] 上述环状摩擦发电装置中，所述的电极层材料为铜、银或铝。 [0016] 上述环状摩擦发电装置中，所述的弹性层的材料为3M双面胶带、海绵或泡沫胶。 [0017] 本发明提出的环状摩擦发电装置，其优点是： [0018] 本发明提出的环状摩擦发电装置，与已有技术相比，充分利用了三维空间，将径向二维平面摩擦跟轴向圆周面摩擦结合起来，在有限空间内有效增加了摩擦接触面积，以直径为180mm，轴向高度59mm的空间(轴径比为0.328)为例，计算得知：径向摩擦结构的面积为2 2 2 25434mm，轴向摩擦结构面积为33364mm，而三维环状结构(内径70mm)面积为59426mm。相比其他结构，三维环状结构增加的面积最多，进而可以显著增加电荷的转移量。本发明的三维环状摩擦发电装置，提升单位空间产生的电荷量，同时利用上径向摩擦平面和轴向圆周摩擦面，增加摩擦面积，进而提升摩擦产生的电荷量。而且本发明的环状摩擦发电装置，结构紧凑，便携性好。附图说明 [0019] 图1是本发明提出的三维环状摩擦发电装置的结构示意图。 [0020] 图2是图1所述的摩擦发电装置中旋转筒径向断面示意图。 [0021] 图3是图1中下盖板的径向断面结构示意图。 [0022] 图4是装置实施例中下盖板上的电极布置示意图。 [0023] 图5是本发明装置的工作原理图。 [0024] 图1‑图5中，1是上盖板，2是旋转筒，21是旋转筒本体，22是第二摩擦层，3是动力输入轴，4是径向位置调整杆，5是旋转筒连接块，6是下盖板，61是下盖板外壳，62是弹性层，63是电极层，631是第一电极，632是第二电极，633是第三电极，634是第四电极，64是第一摩擦层，65是动力输入轴与下盖板的连接孔，7是用电器。具体实施方式 [0025] 本发明提出的环状摩擦发电装置，其结构如图1所示，包括上盖板1、N个旋转筒2、动力输入轴3、径向位置调节杆4，旋转筒连接块5和下盖板6。动力输入轴3插入上盖板1和下盖板6，旋转筒连接块5固定在动力输入轴3上，N个旋转筒为支撑结构，N的取值为2‑36。N个旋转筒围绕旋转筒连接块5沿圆周均布，N个旋转筒2通过径向位置调节杆4与旋转筒连接块5连接，动力输入轴3将动力传递至旋转筒连接块5，旋转筒连接块5通过径向位置调节杆4带动N个旋转筒2在上盖板1和下盖板6相互连接后形成的环状柱空间内沿圆周作周期性旋转运动。 [0026] 上述环状摩擦发电装置，其中旋转筒2的结构如图2所示，包括旋转筒本体21和第二摩擦层22，第二摩擦层22贴合在旋转筒21的外表面。旋转筒部件2的截面形状为圆形、矩形或方形。 [0027] 上述环状摩擦发电装置，其中的上盖板1和下盖板6相互连接后形成环状柱空间，上盖板1和下盖板6具有相同结构，以下盖板6为例，其结构如图3所示，包括盖板外壳61、弹性层62、电极层63和第一摩擦层64，所述的第一摩擦层64、电极层63、弹性层62和盖板外壳61由里到外依次贴合，如图3所示。其中电极层63由2N个电极组成，2N个电极沿圆周均布。本发明的一个实施例中，电极层共有四片电极组成，如图4所示，包括第一电极631、第二电极 632、第三电极633和第四电极634。 [0028] 上述环状摩擦发电装置中，旋转筒可以为一个，一个旋转筒本体21上的第二摩擦层22分为M片，M的取值为1‑36，所述的电极层63由2M个电极组成，2M个电极沿圆周均布。例如，一个完整的环状旋转筒外侧可贴合2片第二摩擦层，这2片第二摩擦层沿圆周均布，对应的电极层63则由4个沿圆周均布的电极组成。 [0029] 下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。 [0030] 图1所示为本发明设计的环状摩擦发电装置中有2个旋转筒2，主要包括上盖板部件1、旋转筒2、动力输入轴3、径向位置调节杆4，旋转筒连接块5和下盖板部件6。为了安装的方便，外壳盖板分拆成两块(上边是1，下边是6)，电机或者手摇可通过输入轴3将动力传递至旋转筒连接块5，旋转筒连接块5通过径向位置调节杆4带动旋转筒2在环状柱空间做周期性的旋转运动。 [0031] 旋转筒2的径向断面示意图如图2所示，旋转筒截面选取圆形，第二摩擦层22附着在旋转筒21的外表面，由于要给径向调节杆提供空间，所以第二摩擦层在左侧部分缺一块。上盖板和下盖板的结构是对称的，以下盖板部件6为例，其径向断面示意图如图3所示，其中弹性层62的外表面附着在下盖板61的内表面，电极层63的外表面附着在弹性层62的内表面，第一摩擦层64的外表面附着在电极层63的内表面上。弹性层62用于产生必要的摩擦正压力，其厚度可以用于调节摩擦面的贴合度。电极层63用于将产生的电荷导出。当旋转筒21在外部驱动下旋转时，第一摩擦层63与第一摩擦层22贴合，发生相对滑动摩擦，利用两个摩擦层得失电子的能力差异，产生电荷迁移。弹性层62用于产生摩擦正压力，其厚度可以用于调节摩擦面的贴合度。电极63用于将产生的电荷导出。当旋转筒21在外部驱动下旋转时，A摩擦层63内表面和B摩擦层22的外表面贴合发生相对滑动摩擦，利用两个摩擦层得失电子的能力差异，产生电荷迁移。 [0032] 第一摩擦层64和第二摩擦层22的得失电子的能力不同，第一摩擦层64的材料可以可选择失电子能力强的材料，包含但不限于如纸，聚酰胺，乙基纤维素，尼龙11、尼龙66等；第二摩擦层22可选择得电子能力强的材料，包含但不限于如聚四氟乙烯，聚氯乙烯，聚酰亚胺，聚对苯二甲酸乙二醇酯，氟化乙丙酸等；电极层63的材料可以选用导体材料，包含但不限于如铜，银，铝等。弹性层62的材料可选择3M双面胶带，海绵，泡沫胶等。 [0033] 下盖板6中电极层模块63的布置如图4所示，实施例选用两个旋转筒部件，旋转筒是支撑结构，围绕旋转中心对称分布，以下边电极63为例，采用4片相同形状大小的电极，沿着旋转圆周等距布置，分别为631、632、633和634。上盖板电极具有对称的4片结构，而且分别跟对应的块电极连接，不再赘述。电极63的4块电极的内表面粘贴第一摩擦层64。第二摩擦层22采用2片，单片形状同电极63的单片形状一致。第二摩擦层22固定在旋转筒21上，旋转筒通过径向位置调节杆4同旋转筒连接块5连接。径向位置调节杆4通过固定旋转筒的螺母来调节旋转筒在径向的相对位置。 [0034] 根据旋转筒的布置，同时可接触旋转筒的电极通过导线串联，引出一个输出端，其余的电极之间串联引出另外一个输出端，这两个输出端即是发电机的输出端，可将电荷导出，供耗电元件使用。 [0035] 本实施例的工作原理，如图4所示，叙述如下： [0036] 旋转筒2旋转时，附着在2上的第二摩擦层22同摩擦层64发生摩擦，第二摩擦层22得到电子带负电荷，第一摩擦层64失去电子带正电荷，第一摩擦层64附近的电极63上感应出相应的负电荷。分析一个典型放电过程：参考图4，设旋转筒逆时针旋转，从与第一电极631和第三电极633重合的位置向与第二电极632和第四电极634重合的位置移动，当移动到如图5所示位置时，假定左侧电极是第一电极631，则右侧电极是第二电极632。带负电荷的材料22正从左侧电极向右侧电极移动。左侧电极第一电极631上带正电，但是随着第二摩擦层22的离去，第一电极631上的正电荷逐渐减少；随着第二摩擦层22向右侧的逼近，右侧第一电极632上的负电荷减少，正电荷逐渐增加。产生的电流从第一电极631移动到第二电极 632，途中通过用电器7输出功率。

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