基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于摩擦发电机的振动‑磁场能量混合收集装置，包括支架组件、悬臂梁组件和摩擦纳米发电组件，其中，支架组件包括立柱和横梁，横梁的一端与立柱固定；悬臂梁组件包括悬臂梁和永磁铁，悬臂梁设置在横梁的下方且悬臂梁的一端固定在立柱上，永磁铁设置在悬臂梁的另一端下表面上；摩擦纳米发电组件包括上电极片、下电极片和聚合物绝缘片，上电极片设置在横梁的另一端的下方，下电极片设置在悬臂梁的另一端的上方且与上电极片相对，聚合物绝缘片固定在下电极片的上表面上，聚合物绝缘片与上电极片之间具有间隙。该装置能够同时收集环境中的振动与磁场能量，具有结构简单、工作适应性强、功率密度高的特点。

A Hybrid Energy Collection Device of Vibration and Magnetic Field Based on Friction Generator

The invention discloses a vibration and magnetic field energy hybrid collection device based on friction generator, which comprises a support component, a cantilever beam component and a friction nano-power generation component, wherein the support component comprises a column and a cross beam, one end of the cross beam is fixed with the post; the cantilever beam component comprises a cantilever beam and a permanent magnet, and the cantilever beam is located below the cross beam and one end of the cantilever beam is fixed on the post. On the top, the permanent magnet is arranged on the lower surface of the other end of the cantilever beam; the friction nano-power generation module includes the upper electrode plate, the lower electrode plate and the polymer insulating sheet; the upper electrode sheet is arranged under the other end of the cross beam; the lower electrode sheet is arranged above the other end of the cantilever beam and opposite to the upper electrode sheet; the polymer insulating sheet is fixed on the upper surface of the lower electrode sheet; the polymer insulating sheet is fixed on the upper surface of the lower There is a gap between the upper electrode plates. The device can collect the energy of vibration and magnetic field in the environment at the same time. It has the characteristics of simple structure, strong adaptability and high power density.

【技术实现步骤摘要】
基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置
本专利技术涉及摩擦发电
，尤其涉及一种基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置。
技术介绍
迅速发展的无线传感网络在环境监测、结构健康监测、植入式医疗检测等方面具有广阔的应用前景，这些应用的主要瓶颈在自给能源，这一需求催生了能量收集技术的产生与发展。2012年佐治亚理工学院教授王中林研究团队专利技术了摩擦纳米发电机，能够利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能，基于该原理设计的能量收集装置可以将生产生活中原本浪费掉的各种机械能转化为电能，具有广阔的应用前景。长期以来，为了收集环境中无处不在的振动和磁场能量，出现了大量收集这些能量的装置，但是这些装置都不可避免地存在结构复杂、能量利用率低、功率密度小、能量收集种类单一等问题。2008年，美国的A.Erturk等人提出了基于压电效应的悬臂梁式振动能量采集器，但存在的问题是该装置仅在悬臂梁处于环境振动频率等于其谐振频率时才能输出较为可观的电压，其余频率的振动环境下能量采集性能较差，且该采集器仅能收集单一的振动能量。目前已经提出的能量采集装置种类繁多，这种仅能收集单一能量的能量采集器是比较普遍的，比如仅能收集磁场的能量采集器。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置，能够同时收集环境中的振动与磁场能量，结构简单、工作适应性强、功率密度高。根据本专利技术实施例的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置，包括：支架组件，所述支架组件包括立柱和横梁，所述横梁的一端与所述立柱固定；悬臂梁组件，所述悬臂梁组件包括悬臂梁和永磁铁，所述悬臂梁设置在所述横梁的下方且所述悬臂梁的一端固定在所述立柱上，所述永磁铁设置在所述悬臂梁的另一端下表面上；摩擦纳米发电组件，所述摩擦纳米发电组件包括上电极片、下电极片和聚合物绝缘片，所述上电极片设置在所述横梁的另一端的下方，所述下电极片设置在所述悬臂梁的另一端的上方且与所述上电极片相对，所述聚合物绝缘片固定在所述下电极片的上表面上，所述聚合物绝缘片与所述上电极片之间具有间隙。根据本专利技术实施例的基于摩擦纳米发电机的振动-磁场能量混合收集装置具有如下优点：第一、克服了传统振动能量采集器工作频带窄的缺点，拓宽了振动能量采集器的工作频带；第二、可以同时收集振动和磁场能量，在高频或者低频振动环境下依然能够发挥较好的性能，磁场能量的收集提高了能量收集效率和输出电压；该能量混合收集装置结构简单，实现较为容易；第三、该能量混合收集装置易于模块化，可以采用多个该装置进行并联，进一步拓宽工作频率，提高输出电量；第四、实验结果表面，相对于现有的基于压电效应的悬臂梁式振动能量采集器，功率密度大。根据本专利技术的一个实施例，所述立柱包括立柱本体和垫块，所述垫块设置在所述立柱本体的下方并支撑所述立柱本体，所述悬臂梁的一端固定在所述立柱本体和所述垫块之间。根据本专利技术的一个实施例，所述摩擦纳米发电组件还包括挡块，所述挡块竖向穿设在所述横梁的另一端上，所述上电极片设置在所述挡块的下方。根据本专利技术进一步的实施例，所述挡块可上下调节，以调节所述聚合物绝缘片与所述上电极片之间的间隙。根据本专利技术进一步的实施例，所述支架组件和所述挡块的材料均为硬铝。根据本专利技术进一步的实施例，所述摩擦纳米发电组件还包括上缓冲垫和下缓冲垫，所述上缓冲垫设置在所述上电极片与所述挡块之间，所述下缓冲垫设置在所述下电极片与所述悬臂梁之间。根据本专利技术的一个实施例，所述悬臂梁的材料采用镍。根据本专利技术的一个实施例，所述聚合物绝缘片的材料采用聚四氟乙烯、聚酰亚胺和聚氯乙烯中的一种。根据本专利技术的一个实施例，所述悬臂梁的一阶谐振频率与环境交变磁场一致。根据本专利技术进一步的实施例，所述悬臂梁的尺寸和所述永磁铁的质量按如下方式通过计算软件MATLAB计算出：根据连续体振动理论，得到悬臂梁的一阶等效集中质量mb和一阶等效弹性系数kb如下：其中ρ表示悬臂梁材料密度，A＝bh表示梁横截面积(梁的宽度和厚度分别为b和h)，E为弹性模量，J＝bh3/12表示梁截面惯性矩，ψ″1表示对x求二阶导。悬臂梁的一阶振型函数ψ1(x)可表示如下：其中β1L＝1.875104。若永磁铁的质量为mm，且假定其作用于悬臂梁的自由端部。摩擦发电组件的下电极片均由轻质材料组成，其质量可以忽略不计，则整个系统的等效质量可表示为：ms＝mb+mm(ψ″1(L))2根据固有频率的定义，可得一阶固有频率函数为：在已知悬臂梁的材料的密度与弹性模量，根据能量混合收集装置实际大小确定长度和宽度之后，令ω1＝50Hz，可以计算出多种悬臂梁的厚度与永磁铁质量的组合。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本专利技术实施例的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置的工作原理图。图2是本专利技术实施例的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置的主视图。图3是图2中A处的放大示意图。图4是本专利技术实施例的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置的俯视图。图5是本专利技术实施例的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置的一个工作状态示意图。图6是本专利技术实施例的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置的悬臂梁尺寸与永磁铁的质量关系图。附图标记：能量混合收集装置1000支架组件立柱11立柱本体111垫块112固定螺钉113横梁12悬臂梁组件2永磁铁21悬臂梁22摩擦纳米发电组件3上电极片31挡块33锁紧螺钉331上缓冲垫32聚合物绝缘片34下电极片35下缓冲垫36具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参考图1至图6来描述根据本专利技术实施例的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置1000。如图1至图6所示，根据本专利技术实施例的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置1000，包括支架组件1、悬臂梁组件2和摩擦纳米发电组件3。支架组件1包括立柱11和横梁12，横梁12的一端与立柱11固定。悬臂梁组件2包括悬臂梁22和永磁铁21，悬臂梁22设置在横梁12的下方且悬臂梁22的一端固定在立柱11上，永磁铁21设置在悬臂梁22的另一端下表面上。摩擦纳米发电组件3包括上电极片31、下电极片35和聚合物绝缘片34，上电极片31设置在横梁12的另一端的下方，下电极片35设置在悬臂梁22的另一端的上方且与上电极片31相对，聚合物绝缘片34固定在下电极片35的上表面上，聚合物绝缘片34与上电极片31之间具有间隙。具体而言，支架组件1包括立柱11和横梁12，横梁12的一端与立柱11固定。可以理解成，支架组件1的立柱11可以竖向设置，横梁12可以大致水平方向设置，横梁12的一端与立柱11固定，从而使横梁12呈悬臂状态，方便在立柱11上安装悬臂梁22，同时方便在横梁12的另一端处安装上电极片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摩擦发电机的振动‑磁场能量混合收集装置，其特征在于，包括：支架组件，所述支架组件包括立柱和横梁，所述横梁的一端与所述立柱固定；悬臂梁组件，所述悬臂梁组件包括悬臂梁和永磁铁，所述悬臂梁设置在所述横梁的下方且所述悬臂梁的一端固定在所述立柱上，所述永磁铁设置在所述悬臂梁的另一端下表面上；摩擦纳米发电组件，所述摩擦纳米发电组件包括上电极片、下电极片和聚合物绝缘片，所述上电极片设置在所述横梁的另一端的下方，所述下电极片设置在所述悬臂梁的另一端的上方且与所述上电极片相对，所述聚合物绝缘片固定在所述下电极片的上表面上，所述聚合物绝缘片与所述上电极片之间具有间隙。

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置，其特征在于，包括：支架组件，所述支架组件包括立柱和横梁，所述横梁的一端与所述立柱固定；悬臂梁组件，所述悬臂梁组件包括悬臂梁和永磁铁，所述悬臂梁设置在所述横梁的下方且所述悬臂梁的一端固定在所述立柱上，所述永磁铁设置在所述悬臂梁的另一端下表面上；摩擦纳米发电组件，所述摩擦纳米发电组件包括上电极片、下电极片和聚合物绝缘片，所述上电极片设置在所述横梁的另一端的下方，所述下电极片设置在所述悬臂梁的另一端的上方且与所述上电极片相对，所述聚合物绝缘片固定在所述下电极片的上表面上，所述聚合物绝缘片与所述上电极片之间具有间隙。2.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置，其特征在于，所述立柱包括立柱本体和垫块，所述垫块设置在所述立柱本体的下方并支撑所述立柱本体，所述悬臂梁的一端固定在所述立柱本体和所述垫块之间。3.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电组件还包括挡块，所述挡块竖向穿设在所述横梁的另一端上，所述上电极片设置在所述挡块的下方。4.根据权利要求3所述的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置，其特征在于，所述挡块可上下调节，以调节所述聚合物绝缘片与所述上电极片之间的间隙。5.根据权利要求3或4所述的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置，其特征在于，所述支架组件和所述挡块的材料均为硬铝。6.根据权利要求3或4所述的基于摩擦发电机的振动-磁场能量混合收集装置，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁状，韩勤锴，徐学平，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11