一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机制造技术

一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机，包含拾振转子组件和外部固定组件。三角形永磁体、绝缘基板、定位挡片、固定磁铁罩按装配次序组成的结构称为外部固定组件。叶片转子、拾振转子、两块环形永磁体按装配次序组成的结构称为拾振转子组件。通过调整三角形永磁体和环形磁体位置，实现在定位挡片点接触限制下，拾振转子组件能够悬浮于外部固定组件之上。利用的是驻极体薄膜静电感应的发电原理，通过向驻极体薄膜中注入电荷使其在拾振转子覆盖的衬底电极上产生偏置电压，进而向外部电路输出交流电。实现了将机械振动能量、风能及水力能量转换为电能。本发明专利技术具有很好的输出特性，结构简单，阻尼小，频带宽以及耐用性和灵巧性优良等特点。

A multi-functional electret generator based on permanent magnet gyroscope

The utility model relates to a multifunctional electret generator based on a permanent magnetic suspension gyro, which comprises a vibration pickup rotor component and an external fixing component. The triangle permanent magnet, insulating base plate, positioning baffle and fixed magnet cover are called external fixed components according to the assembly sequence. The structure composed of blade rotor, pick-up rotor and two ring permanent magnets in assembly sequence is called pick-up rotor assembly. By adjusting the position of the triangle permanent magnet and the ring magnet, the rotor assembly can be suspended on the external fixed assembly under the contact limit of the locating baffle. Based on the electrostatic induction principle of electret thin film, the electret thin film is injected with electric charge to generate bias voltage on the substrate electrode covered by the pick-up rotor, and then output alternating current to the external circuit. The mechanical vibration energy, wind energy and hydraulic energy are converted into electrical energy. The invention has good output characteristics, simple structure, small damping, wide frequency band, excellent durability and dexterity, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机
本专利技术属于微能源系统的能量转化领域，具体涉及一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机。
技术介绍
随着无线传感网络在便携式电子产品等领域的广泛应用，其器件要求使用寿命相对较长且分布广泛，更换电池或采用电力线供电显得不切实际，这就对器件的电源供应提出了新的挑战。目前，微型无线产品和微机电系统器件能耗已降低至毫瓦级别，这就为利用环境中存在的机械振动能、水力能源及风能转换为电能，进而驱动微型器件的工作成为可能。然而，在实际应用能量采集技术之前，有几个问题亟待解决。首先，当前绝大多数的基于驻极体的静电式能量采集器以面内振荡式结构，而且振动的自由度受限，以一个方向居多，双方向也有少量的报道。虽然这种结构原理简单，但需要有弹簧作为复位元件，其制作装配通常较为复杂，同时由于支撑弹簧，振动过程中会产生较大机械和材料阻尼，影响了器件能量转化效率，例如KaiTao等人在“Sandwich-structuredtwo-dimensionalMEMSelectretpowergeneratorforlow-levelambientvibrationalenergyharvesting”(SensorsandActuatorsA228(2015)95–103)(中文题目“基于MEMS的二自由度驻极体三明治结构低频振动能量收集器”国际期刊：传感器与制动器)报道了一种面内二自由度叉指式能量收集器。它在0.2g的激励下在本征频率125Hz时实现了0.12μw的输出，但由于该结构只能收集两个方向的机械振动能量，需要进一步的探索灵活且耐用的能量转换装置。另一方面，也为了增加器件灵活性，也有研究旨在减小收集环境能量过程中的摩擦阻力，如XiandaiZhong等人在“RotatingTriboelectricGeneratorUsingSlidingContactandNoncontactfrom1DFiberFriction”(NanoEnergy33(2017)184–194)(中文题目“滑动接触和一维纤维摩擦非接触旋转摩擦发电机”国际期刊：纳米能源)报道了一种旋转式一维摩擦式纳米发电机，其在风速为3.5m/s时，能产生21.6Vand0.6μA电能输出。然而，该发电机仅能依靠旋转轴带动纤维摩擦产生能量，在相同体积情况下，接触面积小，且经过长时间反复的摩擦，表面纳米结构容易被破坏，而且最低的起振风速也偏大。
技术实现思路
要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机，利用了驻极体薄膜提供偏置电压的可变电容器结构。该拾振转子组件在外部固定组件中磁力作用下处于悬浮状态，当受到外界激励时，拾振转子组件可以产生任意方向相对摆动，又可以发生自由转动。其发电原理是基于驻极体的薄膜摩擦/静电感应原理，该悬浮的拾振转子外圆柱表面覆盖了一层衬底电极和驻极体薄膜，并且驻极体薄膜采用荷电植入方法植入表面电荷，促使衬底电极上形成表面偏置电压。当外界激励造成悬浮拾振转子组件与外部固定组件发生相对运动时，由于驻极体摩擦/静电感应，经由外部电路的连接，就可以把外界的动能转化为电能。其外界动能既可以是机械振动动能，也可以是由风力或水流引起的拾振转子的旋转动能。本专利技术的技术方案是：一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机，其特征在于：包括外部固定组件和拾振转子组件，所述拾振转子组件位于所述外部固定组件正上方，且两者中心轴平行；所述外部固定组件包括绝缘基板、三角形永磁体、固定磁铁罩和定位挡片；所述绝缘基板用于固定支撑整个发电机，在其上表面设置有四个呈矩形分布的凹槽，用于分别固定四个所述三角形永磁体；四个所述三角形永磁体相对于与所述外部固定组件的中心轴对称排布，同时四个所述三角形永磁体的斜边朝向其对称轴；所述固定磁铁罩为上表面呈凹圆弧的壳体结构，固定于所述绝缘基板上表面，将所述三角形永磁体置于其内，其凹圆弧面的中心轴与所述三角形永磁体的对称轴平行；所述定位挡片垂直固定于所述绝缘基板的一端，并垂直于所述三角形永磁体的对称轴，用于限定所述拾振转子组件的轴向位移；所述拾振转子组件包括叶片转子、拾振转子和环形永磁体；所述拾振转子为中空的圆柱状结构，与所述拾振转子组件同轴；两个所述环形永磁体同轴安装于所述拾振转子内，且每个环形永磁体位于两个斜边相对的三角形永磁体的正上方，所述环形永磁体与所述三角形永磁体的相对面磁化极性相同，形成互斥效果，能够将所述拾振转子组件悬浮于所述外部固定组件上方；所述拾振转子悬伸一端安装有所述叶片转子，另一端与所述定位挡片为点接触；所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面上均设置有一层衬底电极，并在所述拾振转子的衬底电极上覆盖一层驻极体聚合物薄膜；所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面的衬底电极分别通过导线与外电路两极连接，实现外部激励下两衬底电极的电荷重新分配引起的电荷流动，进而向外部电路输出电能。本专利技术的进一步技术方案是：所述的绝缘基板、固定磁铁罩、拾振转子及叶片转子材料均为工程塑料，厚度在1～3mm之间。本专利技术的进一步技术方案是：所述定位挡片材料选择铝板铣削而成，厚度为2mm。本专利技术的进一步技术方案是：所述定位挡片上开设定位小孔，孔径为3mm，高度为30mm，与所述拾振转子同轴；所述拾振转子另一端插入所述定位小孔，且保持间隙配合，用于限制所述拾振转子的轴向位移。本专利技术的进一步技术方案是：所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面的衬底电极由柔性电路板工艺制备，基体材料为聚酰亚胺，衬底电极的图案定制成等间距的条状栅格电极形状。本专利技术的进一步技术方案是：所述驻极体聚合物薄膜为派瑞林Parylene或特氟龙Teflon，采用化学气象沉积，旋涂，深涂，浇灌的方法进行表面覆盖到柔性衬底电极上。本专利技术的进一步技术方案是：所述驻极体聚合物薄膜的荷电植入方法，采用电晕充电，电子束辐射方式完成驻极体偶极子预注入。本专利技术的进一步技术方案是：两个所述环形永磁体的轴向距离L2小于与其相对的所述三角形永磁体的轴向距离L1，L1大于L2的值在0.5-1mm之间。本专利技术的进一步技术方案是：所述多功能驻极体发电机包括两个所述外部固定组件，两个所述外部固定组件的凹圆弧相对设置，合体组成中空的柱状结构，将所述拾振转子组件同轴设置于两个所述外部固定组件之间的中空处。本专利技术的进一步技术方案是：所述叶片转子由6个碗状叶片组成，承受风力或水力部分直径为16mm，每个叶片的总长度为28mm。有益效果本专利技术的有益效果在于：本专利技术利用的是静电感应的发电原理，通过向驻极体薄膜中注入电荷使其在拾振转子覆盖的衬底电极上产生偏置电压。当外部激励导致悬浮的拾振转子相对于固定磁铁罩凹形表面贴附的衬底电极面外摆动，或者环境中风能吹动或水力推动叶片转子旋转，带动拾振转子组件旋转，导致该永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机固有电容发生变化，进而两个衬底电极之间的电荷经过外接电路发生重新分配现象，进而向外部电路输出交流电。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机，其特征在于：包括外部固定组件和拾振转子组件，所述拾振转子组件位于所述外部固定组件正上方，且两者中心轴平行；/n所述外部固定组件包括绝缘基板、三角形永磁体、固定磁铁罩和定位挡片；所述绝缘基板用于固定支撑整个发电机，在其上表面设置有四个呈矩形分布的凹槽，用于分别固定四个所述三角形永磁体；四个所述三角形永磁体相对于与所述外部固定组件的中心轴对称排布，同时四个所述三角形永磁体的斜边朝向其对称轴；所述固定磁铁罩为上表面呈凹圆弧的壳体结构，固定于所述绝缘基板上表面，将所述三角形永磁体置于其内，其凹圆弧面的中心轴与所述三角形永磁体的对称轴平行；所述定位挡片垂直固定于所述绝缘基板的一端，并垂直于所述三角形永磁体的对称轴，用于限定所述拾振转子组件的轴向位移；/n所述拾振转子组件包括叶片转子、拾振转子和环形永磁体；所述拾振转子为中空的圆柱状结构，与所述拾振转子组件同轴；两个所述环形永磁体同轴安装于所述拾振转子内，且每个环形永磁体位于两个斜边相对的三角形永磁体的正上方，所述环形永磁体与所述三角形永磁体的相对面磁化极性相同，形成互斥效果，能够将所述拾振转子组件悬浮于所述外部固定组件上方；所述拾振转子悬伸一端安装有所述叶片转子，另一端与所述定位挡片为点接触；/n所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面上均设置有一层衬底电极，并在所述拾振转子的衬底电极上覆盖一层驻极体聚合物薄膜；所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面的衬底电极分别通过导线与外电路两极连接，实现外部激励下两衬底电极的电荷重新分配引起的电荷流动，进而向外部电路输出电能。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机，其特征在于：包括外部固定组件和拾振转子组件，所述拾振转子组件位于所述外部固定组件正上方，且两者中心轴平行；
所述外部固定组件包括绝缘基板、三角形永磁体、固定磁铁罩和定位挡片；所述绝缘基板用于固定支撑整个发电机，在其上表面设置有四个呈矩形分布的凹槽，用于分别固定四个所述三角形永磁体；四个所述三角形永磁体相对于与所述外部固定组件的中心轴对称排布，同时四个所述三角形永磁体的斜边朝向其对称轴；所述固定磁铁罩为上表面呈凹圆弧的壳体结构，固定于所述绝缘基板上表面，将所述三角形永磁体置于其内，其凹圆弧面的中心轴与所述三角形永磁体的对称轴平行；所述定位挡片垂直固定于所述绝缘基板的一端，并垂直于所述三角形永磁体的对称轴，用于限定所述拾振转子组件的轴向位移；
所述拾振转子组件包括叶片转子、拾振转子和环形永磁体；所述拾振转子为中空的圆柱状结构，与所述拾振转子组件同轴；两个所述环形永磁体同轴安装于所述拾振转子内，且每个环形永磁体位于两个斜边相对的三角形永磁体的正上方，所述环形永磁体与所述三角形永磁体的相对面磁化极性相同，形成互斥效果，能够将所述拾振转子组件悬浮于所述外部固定组件上方；所述拾振转子悬伸一端安装有所述叶片转子，另一端与所述定位挡片为点接触；
所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面上均设置有一层衬底电极，并在所述拾振转子的衬底电极上覆盖一层驻极体聚合物薄膜；所述固定磁铁罩的凹圆弧表面和拾振转子外表面的衬底电极分别通过导线与外电路两极连接，实现外部激励下两衬底电极的电荷重新分配引起的电荷流动，进而向外部电路输出电能。


2.根据权利要求1所述基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机，其特征在于：所述的绝缘基板、固定磁铁罩、拾振转子及叶片转子材料均为工程塑料，厚度在1～3mm之间。


3.根据权利要求1所述基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶凯，易海平，王一炜，杨扬，张瑞荣，申强，常洪龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61