磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机制造技术

本发明专利技术涉及纳米发电机技术领域，提供一种磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，利用磁铁间的斥力作为分离回复力，可以提高设备稳定性并且加快发电机的分离运动速度；磁铁间的斥力与间距是非线性关系，当两磁铁足够靠近时，斥力也就是分离回复力大幅增加，从而进一步加快了发电机的分离运动速度；此外，避免引入弹性结构，并且将磁铁吸力作为发电机分离运动中的矫正回复力，保证了每次动极板组分离后回到设定位置，进而提升了发电机的稳定性。进而提升了发电机的稳定性。进而提升了发电机的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机


[0001]本专利技术涉及纳米发电机
，涉及一种磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机。

技术介绍

[0002]随着5G技术、物联网技术的进一步发展和实现，需要数量巨大的分布式传感器网络满足人们智能化、信息化、现代化的需求。然而如何给分布广泛且数量庞大的传感器网络进行供电成了亟待解决的问题。传统的电池供电对环境不友好，并且其携带能源有限，需要进行定期更换，具有增加时间成本和经济成本的弊端。
[0003]一种电池替代方案是收集环境中的能量给传感器供电，其中摩擦纳米发电机和驻极体发电机由于其制作简单、结构多样、低频高效和环境友好等优势在世界范围内引起了研究热潮。两种发电机共有的工作模式为垂直接触
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分离模式。垂直接触
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分离模式发电机包括介电
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介电型和介电
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导电型；垂直接触
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分离模式发电机的工作原理为，其结构包括两个金属电极和至少一个带电的介电层(其中，摩擦纳米发电机通过接触带电，驻极体发电机通过预先充电方式带电)，当外力垂直作用在上电极上，上电极会向下运动直至与下介电层接触；当撤去外力时，上电极又会在发电机内部的分离回复力下，向上运动与下电极分离。由于介电层表面带有一定量的电荷，在静电感应的作用下，随着两电极的接触分离过程就会在上下电极间产生电势差。具体来说，就是接触时，电势差为0，分离到最远位置时，电势差达到最大值。由此可见，发电机的分离回复力是垂直接触
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>分离模式发电机能够循环往复工作的基础。
[0004]现有技术总通过设计间隔物结构、拱形结构、弹簧支持分离结构和多层叠加结构等来作为弹性结构为发电机提供分离回复力。但是，上述结构大多利用材料本身的弹性作为发电机两电极分离的回复力，也就是说，当发电机上电极在外力作用下向下运动会引发发电机结构的弹性变形，当外力撤销后，在发电机结构本身的弹力作用下，上电极会与下电极分离。但是，这种弹性结构具有以下弊端，如下：
[0005]1)弹性结构的弹性变形回复比较慢，因此，电极分离过程的电信号输出响应会更慢；2)弹性变形存在结构磨损和疲劳失效的风险，比如说外力过大或者变形次数过多，弹性结构就会失效，导致弹性结构的稳定性不高。
[0006]因此，亟需一种变形后恢复较快且结构稳定性高的垂直接触分离模式驻极体发电机。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，利用磁铁间的斥力作为垂直接触分离力，具有变形恢复快以及结构稳定性高的技术效果。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供的一种磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，包括按照设定距离层叠活动设置的定极板单元和动极板单元，其中，定极板单元和动极板
单元均包括极板、设置在极板上的磁铁以及敷设在极板上的金属电极层；其中，动极板单元的金属电极层为电极一，定极板单元的金属电极层为电极二；电极一和电极二组成发电机的输出电极；
[0009]在第一金属电极层上敷设有驻极体介电层或者摩擦层；其中，第一金属电极层为敷设在定极板单元上与动极板单元相对的表面上的金属电极层；
[0010]定极板单元的磁铁与动极板单元的磁铁相斥设置，以产生用于将垂直接触后的定极板单元与动极板单元分离的斥力，从而使得在电极一与电极二之间产生电势差。
[0011]进一步，优选的，定极板单元与动极板单元的极板数量之和为1～4个。
[0012]进一步，优选的，当定极板单元和动极板单元的极板数量分别为2个；
[0013]动极板单元包括按照设定距离一相对固定的极板一和极板三；定极板单元包括按照设定距离二相对固定极板二和极板四；极板一、极板二、极板三和极板四从上至下依次层叠设置；
[0014]在极板一的下表面、极板二的上下表面、极板三的上下表面以及极板四的上表面上均敷设有金属电极层；其中，金属电极层自上至下依次为电极一、电极二、电极三、电极四、电极五和电极六；电极一与电极二、电机三与电极四、电极五与电极六分别组成一个电极对；对每个电极对进行整流桥整流，将三个电极对的正负极分别并联，形成发电机的输出电极；
[0015]在极板二的上金属电极层、极板三的上金属电极层以及极板四的上金属电极层上设置有驻极体介电层或摩擦层；
[0016]在极板三上设置有磁铁三，在极板四上设置有与所述磁铁三相斥的磁铁四；
[0017]磁铁三与磁铁四之间生成的斥力，斥力用于将垂直接触后的定极板单元与动极板单元分离，从而使得在三个电极对之间产生电势差。
[0018]进一步，优选的，设定距离一与设定距离二相等。
[0019]进一步，优选的，磁铁三和磁铁四分别设置在极板三和极板四的中心处。
[0020]进一步，优选的，磁铁三和磁铁四的横截面均为圆形；和/或磁铁四的直径大于磁铁三的直径。
[0021]进一步，优选的，在极板一的中心处设置有磁铁一，在极板二的中心处设置有磁铁二。
[0022]进一步，优选的，在极板二的对角线上设置有矫正磁铁二，在极板三的对角线上对应设置有矫正磁铁三，矫正磁铁二和矫正磁铁三相吸设置。
[0023]进一步，优选的，极板包括用于固定磁铁的定位板，以及分别设置在定位板上表面和下表面的覆盖板，定位板与覆盖板相互固定设置。
[0024]进一步，优选的，驻极体介电层为有机驻极体薄膜，为FEP层、PTFE层、PEA层或PE层中的任一种。
[0025]本专利技术通过建立结构简单的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，具有有益效果如下：
[0026]1)利用磁铁间的斥力作为分离回复力，可以加快发电机的分离运动速度；
[0027]2)磁铁间的斥力和距离是非线性关系，距离越靠近，其斥力增加得越快，当两磁铁靠近时，分离回复力大幅增加，从而进一步加快了发电机的分离运动速度；
[0028]3)将磁铁吸力作为发电机分离运动中的矫正回复力，保证了每次动极板组分离后回到设定位置，进而提升了发电机的稳定性。
[0029]4)分离过程没有利用结构的弹性回复力，不存在结构疲劳失效等问题，更稳定。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实施例1提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构示意图；
[0031]图2为本专利技术实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构示意图；
[0032]图3为本专利技术实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构爆炸图；
[0033]图4为本专利技术实施例2提供的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机的结构侧视图；
[0034]其中，1、动极板单元；2、定极板单元；3、驻极体介电层；4、导向柱；5、金属电极层；6、螺母；11、极板一；12、极板三；13、磁铁三；14、套筒一；15、矫正磁铁三；21、极板二；22、极板四；23、磁铁四；24、套筒二；25、矫正磁铁二；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，其特征在于，包括按照设定距离层叠活动设置的定极板单元和动极板单元，其中，所述定极板单元和动极板单元均包括极板、设置在所述极板上的磁铁以及敷设在所述极板上的金属电极层；其中，所述动极板单元的金属电极层为电极一，所述定极板单元的金属电极层为电极二；所述电极一和所述电极二组成发电机的输出电极；在所述第一金属电极层上敷设有驻极体介电层或者摩擦层；其中，所述第一金属电极层为敷设在所述定极板单元上与所述动极板单元相对的表面上的金属电极层；所述定极板单元的磁铁与所述动极板单元的磁铁相斥设置，以产生用于将垂直接触后的定极板单元与动极板单元分离的斥力，从而使得在所述电极一与所述电极二之间产生电势差。2.如权利要求1所述的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，其特征在于，所述定极板单元与所述动极板单元的极板数量之和为1～4个。3.如权利要求1所述的磁铁支持的垂直接触分离模式纳米发电机，其特征在于，所述定极板单元和所述动极板单元的极板数量分别为2个；所述动极板单元包括按照设定距离一相对固定的极板一和极板三；所述定极板单元包括按照设定距离二相对固定极板二和极板四；所述极板一、极板二、极板三和极板四从上至下依次层叠设置；在所述极板一的下表面、所述极板二的上下表面、所述极板三的上下表面以及所述极板四的上表面上均敷设有金属电极层；其中，所述金属电极层自上至下依次为电极一、电极二、电极三、电极四、电极五和电极六；所述电极一与电极二、电机三与电极四、电极五与电极六分别组成一个电极对；对每个电极对进行整流桥整流，将三个电极对的正负极分别并联，形成发电机的输出电极；在所述极板二...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐飞，杨爽爽，楚尧，董伉伉，王晓浩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：