CN112117928A - 摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置 - Google Patents
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Abstract
摩擦‑压电‑电磁复合式磁能收集装置，包括外壳，外壳的顶部设置有顶盖，外壳内设置有底座，底座上方固定有悬臂梁，悬臂梁的端部设置有永磁铁，悬臂梁上表面设置有压电材料，悬臂梁下表面设置有第一摩擦层；底座上表面设置有亚克力板，亚克力板上设置有第三摩擦层，第三摩擦层上设置有第二摩擦层；顶盖上设置有线圈。本发明通过将微弱磁能转换为机械能，机械能再转化为电能的方式，实现能量的高效利用。可以为电力系统中低功耗的元器件供能。本装置输出经过全桥整流以后可以为便携式、小型的传感器提供直流电输出，以供元器件设备使用。自供电清洁能源系统有着巨大的应用潜能。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁能收集装置，具体涉及一种摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置。
背景技术
随着工业4.0的到来，物联网技术在收集与分析信息，实现与环境监测、公共安全等相关方面起着关键作用，而且在电力系统智能化方面有着越来越广阔的应用前景。
现阶段物联网技术大多采用无线传感网路，利用大量无线传感器节点通过自组织的方式构建网络，通过网络中的传感器感知周围环境中的实时信息，再进行信号的分析与处理后传递给观测者。这种技术被广泛的使用在智能系统以及电力系统实时监测等领域。目前传感器节点主要依靠大容量的电池供电，但随着泛在电力物联网的建设，传感器的数量呈几何增长，安装环境也会变得更加复杂，电池的更换和维系也变得非常棘手。这在一定程度上极大地增加后期维护成本。所以需要寻找一种独立，持久的电源来为这些设备供电。在电力系统中，磁能含量丰富且分布广泛，并且具有独立、持久、且不会对其它因素造成影响等特点，因此，收集电力系统中杂散磁场的磁能并将之转化为电能来为电力系统无线传感监测网络供电成为了解决制约电力系统监测网络能源问题的一种有效的方案。
目前，在高压母线周围存在径向变化的电场，利用周围空间对地电容可以获得一定的电场能量。电容分压器取能是收集电场能量最常用的方式，但是该方法装置体积大，功率密度很低，一般在μWcm-3以下，难以实用化。相比于电场能量，高压母线周围还蕴含丰富的磁场能量，更容易被收集利用。基于电磁感应的线圈取能是电力系统最常用的收集磁场能量的方法，该方法结构简单易于实现。不过，传统线圈取能收集磁场能量的方式体积大、功率密度低，难以满足未来海量传感器供电的需要。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，能够提高输出功率密度，以应对传感器的功能需要。
本发明为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，包括外壳，外壳的顶部设置有顶盖，外壳内设置有底座，底座上方固定有悬臂梁，悬臂梁的端部设置有永磁铁，悬臂梁上表面设置有压电材料，悬臂梁下表面设置有第一摩擦层；底座上表面设置有亚克力板，亚克力板上设置有第三摩擦层，第三摩擦层上设置有第二摩擦层；顶盖上设置有线圈。
本发明进一步的改进在于，顶盖上设置有绑线柱，线圈缠绕在绑线柱上，绑线柱下端设置有托盘。
本发明进一步的改进在于，顶盖与底座的材料均为亚克力材质。
本发明进一步的改进在于，第一摩擦层、第二摩擦层与第三摩擦层的材质均为柔性材料。
本发明进一步的改进在于，第一摩擦层的材质为铜、铝、金或银，第二摩擦层的材质为PDMS膜、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚二甲基硅氧烷；第三摩擦层的材质为金属、合金或导电氧化物。
本发明进一步的改进在于，金属为金、银、铝、铜、铁、钛或镍；合金为铝合金、钛合金、铜合金或镍合金。
本发明进一步的改进在于，悬臂梁的材质为铝片、铜片、铁片、钛片、硅片或铜合金片；压电材料为PVDF、ALN、PZT或ZnO；第二摩擦层的材质为PDMS膜时，PDMS膜中掺杂有纳米四氧化三铁粉末。
本发明进一步的改进在于，线圈位于永磁铁正上方。
本发明进一步的改进在于，亚克力板上设置有缓冲层，缓冲层上设置有第三摩擦层。
本发明进一步的改进在于，缓冲层为双面胶、粉扑或泡沫胶；第二摩擦层与第一摩擦层之间的距离为3-5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.能量的高效利用。通过将微弱磁能转换为机械能，机械能再转化为电能的方式，实现能量的高效利用。当悬臂梁振动时，第一摩擦层与第二摩擦层在原始状态下也就是初始接触之前并不会有电荷转移。当悬臂梁的移动响应使第二摩擦层和第一摩擦层表面接触时，在第二摩擦层的上表面会产生负电荷聚集，第一摩擦层表面会产生正电荷聚集。当这两个表面瞬间分离时，正负摩擦电荷仍然保留在第二摩擦层和第一摩擦层的表面，从而在第二摩擦层背面处感应出相反的电荷，但此时第一摩擦层与第二摩擦层之间会有电势差，因此会产生由底部到顶部的电子流，直到完全释放满足整体电平衡为止。随后延续的振动会再次减少第一摩擦层与第二摩擦层的间隙距离，使得间隙中的偶极矩减小，使第一摩擦层与第二摩擦层之间电势差再次发生变化，电子流又从顶部流入底部，从而消除了积累电荷，形成交流电流，完成振动能到电能的转化。这种摩擦纳米发电机具有输出电压高，体积小，质量轻，性能稳定等优点。当永磁铁在磁场中受力带动悬臂梁发生振动时，压电材料会随环境做机械振动产生应变，使内部正负电荷分布改变而产生电势差，若此时将压电材料的两端连入电路之中，那么电路中的自由电荷就会在电势差的影响下定向流动，形成电流。
2.本装置用途广泛。可以为电力系统中低功耗的元器件供能。本装置输出经过全桥整流以后可以为便携式、小型的传感器提供直流电输出，以供元器件设备使用，在自供电清洁能源系统领域有着巨大的应用潜能。
进一步的，通过对第二摩擦层表面掺杂磁性导电纳米材料四氧化三铁粉末点缀，提高了摩擦纳米发电机在外力作用下上面表面接触产生的电荷密度，从而极大的提高了发电机的输出性能。
进一步的，本装置结构简单、制作成本较低。壳体通身采用亚克力板结构制作，材料低廉，制作方便。本装置所用的材料均为易得到、易制备的原材料。
进一步的，托盘的作用是固定线圈，防止线圈发散，方便制作。
进一步的，顶盖、底座的材料均为亚克力材质，加工制作容易方便。
附图说明
图1是本发明的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置结构图；
图2是本发明中摩擦纳米发电机单元的放大结构示意图；
图3是本发明中顶部、绑线柱、圆形托盘结构示意图。
图4是本发明中摩擦纳米发电机输出电压随磁场强度变化的关系。
图5是本发明中压电发电机输出电压随磁场强度变化的示意图。
图6是本发明中摩擦纳米发电机与压电发电机单元给220uF电容充电示意图。
图7是本发明中电磁发电机单元输出电流的示意图。
图8是本发明中复合式磁能收集给温湿度传感器功能示意图。
图中，1为外壳，2为线圈，3为悬臂梁，4为永磁铁，5为压电材料，6为第一摩擦层，7为底座，7a为第二摩擦层，7b为第三摩擦层，7c为缓冲层，1a为顶盖，1b为绑线柱，1c为托盘，1d为亚克力板。
具体实施方式
为了使本发明的上述特征和优点更加易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。该详细说明仅仅是为了帮助理解本发明，本发明的保护范围不仅仅限于具体实施方式中的具体说明。下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1、图2、图3和图4，本发明的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，包括外壳1，外壳1内设置有底座7，外壳1的顶部设置有顶盖1a，底座7上固定有方形的摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机由两部分组成，分别为振动部分以及发电部分。振动部分由悬臂梁3、永磁铁4与第一摩擦层6组成，发电部分由亚克力板1d、缓冲层7c、第二摩擦层7a(高分子聚合物薄膜)、第三摩擦层7b(铜箔)组成。悬臂梁3、永磁铁4与压电材料5组成压电发电机。悬臂梁3、永磁铁4以及线圈2组成电磁发电机。线圈2位于永磁铁4正上方。
所述底座7上从下向上依次安装有亚克力板1d、缓冲层7c、第二摩擦层7a(高分子聚合物薄膜)与第三摩擦层7b(铜箔)。
顶盖1a内表面上固定有绑线柱1b，线圈2缠绕在绑线柱1b上，绑线柱1b下表面设置有一个圆形的托盘1c。托盘1c的作用是固定线圈2，防止线圈2发散，方便制作。顶盖1a、底座7的材料均为亚克力材质，加工制作容易方便。
摩擦纳米发电机利用在两种摩擦电极性不同的介质材料的表面由于摩擦振动作用而带上相反的电荷，在外力的作用下两种材料会产生接触分离从而使电荷分布不均，而引起电荷的迁移，当介质表面与外电路连接时就会产生电流，实现振动能到电能的转化。
摩擦纳米发电机的优点在于输出电压与输出功率高，无需外加电源。第一摩擦层6、第二摩擦层7a、第三摩擦层7b以及缓冲层7c均选择柔性材料。具体的，由于第一摩擦层6和第二摩擦层7a对电荷的吸引程度不同。第一摩擦层6为选为具有正极性的摩擦材料，选择聚酰胺尼龙、聚酰胺尼龙、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、棉及其织物、聚氨酯弹性体、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银、钢或硅。铜、铝、金、银作为其常用的电极材料。第二摩擦层7a的材料为高分子聚合物绝缘材料，可以采用PDMS膜或聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚二甲基硅氧烷等本领域最常用的摩擦材料。第三摩擦层7b为导电材料制成，可以采用金属、合金或导电氧化物。金属包括金、银、铝、铜、铁、钛或镍；合金包括铝合金、钛合金、铜合金或镍合金。第一摩擦层6、第二摩擦层7a和第三摩擦层的厚度均为微米(μm)级别。第二摩擦层7a与第一摩擦层6之间的距离为3-5mm。
第二摩擦层表面优选设置磁性导电纳米材料四氧化三铁粉末点缀。取出10g磁性导电纳米材料四氧化三铁粉末置于试管中，加入约5mL无水乙醇，超声震荡15min，使纳米颗粒均匀分在在乙醇溶液中；将含有纳米颗粒的乙醇混合溶液全部置于10g PDMS中，搅拌均匀后真空脱气15min，去除气泡；然后根据需要将PDMS涂于光滑的模具上，最后加热固化成膜后，小心从模具剥离。参见图2，悬臂梁3是由杨氏弹性模量较高的材料构成，包括铝片、铜片、铁片、钛片、硅片与铜合金片。优选的，本发明选择弹性较好的钛片作为悬臂梁材料。悬臂梁3的上表面附着有压电材料5，下表面附着有第一摩擦层6。压电材料5包括PVDF、ALN、PZT、ZnO，压电材料5选择PVDF压电薄膜。当永磁铁4在磁场中受力时，带动悬臂梁3发生振动，压电材料5会随环境做机械振动产生应变，使内部正负电荷分布改变而产生电势差，若此时将压电材料的两端连入电路之中，那么电路中的自由电荷就会在电势差的影响下定向流动，形成电流。
此种结构具有制作简单，转换效率高，结构稳定，共振频率易调整。
上述装置的制备过程如下：
(1)摩擦纳米发电机的第二摩擦层7a采用PDMS薄膜，制备如下：
首先，制作PDMS胶体。将一次性烧杯置于电子天平上，使用注射器取聚二甲基硅氧烷15g，使用滴管取固化剂1.5g，在一次性烧杯中以10：1的比例混合，并用玻璃板顺时针初步搅拌均匀，之后放置于磁性搅拌器使用400r/min的转速搅动15min，使聚二甲基硅氧烷与固化剂充分混合均匀，之后在真空箱中抽20min真空，去除其中的气泡，得到PDMS胶体。然后，使用模具制造薄膜。将抽完真空的胶体从真空机中取出，将硅模具放置于匀胶机的吸盘上，打开气泵后采用1000r/min的转速进行匀胶3次，当肉眼观察模具上面的胶体分布仍不均匀或有气泡时重复匀胶，无则可以取下放入干燥箱之中烘干，80℃烘干180min，烘干完成后即可将固化的PDMS薄膜揭下放入塑料盒中备用。
(2)摩擦纳米发电机第二摩擦层7a即含有10g四氧化三铁粉末的PDMS薄膜制备过程如下：
取出10g磁性导电纳米材料四氧化三铁粉末置于试管中，加入约5mL无水乙醇，超声震荡15min，使纳米颗粒均匀分在在乙醇溶液中；将含有纳米颗粒的乙醇混合溶液全部置于10gPDMS中，搅拌均匀后真空脱气15min，去除气泡；然后根据需要将PDMS涂于光滑的模具上，最后加热固化成膜后，小心从模具剥离。
(3)摩擦纳米发电机单元TENG的制备过程如下：首先，将制备好的PDMS薄膜切成方形，长度为3cm，宽度为3cm，厚度为100um。然后将PDMS薄膜贴在相同尺寸的铜箔上，将贴了PDMS的铜箔粘贴在亚克力板上，铜箔作为电极层。在中部悬臂梁底部粘贴铜箔作为另一个电极与摩擦层，这样基本的摩擦纳米发电机单元就制作完成了。。
(4)电磁发电机单元EMG的制备过程如下：首先，将铜线圈(1000圈，直径为0.01mm的铜线)固定绑线柱1b上。与中部悬臂梁3末端的永磁铁4构成电磁发电机EMG。
(5)压电发电机PENG的制备过程如下：首先，利用线切割制作出悬臂梁3基底的轮廓；然后，使用细砂纸轻轻打磨基底与压电材料电极的接触表面，增加接触面的粗糙程度，有利于增强粘接效果；用丙酮清洗基底材料与压电材料电极表面，去除表面灰尘及油渍；其次，再用乙醇清洗去除表面的有机溶剂；将丙烯酸结构AB胶混合均匀，片刻后适量涂抹在电极层及基底接触表面，将压电材料5粘接在悬臂梁3表面；用夹具保压，放入保温箱中24小时后取出。末端永磁铁4、悬臂梁3、压电材料5共同构成压电发电机PENG。
本装置的工作原理如下：
本发明的摩擦-压电-电磁能量收集装置能够将微弱的磁能转化为电能。摩擦纳米发电机单元TENG的工作原理为：当悬臂梁3振动时，第一摩擦层6与第二摩擦层7a在原始状态下也就是初始接触之前并不会有电荷转移。当悬臂梁3的移动响应使第二摩擦层7a(即PDMS膜)和第一摩擦层6表面接触时，在第二摩擦层7a(PDMS膜)的上表面会产生负电荷聚集，第一摩擦层6表面会产生正电荷聚集。当这两个表面瞬间分离时，正负摩擦电荷仍然保留在第二摩擦层7a(PDMS)和第一摩擦层6(铝箔)的表面，从而在第二摩擦层7a(PDMS膜)背面处感应出相反的电荷，但此时第一摩擦层6与第二摩擦层7a之间会有电势差，因此会产生由底部到顶部的电子流，直到完全释放满足整体电平衡为止。随后延续的振动会再次减少第一摩擦层6与第二摩擦层7a的间隙距离，使得间隙中的偶极矩减小，使第一摩擦层6与第二摩擦层7a之间电势差再次发生变化，电子流又从顶部流入底部，从而消除了积累电荷，形成交流电流，完成振动能到电能的转化。这种摩擦纳米发电机具有输出电压高，体积小，质量轻，性能稳定等优点。此外，导电-介电材料接触-分离模式摩擦纳米发电机单元TENG的两个电极之间的电压可表示为：
其中，V是两个电极之间的电位差，Q是两层之间的转移电荷，S是电极的面积大小，ε是PDMS膜的介电常数，ε0是自由空间的介电常数，d是PDMS膜的厚度，x是Al箔与PDMS膜之间的分离距离，ε是摩擦电荷密度。
压电发电机PENG工作原理为：当永磁铁4在磁场中受力带动悬臂梁3发生振动时，压电材料5会随环境做机械振动产生应变，使内部正负电荷分布改变而产生电势差，若此时将压电材料5的两端连入电路之中，那么电路中的自由电荷就会在电势差的影响下定向流动，形成电流。
本装置包含摩擦纳米发电机、压电发电机和电磁发电机共三部分发电单元，能够极大的提高输出功率。
性能测试如下：
为了展示本发明的摩擦-压电-电磁能量收集器对于微弱磁能采集的独特优势，我们测试了在50Hz工频下不同磁场强度下的压电发电机PENG、摩擦纳米发电机单元TENG的输出特性。如图5与图6所示。接触分离的距离为3mm，接触面积为4cm2。输出的电压随着磁场强度的增加呈现上升趋势。TENG的输出电压在16Oe时最高可达到250Vpp。换成了220μF的电容，分别测试摩擦纳米发电机单元TENG、压电发电机PENG以及两者复合的充电特性，结果如图我们可以看到，给电容充电到0.5V，摩擦纳米发电机大约需要20s，压电材料充到2V需要5s，而复合之后仅仅需要2.5s，这从另一方面印证了压电材料与摩擦电材料复合后会提高输出性能。EMG电学输出如图7所示。因此，这种的摩擦-压电-电磁复合能量收集装置可以收集较弱的磁场能量。
通过上述研究结果表明，该装置可以在一定时间内给大电容充电，可以为一些功耗较低的设备提供能量。如图8所示为在输出端接温湿度传感器等设备，测得磁能收集器为1mF电容充电5s后可以持续为温湿度传感器功能。该设备在电力系统传感器供电等方面有着潜在的应用价值。
本发明适用于收集电缆周围微弱磁能，具有制作简单、成本较低、转化效率高的特点。
Claims (10)
1.摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，包括外壳(1)，外壳(1)的顶部设置有顶盖(1a)，外壳(1)内设置有底座(7)，底座(7)上方固定有悬臂梁(3)，悬臂梁(3)的端部设置有永磁铁(4)，悬臂梁(3)上表面设置有压电材料(5)，悬臂梁(3)下表面设置有第一摩擦层(6)；底座(7)上表面设置有亚克力板(1d)，亚克力板(1d)上设置有第三摩擦层(7b)，第三摩擦层(7b)上设置有第二摩擦层(7a)；顶盖(1a)上设置有线圈(2)。
2.根据权利要求1所述的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，顶盖(1a)上设置有绑线柱(1b)，线圈(2)缠绕在绑线柱(1b)上，绑线柱(1b)下端设置有托盘(1c)。
3.根据权利要求1所述的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，顶盖(1a)与底座(7)的材料均为亚克力材质。
4.根据权利要求1所述的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，第一摩擦层(6)、第二摩擦层(7a)与第三摩擦层(7b)的材质均为柔性材料。
5.根据权利要求1或4所述的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，第一摩擦层(6)的材质为铜、铝、金或银，第二摩擦层(7a)的材质为PDMS膜、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚二甲基硅氧烷；第三摩擦层(7b)的材质为金属、合金或导电氧化物。
6.根据权利要求5所述的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，金属为金、银、铝、铜、铁、钛或镍；合金为铝合金、钛合金、铜合金或镍合金；第二摩擦层(7a)的材质为PDMS膜时，PDMS膜中掺杂有纳米四氧化三铁粉末。
7.根据权利要求1所述的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，悬臂梁(3)的材质为铝片、铜片、铁片、钛片、硅片或铜合金片；压电材料(5)为PVDF、ALN、PZT或ZnO。
8.根据权利要求1所述的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，线圈(2)位于永磁铁(4)正上方。
9.根据权利要求1所述的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，亚克力板(1d)上设置有缓冲层(7c)，缓冲层(7c)上设置有第三摩擦层(7b)。
10.根据权利要求9所述的摩擦-压电-电磁复合式磁能收集装置，其特征在于，缓冲层(7c)为双面胶、粉扑或泡沫胶；第二摩擦层(7a)与第一摩擦层(6)之间的距离为3-5mm；。
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