一种能量采集增效装置
本发明涉及微能量采集，尤其是涉及一种能量采集增效装置。
背景技术：
1、近年来，随着微电子技术、无线通信技术的快速发展，无线传感网络被应用于环境与生态监测、健康监护、家庭自动化以及交通控制等领域，受到了人们的广泛关注。然而，传统基于化学电池的供电方式具有寿命短、更换难、成本高等局限性，供电问题已成为无线传感网络大规模应用的一大障碍。振动在环境中无处不在，采集环境中的振动能并将其转化为电能，从而代替传统电源为无线传感网络供电已成为该领域的研究热点。
2、近年来，随着摩擦纳米发电研究的深入，摩擦纳米发电机已被广泛研究应用于环境能量的收集与转换。但在实际应用中，由于环境振动源具有不稳定性、随机性等特点，此类能量采集装置大多存在能量转换效率低等问题。
技术实现思路
1、本发明目的在于解决现有的振动能量采集装置无法高效地实现摩擦纳米发电的问题，发明了一种基于摩擦纳米发电的采集振动微能量的增效装置。
2、本发明通过如下技术方案来解决上述存在的技术问题：一种能量采集增效装置，包括驱动机构、摩擦发电组件和电磁发电组件；
3、所述的驱动机构包括锥齿轮组和转子，所述锥齿轮组包括同轴反转设置的第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述转子连接于所述锥齿轮组；
4、所述的摩擦发电组件包括用于互相摩擦以产生电能的第一发电部件和第二发电部件，所述第一发电部件固定于所述第一锥齿轮，所述第二发电部件固定于所述第二锥齿轮；
5、所述的电磁发电组件包括线圈和磁铁，所述第一发电部件或所述第一锥齿轮上设有所述线圈和所述磁铁其中之一者，所述第二发电部件或所述第二锥齿轮上设有所述线圈和所述磁铁其中之另一者；
6、当所述转子因外界振动而转动时，会带动所述第一锥齿轮与第二锥齿轮反向转动，进而带动所述摩擦发电组件和所述的电磁发电组件增效发电。
7、本发明提出的一种能量采集增效装置，通过转子，将环境多方向振动转化成两个锥齿轮的反转，从而带动摩擦发电组件的第一发电部件和第二发电部件、电磁发电组件的线圈和磁铁同时反转；对于摩擦发电组件，一方面，因第一发电部件和第二发电部件反转而增效发电，另一方面，产生的电荷又因受到洛伦兹力的影响而聚集，进一步提高了能量采集效率；对于电磁发电组件，线圈和磁铁同时反转，线圈切割磁感线的速度提高一倍，同样起到增效发电的效果。如此设置，一方面利用两个锥齿轮的反转同时摩擦发电组件和电磁发电组件的增效发电，另一方面，又利用电磁发电组件的磁场提供的洛伦兹力，进一步提高了摩擦发电组件产生的摩擦电的采集效率，有效的实现了振动微能量的放大，显著的提高了振动能量的采集效率。
8、在一较佳实施例中，所述锥齿轮组还包括第三锥齿轮，所述第三锥齿轮分别与所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮啮合。如此设置，实现第一锥齿轮和第二锥齿轮的反转。
9、在一较佳实施例中，所述的摩擦发电组件设置于所述第一锥齿轮和第二锥齿轮之间；其中，所述第一发电部件固定于所述第一中心轴，或所述第一发电部件固定于所述第一锥齿轮的内侧齿轮面；所述第二发电部件固定于所述第二锥齿轮的第二中心轴，或所述第二发电部件固定于所述第一锥齿轮的内侧齿轮面。如此设置，通过将摩擦发电组件设置于第一锥齿轮和第二锥齿轮之间，进一步提高了整体装置设置的紧凑性。同时，如此设置，提供了在摩擦发电组件设置于第一锥齿轮和第二锥齿轮之间时，第一发电部件和第二发电部件的四种设置方式，即所述第一发电部件固定于所述第一中心轴，所述第二发电部件固定于所述第二锥齿轮的第二中心轴；或所述第一发电部件固定于所述第一中心轴，所述第二发电部件固定于所述第一锥齿轮的内侧齿轮面；或所述第一发电部件固定于所述第一锥齿轮的内侧齿轮面，所述第二发电部件固定于所述第一锥齿轮的第二中心轴；或所述第一发电部件固定于所述第一锥齿轮的内侧齿轮面，所述第二发电部件固定于所述第一锥齿轮的内侧齿轮面。
10、在一较佳实施例中所述的摩擦发电组件设置于所述第一锥齿轮的外侧，所述第一锥齿轮的第一中心轴呈中空管状，所述第二锥齿轮的第二中心轴至少部分从所述第一中心轴内穿出，所述第二发电部件套设于所述第二中心轴穿出所述第一中心轴的部分上，所述第一发电部件设置于所述第一锥齿轮的外侧齿轮面，或所述第一发电部件套设于所述第一中心轴；
11、或者，所述的摩擦发电组件设置于所述的第二锥齿轮的外侧，所述第二锥齿轮的第二中心轴呈中空管状，所述第一锥齿轮至少部分从所述第二中心轴内穿出，所述第一发电部件套设于所述第一中心轴穿出所述第二中心轴的部分上，所述第二发电部件设置于所述第二锥齿轮的外侧齿轮面，或第二发电部件套设于所述第二中心轴。如此设置，使得摩擦发电组件设置于所述第一锥齿轮或第二锥齿轮的外侧时，驱动机构能够将环境振动转换成第一锥齿轮与第二锥齿轮反向转动，并传递给摩擦发电组件和电磁发电组件，从而实现增效发电，且在这种设置方式下，可适当缩小锥齿轮的尺寸，适当放大第一发电部件和第二发电部件的尺寸，进一步提高能量转化效率。同时，提供了在摩擦发电组件设置于第一锥齿轮的外侧时，第一发电部件和第二发电部件的两种设置方式，即第二发电部件套设于第二中心轴穿出第一中心轴的部分上，第一发电部件设置于第一锥齿轮的外侧齿轮面；或第二发电部件套设于第二中心轴穿出第一中心轴的部分上，第一发电部件套设于所述第一中心轴；其中，第一发电部件直接设置于第一锥齿轮的外侧齿轮面，除了能够实现第一发电部件和第二发电部件的反转，还进一步简化了结构，提高了整体装置设置的紧凑性。还提供了摩擦发电组件设置于第二锥齿轮的外侧时，第一发电部件和第二发电部件的两种设置方式，即可以是所述第一发电部件套设于所述第一中心轴穿出所述第二中心轴的部分上，所述第二发电部件设置于所述第二锥齿轮的外侧齿轮面；或第一发电部件套设于所述第一中心轴穿出所述第二中心轴的部分上，第二发电部件套设于所述第二中心轴。其中，第二发电部件直接设置于所述第二锥齿轮的外侧齿轮面，除了能够实现第一发电部件和第二发电部件的反转，还进一步简化了结构，提高了整体装置设置的紧凑性。
12、在一较佳实施例中，所述转子包括连杆和质量块，所述连杆的一端与所述第一锥齿轮、所述第二锥齿轮、所述第三锥齿轮中一者的中心轴固定连接，另一端设有所述质量块。如此设置，使得质量块在外部低频振动的带动下，可在360°范围内甩动，从而通过连杆带动与其连接的锥齿轮的中心轴转动，进而带动第一锥齿轮和第二锥齿轮反向转动。
13、在一较佳实施例中，所述转子设置为旋转质量块，所述旋转质量块包括轻质旋转支架和设置于所述轻质旋转支架边缘处的配重块，所述轻质旋转支架的转轴与所述第一锥齿轮、所述第二锥齿轮、所述第三锥齿轮中的一者的中心轴共轴设置。如此设置，通过配重块增加旋转质量块的转动惯量，使得旋转质量块在外部低频振动的带动下，可在360°范围内转动，从而带动与其连接的锥齿轮的中心轴转动，进而带动第一锥齿轮和第二锥齿轮反向转动。
14、在一较佳实施例中，所述的第一发电部件和所述的第二发电部件两者之一包括易得电子材料，两者之另一包括易失电子材料，且所述的第一发电部件和所述的第二发电部件中的至少一者还包括电极。如此设置，提供了六种摩擦发电组件的设置方式：方式一是第一发电部件包括易得电子材料和电极，易得电子材料的一侧设置电极，另一侧用于与第二发电部件的易失电子材料摩擦发电；方式二是第一发电部件包括易失电子材料和电极，易失电子材料的一侧设置电极，另一侧用于与第二发电部件的易得电子材料摩擦发电；方式三是第二发电部件包括易失电子材料和电极，易失电子材料的一侧设置电极，另一侧用于与第一发电部件的易得电子材料摩擦发电；方式四是第二发电部件包括易得电子材料和电极，易得电子材料的一侧设置电极，另一侧用于与第一发电部件的易失电子材料摩擦发电；方式五是第一发电部件包括易得电子材料和电极，第二发电部件包括易失电子材料和电极，易得电子材料和易失电子材料的内侧摩擦发电，电极分别设置于易得电子材料和易失电子材料的外侧；方式六是第一发电部件包括易失电子材料和电极，第二发电部件包括易得电子材料和电极，易得电子材料和易失电子材料的内侧摩擦发电，电极分别设置于易得电子材料和易失电子材料的外侧。
15、进一步的，所述的易得电子材料选自以下各者材料中的任一者：聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷，所述的易失电子材料选自以下各者材料中的任一者：兔毛、羊毛、乙基纤维素、聚酰胺。如此设置，确保摩擦发电组件随着驱动机构的反转而增效发电。
16、在一较佳实施例中，电磁发电组件包括多个线圈和多个磁铁，所述多个线圈和所述多个磁铁均周向间隔设置。如此设置，当第一锥齿轮与第二锥齿轮反向转动，多个线圈和切割多个磁铁的磁感线，增加了电磁发电组件的电能输出。
17、进一步的，所述磁铁的两极方向与所述第一发电部件垂直；和/或，所述多个线圈所在圆周的半径与所述多个磁铁所在圆周的半径相等；和/或，所述多个磁铁中至少有两个相邻磁铁的两极方向反向设置。通过所述磁铁的两极方向与所述第一发电部件垂直的设置，使得线圈所处位置处的磁通量密度更高，有利于提高电磁发电效率，同时摩擦产生的电荷受到的洛伦兹力更大，有利于提高摩擦发电效率；通过所述多个线圈所在圆周的半径与所述多个磁铁所在圆周的半径相等的设置，使得线圈所处位置处的磁通量密度更高，有利于提高电磁发电效率；通过所述多个磁铁中至少有两个相邻磁铁的两极方向反向设置，使得这两个两极方向反向的相邻磁铁间的磁通量密度增大，有利于提高摩擦发电效率。
18、相对于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：
19、本发明通过驱动机构，先将环境中的多方向振动转化为转子的圆周运动，然后再将转子的圆周运动转化为两个锥齿轮的反转，可反转的两个锥齿轮又分别带动摩擦发电组件的第一发电部件和第二发电部件、电磁发电组件的线圈和磁铁反向转动，一方面摩擦发电组件和电磁发电组件均因反转而增效发电，另一方面，电磁发电组件的磁场又为摩擦发电组件产生的摩擦电提供了洛伦兹力，进一步提高了摩擦发电组件的采集效率，如此设置，实现了微能量的放大，显著的提高了振动能量的采集效率。该装置结构巧妙，设计简单。
技术特征：
1.一种能量采集增效装置，其特征在于，包括驱动机构（1）、摩擦发电组件（2）和电磁发电组件（3），
2.根据权利要求1所述的能量采集增效装置，其特征在于，所述锥齿轮组（15）还包括第三锥齿轮（13），所述第三锥齿轮（13）分别与所述第一锥齿轮（11）和所述第二锥齿轮（12）啮合。
3.根据权利要求1所述的能量采集增效装置，其特征在于，所述的摩擦发电组件（2）设置于所述第一锥齿轮（11）和第二锥齿轮（12）之间；
4.根据权利要求1所述的能量采集增效装置，其特征在于，所述的摩擦发电组件（2）设置于所述第一锥齿轮（11）的外侧，所述第一锥齿轮（11）的第一中心轴（111）呈中空管状，所述第二锥齿轮（12）的第二中心轴（121）至少部分从所述第一中心轴（111）内穿出，所述第二发电部件（22）套设于所述第二中心轴（121）穿出所述第一中心轴（111）的部分上，所述第一发电部件（21）设置于所述第一锥齿轮（11）的外侧齿轮面，或所述第一发电部件（21）套设于所述第一中心轴（111）；
5.根据权利要求2所述的能量采集增效装置，其特征在于，所述转子（14）包括连杆（141）和质量块（142），所述连杆（141）的一端与所述第一锥齿轮（11）、所述第二锥齿轮（12）、所述第三锥齿轮（13）中一者的中心轴固定连接，另一端设有所述质量块（142）。
6.根据权利要求2所述的能量采集增效装置，其特征在于，所述转子（14）设置为旋转质量块（143），所述旋转质量块（143）包括轻质旋转支架（144）和设置于所述轻质旋转支架（144）边缘处的配重块（145），所述轻质旋转支架（144）的转轴与所述第一锥齿轮（11）、所述第二锥齿轮（12）、所述第三锥齿轮（13）中的一者的中心轴共轴设置。
7.根据权利要求1所述的能量采集增效装置，其特征在于，所述的第一发电部件（21）和所述的第二发电部件（22）两者之一包括易得电子材料（211），两者之另一包括易失电子材料（212），且所述的第一发电部件（21）和所述的第二发电部件（22）中的至少一者还包括电极（213）。
8.根据权利要求7所述的能量采集增效装置，其特征在于，所述的易得电子材料（211）选自以下各者材料中的任一者：聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷，所述的易失电子材料（212）选自以下各者材料中的任一者：兔毛、羊毛、乙基纤维素、聚酰胺。
9.根据权利要求1所述的能量采集增效装置，其特征在于，所述的电磁发电组件（3）包括多个线圈（31）和多个磁铁（32），所述多个线圈（31）和所述多个磁铁（32）均周向间隔设置。
10.根据权利要求9所述的能量采集增效装置，其特征在于，所述磁铁（32）的两极方向与所述第一发电部件（21）垂直；
技术总结
本发明提出一种能量采集增效装置，通过转子，将环境多方向振动转化成两个锥齿轮的反转，从而带动摩擦发电组件的第一发电部件和第二发电部件、电磁发电组件的线圈和磁铁同时反转；对于摩擦发电组件，一方面，因第一发电部件和第二发电部件反转而增效发电，另一方面，产生的电荷又因受到洛伦兹力的影响而聚集，进一步提高了能量采集效率；对于电磁发电组件，线圈和磁铁同时反转，线圈切割磁感线的速度提高一倍，同样起到增效发电的效果。如此设置，一方面利用两个锥齿轮的反转同时摩擦发电组件和电磁发电组件的增效发电，另一方面，又利用电磁发电组件的磁场提供的洛伦兹力，进一步提高了摩擦发电组件产生的摩擦电的采集效率。
技术研发人员：贾生尧,许若凡,洪淳波,施阁
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5