[发明专利]一种基于永磁悬浮陀螺的多功能驻极体发电机

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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Kai Tao等人在“Sandwich-structured two-dimensional MEMSelectret power generator for low-level ambient vibrational energy harvesting”(Sensors and Actuators A 228(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Xiandai Zhong等人在“Rotating Triboelectric Generator Using Sliding Contactand Noncontact from 1D Fiber Friction”(Nano Energy 33(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21.6V and 0.6μA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。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明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。

本发明的技术方案是：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；