[发明专利]一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置及方法

权利要求书

1.一种基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：其包括放电尖端、上定子、转子、下定子、传动杆、固定端面齿轮、转子端面齿轮以及弹簧，

所述放电尖端设置在所述上定子的上表面，所述转子设置在所述上定子与下定子之间，所述上定子、转子与下定子借助于所述传动杆进行连接，所述传动杆与所述上定子之间设置有所述固定端面齿轮，所述传动杆与所述转子之间设置有所述转子端面齿轮，所述传动杆与所述下定子之间设置有所述弹簧，所述固定端面齿轮和转子端面齿轮之间相互啮合，所述固定端面齿轮与所述传动杆固定连接，所述转子端面齿轮与所述转子固定连接并能够在所述传动杆上滑动，从而能够沿着轴向的位置移动；

所述上定子包括上基板、第一上电极组、第二上电极组、介电材料薄膜，所述上基板为中心设置有通孔的环状结构，所述第一上电极组及第二上电极组分别包括多个电极，两组上电极组交替排列并呈环形的围绕设置在所述上基板的下表面，所述介电材料薄膜设置在所述第一上电极组及第二上电极组的下表面上；

所述转子包括上驻极、转子基板以及下驻极，所述上驻极呈环形的围绕设置在所述转子基板的上表面，下驻极呈环形的围绕设置在所述转子基板的下表面；

所述下定子包括介电摩擦材料薄膜、第一下电极组、第二下电极组和下基板，所述下基板为中心设置有通孔的环状结构，所述第一下电极组和第二下电极组设置在所述下基板的上表面，所述第一下电极组及第二下电极组分别包括多个电极，两组下电极组交替排列并呈环形的围绕设置在所述下基板的上表面，所述介电摩擦材料薄膜设置在所述第一下电极组及第二下电极组的上表面上；

所述弹簧的第一端固定于靠近下定子一端的传动杆上，所述弹簧的第二端与所述转子接触并提供一定的初始压力，使所述固定端面齿轮与所述转子端面齿轮在角加速度小于设定阈值时充分啮合，当所述传动杆的角加速度高于设定阈值时，固定端面齿轮对转子端面齿轮的作用力沿传动杆轴向的分力将大于弹簧所提供的初始压力，此时，转子端面齿轮与转子发生轴向的位置移动，实现转子的下驻极与所述介电摩擦材料薄膜之间的接触起电；

所述上驻极和下驻极继续转动，下定子上间隔设置的第一下电极组与第二下电极组之间产生电势差，经过外部负载电路中的电压倍增电路的多级电压放大，实现放电尖端的正电荷的聚集，当角加速度小于设定阈值时，固定端面齿轮与所述转子端面齿轮相互接近，放电尖端靠近上驻极并发生放电，实现上驻极表面的高电荷密度分布。

2.根据权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：在初始状态下，转子中的上驻极和下驻极分别与上下定子中的介电材料薄膜和介电摩擦材料薄膜之间存在间隙，动子与上定子和下定子处于分离状态。

3.根据权利要求2所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：当所述传动杆的角加速度小于设定阈值时，转子与上下定子之间无接触摩擦，上定子电极组以及下定子电极组所产生的交流电直接进行电学输出。

4.根据权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述电极为平面锥形结构，所述平面锥形结构的宽度沿着由外向内的方向逐渐减小，各个电极组的所有电极彼此连通。

5.根据权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：所述放电尖端为针状结构，所述放电尖端延伸至所述上基板的内环端面外部，并与转子上驻极表面具有微小初始间距。

6.根据权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置，其特征在于：设定阈值根据环境转速的波动情况进行设置，通过弹簧的刚度和初始压力能够对设定阈值进行调节。

7.一种基于权利要求1所述的基于尖端放电的旋转式摩擦纳米发电装置的发电方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、固定端面齿轮与转子端面齿轮在无角加速度的状态下充分啮合，当传动杆的角加速度α大于设定阈值后，固定端面齿轮对转子端面齿轮的作用力沿传动杆轴向的分力将大于弹簧所提供的预压力，转子端面齿轮与固连的转子发生轴向位置移动；

S2、转子端面齿轮与固定连接的转子发生轴向下移并压缩弹簧，使得转子下驻极与定子的介电摩擦材料薄膜发生接触起电，通过电压倍增电路使放电尖端聚集正电荷；

S3、当角加速度减小后，弹簧恢复原状时带动转子移动，使得转子中的下驻极与下定子的介电摩擦材料薄膜发生分离，同时，转子中的上驻极与放电尖端相互靠近并使放电尖端放电；

S4、当传动杆的角加速度继续减小且不足以使转子端面齿轮与固定端面齿轮发生相对移动时，转子中的上驻极和下驻极在旋转过程中运动在上定子和下定子的四组电极组之间，带电后的转子驻极与定子电极组随着转子的旋转使定子在不同电极组之间产生产生感应电荷，并进而产生感应电势差，当电极组之间连通时，由于电势差的作用将产生电子流动。