(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111327172 A(43)申请公布日 2020.06.23
(21)申请号 201910057253.5(22)申请日 2019.01.21
(71)申请人 北京纳米能源与系统研究所
地址 100083 北京市海淀区学院路30号天
工大厦C座(72)发明人 杨亚 刘国才 霍学坚 张鼎 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任
公司 11021
代理人 周天宇(51)Int.Cl.
H02K 35/02(2006.01)H02N 1/04(2006.01)H02J 7/35(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图5页
(54)发明名称
基于摩擦和磁感应的发电机
(57)摘要
本发明提供了一种基于摩擦和磁感应的发电机，其为一空心球型，由上、下半球粘合而成，由外向内依次包括：绝缘球壳(1)、光伏层(7)、线圈(2)、电荷感应层(3)及第一摩擦层(4)，绝缘球壳(1)、线圈(2)、电荷感应层(3)及第一摩擦层(4)依次紧贴；球壳内设有磁性球(5)，磁性球(5)外表面包裹有第二摩擦层(6)，可在球壳内任意滚动；在上、下半球连接处，电荷感应层(3)断开，形成两个电极，线圈(2)的两端从上、下半球分别引出；第一摩擦层(4)与第二摩擦层(6)的极性相反。该发电机添加磁感应发电结构和光伏结构，通过摩擦与光电以及磁感应同时发电，大大提高了电信号的输出。
CN 111327172 ACN 111327172 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于摩擦和磁感应的发电机，所述发电机为一空心球型，由上、下半球粘合而成，其特征在于，所述空心球型的球壳部分从外向内依次包括：
绝缘球壳(1)、线圈(2)、电荷感应层(3)及第一摩擦层(4)，所述绝缘球壳(1)、线圈(2)、电荷感应层(3)及第一摩擦层(4)依次紧贴；
所述空心球型的空心处设有磁性球(5)，所述磁性球(5)外表面包裹有第二摩擦层(6)，可在空心处任意滚动；
其中，在上、下半球连接处，所述电荷感应层(3)断开，所述线圈(2)的两端从所述上、下半球分别引出；
其中，所述第一摩擦层(4)与所述第二摩擦层(6)的极性相反；其中，所述电荷感应层(3)、所述第一摩擦层(4)及所述第二摩擦层(6)构成摩擦发电结构，所述磁性球(5)与所述线圈(2)构成磁感应发电结构。
2.根据权利要求1所述基于摩擦和磁感应的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层(4)为摩擦后带正电的摩擦材料，所述第二摩擦层(6)为摩擦后带负电的摩擦材料。
3.根据权利要求2所述基于摩擦和磁感应的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层(4)为尼龙膜，所述第二摩擦层(6)为氟化乙烯丙烯共聚物膜。
4.根据权利要求1所述基于摩擦和磁感应的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层(4)为摩擦后带负电的摩擦材料，所述第二摩擦层(6)为摩擦后带正电的摩擦材料。
5.根据权利要求4所述基于摩擦和磁感应的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层(4)为氟化乙烯丙烯共聚物膜，所述第二摩擦层(6)为尼龙膜。
6.根据权利要求1所述基于摩擦和磁感应的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层(4)为一整片状全贴附于所述电荷感应层(3)表面，所述电荷感应层(3)为一整片状全贴附于所述线圈(2)上。
7.根据权利要求1所述基于摩擦和磁感应的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层(4)形状为多个条带状，不同条带状之间存在缝隙。
8.根据权利要求1或7所述的基于摩擦和磁感应的发电机，其特征在于，所述电荷感应层(3)形状为多个条带状，不同条带状之间相互连接导通。
9.根据权利要求3所述的基于摩擦和磁感应的发电机，其特征在于，所述磁性球(5)的磁场切割所述线圈(2)产生电流的平均值为3.5毫安，瞬时最大值为7.8毫安，输出电压的平均值为10伏特，瞬时最大值为18伏特；
所述第一摩擦层(4)与第二摩擦层(6)摩擦产生电流的平均值为0.2微安，瞬时最大值为0.82微安，输出电压的平均值为1.2伏特，瞬时最大值为2.9伏特。
10.根据权利要求1-9任一项所述的基于摩擦和磁感应的发电机，其特征在于，还包括光伏层(7)，所述光伏层(7)贴附于所述绝缘球壳(1)内表面，所述线圈(2)贴附于所述光伏层(7)表面。
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CN 111327172 A
说 明 书
基于摩擦和磁感应的发电机
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技术领域
[0001]本发明涉及发电机领域，尤其涉及一种基于摩擦和磁感应的发电机。
背景技术
[0002]近年来，清洁能源已成为全球关注的重点，研究人员已研发了将机械能、振动能、风能及潮汐能等清洁能源转化为电能的发电机。而地球上，海洋面积占据了71％，其包含丰富的资源，因此，合理利用海水的波浪能为新能源的收集提供了一种可靠的研究方向。[0003]目前，在波浪能的收集方面已有相关研究，例如，Xiaofeng Wang等人设计了封闭式球面滚动型的摩擦发电机，通过滚动球与内球壳的贴附材料的摩擦，从而产生电能，发电机输出信号能点亮LED灯；Liang Xu等人也做了相似研究，只是替换了其器件所用的摩擦材料，没有做出其他重大创新。单纯依靠材料的摩擦产生的电能相对较小，很有限，实用性不高。如果将摩擦与磁感应结合起来，既可通过摩擦收集海洋波浪能，同时也可依靠磁感应产生电能，则会大大提高电信号的输出。发明内容[0004](一)要解决的技术问题[0005]针对现有的技术难题，本发明提供一种基于摩擦和磁感应的发电机，用于提高发电机的电信号的输出。[0006](二)技术方案
[0007]本发明提出一种基于摩擦和磁感应的发电机，该发电机为一空心球型，由上、下半球粘合而成，该空心球型的球壳部分从外向内依次包括：[0008]绝缘球壳1、线圈2、电荷感应层3及第一摩擦层4，绝缘球壳1、线圈2、电荷感应层3及第一摩擦层4依次紧贴；空心球型的空心处设有磁性球5，磁性球5外表面包裹有第二摩擦层6，可在空心处任意滚动；在上、下半球连接处，电荷感应层3断开，形成两个电极，线圈2的两端从所述上、下半球分别引出；第一摩擦层4与第二摩擦层6的极性相反；电荷感应层3、第一摩擦层4及第二摩擦层6构成摩擦发电结构，磁性球5与线圈2构成磁感应发电结构。[0009]可选地，第一摩擦层4为摩擦后带正电的摩擦材料，所述第二摩擦层6为摩擦后带负电的摩擦材料。[0010]可选地，第一摩擦层4为尼龙膜，第二摩擦层6为氟化乙烯丙烯共聚物膜。[0011]可选地，第一摩擦层4为摩擦后带负电的摩擦材料，第二摩擦层6为摩擦后带正电的摩擦材料。[0012]可选地，第一摩擦层4为氟化乙烯丙烯共聚物膜，第二摩擦层6为尼龙膜。[0013]可选地，第一摩擦层4为一整片状全贴附于所述电荷感应层3表面，电荷感应层3为一整片状全贴附于线圈2上。[0014]可选地，第一摩擦层4形状为多个条带状，不同条带状之间存在缝隙。[0015]可选地，电荷感应层3形状为多个条带状，不同条带状之间相互连接导通。
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CN 111327172 A[0016]
说 明 书
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可选地，磁性球5的磁场切割所述线圈2产生电流的平均值为3.5毫安，瞬时最大值
为7.8毫安，输出电压的平均值为10伏特，瞬时最大值为18伏特；[0017]可选地，第一摩擦层4与第二摩擦层6摩擦产生电流的平均值为0.2微安，瞬时最大值为0.82微安，输出电压的平均值为1.2伏特，瞬时最大值为2.9伏特。[0018]可选地，线圈2为漆包线圈，其两端从上、下半球分别引出，用于输出电流，电荷感应层3为铝箔层。[0019](三)有益效果
[0020]本发明提供了一种基于摩擦和磁感应的发电机，通过在已知的球壳发电机结构添加电磁发电结构，更进一步包括光伏结构，在该发电机工作过程中，既可以通过摩擦起电产生电能，也可以依靠磁感应产生电能，同时可以利用太阳能发电，大大提高电信号的输出。附图说明
[0021]图1是本发明实施例基于摩擦和磁感应的发电机的工作示意图；[0022]图2是本发明实施例基于摩擦和磁感应的发电机的结构示意图；[0023]图3是本发明实施例发电机中线圈环绕示意图；
[0024]图4是本发明实施例发电机中第一种摩擦材料贴附的截面图。[0025]图5是光伏板沿绝缘球内壁的贴附方式示意图；
[0026]图6是本发明实施例发电机中磁感应发电机理的示意图；[0027]图7是本发明实施例发电机中摩擦发电机理的示意图；
[0028]图8是本发明实施例基于摩擦和磁感应的发电机的输出电信号图：(a)为磁电部分输出电压图，(b)为磁电部分输出电流图，(c)为摩擦电部分输出电压图，(d)为摩擦电部分输出电流图；
[0029]图9是本发明实施例基于摩擦-光电-电磁感应的发电机的光伏部分输出电信号图：(a)为输出电压图，(b)为输出电流图。[0030]【附图标记】不同附图中同一结构采用同一标记[0031]1-绝缘层[0032]2-线圈
[0033]3-电荷感应层[0034]4-第一摩擦材料[0035]5-磁性球
[0036]6-第二摩擦材料[0037]7-光伏层
具体实施方式
[0038]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概
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说 明 书
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念。
本发明实施例提供一种基于摩擦和磁感应发电的发电机，用于收集海洋波浪能、
太阳能，将波浪能和太阳能转化为电能。该发电机的工作示意图如图1所示，其有三种途径可产生电信号，其一为摩擦材料之间，在机械摩擦下产生大量两种不同性质的电荷，从而产生电信号输出，其二是磁性球切割线圈，通过磁感应产生电信号，其三为光伏生电。该发电机制作简单，能耗小，输出电压能够通过一些途径储存起来便于利用，且充分利用了海洋资源，属于清洁型无污染发电，开发了一种产生电能的新方法。
[0040]图2示意性示出本发明实施例基于摩擦和磁感应的发电机的结构示意图，该发电机为一空心球型，由上、下半球粘合而成，球壳从外向内依次包括：绝缘球壳1、线圈2、电荷感应层3及第一摩擦层4，其中，线圈2贴附于绝缘球壳1表面，电荷感应层3贴附于线圈2上，第一摩擦层4贴附于电荷感应层3表面。
[0041]本实施例的发电机还可以包括光伏层7，光伏层7贴附于绝缘球壳1内表面，线圈2贴附于光伏层7表面，这样结构使发电机具有第三种产生电信号的途径：太阳光照射光伏材料使其产生电信号。在这样结构的发电机中，绝缘球壳1为透明材料，使光能够透过绝缘球壳形成光伏发电。[0042]在上、下半球粘合的位置，第一摩擦层4断开，同时，电荷感应层3断开形成两个电极，用于输出发电机摩擦起电产生的电信号。[0043]在球壳内的空心处设有磁性球5，其外表面包裹有第二摩擦层6，该磁性球可在空心处任意滚动。[0044]其中，第一摩擦层4与第二摩擦层6摩擦起电的电荷类型相反，第一摩擦层4线圈2与磁性球5构成磁感应发电结构，第一摩擦层4、第二摩擦层6及电荷感应层3构成摩擦发电结构。
[0045]球壳内表面环绕的线圈2为一整体，在上、下半球连接处无断开，其两端分别从上半球顶部和下半球顶部引出，用于输出发电机磁感应发电产生的电信号，其环绕方式如图3所示。
[0046]下面列举本发明中优选的几个具体实施例结构。[0047]在本发明一实施实施例中，绝缘球壳1为硬质的塑料球壳，线圈2为漆包线圈，电荷感应层3为铝箔层，第一摩擦层4为摩擦后带正电的摩擦材料，选取为尼龙膜，第二摩擦层6为摩擦后带负电的摩擦材料，选取为氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)膜。尼龙膜为一整片状全贴附在铝箔上，而铝箔也为一整片状全贴附在漆包线圈上。[0048]在本发明另一实施例中，绝缘球壳1为硬质的塑料球壳，线圈2为漆包线圈，电荷感应层3为铝箔层，第一摩擦层4为摩擦后带负电的摩擦材料，选取为氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)膜，第二摩擦层6为摩擦后带正电的摩擦材料，选取为尼龙膜。FEP膜为一整片状全贴附在铝箔上，而铝箔也为一整片状全贴附在漆包线圈上。[0049]在本发明又一实施例中，绝缘球壳1为硬质的塑料球壳，线圈2为漆包线圈，电荷感应层3为铝箔层，第一摩擦层4为摩擦后带正(负)电的摩擦材料，为尼龙膜(FEP膜)，第二摩擦层6摩擦后带负(正)电的摩擦材料，为FEP膜(尼龙膜)。第一种摩擦层4为多个条带状，不同条带之间存在缝隙，其贴附方式的截面图如图4所示。电荷感应层3可以为一整片状全贴附，也可以与第一种摩擦材料4形状相同，但不同铝箔条带之间要相互连接导通。
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说 明 书
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在本发明的又一实施例中，绝缘球壳1为硬质透明的塑料球壳，线圈2为漆包线圈，
电荷感应层3为铝箔层，第一摩擦层4为摩擦后带正(负)电的摩擦材料，为尼龙膜(FEP膜)，第二摩擦层6摩擦后带负(正)电的摩擦材料，为FEP膜(尼龙膜)。电荷感应层3为一整片状全贴附在漆包线圈上。绝缘球壳1和线圈2中间设置了一层光伏材料7，贴附示意图如图5所示，光伏材料7与绝缘球壳1和线圈2紧密相贴。
[0051]图6是发电机工作时磁感应发电的机理示意图。如图6所示，球体发电机整体随波浪摆动时，磁性球5会在球壳内的空心处滚动，由于磁性球本身具有磁场，磁场就会切割线圈2，随着磁性球5的滚动，线圈2对的磁通量会发生变化，由法拉第电磁感应定律可知，磁通量变化产生感应电动势，因此，通过线圈2的两端输出电信号。[0052]图7是发电机工作时摩擦发电的机理示意图。如图7所示，随着磁性球5的在空心处滚动，包覆在磁性球5外表面的第二摩擦层6(FEP膜)与第一摩擦层4(尼龙膜)相互接触摩擦，由于两种材料的极性区别。尼龙材料带正电，而FEP材料带负电，同时贴附在尼龙膜底层的电荷感应层3产生感应电荷，为保持电中性，磁性球5存在的半球侧，电荷感应层3带有与第二摩擦层6(FEP膜)相反的电荷(正电荷)，无磁性球5存在的半球侧，电荷感应层3带有与第一摩擦层4(尼龙膜)相反的电荷(负电荷)，当外载分别接入电荷感应层3断开的两侧(断开的电荷感应层3两侧同时充当两个电极)时，电荷移动产生电流。
[0053]图8是本发明一实施例中的基于摩擦和磁感应的发电机的输出电信号图：(a)为磁电部分输出电压图，(b)为磁电部分输出电流图，(c)为摩擦电部分输出电压图，(d)为摩擦电部分输出电流图。如图8所示，该发电机磁感应发电部分平均输出电流为3.5mA，瞬时最大输出电流为7.8mA，平均输出电压为10V，瞬时最大输出电压为18V；摩擦发电部分的平均输出电流为0.2uA，瞬时最大输出电流为0.82uA，平均输出电压为1.2V，瞬时最大输出电压为2.9V。比较两组数据，可以明显看到，磁感应发电部分输出的电能远高于摩擦发电部分输出的电能，由此可见，在基于摩擦发电的球壳状发电机结构中添加了磁感应发电结构，极大地提高电信号的输出，提高了波浪能的收集能力，实用性更高。[0054]贴附光伏材料改良后的输出电信号图如图9所示，光伏部分的输出电压约为3.2V，输出电流约为38mA。[0055]此外，上述对发电机各材料类型及结合方式的定义并不仅限于实施例中提到的各种材料类型或结合方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：第一摩擦层4和第二摩擦层6不仅限于尼龙膜和FEP膜，也可能是其他两种不同的摩擦材料，只需满足两种材料的极性相反，即相互摩擦后一种材料带正电，另一种材料带负电即可；绝缘球壳1也不仅限于硬质塑料壳，硬度强及绝缘的其他材料也可；电荷感应层3也不仅限于铝箔，只需在外电荷的作用下能够产生感应电荷，如铜箔等其他金属材料；第一摩擦层4的贴附方式也不仅限于条状或者一整片状贴附。本发明不加以限制。[0056]综上所述，本发明实施例提出一种基于摩擦和磁感应的发电机，通过在球壳状添加磁性球和光伏层，使磁性球与线圈构成磁感应发电结构，光伏层构成光伏发电结构，在该发电机工作过程中，既可以通过摩擦起电产生电能，也可以依靠光电效应和电磁感应产生电能，大大提高电信号的输出，提高了波浪能的收集能力，实用性更高。[0057]以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在
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说 明 书
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本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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说 明 书 附 图
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图1
图2
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说 明 书 附 图
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图3
图4
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说 明 书 附 图
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说 明 书 附 图
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说 明 书 附 图
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图9
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