阅读说明：本技术 一种通过低频振动和机械冲击为便捷式和可穿戴电子设备供电的混合纳米发电机 (Hybrid nano-generator for supplying power to portable and wearable electronic equipment through low-frequency vibration and mechanical impact ) 是由 冯晶晶 王辰 王炜 刘成 刘海英 于 2019-07-19 设计创作，主要内容包括：在这项工作中,我们提出一个新的发电机设计模型,该模型为同时包括电磁,冲击式压电和摩擦发电的五稳态混合纳米发电机。并且利用接触分离和滑动模式在低频振动或机械冲击下为电子设备供电。冲击式压电发电机构件利用基于冲击的上变频机制提高低频运行时的能量转换效率。这种上变频转换机制将通过五稳态动力学行为被进一步加强,此方法的能量转换效率预计会比传统方法提高20倍。摩擦式纳米发电机构件的表面采用摩擦生电材料来提高输出性能,并且磁铁之间的斥力可以增强摩擦过程。此研究的困难在于设计的三种不同采集方法可以在相同的机械运动下同时有效地工作。主要目标是通过优化此五稳态结构从低频振动或机械冲击中产生显著的输出功率。(In this work, we propose a new generator design model, which is a pentastatic hybrid nano-generator that includes electromagnetic, impulse piezoelectric and triboelectric generation at the same time. And power the electronic device with low frequency vibration or mechanical shock using contact separation and sliding modes. The impulse piezoelectric generator component utilizes an impulse-based up-conversion mechanism to improve energy conversion efficiency at low frequency operation. This upconversion mechanism will be further enhanced by pentastatic dynamics, and the energy conversion efficiency of this method is expected to be 20 times higher than that of the conventional method. The surface of the friction type nanometer generator component adopts friction electricity generating materials to improve the output performance, and the repulsion force between the magnets can enhance the friction process. The difficulty with this study is that three different acquisition methods are designed to work effectively simultaneously with the same mechanical motion. The main goal is to generate significant output power from low frequency vibrations or mechanical shocks by optimizing this penta-stable structure.)

一种通过低频振动和机械冲击为便捷式和可穿戴电子设备供 电的混合纳米发电机

技术领域

本发明涉及模型设计领域，提出一种以线圈切割磁感线、压电片振动和摩擦材料摩擦三种方法同时采集电量的五稳态混合发电机，极大的提高了能量转化效率。

背景技术

随着社会的发展，人们的环保意识开始加强，然而电池作为设备的主要供电方式，却会对环境造成严重的污染。因此，开发更环保的发电方式开始成为研究人员的关注热点。

电池作为供电方式要定期进行更换，一些电子设备由于结构比较复杂或者安装环境恶劣等原因，更换一次需要耗费大量的人力财力，导致资源的浪费。因此设计自供能供电方式是节约资源的首要目标。自然界中的能量取之不尽，合理利用自然界能量，将其转化为电能对设备进行供电成为首选。

如今，对自然界中能量的采集多以一种方式为主，如采集振动能量以压电驱动为主，通过压电片振动将振动能转化为电能。但是，转换效率不高。如果能设计几种采集方法在相同的机械运动下同时有效地工作将极大地提高转换效率，对自然界能量做到最大限度的利用。

当结构比较复杂时，加工出的器件往往体积比较大，会导致设备笨重，携带不方便等一系列问题。因此，设计合理的结构，使设备逐渐小型化成为设计人员的研究目标。

设备在发生共振时，能量转化效率最高。然而由于共振处带宽较小，所以设备适用范围很小。通过调节结构增大带宽，设备的转换效率将得到大幅度增加。

如今的发电机力学性能主要以单稳态为主，及只在一种频率下会产生主共振，产生高的输出功率。设计发电机结构，增加稳态，可使发电机在多个频率下发生共振，可以在不同的工作环境下产生高的功率输出，提高能量转化效率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服以上不足，使发电机获得更高的能量转化效率，现提出一个包括电磁，冲击式压电和摩擦三种方法同时采集能量的五稳态混合纳米发电机。首先，在设计中要尽量减小发电机体积，使其可在低频振动和机械冲击下为便捷式和可穿戴电子设备供电。其次，要通过三种方法的配合提高发电机在运行时的能量转化效率。然后，选取适当的摩擦生电材料提高输出性能。最重要的一点是设计的三种不同采集方法可以在相同的机械运动下同时有效地工作。

(二)技术方案

为了使三种采集方法同时有效的工作，本模型利用接触分离和滑动模式，通过磁铁的滑动与接触面摩擦并与贴有压电片的支架碰撞实现摩擦和压电收集电量，然后在磁铁上方和下方放置线圈，利用线圈切割磁感线实现电磁生电。

在磁铁两端放置挡板结构，当滑动磁铁与挡板碰撞时，瞬间会产生很大的电效能。挡板的尺寸通过理论计算，设计成刚好可以产生多阱大范围运动的形状尺寸。通过非线性磁力和分段线性挡板实现五稳态特性，增加带宽。

磁铁与接触面摩擦处选用纳米结构聚四氟乙烯、纳米草铝和纳米多孔铝等摩擦生电材料来提高输出性能，并通过磁铁之间的斥力增强摩擦过程

(三)专利优点

1、本发明以线圈切割磁感线、压电片振动和摩擦材料摩擦三种方法同时采集电量，极大的提高了能量转化效率。

2、此模型体积小，带宽大，可适用振动频率范围广。

3、冲击式压电发电机构件将利用基于冲击的上变频机制来提高低频运行时的能量转换效率，并减小设备的总体积。

4、五稳态动力学行为加强上变频转换机制，与传统的上变频转换机制相比，此方法的能量转换效率预计会提高20倍。

5、磁铁之间的斥力增强了摩擦过程，提高了能量转化效率。

附图说明

图1是低频振动驱动混合纳米发电机模型图。

图2是混合纳米发电机的主要尺寸。

具体实施方式

本文提出一种以线圈切割磁感线、压电片振动和摩擦材料摩擦三种方法同时采集电量的五稳态混合发电机，如图1。首先，准备一个合适的塑料外壳作为发电机的外部结构。然后在塑料外壳内放入两块永磁体作为质量块，磁铁可左右滑动用于对接触面进行摩擦和与挡板进行冲击碰撞。将铝电极固定在滑动磁铁表面，将聚四氟乙烯和铜电极固定在侧壁上，用于收集磁铁与接触面摩擦时产生的电量。在滑动磁铁的两侧安装压电挡板，滑动磁铁与挡板碰撞后，压电片会发生弯曲，根据压电片的性能，弯曲后压电片会产生一定电量。最后将线圈固定在混合发电机机的上下表面，磁铁滑动时，线圈会切割磁感线产生电量。三种方法收集的电量储存起来用于电子设备的发电。最后组装完整体尺寸如图2。经过实验可知，该混合纳米发电机通过人体诱发的振动，如握手，走路和慢跑，预计产生5mW的输出功率。由于该混合纳米发电机体积小，因此该设备的功率密度可达到536.5W/m³。