一種基于駐極體靜電式風(fēng)致mems發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超小型微弱風(fēng)MEMS發(fā)電機(jī)，具體涉及一種基于駐極體靜電式風(fēng)致MEMS發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)和“物聯(lián)網(wǎng)”概念迅速發(fā)展，區(qū)域內(nèi)物聯(lián)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得以極大的推進(jìn)。微能源自供電技術(shù)，如化學(xué)微能源和物理微能源，自身可提供10 μ W-1mW的電能，因此它們被視為目前非常有效地解決無(wú)線傳感器供能的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]自然界的風(fēng)能是一種清潔能源并且時(shí)刻存在于生活中，風(fēng)速可在0.lm/s?20m/s范圍變化。隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、戶外監(jiān)測(cè)等微系統(tǒng)(耗能10 μ W?1W)的快速發(fā)展和其對(duì)無(wú)線微弱自供電技術(shù)的迫切需求，微小體積的微型MEMS風(fēng)力發(fā)電機(jī)(直徑<10cm)展現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)用前景。目前的風(fēng)致MEMS發(fā)電機(jī)主要有壓電式和渦輪電磁式。壓電式風(fēng)致MEMS發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能，利用壓電效應(yīng)將微結(jié)構(gòu)振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，，但其在機(jī)械振動(dòng)過(guò)程中伴隨大量能量損耗，造成發(fā)電功率密度低，此外其體積較大，質(zhì)量較重。渦輪式電磁式風(fēng)致MEMS發(fā)電機(jī)在風(fēng)的作用下，轉(zhuǎn)子圍繞定子發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁感線從而產(chǎn)生電能，但需要極高的風(fēng)壓推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因而在微弱風(fēng)(小于5m/s)、低轉(zhuǎn)速(小于10rpm)下發(fā)電功率密度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于駐極體靜電式風(fēng)致MEMS發(fā)電機(jī)及其發(fā)電方法，啟動(dòng)風(fēng)速可低至0.5m/s，I?5m/s風(fēng)速下的發(fā)電功率在0.05?5mW/cm3范圍內(nèi)，在目前微風(fēng)力MEMS發(fā)電技術(shù)中展現(xiàn)了超低風(fēng)速啟動(dòng)和高發(fā)電密度的特性。
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于駐極體靜電式風(fēng)致MEMS發(fā)電機(jī)。
[0006]本發(fā)明的基于駐極體靜電式風(fēng)致MEMS發(fā)電機(jī)包括:發(fā)電機(jī)外殼、定子組件、葉片轉(zhuǎn)子組件、中心軸和電源管理電路；其中，定子組件、葉片轉(zhuǎn)子組件、中心軸和電源管理電路安裝在筒狀的發(fā)電機(jī)外殼內(nèi)；定子組件固定在發(fā)電機(jī)外殼的底部，中心設(shè)置中心軸；葉片轉(zhuǎn)子組件的中心通過(guò)軸承和軸套安裝在中心軸上，并繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；定子組件包括定子基板、定子金屬電極和駐極體，定子基板具有成福射狀的2N個(gè)扇形的柵格，在定子基板上與葉片轉(zhuǎn)子組件相對(duì)的表面設(shè)置有與其同形的2N個(gè)扇形的定子金屬電極，N個(gè)間隔的定子金屬電極上設(shè)置有駐極體，分別形成扇形叉指電極和扇形叉指駐極體；葉片轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子基板、葉片和轉(zhuǎn)子金屬電極，葉片剛性固連在轉(zhuǎn)子基板上與定子組件背對(duì)的表面上，轉(zhuǎn)子基板具有成輻射狀的N個(gè)扇形的柵格，在轉(zhuǎn)子基板上與定子組件相對(duì)的表面設(shè)置有與其同形的N個(gè)扇形的轉(zhuǎn)子金屬電極；N個(gè)轉(zhuǎn)子金屬電極由導(dǎo)線電學(xué)連接，通過(guò)轉(zhuǎn)子基板中心的中心軸連接至電源管理電路的一個(gè)輸入端；N個(gè)未設(shè)置駐極體的定子金屬電極由導(dǎo)線電學(xué)連接至電源管理電路的另一個(gè)輸入端；發(fā)電機(jī)外殼上設(shè)置有外部接口，導(dǎo)線通過(guò)外部接口將電源管理電路的輸出端口連接至外電路。
[0007]每一個(gè)扇形的轉(zhuǎn)子金屬電極的圓心角為a，每一個(gè)定子金屬電極的圓心角為b，裸露(未設(shè)置駐極體)的定子金屬電極與相鄰的未裸露(設(shè)置駐極體)的定子金屬電極之間的夾角，即間隙角為C，滿足c > 0，c < a < 2b。轉(zhuǎn)子金屬電極和定子金屬電極的厚度在0.1?0.5 μ??之間；駐極體的厚度在I?200 μπι之間；轉(zhuǎn)子金屬電極與駐極體之間的距離在5?500 μ m之間。
[0008]駐極體包括駐極體基體以及其表面上的極化電荷。設(shè)置在葉片轉(zhuǎn)子組件上的轉(zhuǎn)子金屬電極與相對(duì)應(yīng)設(shè)置在定子基板上的定子金屬電極構(gòu)成電容，轉(zhuǎn)子金屬電極在駐極體的感應(yīng)下產(chǎn)生感應(yīng)電荷。當(dāng)有風(fēng)吹動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子金屬電極轉(zhuǎn)動(dòng)，定子金屬電極處于靜止，轉(zhuǎn)子金屬電極與定子金屬電極間正對(duì)面積發(fā)生周期性變化，造成電容值周期性的改變，定子金屬電極與轉(zhuǎn)子金屬電極中的感應(yīng)電荷因此發(fā)生周期性變化，進(jìn)而在線路中產(chǎn)生感應(yīng)的交變電流。在通過(guò)電源管理電路中的橋式整流電路時(shí)，感應(yīng)的交變電流轉(zhuǎn)化為直流，繼而在匹配電阻形成直流電壓并存儲(chǔ)在電能存儲(chǔ)單元上，在需要供能時(shí)通過(guò)外部接口向外部傳感器供電。
[0009]駐極體的材料采用派瑞林Parylene、特氟龍Teflon和二氧化娃等駐極體材料中的一種。
[0010]發(fā)電機(jī)外殼的材料采用塑料，厚度在Imm?3cm之間，以保證輕質(zhì)特征。
[0011]定子基板和轉(zhuǎn)子基板的材料采用二氧化娃材質(zhì)，厚度在0.3mm?0.5cm之間，以保證輕質(zhì)特征。
[0012]駐極體和金屬電極圖案可通過(guò)微加工和MEMS工藝制成。
[0013]軸承、軸套和中心軸采用不銹鋼或者輕質(zhì)鋁材。
[0014]電源管理電路包括橋式整流電路、匹配電阻、電能存儲(chǔ)單元、變電器和輸出端口 ；其中，定子金屬電極與轉(zhuǎn)子金屬電極通過(guò)導(dǎo)線電學(xué)連接在橋式整流電路的兩端；橋式整流電路與后端的匹配電阻、電能存儲(chǔ)單元和變電器在電學(xué)上并聯(lián)；輸出端口包括電源線和地線，分別連接至發(fā)電機(jī)外殼上的外部接口。
[0015]進(jìn)一步，本發(fā)明還包括制動(dòng)機(jī)構(gòu)，制動(dòng)機(jī)構(gòu)采用圓環(huán)形的彈性墊圈，固定在發(fā)電機(jī)外殼內(nèi)，并且位于定子組件和葉片轉(zhuǎn)子組件之間，與葉片轉(zhuǎn)子組件之間有空隙。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)閾值(例如12m/s)時(shí)，葉片連同轉(zhuǎn)子基板發(fā)生形變，葉片轉(zhuǎn)子組件與彈性墊圈之間的間隙減小直至轉(zhuǎn)子金屬電極與彈性墊圈接觸，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，以保護(hù)葉片免于受到超高風(fēng)壓的破壞；當(dāng)風(fēng)速減弱到閾值以內(nèi)，轉(zhuǎn)子基板與彈性墊圈分離，葉片轉(zhuǎn)子組件可以再正常工作。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于駐極體靜電式風(fēng)致發(fā)電機(jī)的發(fā)電方法。
[0016]本發(fā)明還包括尾翼，安裝在發(fā)電機(jī)的尾部，用于感知風(fēng)向，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的機(jī)身位置。
[0017]本發(fā)明的基于駐極體靜電式風(fēng)致MEMS發(fā)電機(jī)的發(fā)電方法，包括以下步驟:
[0018]I)設(shè)置在葉片轉(zhuǎn)子組件上的轉(zhuǎn)子金屬電極與相對(duì)應(yīng)設(shè)置在定子基板上的定子金屬電極構(gòu)成電容，并在駐極體上面的極化電荷的感應(yīng)下形成感應(yīng)電荷；
[0019]2)當(dāng)有風(fēng)吹動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子金屬電極轉(zhuǎn)動(dòng)，定子金屬電極靜止，轉(zhuǎn)子金屬電極與定子金屬電極間正對(duì)面積發(fā)生周期性變化，造成電容值周期性的改變；
[0020]3)定子金屬電極與轉(zhuǎn)子金屬電極中的感應(yīng)電荷因電容值周期性的改變而發(fā)生周期性變化，進(jìn)而在線路中產(chǎn)生感應(yīng)的交變電流；
[0021]4)在通過(guò)電源管理電路中的橋式整流電路時(shí)，感應(yīng)的交變電流轉(zhuǎn)化為直流，繼而在匹配電阻形成直流電壓并存儲(chǔ)在電能存儲(chǔ)單元上，在需要供能時(shí)通過(guò)外部接口向外部傳感器供電。
[0022]進(jìn)一步，在發(fā)電機(jī)外殼內(nèi)并且位于定子組件和葉片轉(zhuǎn)子組件之間，固定制動(dòng)機(jī)構(gòu)，制動(dòng)機(jī)構(gòu)采用圓環(huán)形的彈性墊圈，與葉片轉(zhuǎn)子組件之間有空隙，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)閾值時(shí)，葉片連同轉(zhuǎn)子基板發(fā)生形變，葉片轉(zhuǎn)子組件與彈性墊圈之間的間隙減小直至轉(zhuǎn)子金屬電極與彈性墊圈接觸，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0024]本發(fā)明采用在葉片轉(zhuǎn)子組件和定子組件相對(duì)的表面設(shè)置扇形的金屬電極，并且在定子組件相間隔的金屬電極上設(shè)置駐極體，從而形成電容并產(chǎn)生感應(yīng)電荷；葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子金屬電極與定子金屬電極間正對(duì)面積發(fā)生周期性變化，造成電容值周期性的改變，金屬電極間的感應(yīng)電荷因此發(fā)生周期性變化，向電源管理電路輸出交