摩擦-壓電-磁電復(fù)合式三維空間多自由度微能源采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于能源材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及摩擦-壓電-磁電復(fù)合式三維全空間多自由度微能源采集器的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是人類賴以生存的必需品和社會(huì)文明進(jìn)步的動(dòng)力，然而，隨著全球溫室效應(yīng)的加劇以及能源需求的急劇增長(zhǎng)，能源危機(jī)是面臨的全球一個(gè)重大挑戰(zhàn)，清潔及可再生能源的研發(fā)成為全人類的一個(gè)熱點(diǎn)課題。另一方面，便攜式電子產(chǎn)品和無線傳感器的盛行使得在這些器件中的供電問題引起了大量的關(guān)注。目前，鋰離子電池是實(shí)現(xiàn)便攜式電子產(chǎn)品和無線傳感器供電的主要方式，但其有限的使用壽命和環(huán)境污染問題嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步發(fā)展。因而，開發(fā)新能源對(duì)實(shí)現(xiàn)便攜式電子產(chǎn)品和無線傳感器的自供電工作模式具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0003]機(jī)械能是周圍環(huán)境中分布最廣且最容易獲取的能量之一，它廣泛存在于各種物體的運(yùn)動(dòng)過程之中，例如人類運(yùn)動(dòng)、海洋潮汐以及機(jī)器振動(dòng)。相應(yīng)地，許多方法也被提出用來將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，包括電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)、壓電效應(yīng)和摩擦發(fā)電。摩擦發(fā)電是一種新型發(fā)電方式，是摩擦效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)的結(jié)合。在摩擦過程中，具有不同摩擦極性的兩種材料相互接觸-分離，進(jìn)而產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，形成電流。相對(duì)于其他發(fā)電形式，摩擦發(fā)電具有高輸出功率、低成本和可選材料種類豐富等優(yōu)勢(shì)。然而，不論哪種形式的發(fā)電方式都存在一定的局限性，不能達(dá)到對(duì)機(jī)械能的高效采集，輸入的大部分能量以熱能、材料形變和物體動(dòng)能等形式耗散掉。為了解決機(jī)械能的高效采集問題，將具有互補(bǔ)工作模式的發(fā)電方式集成在同一器件上是一種可行性很高且有效的解決途徑，這種思想類似于采用多結(jié)太陽(yáng)能電池采集更多的太陽(yáng)光譜。此外，三維空間中的機(jī)械能常常以多自由度的方式表現(xiàn)出來，例如行駛在顛簸路面的汽車、人類的肢體運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)樹枝等。然而，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的能源采集器件往往只能采集某單一方向上的能量，其它方向上的能量被浪費(fèi)掉，在很大程度上降低了器件的轉(zhuǎn)化效率。因此，設(shè)計(jì)一種新型的器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多方向甚至全空間的能量采集將大幅度提高采集效率，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種新型的微能源采集器，將壓電單元、摩擦單元和磁電單元集成在同一球面上，不僅能實(shí)現(xiàn)多種能源轉(zhuǎn)化方式的復(fù)合式采集，而且可以達(dá)到對(duì)機(jī)械能的三維全空間多自由度采集，相對(duì)于傳統(tǒng)的能源采集器件，具有更高的能源采集效率，以及更加豐富的應(yīng)用場(chǎng)合，可以解決便攜式電子產(chǎn)品(如手機(jī)、MP3、電子表等)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)(如森林火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)、紅外傳感安防系統(tǒng)等)的自供電問題。
[0005]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種摩擦-壓電-磁電復(fù)合式三維空間多自由度微能源采集器，由外至內(nèi)依次包含電磁感應(yīng)線圈、外球殼、壓電緩沖層、壓電層、摩擦層(包括正性極和負(fù)性極)、內(nèi)部空心的內(nèi)球殼和磁鐵球。
[0006]具體結(jié)構(gòu)為，外球殼內(nèi)壁覆蓋設(shè)置壓電緩沖層，所述壓電緩沖層上覆蓋設(shè)置壓電層，所述壓電層上覆蓋摩擦層，所述摩擦層由間隔設(shè)置的正性摩擦層和負(fù)性摩擦層構(gòu)成，并引出壓電層以及摩擦層各自的引線于外球殼外；所述外球殼內(nèi)裝有內(nèi)置有磁鐵球的內(nèi)球殼，所述內(nèi)球殼在外球殼內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；所述外球殼外設(shè)置電磁感應(yīng)線圈。
[0007]電磁感應(yīng)線圈個(gè)數(shù)為6個(gè)，分別位于外球殼的上、下、前、后、左、右6個(gè)方位上，其繞線方法采用球面螺旋繞線方法，各線圈之間采用串聯(lián)方式連接。外球殼與壓電層之間隔有壓電緩沖層，目的在于增大壓電的形變量，進(jìn)而提高其發(fā)電能力，其制備方法采用室溫硫化有機(jī)硅膠的自組裝方法。摩擦單元中的正性摩擦層與負(fù)性摩擦層相間排列，所有正性摩擦層連接在一起，所有負(fù)性摩擦層連接在一起，正性摩擦層與負(fù)性摩擦層之間的電荷轉(zhuǎn)移通過運(yùn)動(dòng)單元在二者間的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)單元由磁鐵球和空心的內(nèi)球殼組成，磁鐵球位于空心內(nèi)球殼內(nèi)部，相對(duì)于單純采用大尺寸的磁鐵球而言，這種設(shè)計(jì)不僅可以增大摩擦單元和電磁單元的發(fā)電能力，而且能有效地降低器件的整體質(zhì)量。
[0008]工作時(shí)，由于內(nèi)球殼的自由運(yùn)動(dòng)，在摩擦層表面滾動(dòng)摩擦，正性摩擦層和負(fù)性摩擦層在外球殼內(nèi)表面相間分布，通過運(yùn)動(dòng)單元(內(nèi)球殼)在二者間的滾動(dòng)達(dá)到正負(fù)電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電流的目的。同時(shí)，內(nèi)球殼滾動(dòng)過程中，不斷擠壓壓電層，也達(dá)到產(chǎn)生電流的目的。同時(shí)，磁鐵球在內(nèi)球殼內(nèi)不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使得電磁線圈內(nèi)產(chǎn)生磁通量變化，也達(dá)到產(chǎn)生電流的目的。
[0009]上述微能源采集器的制造方法，包括如下步驟:
(1)、將外球殼內(nèi)表面等分為若干份，并計(jì)算出每份的平面近似展開圖形；
(2)、根據(jù)得到的平面展開圖形，將壓電緩沖層、壓電層和正性摩擦層、負(fù)性摩擦層依次裁剪為與之相同的圖形，并依次粘貼于外球殼內(nèi)表面；所述正性摩擦層和負(fù)性摩擦層間隔設(shè)置；
(3)、引出壓電層以及摩擦層各自的引線于外球殼外；
(4 )、將包含有磁鐵球的內(nèi)球殼置于被貼片的外球殼內(nèi)；
(5 )、將若干電磁感應(yīng)線圈布置于外球殼外表面。
[0010]本發(fā)明利用運(yùn)動(dòng)單元在空心球殼內(nèi)的三維空間滾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)具有多自由度的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行機(jī)械能采集；同時(shí)，通過將具有互補(bǔ)工作模式的壓電、磁電、摩擦三種發(fā)電單元集成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械能的高效采集。
【附圖說明】
[0011]圖1表示器件的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2表不器件的分解不意圖。
[0013]圖3表示器件的剖面示意圖。
[0014]圖4表示剖面圖的局部放大示意圖。
[0015]圖5表不外球殼的近似展開不意圖。
[0016]圖中:1-電磁感應(yīng)線圈，2-外球殼，3-壓電緩沖層，4-壓電層，5-摩擦層的正性材料，6-摩擦層的負(fù)性材料，7-內(nèi)球殼，8-磁鐵球。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為了更清楚地說明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]—種摩擦-壓電-磁電復(fù)合式三維空間多自由度微能源采集器，由外至內(nèi)，采集器依次包含電磁感應(yīng)線圈1、外球殼2、壓電緩沖層3、壓電層4、摩擦層、內(nèi)球殼7和磁鐵球8。
[0019]如圖2、3、4所示，包括外球殼2，所述外球殼2內(nèi)壁覆蓋設(shè)置壓電緩沖層3，所述壓電緩沖層3上覆蓋設(shè)置壓電層4，所述壓電層4上覆蓋摩擦層，所述摩擦層由間隔設(shè)置的正性摩擦層5和負(fù)性摩擦層6構(gòu)成，并引出壓電層以及摩擦層各自的引線于外球殼2外；所述外球殼2內(nèi)裝有內(nèi)置有磁鐵球8的內(nèi)球殼7，所述內(nèi)球殼7在外球殼2內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；所述外球殼2外設(shè)置電磁感應(yīng)線圈1。
[0020]所述壓電緩沖層3、壓電層4和摩擦層分隔成形狀相同的若干等分后依次粘貼于外球殼2的內(nèi)壁上。
[0021]如圖1所示，電磁感應(yīng)線圈個(gè)數(shù)為6個(gè)，成六面體分布于外球殼的上、下、前、后、
左、右6個(gè)方位上，其繞線方法采用球面螺旋繞線方法，各線圈之間采用串聯(lián)方式連接。
[0022]壓電單元和摩擦單元位于外球殼2內(nèi)部，電磁單元的感應(yīng)線圈位于外球殼2外部；摩擦-壓電-磁電三種發(fā)電單元被集成在同一個(gè)球殼上，器件工作的基本原理是通過小球在大球殼內(nèi)三維全空間的滾動(dòng)而實(shí)現(xiàn)在三維全空間的多自由度(如振動(dòng)、擺動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等)能量采集。
[0023]摩擦單元為8等份正性摩擦材料和8等份負(fù)性摩擦材料相間排列而成，通過運(yùn)動(dòng)單元在二者間的滾動(dòng)達(dá)到正負(fù)電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電流的目的。摩擦單元中，所有負(fù)性材料并連在一起，所有正性材料并連在一起，有助于降低引線條數(shù)。正性材料與負(fù)性材料之間的電荷轉(zhuǎn)移通過運(yùn)動(dòng)單元在二者間的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
[0024]壓電層4為柔性壓電材料組成(如PVDF)。壓電層4與外球殼2之間貼有一層壓電緩沖層3，可增大壓電層4材料的形變，從而提高發(fā)電量。
[0025]壓電緩沖層3由實(shí)心部分和封