旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)，包括動(dòng)力收集部件、定子、定子支撐件、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子支撐件、轉(zhuǎn)軸和軸承；動(dòng)力收集部件固定在所述轉(zhuǎn)軸上，在外力的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸上固定的轉(zhuǎn)子支撐件和連接在轉(zhuǎn)子支撐件上的轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生周期性的接觸和分離，接觸面上的第一摩擦層和第二摩擦層之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生變化，由此能夠產(chǎn)生電信號(hào)并向外電路輸出。此電信號(hào)輸出既可作為電源直接驅(qū)動(dòng)電子器件（如LED、LCD等）或者給能量存儲(chǔ)設(shè)備（如鋰電池、電容器等）充電，亦可用于流體流速的實(shí)時(shí)探測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)，特別涉及一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著小型化便攜式電子器件的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)能夠直接將環(huán)境中能源轉(zhuǎn)化為電能的新興技術(shù)越來(lái)越受到人們關(guān)注。我們的生活和周?chē)h(huán)境中有許多各種形式的機(jī)械能，像車(chē)輛移動(dòng)、人體運(yùn)動(dòng)、潮汐、風(fēng)能等等，不勝枚舉。風(fēng)能和水力能源由于其普遍存在性已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是非常重要的可再生、無(wú)污染的綠色能源，但是傳統(tǒng)的風(fēng)能技術(shù)和水力發(fā)電機(jī)都存在體積大，質(zhì)量重，成本高，啟動(dòng)動(dòng)力高等缺點(diǎn)，無(wú)法用于小型便攜式電子器件的供電。
[0003]因此，采用新技術(shù)、開(kāi)發(fā)新類(lèi)型的風(fēng)力和水力發(fā)電裝置對(duì)于綠色能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有極其重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)，能夠?qū)⑿D(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為電能，尤其可以將環(huán)境中的風(fēng)能和水力能源轉(zhuǎn)化為電能。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)，包括:
[0006]動(dòng)力收集部件、定子、定子支撐件、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子支撐件、轉(zhuǎn)軸和軸承；
[0007]其中，所述動(dòng)力收集部件固定在所述轉(zhuǎn)軸上，能夠在外力的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；
[0008]所述轉(zhuǎn)軸穿過(guò)所述軸承的通孔安裝；
[0009]所述轉(zhuǎn)子支撐件一端固定在所述轉(zhuǎn)軸上，另一端與所述轉(zhuǎn)子相連，
[0010]所述定子支撐件的一端與所述軸承的外殼相對(duì)固定，另一端與所述定子相連，使得所述定子與所述轉(zhuǎn)子之間能形成相對(duì)旋轉(zhuǎn)，并且在所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到所述定子所在的位置時(shí)，能與所述定子實(shí)現(xiàn)至少部分表面的接觸；
[0011]所述轉(zhuǎn)子支撐件、轉(zhuǎn)子、定子支撐件和定子中至少一個(gè)為柔性的，使得所述轉(zhuǎn)子在與所述定子接觸后仍能跟隨所述轉(zhuǎn)軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并與所述定子分離；
[0012]所述定子與所述轉(zhuǎn)子相接觸的表面為第一摩擦層，所述第一摩擦層的背面貼合有第一導(dǎo)電層;
[0013]所述轉(zhuǎn)子與所述定子相接觸的表面為第二摩擦層，所述第二摩擦層的背面貼合有第二導(dǎo)電層；
[0014]所述定子和所述轉(zhuǎn)子在接觸與分離的過(guò)程中，所述第一摩擦層和所述第二摩擦層之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生變化，并通過(guò)所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層將由此產(chǎn)生的電信號(hào)向外電路輸出；
[0015]優(yōu)選地，所述第一摩擦層和第二摩擦層的材料之間存在摩擦電極序差異；
[0016]優(yōu)選地，所述第一摩擦層和第二摩擦層的材料不同，分別選自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹(shù)脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹(shù)脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-CO-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、派瑞林、玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、非導(dǎo)電性氧化物、半導(dǎo)體氧化物和復(fù)雜氧化物、金屬、銦錫氧化物ITO、摻雜的半導(dǎo)體和導(dǎo)電有機(jī)物中的至少一種或幾種的組合；
[0017]優(yōu)選地，所述第一摩擦層的材料選自苯胺甲醛樹(shù)脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、銅、鋁、金、銀和鋼，和/或，所述第二摩擦層的材料選自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林；
[0018]優(yōu)選地，所述第一摩擦層為導(dǎo)電材料，并且所述第一摩擦層和第一導(dǎo)電層合二為一；或者，所述第二摩擦層為導(dǎo)電材料，并且所述第二摩擦層和第二導(dǎo)電層合二為一；
[0019]優(yōu)選地，所述第一摩擦層為剛性導(dǎo)電板；
[0020]優(yōu)選地，所述第一摩擦層和/或第二摩擦層的表面具有微納結(jié)構(gòu)，所述微納結(jié)構(gòu)選自納米線、納米棒、納米管、納米顆粒、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球和微米球，或由上述一種或幾種結(jié)構(gòu)形成的陣列；
[0021]優(yōu)選地，所述第一摩擦層和第二摩擦層的形狀與大小均相同，并且在所述定子與轉(zhuǎn)子相接觸時(shí)，所述第一摩擦層和第二摩擦層完全重合；
[0022]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層選自金屬、導(dǎo)電氧化物、摻雜的半導(dǎo)體以及導(dǎo)電有機(jī)物；
[0023]優(yōu)選地，所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；所述導(dǎo)電氧化物為銦錫氧化物ITO;所述導(dǎo)電有機(jī)物選自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類(lèi)化合物、聚苯胺或聚噻吩；
[0024]優(yōu)選地，所述定子在沿所述轉(zhuǎn)軸來(lái)回旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)方向上的兩個(gè)側(cè)面均依次向外設(shè)有所述第一導(dǎo)電層和所述第一摩擦層；和/或，所述轉(zhuǎn)子在沿所述轉(zhuǎn)軸來(lái)回旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)方向上的兩個(gè)側(cè)面均依次向外設(shè)有所述第二導(dǎo)電層和第二摩擦層；
[0025]優(yōu)選地，所述定子還包括基板，用于支撐所述第一導(dǎo)電層和第一摩擦層；
[0026]優(yōu)選地，所述基板為有機(jī)玻璃板、聚乙烯板、聚氯乙烯板或泡沫塑料板；
[0027]優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電層和第一摩擦層的大小與形狀與所述基板的外側(cè)面相同；
[0028]優(yōu)選地，所述基板沿所述轉(zhuǎn)軸來(lái)回旋轉(zhuǎn)方向上的兩個(gè)外側(cè)面朝向所述轉(zhuǎn)軸方向的延長(zhǎng)線相交；
[0029]優(yōu)選地，所述定子能夠在所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向上發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；[0030]優(yōu)選地，所述定子支撐件為剛性框架，所述定子位于所述框架內(nèi)遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)軸的
一端;
[0031]優(yōu)選地，所述框架為矩形的；
[0032]優(yōu)選地，所述定子支撐件由輕質(zhì)剛性材料構(gòu)成，所述輕質(zhì)剛性材料選自有機(jī)玻璃、聚乙烯或聚氯乙烯；
[0033]優(yōu)選地，包括2個(gè)以上所述定子支撐件及其上連接的所述定子，所述定子支撐件以所述轉(zhuǎn)軸為圓心均勻分布，和/或，包括2個(gè)以上所述轉(zhuǎn)子支撐件及其上連接的所述轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子支撐件以所述轉(zhuǎn)軸為圓心均勻分布；
[0034]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)子支撐件為柔性片材，在其遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸一端的至少一個(gè)側(cè)面上貼合有所述轉(zhuǎn)子；
[0035]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)子支撐件選自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹(shù)脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹(shù)脂、丁二烯丙烯共聚物、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、派瑞林、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類(lèi)化合物、聚苯胺、聚噻吩和聚酰胺尼龍；
[0036]優(yōu)選地，所述動(dòng)力收集部件位于所述轉(zhuǎn)軸的一端；
[0037]優(yōu)選地，所述動(dòng)力收集部件為由若干杯狀物、桶狀物或葉片組成的風(fēng)車(chē)或水車(chē)；
[0038]優(yōu)選地，所述風(fēng)杯為拋物錐空杯，并且所有風(fēng)杯的凹面都順向同一方向；
[0039]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)軸的外側(cè)面為導(dǎo)電材料，并且所述第二導(dǎo)電層與所述轉(zhuǎn)軸的外側(cè)面電連接；
[0040]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)軸為金屬棒；
[0041]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)軸為中空結(jié)構(gòu)，所述第二導(dǎo)電層與外電路相連的導(dǎo)線通過(guò)所述中空結(jié)構(gòu)穿出；
[0042]優(yōu)選地，還包括全橋整流器。
[0043]本發(fā)明還提供一種風(fēng)力發(fā)電方法，其特征在于:將上述任一款旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)置于有氣流產(chǎn)生的環(huán)境中，所述動(dòng)力收集部件為由若干風(fēng)杯或葉片組成的風(fēng)車(chē)，并將所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層與能量存儲(chǔ)設(shè)備相連，調(diào)整所述風(fēng)車(chē)的方向，使其能夠在氣流的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
[0044]本發(fā)明還提供一種水力發(fā)電方法，其特征在于:將上述任一款旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)置于有水流產(chǎn)生的環(huán)境中，所述動(dòng)力收集部件為由若干葉片或渦輪槳組成，并將所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層與能量存儲(chǔ)設(shè)備相連，調(diào)整所述動(dòng)力收集部件的方向，使其能夠在水流的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
[0045]本發(fā)明還提供一種流體流速測(cè)量裝置，其特征在于包括上述任一種旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)和電流檢測(cè)裝置，所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層與所述電流檢測(cè)裝置形成回路。
[0046]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)具有下列優(yōu)點(diǎn):[0047]1、本發(fā)明所述的旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)通過(guò)結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的收集，并且首次將摩擦納米發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的風(fēng)力、水力發(fā)電技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小自然能源的聞效利用。
[0048]2、本發(fā)明所述的旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)可以通過(guò)橋式整流電路，提供直流電流輸出，該電流輸出既可作為電源直接驅(qū)動(dòng)電子器件(如LED、LCD等)或者給能量存儲(chǔ)設(shè)備(如鋰電池、電容器等)充電。
[0049]3、本發(fā)明所述的旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)不僅可以用作旋轉(zhuǎn)動(dòng)力發(fā)電、風(fēng)力、水力發(fā)電，亦可用于實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速或風(fēng)速、水流速度的探測(cè)。
[0050]4、本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)，制備方法簡(jiǎn)便、成本低廉、能量轉(zhuǎn)換效率高、既可做成大型發(fā)電設(shè)備，亦可作為小型便攜式電子器件的電源裝置，是一種應(yīng)用范圍廣泛的靜電發(fā)電機(jī)，可以設(shè)置在旅游景點(diǎn)、廣場(chǎng)、或者環(huán)境條件惡劣的空曠地方，在風(fēng)力的驅(qū)動(dòng)下，可使本發(fā)明的發(fā)電機(jī)發(fā)電，用來(lái)探測(cè)風(fēng)速、驅(qū)動(dòng)指示燈或者為蓄電池供電。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0051]通過(guò)附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。
[0052]圖1為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)的一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053]圖2為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖；
[0054]圖3為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理示意圖；
[0055]圖4為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖5為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057]圖6為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058]圖7為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)的另一種典型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0059]圖8為實(shí)施例1的發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)亮164盞LED燈的實(shí)時(shí)照片；
[0060]圖9為實(shí)施例2的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0061]圖10為實(shí)施例2的發(fā)電機(jī)上第二摩擦層表面微結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖；
[0062]圖11為實(shí)施例2的發(fā)電機(jī)的開(kāi)路電壓和短路電流測(cè)試結(jié)果；
[0063]圖12為實(shí)施例3的發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速條件下的開(kāi)路電壓和短路電流測(cè)試結(jié)果；
[0064]圖13為實(shí)施例3的發(fā)電機(jī)在單位時(shí)間的電流脈沖數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系圖；
[0065]圖14為實(shí)施例4的發(fā)電機(jī)與全橋整流器的電路連接示意圖；
[0066]圖15為實(shí)施例4的發(fā)電機(jī)在為電池充電時(shí)的電路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0067]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0068]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0069]本發(fā)明中所述的“摩擦電極序”，是指根據(jù)材料對(duì)電荷的吸引程度將其進(jìn)行的排序，兩種材料在相互摩擦的瞬間，在摩擦面上負(fù)電荷從摩擦電極序中極性較正的材料表面轉(zhuǎn)移至摩擦電極序中極性較負(fù)的材料表面。例如，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)與金屬材料招箔接觸時(shí)，招箔帶正電，即得電子能力較弱，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)帶負(fù)電，即得電子能力較強(qiáng)。迄今為止，還沒(méi)有一種統(tǒng)一的理論能夠完整的解釋電荷轉(zhuǎn)移的機(jī)制，一般認(rèn)為，這種電荷轉(zhuǎn)移和材料的表面功函數(shù)相關(guān)，通過(guò)電子或者離子在接觸面上的轉(zhuǎn)移而實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。需要說(shuō)明的是，摩擦電極序只是一種基于經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即兩種材料在該序列中相差越遠(yuǎn)，接觸后所產(chǎn)生電荷的正負(fù)性和該序列相符合的幾率就越大，而且實(shí)際的結(jié)果受到多種因素的影響，比如材料表面粗糙度、環(huán)境濕度和是否有相對(duì)摩擦等。
[0070]本發(fā)明中所述的“接觸電荷”，是指在兩種摩擦電極序極性存在差異的材料在接觸摩擦并分離后其表面所帶有的電荷，一般認(rèn)為，該電荷只分布在材料的表面，分布最大深度不過(guò)約為10納米。需要說(shuō)明的是，接觸電荷的符號(hào)是凈電荷的符號(hào)，即在帶有正接觸電荷的材料表面的局部地區(qū)可能存在負(fù)電荷的聚集區(qū)域，但整個(gè)表面凈電荷的符號(hào)為正。
[0071]圖1和圖2示出的是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)的一種典型實(shí)施方式，包括:動(dòng)力收集部件50、定子10、定子支撐件11、轉(zhuǎn)子20、轉(zhuǎn)子支撐件21、轉(zhuǎn)軸30和軸承40 ;動(dòng)力收集部件50位于轉(zhuǎn)軸30的一端，該部件能夠收集外部的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸30旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力；轉(zhuǎn)軸30穿過(guò)軸承40的通孔安裝；轉(zhuǎn)子支撐件21 —端固定在轉(zhuǎn)軸30上，另一端與轉(zhuǎn)子20相連，定子支撐件11的一端與軸承40的外殼相對(duì)固定，另一端與定子10相連，使得定子10與轉(zhuǎn)子20之間能形成相對(duì)旋轉(zhuǎn)，并且在轉(zhuǎn)子20轉(zhuǎn)到定子10所在的位置時(shí)，能與定子10實(shí)現(xiàn)至少部分表面的接觸；轉(zhuǎn)子支撐件21為柔性的，使得轉(zhuǎn)子20在與定子10接觸后仍能跟隨轉(zhuǎn)軸30繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并與定子10分離(參見(jiàn)圖2);定子10與轉(zhuǎn)子20相接觸的表面為第一摩擦層101，第一摩擦層101的背面貼合有第一導(dǎo)電層102 ;轉(zhuǎn)子20與定子10相接觸的表面為第二摩擦層201，第二摩擦層201的背面貼合有第二導(dǎo)電層202 ;定子10和轉(zhuǎn)子20在接觸與分離的過(guò)程中，第一摩擦層101和第二摩擦層201之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生變化(參見(jiàn)圖2中的局部放大圖)，并通過(guò)第一導(dǎo)電層102和第二導(dǎo)電層202將由此產(chǎn)生的電信號(hào)向外電路輸出。
[0072]為了方便說(shuō)明，以下將結(jié)合圖1的典型結(jié)構(gòu)來(lái)描述本發(fā)明的原理、各部件的選擇原則以及材料范圍，但是很顯然這些內(nèi)容并不僅局限于圖1所示的實(shí)施例，而是可以用于本發(fā)明所公開(kāi)的所有技術(shù)方案。
[0073]圖3為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖，由于本發(fā)電機(jī)電信號(hào)的產(chǎn)生和輸出是通過(guò)定子10和轉(zhuǎn)子20的接觸-分離過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此此處僅以二者接觸部位的局部放大圖為例來(lái)說(shuō)明發(fā)電機(jī)的工作原理，使得整個(gè)過(guò)程更為清楚，具體參見(jiàn)圖3。在初始狀態(tài)(圖3-a)，定子10和轉(zhuǎn)子20相互分離，第一摩擦層101和第二摩擦層201也沒(méi)有接觸，無(wú)電信號(hào)向外輸出；當(dāng)轉(zhuǎn)軸30在動(dòng)力收集部件50的帶動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子20上的第二摩擦層201和定子10上的第一摩擦層101相互接觸，由于第一摩擦層101的材料與第二摩擦層201的材料在摩擦電極序中存在差異，引發(fā)表面電荷轉(zhuǎn)移，即第一摩擦層101與第二摩擦層201接觸時(shí)，第一摩擦層101帶正電，第二摩擦層201帶負(fù)電。(參見(jiàn)圖3-b);在轉(zhuǎn)子20隨轉(zhuǎn)軸30繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而定子10固定不動(dòng)的情況下，第二摩擦層201就會(huì)被迫與第一摩擦層101之間發(fā)生滑動(dòng)摩擦，為了屏蔽由于錯(cuò)位而殘留在第一摩擦層101和第二摩擦層201中表面電荷所形成的電場(chǎng)，第二導(dǎo)電層202中的自由電子就會(huì)通過(guò)外電路流到第一導(dǎo)電層102上，從而產(chǎn)生一外電流(參見(jiàn)圖3-c)。當(dāng)轉(zhuǎn)子20繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并與定子10分開(kāi)后，定子10和轉(zhuǎn)子20上的整體電荷保持平衡，沒(méi)有電信號(hào)產(chǎn)生(參見(jiàn)圖3-d);當(dāng)轉(zhuǎn)子20再次旋轉(zhuǎn)至與定子10相接近的位置時(shí)，第一摩擦層101、第一導(dǎo)電層102、第二摩擦層201、第二導(dǎo)電層202之間的靜電平衡狀態(tài)受到破壞，由此電子通過(guò)外電路從第一導(dǎo)電層102向第二導(dǎo)電層202流動(dòng)，以平衡整體電勢(shì)(參見(jiàn)圖3-e);直到轉(zhuǎn)子20與定子10完全接觸后，第一摩擦層101和第二摩擦層201接觸表面的電荷達(dá)到平衡，兩導(dǎo)電層恢復(fù)原狀。如此往復(fù)，形成交流脈沖電流。
[0074]通過(guò)本發(fā)明上面提供的工作原理，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠清楚地認(rèn)識(shí)到本發(fā)明發(fā)電機(jī)的工作方式，從而能夠了解各部件材料的選擇原則。以下給出適用本發(fā)明中所有技術(shù)方案的各部件材料的可選擇范圍，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)作具體選擇，從而達(dá)到調(diào)控發(fā)電機(jī)輸出性能的目的。
[0075]第一摩擦層101和第二摩擦層201分別由具有不同摩擦電特性的材料組成，所述的不同摩擦電特性意味著二者在摩擦電極序中處于不同的位置，從而使得二者在發(fā)生摩擦的過(guò)程中能夠在表面產(chǎn)生接觸電荷。常規(guī)的高分子聚合物都具有摩擦電特性，均可以作為制備本發(fā)明第一摩擦層101和第二摩擦層201的材料，此處列舉一些常用的高分子聚合物材料，可以從中選擇不同的材料來(lái)制作第一摩擦層101和第二摩擦層201:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹(shù)脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹(shù)脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。限于篇幅的原因，并不能對(duì)所有可能的材料進(jìn)行窮舉，此處僅列出幾種具體的聚合物材料從人們參考，但是顯然這些具體的材料并不能成為本發(fā)明保護(hù)范圍的限制性因素，因?yàn)樵诎l(fā)明的啟示下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)這些材料所具有的摩擦電特性很容易選擇其他類(lèi)似的材料。
[0076]相對(duì)于絕緣體，半導(dǎo)體和金屬均具有容易失去電子的摩擦電特性，在摩擦電極序的列表中常和高分子材料相差較大。因此，半導(dǎo)體和金屬也可以作為制備第一摩擦層101或第二摩擦層201的原料。常用的半導(dǎo)體包括硅、鍺；第111和第V族化合物，例如砷化鎵、磷化鎵等；第II和第VI族化合物，例如硫化鎘、硫化鋅等；以及由II1- V族化合物和I1-VI族化合物組成的固溶體，例如鎵鋁砷、鎵砷磷等。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。非導(dǎo)電性氧化物、半導(dǎo)體氧化物和復(fù)雜氧化物也具有摩擦電特性，能夠在摩擦過(guò)程形成表面電荷，因此也可以用來(lái)作為本發(fā)明的摩擦層，例如錳、鉻、鐵、銅的氧化物，還包括氧化娃、氧化猛、氧化鉻、氧化鐵、氧化銅、氧化鋅、BiO2和Y2O3;常用的金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金。當(dāng)然，還可以使用其他具有導(dǎo)電特性的材料充當(dāng)容易失去電子的摩擦層材料，例如銦錫氧化物ΙΤ0、摻雜的半導(dǎo)體和導(dǎo)電有機(jī)物。其中，導(dǎo)電有機(jī)物一般為導(dǎo)電高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類(lèi)化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。
[0077]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝荒Σ翆?01和第二摩擦層201材料的得電子能力相差越大(即在摩擦電極序中的位置相差越遠(yuǎn))時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電信號(hào)越強(qiáng)。所以，可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的材料來(lái)制備第一摩擦層101和第二摩擦層201，以獲得更好的輸出效果。具有負(fù)極性摩擦電極序的材料優(yōu)選聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4 ;具有正極性的摩擦電極序材料優(yōu)選苯胺甲醛樹(shù)脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、銅、鋁、金、銀和鋼。當(dāng)使用導(dǎo)電材料作為摩擦層時(shí)，可以將導(dǎo)電層與摩擦層合二為一，這樣可以簡(jiǎn)化制備工序、降低成本，更利于工業(yè)上的推廣和應(yīng)用。
[0078]還可以對(duì)第一摩擦層101上表面和/或第二摩擦層201下表面進(jìn)行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量級(jí)的微納結(jié)構(gòu)，以增加第一摩擦層101與第二摩擦層201之間的接觸面積，從而增大接觸電荷量。所述微納結(jié)構(gòu)選自納米線、納米棒、納米管、納米顆粒、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球和微米球,優(yōu)選為上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成的陣列，構(gòu)成陣列的微納結(jié)構(gòu)單元可以是立方體、四棱錐體或其他常見(jiàn)形狀。具體的改性方法包括光刻蝕、化學(xué)刻蝕和離子體刻蝕等。也可以通過(guò)納米材料的點(diǎn)綴或涂層的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的。
[0079]也可以對(duì)相互接觸的第一摩擦層101和/或第二摩擦層201的表面進(jìn)行化學(xué)改性，能夠進(jìn)一步提高電荷在接觸瞬間的轉(zhuǎn)移量，從而提高接觸電荷密度和發(fā)電機(jī)的輸出功率?；瘜W(xué)改性又分為如下兩種類(lèi)型:
[0080]一種方法是對(duì)于相互接觸的第一摩擦層101和第二摩擦層201材料，在極性為正的材料表面引入更易失電子的官能團(tuán)(即強(qiáng)給電子團(tuán))，或者在極性為負(fù)的材料表面引入更易得電子的官能團(tuán)(強(qiáng)吸電子團(tuán))，都能夠進(jìn)一步提高電荷在相互滑動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)移量，從而提高摩擦電荷密度和發(fā)電機(jī)的輸出功率。強(qiáng)給電子團(tuán)包括:氨基、羥基、烷氧基等；強(qiáng)吸電子團(tuán)包括:酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能團(tuán)的引入可以采用等離子體表面改性等常規(guī)方法。例如可以使氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚庠谝欢üβ氏庐a(chǎn)生等離子體，從而在摩擦層材料表面引入氨基。
[0081 ] 另外一種方法是在極性為正的摩擦層材料表面弓I入正電荷，而在極性為負(fù)的摩擦層材料表面引入負(fù)電荷。具體可以通過(guò)化學(xué)鍵合的方式實(shí)現(xiàn)。例如，可以在PDMS摩擦層表面利用溶膠-凝膠(英文簡(jiǎn)寫(xiě)為sol-gel)的方法修飾上正硅酸乙酯(英文簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)E0S)，而使其帶負(fù)電。也可以在金屬金薄膜層上利用金-硫的鍵結(jié)修飾上表面含十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的金納米粒子，由于十六烷基三甲基溴化銨為陽(yáng)離子，故會(huì)使整個(gè)摩擦層變成帶正電性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)摩擦層材料的得失電子性質(zhì)和表面化學(xué)鍵的種類(lèi)，選擇合適的修飾材料與其鍵合，以達(dá)到本發(fā)明的目的，因此這樣的變形都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0082]第一摩擦層101和第二摩擦層201的形狀與大小可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，但要保證在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到定子所在的位置時(shí)，二者至少有部分表面能夠接觸并發(fā)生滑動(dòng)摩擦，優(yōu)選兩個(gè)摩擦層的形狀與大小完全相同，結(jié)合相對(duì)位置的調(diào)整，使二者能夠完全重合和完全分離，發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦的面積最大。第一摩擦層101和第二摩擦層201可以是硬質(zhì)材料，也可以選擇柔性材料，因?yàn)椴牧系挠捕炔⒉挥绊懚咧g的滑動(dòng)摩擦效果，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和要求進(jìn)行選擇。例如圖4所示的發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子20需要穿過(guò)定子10與轉(zhuǎn)軸30之間的空隙才能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，整個(gè)轉(zhuǎn)子20都是柔性的，第二摩擦層201也應(yīng)該是柔性的；而對(duì)于圖1和圖2所示的結(jié)構(gòu)，定子10和轉(zhuǎn)子20都是硬質(zhì)的，因?yàn)樵撚残约瓤梢杂赡Σ翆犹峁?，也可以由?dǎo)電層提供，還可以由另加的支撐層提供，所以對(duì)摩擦層的硬度就沒(méi)有特別的限定。
[0083]第一導(dǎo)電層102和第二導(dǎo)電層202作為發(fā)電機(jī)的兩個(gè)電極，只要具備能夠?qū)щ姷奶匦约纯?，可選自金屬或?qū)щ娧趸?，可以為薄板、薄片或薄膜，可以根?jù)對(duì)硬度和彈性的具體要求來(lái)選擇，如圖4中的定子外側(cè)面均為導(dǎo)電材料，起到了第一導(dǎo)電層的作用，那么在制備的時(shí)候既可以在硬質(zhì)基板的外側(cè)沉積一層金屬薄膜，也可以用一個(gè)剛性導(dǎo)電板，例如金屬薄板來(lái)代替；而對(duì)于該實(shí)施方式中的第二導(dǎo)電層102需要滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子整體具備柔性的要求，則應(yīng)選擇厚度較薄的薄層或薄膜更為合適。常用的金屬包括金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金，常用的導(dǎo)電氧化物包括銦錫氧化物ITO和離子摻雜型的半導(dǎo)體。導(dǎo)電層最好與相應(yīng)的摩擦層表面緊密接觸，以保證電荷的傳輸效率，較好的方式是將導(dǎo)電材料通過(guò)沉積的方式在相應(yīng)摩擦層的表面成膜，膜的形狀和尺寸優(yōu)選與相應(yīng)的摩擦層相同；具體的沉積方法可以為電子束蒸發(fā)、等離子體濺射、磁控濺射或蒸鍍。導(dǎo)電層也可以是用蒸鍍或?yàn)R射等工藝沉積在其他襯底表面的金屬膜，例如，用表面沉積有金屬膜的有機(jī)物襯底代替金屬薄膜。
[0084]第一導(dǎo)電層102和第二導(dǎo)電層202與外電路連接的方式可以是通過(guò)導(dǎo)線或金屬薄膜與外電路連接。例如，轉(zhuǎn)子20中的第二導(dǎo)電層202通過(guò)導(dǎo)線與轉(zhuǎn)軸30相連，轉(zhuǎn)軸30則通過(guò)電刷、導(dǎo)線等與外電路如電子器件或測(cè)試裝置相連；定子10上的第一導(dǎo)電層102通過(guò)導(dǎo)線等直接與外電路如電子器件或測(cè)試裝置相連。
[0085]第一摩擦層101和第一導(dǎo)電層102貼合組裝形成定子10，第二摩擦層201和第二導(dǎo)電層202貼合組裝形成轉(zhuǎn)子20。第一摩擦層101和第二摩擦層201分別位于定子10和轉(zhuǎn)子20的至少一個(gè)外側(cè)面上，使得定子10在與轉(zhuǎn)子20相接觸時(shí)，能夠引起第一摩擦層101和第二摩擦層201的相對(duì)滑動(dòng)摩擦，參見(jiàn)圖2的局部放大圖。優(yōu)選定子10能夠與轉(zhuǎn)子20相接觸的2個(gè)相對(duì)的側(cè)面上均為第一摩擦層101，轉(zhuǎn)子20能夠與定子10相接觸的2個(gè)相對(duì)的側(cè)面上均設(shè)有第二摩擦層201，這樣的結(jié)構(gòu)能夠保證無(wú)論轉(zhuǎn)子20相對(duì)于定子10做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)還是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，二者均能夠發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦，使發(fā)電機(jī)有電信號(hào)輸出。定子和轉(zhuǎn)子的形狀和尺寸可以根據(jù)實(shí)際情況自行選擇，但是要保證在二者接觸時(shí)至少有部分表面能夠接觸，優(yōu)選二者的形狀和尺寸相同，并且固定的相對(duì)位置保證二者能夠完全接觸，使得摩擦面積最大，效果最好。
[0086]定子10和轉(zhuǎn)子20發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦的方向既可以是與轉(zhuǎn)軸30軸向方向一致(參見(jiàn)圖5)，也可以是與轉(zhuǎn)軸30的徑向方向一致(參見(jiàn)圖2)，不同的滑動(dòng)摩擦方向?qū)Πl(fā)電機(jī)的工作效果影響不大，但是對(duì)轉(zhuǎn)子20和定子10的硬度及安裝方式要求不同，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)式靜電發(fā)電機(jī)中可以包含2個(gè)以上的定子支撐件11和其上連接的定子10，優(yōu)選這些定子支撐件11及其上所連接的定子10以轉(zhuǎn)軸30為圓心均勻分布，參見(jiàn)圖9所示的結(jié)構(gòu)。同理，一個(gè)發(fā)電機(jī)中也可以包含多個(gè)轉(zhuǎn)子支撐件21和其上連接的轉(zhuǎn)子20，但由于轉(zhuǎn)子20的轉(zhuǎn)動(dòng)需要轉(zhuǎn)軸30的旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)，因此如果轉(zhuǎn)子20的數(shù)目越多，帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)所需的動(dòng)力也就要越強(qiáng)，導(dǎo)致這種方式對(duì)于微小動(dòng)力的情況可能不是特別適用。
[0087]定子支撐件11用于將定子10固定在軸承40的外殼上，從而在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中能與定子形成周期性的接觸和分離，使本發(fā)明的發(fā)電機(jī)能夠正常工作。定子支撐件11既可以為硬質(zhì)的，也可以為柔性的，具體可以根據(jù)轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子支撐件的形狀和性質(zhì)進(jìn)行選擇，例如轉(zhuǎn)子20和/或轉(zhuǎn)子支撐件21是柔性的(參見(jiàn)圖2和圖3)，使得轉(zhuǎn)子20在與定子10接觸并發(fā)生滑動(dòng)摩擦后，借助轉(zhuǎn)子20和/或轉(zhuǎn)子支撐件21的柔性即可實(shí)現(xiàn)與定子10的分離，那么定子支撐件11則可以選擇硬質(zhì)的，當(dāng)然如果選擇柔性的也是可以的；但是，如果轉(zhuǎn)子20、轉(zhuǎn)子支撐件21和定子10都是硬性的，那么為了使發(fā)電機(jī)正常工作，定子支撐件11則必須是柔性的。同樣的道理，定子支撐件11的形狀和大小也是與相應(yīng)的定子10、轉(zhuǎn)子20和轉(zhuǎn)子支撐件21相匹配的，優(yōu)選采用框架結(jié)構(gòu)，定子10被固定在所述框架內(nèi)部，更優(yōu)選被固定在框架內(nèi)部遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸30的一端，更優(yōu)選為矩形框。材料可以選擇塑料、橡膠、聚酯、金屬等常規(guī)材料，優(yōu)選為輕質(zhì)剛性材料，例如有機(jī)玻璃、聚乙烯或聚氯乙烯。定子支撐件11與定子10之間可以是單端固定，例如圖2和圖5所示，也可以是雙側(cè)固定，例如圖4所示。固定的方式可以選擇本領(lǐng)域中最為常用的固定方式，例如粘結(jié)、連接件固定、穿孔固定等等，技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。
[0088]轉(zhuǎn)子支撐件21用于連接轉(zhuǎn)子20和轉(zhuǎn)軸30，由于轉(zhuǎn)子支撐件21需要帶動(dòng)轉(zhuǎn)子20隨著轉(zhuǎn)軸30進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以需要具有一定的強(qiáng)度，但不限定必須是硬性或柔性的。如前所述的原理，轉(zhuǎn)子支撐件21的選擇要與轉(zhuǎn)子20、定子10和定子支撐件11的性質(zhì)及形狀相匹配:類(lèi)似于圖2所示的結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子20、定子10和定子支撐件11都是硬質(zhì)材料的情況下，轉(zhuǎn)子支撐件21必須是柔性的才能使發(fā)電機(jī)正常工作；而對(duì)于類(lèi)似圖5所示的結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子20本身的柔性足夠使其在與定子10接觸后還能夠完全分離，那么轉(zhuǎn)子支撐件21可以使用硬性材料。轉(zhuǎn)子支撐件21優(yōu)選使用絕緣材料或半導(dǎo)體材料來(lái)制備，例如聚酯、橡膠；也可以使用導(dǎo)電材料制備，并且該導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)子支撐件21還可以同時(shí)起到將第二導(dǎo)電層202與外電路進(jìn)行電連接的作用，例如轉(zhuǎn)軸30是導(dǎo)體的情況下，導(dǎo)電的轉(zhuǎn)子支撐件21可以將第二導(dǎo)電層202與轉(zhuǎn)軸30電連接，而轉(zhuǎn)軸30再通過(guò)導(dǎo)線或電刷與外電路連接。轉(zhuǎn)子支撐件21可以與I個(gè)轉(zhuǎn)子20相連，例如圖2所示的實(shí)施方式；也可以同時(shí)與多個(gè)轉(zhuǎn)子20相連，例如在轉(zhuǎn)子支撐件21的一個(gè)側(cè)面上并排連接多個(gè)轉(zhuǎn)子20，或者是在轉(zhuǎn)子支撐件21的兩個(gè)側(cè)面上各連接一個(gè)轉(zhuǎn)子20 (參見(jiàn)圖4的局部放大圖)，這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)論轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)均有信號(hào)輸出。轉(zhuǎn)子支撐件21與轉(zhuǎn)子20之間可以采用本領(lǐng)域的常規(guī)方式進(jìn)行連接，例如粘結(jié)、連接件等。一種比較推薦的方式是用2個(gè)轉(zhuǎn)子20將轉(zhuǎn)子支撐件21夾持在中間，通過(guò)粘結(jié)劑或夾持件將其固定(參見(jiàn)圖4的局部放大圖)。轉(zhuǎn)子支撐件21可以采用棒狀、棍狀、片材、框架式等常規(guī)構(gòu)型，優(yōu)選柔性片材。一個(gè)發(fā)電機(jī)中可以包含多個(gè)轉(zhuǎn)子支撐件21及其上所連接的轉(zhuǎn)子20，這些轉(zhuǎn)子支撐件21最好以轉(zhuǎn)軸30為圓心對(duì)稱(chēng)分布。
[0089]轉(zhuǎn)軸30和軸承40可以使用本領(lǐng)域的常規(guī)部件，二者均可以選擇導(dǎo)體，也可以選擇絕緣體。優(yōu)選所述轉(zhuǎn)軸30的外側(cè)面為導(dǎo)電材料，此時(shí)第二導(dǎo)電層202可以與轉(zhuǎn)軸30的外側(cè)面形成電連接，再通過(guò)轉(zhuǎn)軸30與外電路連接。其中，轉(zhuǎn)軸30既可以是實(shí)心柱體，例如鋁、鐵、銅等金屬實(shí)心棒體；也可以是空心柱體，與導(dǎo)電層連接的導(dǎo)線可通過(guò)柱體的中心孔穿出與外電路相連。轉(zhuǎn)軸30和軸承40的具體形狀和尺寸本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際需要自行確定，主要考慮的因素是轉(zhuǎn)子20和定子10的相對(duì)位置，二者之間能否順利的發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦并分離，附加考慮的因素是導(dǎo)電性以及導(dǎo)線的連接方式，因?yàn)闉闈M(mǎn)足上述需求的各種變化都是本領(lǐng)域的一些常規(guī)選擇，因此這些調(diào)整都屬于本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。
[0090]動(dòng)力收集部件50是用來(lái)將外部的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為能夠帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸30進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的能量收集轉(zhuǎn)化部件。由于本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)既可以單獨(dú)使用，也可以與其他部件配合使用，因此該動(dòng)力收集部件50既可以是能夠收集自然界機(jī)械能的部件，例如風(fēng)車(chē)、水車(chē)等，也可以是與外部旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行配合連接的齒輪或其他咬合件。其中風(fēng)車(chē)和水車(chē)可以是葉片或渦輪槳式的，也可以是由杯狀物或桶狀物構(gòu)成的，杯狀物優(yōu)選為拋物錐空杯，并且所有杯的凹面都順向同一方向(參見(jiàn)圖9)。動(dòng)力收集部件50既可以固定在轉(zhuǎn)軸的一端，也可以根據(jù)需要固定在轉(zhuǎn)軸的中間位置，此時(shí)可以將多組轉(zhuǎn)子20和定子10均勻分布在動(dòng)力收集部件50的兩側(cè)。
[0091 ] 本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)還可以包含全橋整流器，將第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層直接與全橋整流器的輸入端電連接，全橋整流器的輸出端作為整個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出端，使得發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電直接變?yōu)橹绷麟娸敵觯梢灾苯佑糜谥绷麟娖鞯碾娫词褂谩?br> [0092]圖4所示的是本發(fā)明另一種典型的實(shí)施方式，具體結(jié)構(gòu)包括動(dòng)力收集部件50、定子10、定子支撐件11、轉(zhuǎn)子20、轉(zhuǎn)子支撐件21、轉(zhuǎn)軸30和2個(gè)軸承(第一軸承401、第二軸承402);動(dòng)力收集部件50位于轉(zhuǎn)軸30的一端，該部件能夠收集外部的機(jī)械能,并將其轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸30旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力；轉(zhuǎn)軸30穿過(guò)第一軸承401和第二軸承402的通孔安裝，其中第一軸承401位于轉(zhuǎn)軸30的另一端，第二軸承402位于轉(zhuǎn)軸30的中間靠近動(dòng)力收集部件50的一側(cè)；轉(zhuǎn)子支撐件21 —端固定在轉(zhuǎn)軸30上，另一端的兩個(gè)側(cè)面各與一個(gè)轉(zhuǎn)子20相連，定子支撐件11的一端與軸承40的外殼相對(duì)固定，另一端與定子10相連，使得定子10與轉(zhuǎn)子20之間能形成相對(duì)旋轉(zhuǎn)，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子20無(wú)論以順時(shí)針的方向或逆時(shí)針的方向轉(zhuǎn)到定子10所在的位置時(shí)，都能與定子10實(shí)現(xiàn)至少部分表面的接觸；轉(zhuǎn)子支撐件21和轉(zhuǎn)子均為柔性的，使得轉(zhuǎn)子20在與定子10接觸后仍能跟隨轉(zhuǎn)軸30繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并與定子10分離；定子10的外表面由導(dǎo)電材料制成，同時(shí)承擔(dān)第一摩擦層101和第一導(dǎo)電層102的作用；轉(zhuǎn)子20與定子10相接觸的表面為第二摩擦層201，第二摩擦層201的背面貼合有第二導(dǎo)電層202 ;定子10和轉(zhuǎn)子20在接觸與分離的過(guò)程中，第一摩擦層101和第二摩擦層201之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生變化(參見(jiàn)圖4中的局部放大圖)，并通過(guò)具有導(dǎo)電作用的第一摩擦層101和第二導(dǎo)電層202將由此產(chǎn)生的電信號(hào)向外電路輸出。該實(shí)施方式的優(yōu)勢(shì)在于定子10的外表面為導(dǎo)電材料，同時(shí)承擔(dān)了摩擦層和導(dǎo)電層2個(gè)功能，簡(jiǎn)化了制備工藝、降低了成本，同時(shí)轉(zhuǎn)子支撐件21的兩側(cè)均貼合有一個(gè)轉(zhuǎn)子，使得該發(fā)電機(jī)可以收集不同旋轉(zhuǎn)方向的機(jī)械能并產(chǎn)生電信號(hào)輸出。同樣的道理，也可以用導(dǎo)電材料直接制備轉(zhuǎn)子，使第二導(dǎo)電層202和第二摩擦層201合二為一，具體結(jié)構(gòu)此處不再贅述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以根據(jù)本發(fā)明上述的公開(kāi)內(nèi)容自行完成。
[0093]圖5所示的是本發(fā)明的另一種典型實(shí)施方式，主要結(jié)構(gòu)與圖1所示的實(shí)施方式相同，區(qū)別僅在于:定子支撐件11和轉(zhuǎn)子支撐件21的結(jié)構(gòu)不同、定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)滑動(dòng)摩擦方向不同。本實(shí)施方式中定子支撐件11和轉(zhuǎn)子支撐件21均為剛性結(jié)構(gòu)，并且定子10和轉(zhuǎn)子20之間的滑動(dòng)摩擦方向與轉(zhuǎn)軸30的軸向相同。這種實(shí)施方式的優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)子20和定子10接觸后的分離相對(duì)容易，對(duì)轉(zhuǎn)子20的可彎曲程度要求稍低。
[0094]為了提高發(fā)電機(jī)的靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小能量的收集利用，還可以對(duì)定子10的固定方式進(jìn)行調(diào)整，具體參見(jiàn)圖6所示的實(shí)施方式，包括動(dòng)力收集部件50、定子10、定子支撐件
11、轉(zhuǎn)子20、轉(zhuǎn)子支撐件21、轉(zhuǎn)軸30和軸承40 ;各部件的連接方式與圖4所示的實(shí)施方式基本相同，區(qū)別在于:僅有一個(gè)位于轉(zhuǎn)軸30底部的軸承40 ;定子10能夠在轉(zhuǎn)軸30旋轉(zhuǎn)的方向上發(fā)生角度為Θ的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中Θ的大小由實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸決定，該角度的大小應(yīng)保證第一摩擦層101和第二摩擦層201容易實(shí)現(xiàn)接觸、轉(zhuǎn)動(dòng)、分離的過(guò)程；定子10由2個(gè)第一摩擦層101和夾在2個(gè)摩擦層中間的第一導(dǎo)電層102構(gòu)成，轉(zhuǎn)子20由2個(gè)第二摩擦層201和夾在2個(gè)摩擦層中間的第二導(dǎo)電層202構(gòu)成；轉(zhuǎn)子支撐件21與轉(zhuǎn)子的一端相連，而不是夾在2個(gè)轉(zhuǎn)子20之間。該實(shí)施方式中，當(dāng)轉(zhuǎn)子20與定子10接觸后繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子10會(huì)在轉(zhuǎn)子20的帶動(dòng)下發(fā)生同方向旋轉(zhuǎn)，在一定程度上減少了轉(zhuǎn)子20與定子10的分離阻力，從而降低了對(duì)發(fā)電機(jī)工作的驅(qū)動(dòng)力要求，只要較小的外力就能夠驅(qū)動(dòng)定子10和轉(zhuǎn)子20的接觸及分離，使發(fā)電機(jī)能夠正常工作。同時(shí)，該實(shí)施方式通過(guò)使用雙側(cè)摩擦層的定子和轉(zhuǎn)子，使得該發(fā)電機(jī)也可以收集不同旋轉(zhuǎn)方向的機(jī)械能并產(chǎn)生電信號(hào)輸出。
[0095]圖7示出了另一種減小定子10和轉(zhuǎn)子20分離阻力的實(shí)施方式，其中虛線圈內(nèi)部示出的是沿AA’方向的剖視放大圖。本發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與圖6所示的實(shí)施方式相同，區(qū)別在于:定子10相對(duì)于定子支撐件11不可轉(zhuǎn)動(dòng)，并且定子10的內(nèi)部包含基板103，用于支撐薄層狀的第一摩擦層101和第一導(dǎo)電層102，使其具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，基板103沿所述轉(zhuǎn)軸來(lái)回旋轉(zhuǎn)方向上的兩個(gè)外側(cè)面朝向所述轉(zhuǎn)軸方向的延長(zhǎng)線相交，夾角為Θ，其中Θ的大小由實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸決定，該角度的大小應(yīng)保證第一摩擦層101和第二摩擦層201容易實(shí)現(xiàn)接觸與分尚的過(guò)程。
[0096]基板103可以選擇各種具有一定機(jī)械強(qiáng)度的絕緣材料，例如有機(jī)玻璃板、聚乙烯板、聚氯乙烯板、橡膠板或泡沫塑料板，也可以選擇具有一定機(jī)械強(qiáng)度的導(dǎo)電材料，例如金屬板或金屬塊等?；?03的形狀不僅可以是圖7中示出的橫截面為類(lèi)似扇形的結(jié)構(gòu)，還可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，例如如果發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)軸30只朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，那么基板103就可以?xún)H將與轉(zhuǎn)子接觸的那一側(cè)的表面設(shè)計(jì)成傾斜的，并且僅在這一側(cè)依次向外貼合有第一導(dǎo)電層102和第一摩擦層101即可，而另一側(cè)面的延長(zhǎng)線則可與轉(zhuǎn)軸30的徑向方向一致或平行，其上也無(wú)需設(shè)置摩擦層和導(dǎo)電層。雖然圖7中第一導(dǎo)電層102和第一摩擦層101的大小與形狀與所述基板103的外側(cè)面相同，但在其他實(shí)施方式中，卻并不一定要如此限定，可以根據(jù)所需的電信號(hào)的強(qiáng)弱或頻率來(lái)確定。這些變形都是在本發(fā)明公開(kāi)的原理下很容易得到的，因此應(yīng)該屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。
[0097]本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)可以用于對(duì)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力、風(fēng)能或水力能源的收集利用。例如，將本發(fā)明的發(fā)電機(jī)置于有氣流產(chǎn)生的環(huán)境中，以若干風(fēng)杯或葉片組成的風(fēng)車(chē)作為動(dòng)力收集部件50，并將第一導(dǎo)電層102和第二導(dǎo)電層202與能量存儲(chǔ)設(shè)備相連，再調(diào)整所述風(fēng)車(chē)的方向，使其能夠在氣流的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。被吹動(dòng)的風(fēng)車(chē)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸30發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)子20與定子10發(fā)生周期性的接觸和分離，產(chǎn)生交流電信號(hào)向外輸出。同樣的道理，將上述任一款旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)置于有水流產(chǎn)生的環(huán)境中，所述動(dòng)力收集部件50由若干葉片或渦輪槳組成，并將第一導(dǎo)電層102和第二導(dǎo)電層202與能量存儲(chǔ)設(shè)備相連，調(diào)整所述動(dòng)力收集部件50的方向，使其能夠在水流的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電信號(hào)向外輸出。
[0098]本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)輸出的電信號(hào)與流體流速具有明顯的正相關(guān)性，即流速越快，轉(zhuǎn)子20與定子10接觸和分離的頻率就越高，短路電流的峰值和頻率都隨之增加。因此本發(fā)明的發(fā)電機(jī)還可以用來(lái)測(cè)量即時(shí)的流體流速，只需將發(fā)電機(jī)和電流檢測(cè)裝置連接即可，其中第一導(dǎo)電層102和第二導(dǎo)電層202與電流檢測(cè)裝置形成回路。通過(guò)分析輸出的電流信號(hào)，即可獲得流速的相關(guān)信息。
[0099]實(shí)施例1
[0100]本實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括:由20個(gè)葉片組成的風(fēng)車(chē)型動(dòng)力收集部件；由第一摩擦層聚酰亞胺層、第一導(dǎo)電層金屬Cu膜形成的定子；由第二摩擦層聚鄰苯二甲酸二烯丙酯層、第二導(dǎo)電層Ag膜形成的轉(zhuǎn)子；由聚酯棒形成的定子支撐件；由橡膠薄片制成的柔性轉(zhuǎn)子支撐件；由銅棒做成的轉(zhuǎn)軸；和合金軸承面的接觸。用吹風(fēng)機(jī)吹動(dòng)風(fēng)車(chē)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到定子所在的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子上的第二摩擦層與定子上的第一摩擦層接觸，此后轉(zhuǎn)子支撐件在轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下傾向于繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，由于定子的阻擋，轉(zhuǎn)子支撐件發(fā)生彎曲，隨著轉(zhuǎn)軸的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子支撐件彎曲程度加大、對(duì)轉(zhuǎn)子的拉力逐漸增加，當(dāng)拉力大到足以克服轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦阻力和靜電引力的情況下，轉(zhuǎn)子開(kāi)始相對(duì)于定子向下滑動(dòng)，二者之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，使得二者的接觸面積逐漸減小直至完全分離，該過(guò)程產(chǎn)生的電流通過(guò)第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層向外電路輸出。此后隨著氣流帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子支撐件以及轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子和定子重復(fù)上述過(guò)程發(fā)生周期性的接觸和分離，發(fā)電機(jī)向外電路輸出電信號(hào)。圖8為本發(fā)電機(jī)工作時(shí),輸出的電信號(hào)點(diǎn)亮164個(gè)LED燈泡的實(shí)時(shí)照片。
[0101]實(shí)施例2
[0102]本發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖9，包括:由3個(gè)風(fēng)杯組成的風(fēng)車(chē)50位于轉(zhuǎn)軸30的頂端；2組由Al板制備的定子10分別固定在由聚丙烯酸酯做成的矩形框架式定子支撐件11的內(nèi)部，為了便于保持平衡，使用了 4個(gè)定子支撐件，并且這些定子支撐件以轉(zhuǎn)軸30為中心對(duì)稱(chēng)分布，其中的2個(gè)用于固定定子，另外的2個(gè)僅起到平衡作用；聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作為轉(zhuǎn)子20上的第二摩擦層，在其背后沉積一層金屬銅膜作為第二導(dǎo)電層后，再黏附到由聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)柔性薄片做成的轉(zhuǎn)子支撐件21上，使得金屬銅膜被夾在轉(zhuǎn)子支撐件21和第二摩擦層之間；金屬轉(zhuǎn)軸30位于整個(gè)發(fā)電機(jī)的中心，穿過(guò)兩個(gè)軸承40的中心孔固定；為保證發(fā)電機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)固性，在轉(zhuǎn)軸30的底部安裝了一個(gè)較重的底座60，使得發(fā)電機(jī)在強(qiáng)風(fēng)的作用下也能保持不倒。與實(shí)施例1的工作原理相同，在氣流作用下，風(fēng)車(chē)50帶動(dòng)定子10與轉(zhuǎn)子20發(fā)生周期性的接觸和分離，從而產(chǎn)生電信號(hào)通過(guò)兩個(gè)導(dǎo)電層向外電路輸出。
[0103]為了增加兩個(gè)摩擦層的接觸面積、提高摩擦效率，在第二摩擦層PTFE的表面形成微納結(jié)構(gòu)，具體制備過(guò)程如下:在清潔的聚四氟乙烯(Teflon)薄膜表面用濺射儀沉積約10納米厚的金，之后將聚四氟乙烯(Teflon)薄膜放入電感耦合等離子體刻蝕機(jī)中，對(duì)沉積有金的一面進(jìn)行刻蝕，通入02、Ar和CF4氣體,流量分別控制在lOsccm、15sccm和30sccm,壓強(qiáng)控制在15mTorr，工作溫度控制在55°C，用400瓦的功率來(lái)產(chǎn)生等離子體，100瓦的功率來(lái)加速等離子體，進(jìn)行約40秒鐘的刻蝕，得到基本垂直于絕緣薄膜層的長(zhǎng)度約為700納米的高分子聚四氟乙烯(Teflon)納米線陣列(參見(jiàn)圖10)。在具體實(shí)施過(guò)程中，聚四氟乙烯(Teflon)薄膜的尺寸和形狀可以有多種選擇，在此不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0104]對(duì)制得的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了輸出性能測(cè)試，具體測(cè)試過(guò)程為，將測(cè)試設(shè)備(利用Keithley6514靜電計(jì)測(cè)量電壓,利用Stanford Research System的SR570測(cè)量電流)的一端接頭通過(guò)導(dǎo)線與靜電發(fā)電機(jī)的定子上的金屬薄膜相連，并將測(cè)試設(shè)備的另一端接頭通過(guò)電刷與金屬轉(zhuǎn)軸相連，金屬轉(zhuǎn)軸通過(guò)導(dǎo)線與轉(zhuǎn)子上的金屬薄膜相連；然后，利用壓縮空氣式噴槍吹動(dòng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)杯；這樣，靜電發(fā)電機(jī)的風(fēng)杯帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子金屬薄膜上的高分子薄膜與定子上的金屬薄膜發(fā)生周期性的接觸和分離，形成接觸起電以及產(chǎn)生靜電荷的不斷分離和重合過(guò)程，通過(guò)測(cè)量設(shè)備可以測(cè)得所述靜電發(fā)電機(jī)的開(kāi)路電壓和短路電流。如圖11所示，測(cè)得的靜電發(fā)電機(jī)的開(kāi)路電壓(圖ΙΙ-a)和短路電流(圖ΙΙ-b)可分別高達(dá)250伏和0.25毫安，而靜電發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)輸出功率密度可達(dá)39瓦/平米。本實(shí)施例的靜電發(fā)電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)LED、LCD等電子器件工作，亦可以給鋰電池、電容器等能量存儲(chǔ)設(shè)備充電。
[0105]實(shí)施例3
[0106]將實(shí)施例2的靜電發(fā)電機(jī)用于風(fēng)速測(cè)量。
[0107]如圖12所示，在不同風(fēng)速條件下，即當(dāng)風(fēng)速?gòu)?.3m/s增加到20.lm/s時(shí)，開(kāi)路電壓呈現(xiàn)出先增加而后飽和的趨勢(shì)，而短路電流呈現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢(shì)。此外，如圖13所示，在不同風(fēng)速條件下，即當(dāng)風(fēng)速?gòu)?.3m/s增加到20.lm/s時(shí)，每?jī)蓚€(gè)峰值電流的時(shí)間間隔縮短，即單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的電流脈沖數(shù)增加。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)測(cè)量所得的電流電壓值以及單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的電流脈沖數(shù)得到實(shí)時(shí)風(fēng)速信息。因此，本發(fā)明的靜電發(fā)電機(jī)可用于實(shí)時(shí)風(fēng)速測(cè)量。
[0108]實(shí)施例4
[0109]本發(fā)明的靜電發(fā)電機(jī)還可以包括全橋整流器，參見(jiàn)圖14，所述全橋整流器P的兩個(gè)輸入端連接實(shí)施例1或2中的風(fēng)能靜電納米發(fā)動(dòng)機(jī)M的定子上的第一導(dǎo)電層和轉(zhuǎn)子上的第二導(dǎo)電層，兩個(gè)輸出端為靜電發(fā)電機(jī)的輸出端，通過(guò)全橋整流電路整理后的峰值電流信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光二極管L等電器工作。開(kāi)關(guān)K用來(lái)控制LED的工作。
[0110]本實(shí)施例中的靜電發(fā)電機(jī)可以作為直流脈沖電源用于為商用手機(jī)等便攜設(shè)備的鋰離子電池充電(見(jiàn)圖15)。具體的，在充電之前，手機(jī)電池G基本耗盡，手機(jī)開(kāi)啟之后會(huì)立即自動(dòng)關(guān)機(jī)；當(dāng)用靜電發(fā)電機(jī)的全橋整流器P的輸出端為手機(jī)電池充電之后，手機(jī)電池可以驅(qū)動(dòng)手機(jī)正常工作，商用手機(jī)可以正常開(kāi)啟并撥出電話(huà)。開(kāi)關(guān)K用來(lái)控制充電的開(kāi)始和結(jié)束。
[0111]上述各實(shí)施例中的發(fā)電機(jī)中各部分采用的材料還可以有多種選擇，不限于列出的材料，具有相似性質(zhì)的材料都可以作為本發(fā)明中靜電發(fā)電機(jī)的材料。
[0112]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)，包括: 動(dòng)力收集部件、定子、定子支撐件、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子支撐件、轉(zhuǎn)軸和軸承； 其中，所述動(dòng)力收集部件固定在所述轉(zhuǎn)軸上，能夠在外力的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn); 所述轉(zhuǎn)軸穿過(guò)所述軸承的通孔安裝； 所述轉(zhuǎn)子支撐件一端固定在所述轉(zhuǎn)軸上，另一端與所述轉(zhuǎn)子相連， 所述定子支撐件的一端與所述軸承的外殼相對(duì)固定，另一端與所述定子相連，使得所述定子與所述轉(zhuǎn)子之間能形成相對(duì)旋轉(zhuǎn)，并且在所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到所述定子所在的位置時(shí)，能與所述定子實(shí)現(xiàn)至少部分表面的接觸； 所述轉(zhuǎn)子支撐件、轉(zhuǎn)子、定子支撐件和定子中至少一個(gè)為柔性的，使得所述轉(zhuǎn)子在與所述定子接觸后仍能跟隨所述轉(zhuǎn)軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并與所述定子分離； 所述定子與所述轉(zhuǎn)子相接觸的表面為第一摩擦層，所述第一摩擦層的背面貼合有第一導(dǎo)電層； 所述轉(zhuǎn)子與所述定子相接觸的表面為第二摩擦層，所述第二摩擦層的背面貼合有第二導(dǎo)電層； 所述定子和所述轉(zhuǎn)子在接觸與分離的過(guò)程中，所述第一摩擦層和所述第二摩擦層之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦并且摩擦面積發(fā)生變化，并通過(guò)所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層將由此產(chǎn)生的電信號(hào)向外電路輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的`發(fā)電機(jī)，其特征在于所述第一摩擦層和第二摩擦層的材料之間存在摩擦電極序差異。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述第一摩擦層和第二摩擦層的材料不同，分別選自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹(shù)脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹(shù)脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、派瑞林、玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、非導(dǎo)電性氧化物、半導(dǎo)體氧化物和復(fù)雜氧化物、金屬、銦錫氧化物ITO、摻雜的半導(dǎo)體和導(dǎo)電有機(jī)物中的至少一種或幾種的組合。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述第一摩擦層的材料選自苯胺甲醛樹(shù)月旨、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺尼龍11、聚酰胺尼龍66、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維素海綿、棉及其織物、聚氨酯彈性體、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木頭、硬橡膠、醋酸酯、人造纖維、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、銅、鋁、金、銀和鋼，和/或，所述第二摩擦層的材料選自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林。
5.如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述第一摩擦層為導(dǎo)電材料，并且所述第一摩擦層和第一導(dǎo)電層合二為一；或者，所述第二摩擦層為導(dǎo)電材料，并且所述第二摩擦層和第二導(dǎo)電層合二為一。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述第一摩擦層為剛性導(dǎo)電板。
7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述第一摩擦層和/或第二摩擦層的表面具有微納結(jié)構(gòu)，所述微納結(jié)構(gòu)選自納米線、納米棒、納米管、納米顆粒、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球和微米球，或由上述一種或幾種結(jié)構(gòu)形成的陣列。
8.如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述第一摩擦層和第二摩擦層的形狀與大小均相同，并且在所述定子與轉(zhuǎn)子相接觸時(shí)，所述第一摩擦層和第二摩擦層完全重合。
9.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī),其特征在于所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層選自金屬、導(dǎo)電氧化物、摻雜的半導(dǎo)體以及導(dǎo)電有機(jī)物。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述金屬選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、鉻或硒，以及由上述金屬形成的合金；所述導(dǎo)電氧化物為銦錫氧化物ITO ;所述導(dǎo)電有機(jī)物選自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類(lèi)化合物、聚苯胺或聚噻吩。
11.如權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子在沿所述轉(zhuǎn)軸來(lái)回旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)方向上的兩個(gè)側(cè)面均依次向外設(shè)有所述第一導(dǎo)電層和所述第一摩擦層；和/或，所述轉(zhuǎn)子在沿所述轉(zhuǎn)軸來(lái)回旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)方向上的兩個(gè)側(cè)面均依次向外設(shè)有所述第二導(dǎo)電層和第二摩擦層。
12.如權(quán)利要求ι-ll任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子還包括基板，用于支撐所述第一導(dǎo)電層和第一摩擦層。
13.如權(quán)利要求12所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述基板為有機(jī)玻璃板、聚乙烯板、聚氯乙烯板或泡沫塑料板。
14.如權(quán)利要求12或13所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述第一導(dǎo)電層和第一摩擦層的大小與形狀與所述基板的外側(cè)面相同。
15.如權(quán)利要求12-14任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述基板沿所述轉(zhuǎn)軸來(lái)回旋轉(zhuǎn)方向上的兩個(gè)外側(cè)面朝向所述轉(zhuǎn)軸方向的延長(zhǎng)線相交。
16.如權(quán)利要求1-15任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子能夠在所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向上發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
17.如權(quán)利要求1-16任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子支撐件為剛性框架，所述定子位于所述框架內(nèi)遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)軸的一端。
18.如權(quán)利要求17所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述框架為矩形的。
19.如權(quán)利要求1-18任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述定子支撐件由輕質(zhì)剛性材料構(gòu)成，所述輕質(zhì)剛性材料選自有機(jī)玻璃、聚乙烯或聚氯乙烯。
20.如權(quán)利要求1-19任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于包括2個(gè)以上所述定子支撐件及其上連接的所述定子，所述定子支撐件以所述轉(zhuǎn)軸為圓心均勻分布，和/或，包括2個(gè)以上所述轉(zhuǎn)子支撐件及其上連接的所述轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子支撐件以所述轉(zhuǎn)軸為圓心均勻分布。
21.如權(quán)利要求1-20任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子支撐件為柔性片材，在其遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸一端的至少一個(gè)側(cè)面上貼合有所述轉(zhuǎn)子。
22.如權(quán)利要求1-21任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子支撐件選自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹(shù)月旨、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹(shù)脂、丁二烯丙烯共聚物、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、派瑞林、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類(lèi)化合物、聚苯胺、聚噻吩和聚酰胺尼龍。
23.如權(quán)利要求1-22任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述動(dòng)力收集部件位于所述轉(zhuǎn)軸的一端。
24.如權(quán)利要求1-23任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述動(dòng)力收集部件為由若干杯狀物、桶狀物、葉片或渦輪槳組成的風(fēng)車(chē)或水車(chē)。
25.如權(quán)利要求24所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述風(fēng)杯為拋物錐空杯，并且所有風(fēng)杯的凹面都順向同一方向。
26.如權(quán)利要求1-25任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī),其特征在于所述轉(zhuǎn)軸的外側(cè)面為導(dǎo)電材料，并且所述第二導(dǎo)電層與所述轉(zhuǎn)軸的外側(cè)面電連接。
27.如權(quán)利要求26所述的發(fā)電機(jī),其特征在于所述轉(zhuǎn)軸為金屬棒。
28.如權(quán)利要求1-27任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)軸為中空結(jié)構(gòu)，所述第二導(dǎo)電層與外電路相連的導(dǎo)線通過(guò)所述中空結(jié)構(gòu)穿出。
29.如權(quán)利要求1-28任一項(xiàng)所述的發(fā)電機(jī)，其特征在于還包括全橋整流器。
30.一種風(fēng)力發(fā)電方法,`其特征在于:將權(quán)利要求1-29任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)置于有氣流產(chǎn)生的環(huán)境中，所述動(dòng)力收集部件為由若干風(fēng)杯或葉片組成的風(fēng)車(chē)，并將所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層與能量存儲(chǔ)設(shè)備相連，調(diào)整所述風(fēng)車(chē)的方向，使其能夠在氣流的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
31.一種水力發(fā)電方法，其特征在于:將權(quán)利要求1-29任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)靜電發(fā)電機(jī)置于有水流產(chǎn)生的環(huán)境中，所述動(dòng)力收集部件由若干葉片或渦輪槳組成，并將所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層與能量存儲(chǔ)設(shè)備相連，調(diào)整所述動(dòng)力收集部件的方向，使其能夠在水流的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
32.一種流體流速測(cè)量裝置，其特征在于包括權(quán)利要求1-29任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)式靜電發(fā)電機(jī)和電流檢測(cè)裝置，所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層與所述電流檢測(cè)裝置形成回路。
【文檔編號(hào)】H02N1/04GK103780129SQ201310201386
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月27日
【發(fā)明者】謝燕楠, 王思泓, 王中林 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心