定子20，其中，轉(zhuǎn)子10的下表面設(shè)置有摩擦層，所述摩擦層由若干摩擦單元101以旋轉(zhuǎn)軸P為圓心向外輻射排列而成，優(yōu)選相鄰兩個摩擦單元之間的距離相等，參見圖3 ;定子20包括隔離層201和設(shè)置在隔離層201下表面的電極層，所述電極層為在同一平面內(nèi)間隔設(shè)置的若干第一電極單元202和若干第二電極單元203，并且第一電極單元202和第二電極單元203均以定子的轉(zhuǎn)軸為圓心向外輻射排列，參見圖4，所有第一電極單元202串聯(lián)連接形成第一電極，所有第二電極單元203串聯(lián)連接形成第二電極；摩擦單元101與隔離層201的表面材料存在得失電子能力差異；在外力F作用下，轉(zhuǎn)子10與定子20以轉(zhuǎn)軸P為軸互相轉(zhuǎn)動，隔離層201與兩個電極層緊密貼合，使摩擦層的摩擦單元101與隔離層201上表面滑動摩擦，摩擦層表面所帶有的摩擦凈電荷隨其一起移動，導(dǎo)致兩個電極層間的感應(yīng)電勢差發(fā)生周期性變化，驅(qū)動電極層向外電路輸出交流電信號。磁電感應(yīng)發(fā)電組件包括:磁鐵部件和線圈部件，分別設(shè)置在轉(zhuǎn)子10和定子20上，其中，磁鐵部件包括m對磁體301，m對磁體301按照N，S極交替排列均勻分布在以轉(zhuǎn)軸P為軸的同一圓周(m多1)，線圈部件包括2m個線圈302，2m個線圈302均勻分布在以轉(zhuǎn)軸P為軸的同一圓周上。磁鐵部件和線圈部件在轉(zhuǎn)子10和定子20互相轉(zhuǎn)動的帶動下，磁鐵部件和線圈部件產(chǎn)生相對運(yùn)動，線圈302切割磁體301的磁力線，在線圈302中產(chǎn)生感應(yīng)電流。優(yōu)選的，轉(zhuǎn)子與定子互相轉(zhuǎn)動過程中，m對磁體與2m個線圈的位置——對應(yīng)。
[0045]本實(shí)施例中，磁鐵部件固定設(shè)置在轉(zhuǎn)子10上，線圈部件固定設(shè)置在定子20上。具體的，磁鐵部件的m對磁體301固定設(shè)置在轉(zhuǎn)子10上表面，線圈部件的2m個線圈固定設(shè)置在定子20的電極層下表面。上述磁體和線圈的個數(shù)以及設(shè)置方式為優(yōu)選方式，在其他實(shí)施例中也可以采用其他設(shè)置方式和個數(shù)。
[0046]當(dāng)在摩擦納米發(fā)電組件的轉(zhuǎn)子10或者定子20施加壓力F時，一方面，由于摩擦層的摩擦單元101和隔離層201材料存在得失電子能力差異，根據(jù)摩擦效應(yīng)，將在兩個互相接觸的表面聚集不同的電荷，在定子10與轉(zhuǎn)子20相對轉(zhuǎn)動過程中，這些電荷都將保持在摩擦單元101和隔離層201的表面，在一定時間內(nèi)幾乎不會發(fā)生流動或者衰減。由于隔離層201始終相對于電極層的兩個電極單元201和202保持靜止，因此隔離層201表面所帶的電荷在兩個電極層間產(chǎn)生的感應(yīng)電勢差始終保持不變，不會給電流的產(chǎn)生提供驅(qū)動力。因此，摩擦單元101上的靜電荷將隨其轉(zhuǎn)動一起移動，并且在交替靠近兩個電極層時，反復(fù)改變兩個電極層間的感應(yīng)電勢差，從而吸引電極回路中所帶的異號電荷在兩個電極層(第一電極單元202和第二電極單元203)之間移動，對外輸出交流電信號；同時磁電感應(yīng)發(fā)電組件的磁鐵部件和線圈部件在兩個發(fā)電部件的帶動下相對運(yùn)動，使m對磁鐵301在2m個線圈302中的磁通量產(chǎn)生變化，在線圈302中產(chǎn)生感生電動勢，可以在外電路中產(chǎn)生交流電流輸出。
[0047]本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式復(fù)合型納米發(fā)電機(jī)，通過兩個電極集成在同一平面(間隔設(shè)置的若干個第一電極單元202和第二電極單元203)、摩擦層與電極層相對旋轉(zhuǎn)的平面旋轉(zhuǎn)摩擦電發(fā)電組件和軸向磁電發(fā)電組件的設(shè)計，使旋轉(zhuǎn)的機(jī)械運(yùn)動，同時產(chǎn)生摩擦發(fā)電和磁電發(fā)電，極大的提高了發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率和輸出電流，而且采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計同時也減小了器件體積。摩擦納米發(fā)電組件的兩個電極層集成在同一平面顯著增加了表面電荷的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移效率，同時轉(zhuǎn)子10與定子20通過旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)滑動摩擦，大幅提高了電荷輸出的頻率；盤式軸向磁電發(fā)電組件的設(shè)計在提高能量轉(zhuǎn)化效率同時減小了器件體積。因此，本發(fā)明的發(fā)電機(jī)可以獲得高達(dá)毫安級的電流輸出，足以給很多日常的小型電器供電。
[0048]摩擦納米發(fā)電組件的定子和轉(zhuǎn)子只是為了方便的名稱，在實(shí)際中定子和轉(zhuǎn)子可以都是轉(zhuǎn)動部件，也可以將其中一個固定，例如將定子固定，轉(zhuǎn)子可以圍繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動的物體(提供外力F)連接，帶動轉(zhuǎn)子相對與定子轉(zhuǎn)動，使摩擦層的摩擦單元101交替靠近兩個電極層中的電極單元201和202，使摩擦納米發(fā)電組件的兩個電極之間有交流電信號輸出。
[0049]在實(shí)際操作中，參見圖2，可以將m對磁體301固定在一個圓盤上共同形成磁體部件，將該圓盤與轉(zhuǎn)子的上表面固定；同樣，2m個線圈302也可以固定在另一個圓盤上共同形成線圈部件，將該圓盤與定子的下表面固定。
[0050]參見圖1，隔離層201可以為薄層結(jié)構(gòu)的絕緣材料，厚度為1nm至1mm。相應(yīng)的，第一電極和第二電極也可以為薄層結(jié)構(gòu)。
[0051]轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使的摩擦層中的摩擦單元交替靠近第一電極單元和第二電極單元，優(yōu)選摩擦單元101不能同時覆蓋相鄰的第一電極單元202或第二電極單元203。若干個第一電極單元202和第二電極單元203形成的第一電極和第二電極的尺寸和形狀優(yōu)選為相同或者互補(bǔ)，如圖3中所示，第一電極單元和第二電極單元均可以為扇形結(jié)構(gòu)，更優(yōu)選的，第一電極單元和第二電極單元各自的頂角相同，更優(yōu)選的，摩擦單元為與第一電極單元頂角相同的扇形，并且，摩擦單元、第一電極單元和第二電極單元各自的半徑基本相同，即摩擦單元、第一電極單元202和第二電極單元203的和形狀相同、尺寸基本相同，均為獨(dú)立的扇形或頂點(diǎn)被同心圓切割后形成的部分扇形單元。見圖3，第二電極單元203的上表面為扇形或頂點(diǎn)被同心圓切割后形成的部分扇形，第一電極單元202以互補(bǔ)的方式填充在相鄰兩個第二電極單元之間，所有第一電極單元202的外側(cè)互相連接形成封閉的外邊緣，所有第二電極單元203的內(nèi)側(cè)互相連接形成封閉的內(nèi)邊緣，或者，所有第一電極單元202的內(nèi)側(cè)互相連接形成封閉的內(nèi)邊緣，所有第二電極單元203的外側(cè)互相連接形成封閉的外邊緣。
[0052]第一電極單元202和第二電極單元203可以采用任意的導(dǎo)體材料，優(yōu)選為金屬材料，所述金屬材料選自金、鈾、銅、招、銀中的一種，可以通過磁控濺射、蒸鍍和印刷打印技術(shù)制備。
[0053]第一電極12和第二電極22優(yōu)選地，所述的金屬電極層可以直接選用金屬薄片，例如鋁箔，也可以通過磁控濺射、蒸鍍和印刷打印技術(shù)在摩擦件表面制備.
[0054]相鄰的第一電極單元202和第二電極單元203互相不連接，之間的分隔距離為1nm-1cm0
[0055]第一電極單元或第二電極單元為扇形或部分扇形時，為了避免電場邊緣效應(yīng)，最小弧長和電極單元的厚度之比優(yōu)選為0.01至1000。
[0056]同樣，摩擦單元的形狀可以為扇形或者部分扇形，優(yōu)選為與第一電極單元202和第二電極單元203尺寸和形狀相同的扇形，以使摩擦單元能夠與隔離層具有較大的面積，在滑動過程中帶有盡可能多的表面電荷，并且在轉(zhuǎn)動過程中不會同時覆蓋相鄰的兩個第一電極單元(或者相鄰的兩個第二電極單元)，使摩擦納米發(fā)電組件具有更高的發(fā)電效率。
[0057]本發(fā)明中的磁鐵301可以為釹鐵硼、鋁鎳鈷、釤鈷、鐵氧體等磁鐵，優(yōu)選釹鐵硼磁鐵。參見圖5，線圈302優(yōu)選為單相、同心式繞組平面環(huán)形線圈，可以將所有環(huán)形線圈相互串聯(lián)。線圈302尺寸與磁鐵301的尺寸相當(dāng)，優(yōu)選為環(huán)形線圈的直徑大小與磁鐵大小相等。采用的每個線圈的匝數(shù)不做特別限定，優(yōu)選大于100匝。
[0058]圖1和圖2中，磁鐵部件固定設(shè)置在轉(zhuǎn)子的上表面上，線圈部件固定設(shè)置在定子的下表面上。在其他實(shí)施例中，磁鐵部件與線圈部件的位置可以互換。
[0059]摩擦納米發(fā)電組件中，在轉(zhuǎn)子10與定子20互相轉(zhuǎn)動過程中能夠在電極層中產(chǎn)生交流電信號輸出的關(guān)鍵是摩擦單元與定子(例如隔離層201)互相接觸的表面的材料存在得失電子能力差異，摩擦單元101的材料可以為半導(dǎo)體、導(dǎo)體和絕緣體材料。所述絕緣材料為常見的各種絕緣材料，優(yōu)選為聚合物絕緣材料，可以選自甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯、聚異丁烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氯醚、聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚丙烯腈、聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂、聚雙苯酚碳酸酯中的一種或幾種的疊加。
[0060]隔離層201為定子上表面，可以為上述的絕緣材料，只要與摩擦單元材料的材料存在得失電子能力差異即可。定子20中包括的隔離層201，除了與摩擦單元101互相滑動摩擦提供一個摩擦表面外，還可以起到保護(hù)第一電極單元202和第二電極單元203的作用。第一電極單元和第二電極單元可以通過磁控濺射等方法制備在隔離層的下表面，也可以將第一電極單元和第二電極單元制備在基底上形成電極層，然后將隔離層設(shè)置在電極層上。
[0061]在摩擦單元101的材料選擇絕緣材料或者半導(dǎo)體材料時，由于電極層通常采用的導(dǎo)電材料與絕緣材料或者半導(dǎo)體材料存在得失電子能力差異，因此，定子20中的隔離層201可以省略，此時，定子的上表面為電極層(若干交替設(shè)置的第一電極單元202和第二電極單元203)，摩擦單元與電極層中的第一電極單元和第二電極單元互相滑動摩擦，特別是摩擦單元采用絕緣材料的情況，同樣可以在兩個電極單元之間形成電勢差，隨著轉(zhuǎn)子與定子的不斷轉(zhuǎn)動，可以在第一電極與第二電極之間形成交流電輸出。本發(fā)明中，只要保