本發(fā)明涉及微能量采集，尤其是涉及一種能量采集增效裝置。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)護(hù)、家庭自動化以及交通控制等領(lǐng)域，受到了人們的廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)基于化學(xué)電池的供電方式具有壽命短、更換難、成本高等局限性，供電問題已成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的一大障礙。振動在環(huán)境中無處不在，采集環(huán)境中的振動能并將其轉(zhuǎn)化為電能，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)電源為無線傳感網(wǎng)絡(luò)供電已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2、近年來，隨著摩擦納米發(fā)電研究的深入，摩擦納米發(fā)電機(jī)已被廣泛研究應(yīng)用于環(huán)境能量的收集與轉(zhuǎn)換。但在實際應(yīng)用中，由于環(huán)境振動源具有不穩(wěn)定性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，此類能量采集裝置大多存在能量轉(zhuǎn)換效率低等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有的振動能量采集裝置無法高效地實現(xiàn)摩擦納米發(fā)電的問題，發(fā)明了一種基于摩擦納米發(fā)電的采集振動微能量的增效裝置。

2、本發(fā)明通過如下技術(shù)方案來解決上述存在的技術(shù)問題：一種能量采集增效裝置，包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、摩擦發(fā)電組件和電磁發(fā)電組件；

3、所述的驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括錐齒輪組和轉(zhuǎn)子，所述錐齒輪組包括同軸反轉(zhuǎn)設(shè)置的第一錐齒輪和第二錐齒輪，所述轉(zhuǎn)子連接于所述錐齒輪組；

4、所述的摩擦發(fā)電組件包括用于互相摩擦以產(chǎn)生電能的第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件，所述第一發(fā)電部件固定于所述第一錐齒輪，所述第二發(fā)電部件固定于所述第二錐齒輪；

5、所述的電磁發(fā)電組件包括線圈和磁鐵，所述第一發(fā)電部件或所述第一錐齒輪上設(shè)有所述線圈和所述磁鐵其中之一者，所述第二發(fā)電部件或所述第二錐齒輪上設(shè)有所述線圈和所述磁鐵其中之另一者；

6、當(dāng)所述轉(zhuǎn)子因外界振動而轉(zhuǎn)動時，會帶動所述第一錐齒輪與第二錐齒輪反向轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動所述摩擦發(fā)電組件和所述的電磁發(fā)電組件增效發(fā)電。

7、本發(fā)明提出的一種能量采集增效裝置，通過轉(zhuǎn)子，將環(huán)境多方向振動轉(zhuǎn)化成兩個錐齒輪的反轉(zhuǎn)，從而帶動摩擦發(fā)電組件的第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件、電磁發(fā)電組件的線圈和磁鐵同時反轉(zhuǎn)；對于摩擦發(fā)電組件，一方面，因第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件反轉(zhuǎn)而增效發(fā)電，另一方面，產(chǎn)生的電荷又因受到洛倫茲力的影響而聚集，進(jìn)一步提高了能量采集效率；對于電磁發(fā)電組件，線圈和磁鐵同時反轉(zhuǎn)，線圈切割磁感線的速度提高一倍，同樣起到增效發(fā)電的效果。如此設(shè)置，一方面利用兩個錐齒輪的反轉(zhuǎn)同時摩擦發(fā)電組件和電磁發(fā)電組件的增效發(fā)電，另一方面，又利用電磁發(fā)電組件的磁場提供的洛倫茲力，進(jìn)一步提高了摩擦發(fā)電組件產(chǎn)生的摩擦電的采集效率，有效的實現(xiàn)了振動微能量的放大，顯著的提高了振動能量的采集效率。

8、在一較佳實施例中，所述錐齒輪組還包括第三錐齒輪，所述第三錐齒輪分別與所述第一錐齒輪和所述第二錐齒輪嚙合。如此設(shè)置，實現(xiàn)第一錐齒輪和第二錐齒輪的反轉(zhuǎn)。

9、在一較佳實施例中，所述的摩擦發(fā)電組件設(shè)置于所述第一錐齒輪和第二錐齒輪之間；其中，所述第一發(fā)電部件固定于所述第一中心軸，或所述第一發(fā)電部件固定于所述第一錐齒輪的內(nèi)側(cè)齒輪面；所述第二發(fā)電部件固定于所述第二錐齒輪的第二中心軸，或所述第二發(fā)電部件固定于所述第一錐齒輪的內(nèi)側(cè)齒輪面。如此設(shè)置，通過將摩擦發(fā)電組件設(shè)置于第一錐齒輪和第二錐齒輪之間，進(jìn)一步提高了整體裝置設(shè)置的緊湊性。同時，如此設(shè)置，提供了在摩擦發(fā)電組件設(shè)置于第一錐齒輪和第二錐齒輪之間時，第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件的四種設(shè)置方式，即所述第一發(fā)電部件固定于所述第一中心軸，所述第二發(fā)電部件固定于所述第二錐齒輪的第二中心軸；或所述第一發(fā)電部件固定于所述第一中心軸，所述第二發(fā)電部件固定于所述第一錐齒輪的內(nèi)側(cè)齒輪面；或所述第一發(fā)電部件固定于所述第一錐齒輪的內(nèi)側(cè)齒輪面，所述第二發(fā)電部件固定于所述第一錐齒輪的第二中心軸；或所述第一發(fā)電部件固定于所述第一錐齒輪的內(nèi)側(cè)齒輪面，所述第二發(fā)電部件固定于所述第一錐齒輪的內(nèi)側(cè)齒輪面。

10、在一較佳實施例中所述的摩擦發(fā)電組件設(shè)置于所述第一錐齒輪的外側(cè)，所述第一錐齒輪的第一中心軸呈中空管狀，所述第二錐齒輪的第二中心軸至少部分從所述第一中心軸內(nèi)穿出，所述第二發(fā)電部件套設(shè)于所述第二中心軸穿出所述第一中心軸的部分上，所述第一發(fā)電部件設(shè)置于所述第一錐齒輪的外側(cè)齒輪面，或所述第一發(fā)電部件套設(shè)于所述第一中心軸；

11、或者，所述的摩擦發(fā)電組件設(shè)置于所述的第二錐齒輪的外側(cè)，所述第二錐齒輪的第二中心軸呈中空管狀，所述第一錐齒輪至少部分從所述第二中心軸內(nèi)穿出，所述第一發(fā)電部件套設(shè)于所述第一中心軸穿出所述第二中心軸的部分上，所述第二發(fā)電部件設(shè)置于所述第二錐齒輪的外側(cè)齒輪面，或第二發(fā)電部件套設(shè)于所述第二中心軸。如此設(shè)置，使得摩擦發(fā)電組件設(shè)置于所述第一錐齒輪或第二錐齒輪的外側(cè)時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)能夠?qū)h(huán)境振動轉(zhuǎn)換成第一錐齒輪與第二錐齒輪反向轉(zhuǎn)動，并傳遞給摩擦發(fā)電組件和電磁發(fā)電組件，從而實現(xiàn)增效發(fā)電，且在這種設(shè)置方式下，可適當(dāng)縮小錐齒輪的尺寸，適當(dāng)放大第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件的尺寸，進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)化效率。同時，提供了在摩擦發(fā)電組件設(shè)置于第一錐齒輪的外側(cè)時，第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件的兩種設(shè)置方式，即第二發(fā)電部件套設(shè)于第二中心軸穿出第一中心軸的部分上，第一發(fā)電部件設(shè)置于第一錐齒輪的外側(cè)齒輪面；或第二發(fā)電部件套設(shè)于第二中心軸穿出第一中心軸的部分上，第一發(fā)電部件套設(shè)于所述第一中心軸；其中，第一發(fā)電部件直接設(shè)置于第一錐齒輪的外側(cè)齒輪面，除了能夠?qū)崿F(xiàn)第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件的反轉(zhuǎn)，還進(jìn)一步簡化了結(jié)構(gòu)，提高了整體裝置設(shè)置的緊湊性。還提供了摩擦發(fā)電組件設(shè)置于第二錐齒輪的外側(cè)時，第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件的兩種設(shè)置方式，即可以是所述第一發(fā)電部件套設(shè)于所述第一中心軸穿出所述第二中心軸的部分上，所述第二發(fā)電部件設(shè)置于所述第二錐齒輪的外側(cè)齒輪面；或第一發(fā)電部件套設(shè)于所述第一中心軸穿出所述第二中心軸的部分上，第二發(fā)電部件套設(shè)于所述第二中心軸。其中，第二發(fā)電部件直接設(shè)置于所述第二錐齒輪的外側(cè)齒輪面，除了能夠?qū)崿F(xiàn)第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件的反轉(zhuǎn)，還進(jìn)一步簡化了結(jié)構(gòu)，提高了整體裝置設(shè)置的緊湊性。

12、在一較佳實施例中，所述轉(zhuǎn)子包括連桿和質(zhì)量塊，所述連桿的一端與所述第一錐齒輪、所述第二錐齒輪、所述第三錐齒輪中一者的中心軸固定連接，另一端設(shè)有所述質(zhì)量塊。如此設(shè)置，使得質(zhì)量塊在外部低頻振動的帶動下，可在360°范圍內(nèi)甩動，從而通過連桿帶動與其連接的錐齒輪的中心軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動第一錐齒輪和第二錐齒輪反向轉(zhuǎn)動。

13、在一較佳實施例中，所述轉(zhuǎn)子設(shè)置為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊，所述旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊包括輕質(zhì)旋轉(zhuǎn)支架和設(shè)置于所述輕質(zhì)旋轉(zhuǎn)支架邊緣處的配重塊，所述輕質(zhì)旋轉(zhuǎn)支架的轉(zhuǎn)軸與所述第一錐齒輪、所述第二錐齒輪、所述第三錐齒輪中的一者的中心軸共軸設(shè)置。如此設(shè)置，通過配重塊增加旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動慣量，使得旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊在外部低頻振動的帶動下，可在360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而帶動與其連接的錐齒輪的中心軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動第一錐齒輪和第二錐齒輪反向轉(zhuǎn)動。

14、在一較佳實施例中，所述的第一發(fā)電部件和所述的第二發(fā)電部件兩者之一包括易得電子材料，兩者之另一包括易失電子材料，且所述的第一發(fā)電部件和所述的第二發(fā)電部件中的至少一者還包括電極。如此設(shè)置，提供了六種摩擦發(fā)電組件的設(shè)置方式：方式一是第一發(fā)電部件包括易得電子材料和電極，易得電子材料的一側(cè)設(shè)置電極，另一側(cè)用于與第二發(fā)電部件的易失電子材料摩擦發(fā)電；方式二是第一發(fā)電部件包括易失電子材料和電極，易失電子材料的一側(cè)設(shè)置電極，另一側(cè)用于與第二發(fā)電部件的易得電子材料摩擦發(fā)電；方式三是第二發(fā)電部件包括易失電子材料和電極，易失電子材料的一側(cè)設(shè)置電極，另一側(cè)用于與第一發(fā)電部件的易得電子材料摩擦發(fā)電；方式四是第二發(fā)電部件包括易得電子材料和電極，易得電子材料的一側(cè)設(shè)置電極，另一側(cè)用于與第一發(fā)電部件的易失電子材料摩擦發(fā)電；方式五是第一發(fā)電部件包括易得電子材料和電極，第二發(fā)電部件包括易失電子材料和電極，易得電子材料和易失電子材料的內(nèi)側(cè)摩擦發(fā)電，電極分別設(shè)置于易得電子材料和易失電子材料的外側(cè)；方式六是第一發(fā)電部件包括易失電子材料和電極，第二發(fā)電部件包括易得電子材料和電極，易得電子材料和易失電子材料的內(nèi)側(cè)摩擦發(fā)電，電極分別設(shè)置于易得電子材料和易失電子材料的外側(cè)。

15、進(jìn)一步的，所述的易得電子材料選自以下各者材料中的任一者：聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷，所述的易失電子材料選自以下各者材料中的任一者：兔毛、羊毛、乙基纖維素、聚酰胺。如此設(shè)置，確保摩擦發(fā)電組件隨著驅(qū)動機(jī)構(gòu)的反轉(zhuǎn)而增效發(fā)電。

16、在一較佳實施例中，電磁發(fā)電組件包括多個線圈和多個磁鐵，所述多個線圈和所述多個磁鐵均周向間隔設(shè)置。如此設(shè)置，當(dāng)?shù)谝诲F齒輪與第二錐齒輪反向轉(zhuǎn)動，多個線圈和切割多個磁鐵的磁感線，增加了電磁發(fā)電組件的電能輸出。

17、進(jìn)一步的，所述磁鐵的兩極方向與所述第一發(fā)電部件垂直；和/或，所述多個線圈所在圓周的半徑與所述多個磁鐵所在圓周的半徑相等；和/或，所述多個磁鐵中至少有兩個相鄰磁鐵的兩極方向反向設(shè)置。通過所述磁鐵的兩極方向與所述第一發(fā)電部件垂直的設(shè)置，使得線圈所處位置處的磁通量密度更高，有利于提高電磁發(fā)電效率，同時摩擦產(chǎn)生的電荷受到的洛倫茲力更大，有利于提高摩擦發(fā)電效率；通過所述多個線圈所在圓周的半徑與所述多個磁鐵所在圓周的半徑相等的設(shè)置，使得線圈所處位置處的磁通量密度更高，有利于提高電磁發(fā)電效率；通過所述多個磁鐵中至少有兩個相鄰磁鐵的兩極方向反向設(shè)置，使得這兩個兩極方向反向的相鄰磁鐵間的磁通量密度增大，有利于提高摩擦發(fā)電效率。

18、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

19、本發(fā)明通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)，先將環(huán)境中的多方向振動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的圓周運(yùn)動，然后再將轉(zhuǎn)子的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為兩個錐齒輪的反轉(zhuǎn)，可反轉(zhuǎn)的兩個錐齒輪又分別帶動摩擦發(fā)電組件的第一發(fā)電部件和第二發(fā)電部件、電磁發(fā)電組件的線圈和磁鐵反向轉(zhuǎn)動，一方面摩擦發(fā)電組件和電磁發(fā)電組件均因反轉(zhuǎn)而增效發(fā)電，另一方面，電磁發(fā)電組件的磁場又為摩擦發(fā)電組件產(chǎn)生的摩擦電提供了洛倫茲力，進(jìn)一步提高了摩擦發(fā)電組件的采集效率，如此設(shè)置，實現(xiàn)了微能量的放大，顯著的提高了振動能量的采集效率。該裝置結(jié)構(gòu)巧妙，設(shè)計簡單。