[0001] 本发明涉及发电机技术领域，尤其是涉及一种基于类棘轮的增频运动模式转换型摩擦/电磁复合发电机。

[0002] 随着现代生活水平不断提高，生活节奏不断加快，出现了应用方便、对环境依赖度低的自发电设备可用于满足未来的能量需求。

[0003] 摩擦起电是自然界中最常见的一种现象之一，通过物体和物体之间相互进行摩擦，就会使一方带上负电，另一方带上正电，但摩擦电又很难被收集和利用，因此往往被忽视。2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机-纳米发电机。纳米发电机的基本原理是：当纳米线(NWs)在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。

[0004] 现有的摩擦发电机有四种基本工作模式，分别为接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式以及独立层模式，通过高分子聚合物与金属电极之间或者高分子聚合物之间构成摩擦面进行工作。当前的摩擦发电机的结构的限制以及采用的发电模式单一，存在发电量相对少、发电效率相对低的问题。

[0040] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

[0041] 参见图1-图13，本发明提供了一种摩擦发电机，包括座体1、类棘轮组件2以及可移动组件3，其中，类棘轮组件2与座体1转动连接，可移动组件3位于座体1内，可移动组件3沿类棘轮组件2的周向方向分布且可移动组件3能与类棘轮组件2相接触；可移动组件3与座体1之间和可移动组件3与类棘轮组件2之间存在摩擦发电单元；当类棘轮组件2转动时，可移动组件3能做直线往复运动以实现摩擦发电单元摩擦生电。本发明采用连续旋转运动作为输入源带动类棘轮组件2转动，类棘轮组件2的类棘轮21位于座体1内，当类棘轮组件2的转轴22转动带动类棘轮21转动时，此时，可移动组件3可以在座体1内做直线往复运动，可移动组件3与座体1之间可形成接触-分离模式发电单元和/或水平滑动模式发电单元，可移动组件3与类棘轮组件2可形成单电极模式发电单元，在可移动组件3的移动过程中可实现摩擦发电；通过将旋转运动转为直线运动，产生增频效果，提高摩擦发电机的发电效率。此外，本发明要说明的是，也可以仅在可移动组件3与座体1之间设置摩擦发电单元，或者，也可以仅在可移动组件3与类棘轮组件2之间设置摩擦发电单元。

[0042] 作为本发明实施例可选地实施方式，座体1内设置有径向隔板11，径向隔板11分离相邻的两个可移动组件3，径向隔板11以及可移动组件3上设置有摩擦电极层4且两者的摩擦电极层4形成接触-分离模式发电单元，当可移动组件3与类棘轮组件2类棘轮21的齿根相接触时，径向隔板11上的摩擦电极层4与对应的可移动组件3摩擦电极层4相接触。径向隔板11在座体1内具体的分布情况可以如下：径向隔板11沿类棘轮组件2的周向方向均匀分布在座体1内且径向隔板11沿座体1的径向方向延伸，可移动组件3位于两个径向隔板11之间且可移动组件3与相邻两侧的径向隔板11之间均存在接触-分离模式发电单元，参见图1和图
2，可移动组件3滑块31的横截面形状可以为梯形，当可移动组件3与类棘轮21的齿根相接触时，径向隔板11上的摩擦电极层4与可移动组件3对应的摩擦电极层4相接触，使得滑块31与径向隔板11形成接触-分离模式发电单元。

[0043] 此外，参见图1，图1示意出了可移动组件3与类棘轮21齿根相抵接且沿类棘轮21的周向方向上均匀分布，每个齿根均对应一个可移动组件3；参见图13，类棘轮21齿顶圆直径为D2，齿根圆直径为D1，齿顶圆D2与齿根圆D1直径高度差为H＝(D2-D1)/2；类棘轮齿根圆圆角为R1，齿顶圆圆角为R2。

[0044] 作为本发明实施例可选地实施方式，参见图1-图2以及图4-图5，径向隔板11靠近座体1中心的一侧设置有周向隔板12，周向隔板12连接相邻的两个径向隔板11，可移动组件3穿过周向隔板12且可移动组件3靠近类棘轮组件2一端的端部与周向隔板12之间设置有弹性件7。当可移动组件3与类棘轮21的齿根相接触且类棘轮21转动时，可移动组件3向远离类棘轮21的方向移动直至类棘轮21的齿顶与可移动组件3相接触，此时，弹性件7处于压缩状态，当类棘轮21继续转动时，可移动组件3在弹性件7的作用下向靠近类棘轮21的方向移动并保证可移动组件7与类棘轮21始终相抵接，直至可移动组件3与类棘轮21的齿根相接触。

[0045] 作为本发明实施例可选地实施方式，周向隔板12围成的形状与座体1侧部的形状相一致且周向隔板12围成的轮廓形状为正棱柱状；周向隔板12分别与座体1侧部对应的侧面相平行，径向隔板11远离周向隔板12的一端向座体1侧部对应的棱边延伸。此外，也可以在可移动组件3远离类棘轮组件2的一端设置摩擦电极层4，使得类棘轮组件2与座体1侧部之间形成接触-分离模式发电单元。

[0046] 作为本发明实施例可选地实施方式，参见图2和图5，座体1端部的内侧面上设置有摩擦电极层4，可移动组件3与座体1端部内侧面相贴合的面上设置有摩擦电极层4，座体1上的摩擦电极层4与可移动组件3上的摩擦电极层4形成水平滑动模式发电单元。

[0047] 此外，座体1上的摩擦电极层4可以包括摩擦层和电极层，摩擦层粘贴在电极层上，电极层粘贴在座体1上，电极层可以采用铜或铝材质制成，摩擦层可以采用PTFE、PDMS、或PVC等负电性强的聚合物材质制成；对于可移动组件3上的摩擦电极层，可以采用铜或铝等正电性强的金属材质，既可作为摩擦材料使用，也可以作为电极使用。

[0048] 作为本发明实施例可选地实施方式，类棘轮组件2类棘轮21的侧壁上设置有摩擦材料，可移动组件3与类棘轮相抵接的面上设置有导电材料，类棘轮组件2上的摩擦材料与可移动组件3上的导电材料形成单电极模式发电单元。导电材料可以采用铜或铝等具有正电性的、可导电的金属材质制成，摩擦材料可以采用PTFE、PDMS、或PVC等负电性强的聚合物材质制成。

[0049] 作为本发明实施例可选地实施方式，类棘轮组件2的类棘轮21上设置有磁铁5，座体1上设置有线圈6，磁铁5随类棘轮组件2时，线圈6能做切割磁感线运动。通过增加电磁复合发电，可以使发电机的输出得到更大的提高。具体磁体5类棘轮21上的分布方式如下：磁铁5沿类棘轮21的周向方向均匀插入类棘轮21且磁铁5的轴线与类棘轮21的轴线平行，类棘轮21上设置有磁体安装孔211，磁体5插入磁体安装孔211内，磁体5随类棘轮21转动；座体1的端部上设置有线圈安装轴13，线圈安装轴13沿座体1的周向方向均匀分布在座体1的端面上，线圈6套设在线圈安装轴13上。

[0050] 作为本发明实施例可选地实施方式，参见图5-图6，可移动组件3包括滑块31和导杆件32，滑块31与导杆件32相连接，导杆件32穿过设置在座体1内的周向隔板12且导杆件32自由端的抵接部321与类棘轮组件2相接触，导杆件32上套设有弹性件7且弹性件7位于周向隔板12以及抵接部321之间。导杆件32的具体形状可以如下：导杆件32包括柱形部322和抵接部321，柱形部322与抵接部321相连接，柱形部322插入滑块31上的导杆安装孔311，柱形部322上套设有弹性件7，弹性件7可以是弹簧，抵接部321与类棘轮组件2相接触的面为弧形面。

[0051] 此外，滑块31与周向隔板12之间也可以设置接触-分离模式发电单元，当可移动组件3与类棘轮组件2类棘轮21的齿根相接触时，周向隔板12上的摩擦电极层4与滑块31上的摩擦电极层4相接触。

[0052] 作为本发明实施例可选地实施方式，参见图1，摩擦发电机还包括导向组件8，导向组件8包括限位杆81和导向孔82，导向孔82设置在可移动组件3上，限位杆81穿过导向孔82且限位杆81与座体1相连接，可移动组件3在导向孔82与限位杆81的配合下做直线运动；端盖16上开设有限位孔163，限位杆81插入对应的限位孔163。

[0053] 作为本发明实施例可选地实施方式，座体1包括基座14、外壳15和端盖16，外壳15夹设在基座14和端盖16之间且外壳15与基座14和端盖16相连接，基座14、外壳15以及端盖16上分别设置有下限位孔142、外壳通孔151以及端盖固定孔162，螺钉10通过端盖固定孔
162、外壳通孔151和下限位孔142件外壳15和端盖16固定在基座14上；类棘轮组件2的类棘轮21位于座体1内且类棘轮组件2的转轴22与基座14以及端盖16通过轴承23转动连接，转轴
22与轴承23过盈配合安装，基座14以及端盖16的中间设置有轴承安装孔17，轴承23设置在轴承安装孔17内且与轴承安装孔17过盈配合安装；转轴22突出端盖16的一端设置有扇叶9，扇叶9通过过盈配合与转轴22进行固定安装，通过外界风能或水流能等带动扇叶9进行转动，进而带动类棘轮21转动，产生电能输出，实现环境能量俘获。此外，径向隔板11上设置有限位凹槽111，端盖16上设置有限位凸起161，限位凸起161插入对应的限位凹槽111内。

[0054] 本发明提供的摩擦发电机工作状况：工作时，扇叶9在风能或水能带动下转动，并通过类棘轮21与可移动组件3的配合，将旋转运动转换成高频直线往复运动，此时径向隔板11的摩擦电极层4与滑块31侧面上的摩擦电极层4产生接触分离运动，形成接触-分离模式发电单元；基座14内端面上的摩擦电极层4与滑块31侧面上的摩擦电极层10产生相对滑动运动，形成滑动模式发电单元；导杆件32抵接部321上的导电材料与类棘轮21侧面上的摩擦材料产生相对运行，形成单电极模式发电单元，基于摩擦起电及静电感应原理，在外电路产生能量输出；同时安装于棘轮21的磁铁5在类棘轮21的带动下与线圈6产生切割磁感线的相对运动，进而在外电路产生能量输出。

[0055] 本发明提供的摩擦发电机，解决当前摩擦纳米发电机发电性能弱及电磁发电机在低频下无法进行有效的能量收集等问题；本发明所提出的基于类棘轮增频的运动模式转换型摩擦/电磁复合发电机，采用圆周阵列的摩擦发电单元，具有结构紧凑，发电单元数量多，有效发电面积大的优点；通过类棘轮组件将旋转运动转化为往复直线运动，增加了摩擦发电的工作频率，发电效率提升；通过线圈与磁铁感应增大了电磁发电效率；在低频的能量收集(如风能和水流能等)场合中具有广泛的应用前景，并为自供能传感器供电提供了一种新的结构。

[0056] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。