一种滑动式三稳态纳米发电机

本发明属于自然工程可再生能源，具体涉及一种可应用于振动能转换的弹簧振动滑动式三稳态发电机。

背景技术：

1、机械振动是自然界中最常见的机械运动形式之一，其中储存的能量十分可观。相比于较好利用的高频振动，低频振动能虽较难俘获以及产生大功率，但它无处不在，产生的条件非常简单，若能加以利用在小功率电子产品中，则能减少大量电能供给和维护成本。

2、自振动能提出以来，已有多种俘获机械振动能量的装置被发明出来，然而它们大多聚集于高频，高功率的振动。传统的振动能转换装置需要其与振动物体发生共振时才具有较好的振动能转换效率，当振动激励频率偏离共振频率时振动能转换效率下降明显，有效波能转换频带非常窄。并且自然环境下振动频率并非单一的，对于线性振动能转换器难以捕获不同频率下的振动能，导致振动能转换效率极低。已有研究发现，通过引入三稳态负刚度装置，可以有效地拓宽振动能转换装置的振动能转换频带，提升振动能转换装置在低频振动激励下的振动能转换能力，提高振动能捕获效率。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提出一种可应用于振动能转换的滑动式三稳态纳米发电机，旨在解决传统线性振动能转换器转换效率不高的问题，达到有效地拓宽振动能捕获频带，提高低频区域的振动能转换效率，改善振动能转换器在复杂自然环境下普适性的目的。

2、“三稳态”含义：1.三稳态是相较于双稳态、单稳态而言的；2.传统双稳态能量采集装置具有两个稳定平衡点。当外激励可以使双稳态机构跨越中间的不稳定平衡点时，也就是跨越势垒，系统可以实现大幅响应。但是，因为双稳态系统势垒较高，这就会使小激励幅值的振动不能使双稳态系统跨越势垒，而尽在一个稳定平衡点内做小幅振动，故能量采集效果较差。三稳态系统有两个不稳定平衡点且两个不稳定平衡点的势垒较低，系统更容易跨越势垒而形成大幅运动，因为更有利于实现低频小幅值的振动能量采集。

3、纳米发电机是一个振动能量回收或转化的概念，主要原理是通过两个具有不同电子吸附能力的材料进行相互摩擦，从而产生电势并在外电路中形成电流。纳米发电机名字的由来在于：其实很多材料都可以摩擦生电，但是生电的效率却很低。因此，有研究学者就通过纳米加工的方式，在两个摩擦膜表面进行纳米蚀刻处理产生纳米线，从而提交能量转化效率，这就是纳米发电机的由来。

4、负刚度机构是相对于正刚度机构的，即该结构所提供的力随着运动位移的增大而减小，换句话说，该结构的作用在于助推系统的运动，而非阻碍系统的运动。举个例子，你在一个柔性杆两端施加轴向力，柔性杆可能会向上发生弯曲，也可能向下发生弯曲，但是就是唯独不能停留在中间的平衡位置，这就是个典型的负刚度机构。三稳态结构的主要构成也是负刚度机构，但是具有两个不稳定平衡点，因此是两个负刚度机构的串联。

5、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种滑动式三稳态纳米发电机，包括壳体、滑块、侧向弹簧装置、竖向弹簧装置、顶盖和壳板；所述滑块安装在壳体上，能沿壳体上下移动；所述侧向弹簧装置有四个，分别为左侧两个、右侧两个，左侧和右侧的侧向弹簧装置的一端与滑块铰接，另一端与壳体铰接；所述竖向弹簧装置有两个，分别为上侧一个、下侧一个，上侧的弹簧装置的一端与滑块铰接，另一端与顶盖固定连接，下侧的弹簧装置的一端与滑块铰接，另一端与壳体固定连接，所述壳体与顶盖连接构成框架结构，所述滑块的一侧由内向外贴有cu-fep膜，所述壳板设于框架结构的一侧且中心位置处贴有cu膜，所述cu-fep膜与cu膜相接触构成cu-fep-cu膜。

6、进一步地，所述壳体包括下板、左侧板、滑槽、后板和右侧板，所述下板、左侧板、后板和右侧板固接为一体，所述滑槽固接于后板上，所述下板用于安装下侧的竖向弹簧装置，所述左侧板用于安装左侧的侧向弹簧装置，所述滑槽用于安装滑块，所述右侧板用于安装右侧的侧向弹簧装置。当然，也可采用其它形式的支座。

7、进一步地，所述滑块包括后侧板、滑槽卡扣、前侧板和垫块，所述后侧板通过连接柱与前侧板相连接，所述滑槽卡扣设于后侧板上，所述垫块设于前侧板上，所述滑槽卡扣与壳体的滑槽相装配，所述垫块由内向外安装cu-fep膜。当然，也可采用其它形式的滑块。

8、进一步地，所述侧向弹簧装置包括连块铰接端ⅰ、连块端套筒ⅰ、中间套筒、连壳端套筒、连壳铰接端和弹簧ⅰ，所述连块铰接端ⅰ与连块端套筒ⅰ固定连接，所述连壳铰接端与连壳端套筒固定连接，所述中间套筒安装于连块端套筒ⅰ内和连壳端套筒外，套筒间设有卡环以保证弹簧装置能在一定范围内伸缩，所述弹簧ⅰ安装于连壳端套筒内，且一端与连块铰接端ⅰ固定连接，另一端与连壳铰接端固定连接。在保证弹簧装置内的弹簧在随滑块移动时能随之伸缩运动的情况下，也可采用其它形式的弹簧装置。

9、进一步地，所述竖向弹簧装置包括三级套筒、二级套筒、一级套筒、连块端套筒ⅱ、连块铰接端ⅱ和弹簧ⅱ，所述连块铰接端ⅱ与连块端套筒ⅱ固定连接，所述一级套筒嵌套在连块端套筒ⅱ外侧，所述二级套筒嵌套在一级套筒外侧，所述三级套筒嵌套在二级套筒外侧，所述弹簧ⅱ一端与连块铰接端ⅱ固定连接，另一端与顶盖或壳体固定连接。在保证弹簧装置内的弹簧在随滑块移动时能随之伸缩运动的情况下，也可采用其它形式的弹簧装置。

10、进一步地，所述壳板包括壳板本体、静电膜垫块、调整垫片和螺帽，所述静电膜垫块底部连杆穿过调整垫片、壳板本体与螺帽固定连接，所述静电膜垫块用于安装cu膜，用于保证cu-fep-cu膜的正常工作，即提供一定的厚度，也可以采用其他形式的垫块，所述螺帽用于固定静电膜垫块，保证装置整体不会相对壳板滑动。

11、进一步地，所述调整垫片为弹性垫片，用于调节cu-fep-cu膜的间隙。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果为：采用滑动式三稳态系统，可以拓宽滑块的滑动路径，在较小的振幅激励下能有大幅度相对来回滑动，大幅度来回滑动可以保证纳米发电机持续正常工作；相较于传统线性系统，不会逐渐停留在一个稳定点，使得滑块最后相对壳体只是小幅度来回滑动甚至停止滑动，导致纳米发电机工作效率降低甚至停止工作；相较于双稳态系统有更大的振幅激励响应，即三稳态能够有更大的滑动距离，从而提高纳米发电机的发电功率。

1.一种滑动式三稳态纳米发电机，其特征在于：包括壳体、滑块、侧向弹簧装置、竖向弹簧装置、顶盖和壳板；所述滑块安装在壳体上，能沿壳体上下移动；所述侧向弹簧装置有四个，分别为左侧两个、右侧两个，左侧和右侧的侧向弹簧装置的一端与滑块铰接，另一端与壳体铰接；所述竖向弹簧装置有两个，分别为上侧一个、下侧一个，上侧的弹簧装置的一端与滑块铰接，另一端与顶盖固定连接，下侧的弹簧装置的一端与滑块铰接，另一端与壳体固定连接，所述壳体与顶盖连接构成框架结构，所述滑块的一侧由内向外贴有cu-fep膜，所述壳板设于框架结构的一侧且中心位置处贴有cu膜，所述cu-fep膜与cu膜相接触构成cu-fep-cu膜。

2.根据权利要求1所述的滑动式三稳态纳米发电机，其特征在于：所述壳体包括下板、左侧板、滑槽、后板和右侧板，所述下板、左侧板、后板和右侧板固接为一体，所述滑槽固接于后板上，所述下板用于安装下侧的竖向弹簧装置，所述左侧板用于安装左侧的侧向弹簧装置，所述滑槽用于安装滑块，所述右侧板用于安装右侧的侧向弹簧装置。

3.根据权利要求2所述的滑动式三稳态纳米发电机，其特征在于：所述滑块包括后侧板、滑槽卡扣、前侧板和垫块，所述后侧板通过连接柱与前侧板相连接，所述滑槽卡扣设于后侧板上，所述垫块设于前侧板上，所述滑槽卡扣与壳体的滑槽相装配，所述垫块由内向外安装cu-fep膜。

4.根据权利要求1或2所述的滑动式三稳态纳米发电机，其特征在于：所述侧向弹簧装置包括连块铰接端ⅰ、连块端套筒ⅰ、中间套筒、连壳端套筒、连壳铰接端和弹簧ⅰ，所述连块铰接端ⅰ与连块端套筒ⅰ固定连接，所述连壳铰接端与连壳端套筒固定连接，所述中间套筒安装于连块端套筒ⅰ内和连壳端套筒外，套筒间设有卡环以保证弹簧装置能在一定范围内伸缩，所述弹簧ⅰ安装于连壳端套筒内，且一端与连块铰接端ⅰ固定连接，另一端与连壳铰接端固定连接。

5.根据权利要求1或2所述的滑动式三稳态纳米发电机，其特征在于：所述竖向弹簧装置包括三级套筒、二级套筒、一级套筒、连块端套筒ⅱ、连块铰接端ⅱ和弹簧ⅱ，所述连块铰接端ⅱ与连块端套筒ⅱ固定连接，所述一级套筒嵌套在连块端套筒ⅱ外侧，所述二级套筒嵌套在一级套筒外侧，所述三级套筒嵌套在二级套筒外侧，所述弹簧ⅱ一端与连块铰接端ⅱ固定连接，另一端与顶盖或壳体固定连接。

6.根据权利要求1或2所述的滑动式三稳态纳米发电机，其特征在于：所述壳板包括壳板本体、静电膜垫块、调整垫片和螺帽，所述静电膜垫块底部连杆穿过调整垫片、壳板本体与螺帽固定连接，所述静电膜垫块用于安装cu膜，所述螺帽用于固定静电膜垫块。

7.根据权利要求6所述的滑动式三稳态纳米发电机，其特征在于：所述调整垫片为弹性垫片。