一種帶磁製伸縮薄膜組件發電球的製作方法
2023-05-06 03:38:46 5
本實用新型涉及智能球技術領域，具體涉及一種帶磁製伸縮薄膜組件發電球。
背景技術：
球體，例如足球、籃球、橄欖球等，其作為運動載體的同時被不斷地通過拍打、撞擊等方式實現運動輔助功能。然而，現有的球體其功能定位僅限於運動輔助，而球體本身由於被外部勢能的作用而產生的形變和震動的本身能量，卻沒有被很好的利用。現有技術中有通過在球體內部設置感應線圈和永磁體，通過永磁體在運動過程中的運動切割感應線圈，來實現電磁感應發電。而這種方式往往需要在球體內部設置較大體積的永磁體，從而會導致整個球體的重量，而大塊永磁體的設置，對整個球體配重的要求也較高。
技術實現要素：
為此，需要提供一種帶磁製伸縮薄膜組件發電球，通過設置電極薄膜層，通過電極薄膜層在球體運動過程中發生的形變轉化成電能進行存儲，採用這種方式來獲得球內發電，同時在球體部署較小體積的永磁體，並配合設置磁致伸縮薄膜和感應線圈，從而在球體運動過中將磁致伸縮薄膜的尺寸形變導致的磁狀態變化，引起感應線圈的電磁感應並產生電壓進行存儲。本實用新型雖然設有感應線圈和永磁體，但是本實用新型通過電磁薄膜層和磁致伸縮薄膜層的設計，從而採用雙重方式進行球體形變和運動勢能的捕捉，感應線圈和永磁體體積可以大大縮小，並不過多增加球體的重量，實現對球體運動過程中對於球體形變及運動勢能的高效捕捉，並最大程度地轉換為電能進行存儲。
為實現上述目的，本實用新型提供了一種帶磁製伸縮薄膜組件發電球，包括球體，所述球體內中部區域設有兩層絕緣基板，兩層絕緣基板中間設有一線圈骨架，所述線圈骨架兩端各設有一永磁體，線圈骨架內腔設有一磁致伸縮薄膜，所述磁致伸縮薄膜一端與線圈骨架一端及該端設置的永磁體固定連接，所述磁致伸縮薄膜另一端為自由端，所述線圈骨架外部繞設有感應線圈，其中一層絕緣基板的表面設有電路組件，所述感應線圈通過導線與電路組件電性連接，兩層絕緣基板的兩外側面分別設有一對電極薄膜層，每對電極薄膜層的相對側面均設有摩擦增益層，每對電極薄膜層的背離面均設有電極層，所述電極層通過導線與電路組件電性連接。
進一步的，每對電極薄膜層的摩擦增益層之間的垂直距離d滿足以下條件： 0≤d≤1cm。
進一步的，每對電極薄膜層分別包括第一電極薄膜層和第二電極薄膜層，但所述第一電極薄膜層和第二電極薄膜層的材質不同，所述第一電極薄膜層選自聚四氟乙烯、聚酯纖維、聚二甲基矽氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯材料經氧氣以及四氟化碳混合氣體所產生的等離子體進行表面改性後的材質中的一種，所述第二電極薄膜層選自聚四氟乙烯、聚酯纖維、聚二甲基矽氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯材料經氧氣以及四氟化碳混合氣體所產生的等離子體進行表面改性後的材質中的一種。
更進一步的，第一電極薄膜層選用聚酯纖維材質製作而成，所述第二電極薄膜層採用聚二甲基矽氧烷材質製作而成。
進一步的，所述電極層採用金屬導電材料通過真空濺射法或化學氣相沉積工藝，在每對電極薄膜層的背離面製作出完整的金屬電極。
優選的，所述金屬電極為圓形或非圓形金屬電極。
優選的，所述金屬導電材料選自金、銀、銅、鋁、鈦、鎢、烙及其合金中的一種，金屬電極厚度優選為100nm-4000nm。
進一步的，所述摩擦增益層包括設置在每對電極薄膜層相對面的微凸顆粒狀結構，以及覆蓋在該微凸顆粒狀結構上的納米金屬層結構。
優選的，所述微凸顆粒狀結構採用納米級SiO 2和納米級Al2O3材料混合製作而成。
區別於現有技術，上述技術方案具有的有益效果如下：通過在球體內設置兩層絕緣基板，在兩層絕緣基板中設計磁致伸縮薄膜和感應線圈，在兩層絕緣基板兩端設置永磁體，通過磁致伸縮薄膜在磁場作用下實現機械能和電磁能之間的雙向轉換，通過磁致伸縮薄膜受到球體運動過程發生的尺寸形變導致磁致伸縮逆效應，從而對球體的形變勢能進行收集，將尺寸形變勢能轉換為磁能 ，從而大大增強在永磁體磁場作用下的感應線圈的電磁感應並增大電流電壓的產生。再在兩層絕緣基板兩背離面分別設置一對電極薄膜層，每對電極薄膜層由兩片發電薄膜構成，兩片發電薄膜相對面設有摩擦增益層，兩片發電薄膜背離面均設有電極層，電極層與電路組件電性連接，這些結構組合構成摩擦發電裝置，藉助一種分離技術，當摩擦發生時，每對電極薄膜層之間產生電荷分離並形成電勢差，經由外部電路即可形成電流。在摩擦中，第一電極薄膜層產生電子，第二電極薄膜層則負責接收電子，從將產生的電流和電壓通過導線輸出到電路組件中，並通過整流濾波過程為摩擦發電智能球的電路組件的其他電子器件供電。
2、每對電極薄膜層的兩相對側面均設有摩擦增益層，該摩擦增益層結構採用微凸顆粒狀結構和納米金屬層結構，當每對電極薄膜層發生摩擦時，該微凸顆粒狀結構能夠在豎直方向上增加摩擦，而納米金屬層能夠在水平方向上增加摩擦，從而從兩個維度極大地增加了摩擦表面的摩擦力度，進一步提高輸出電壓電流。
附圖說明
圖1為本實用新型實施例的剖視圖。
圖2為本實用新型實施例的兩層絕緣基板及其內部結構剖視圖（局部省略）。
圖3為本實用新型實施例的電路結構示意圖。
圖4為本實用新型實施例的工作狀態示意圖（局部省略）。
具體實施方式
為詳細說明技術方案的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合具體實施例並配合附圖詳予說明。
實施例：
請參閱圖1至圖4，本實施例的一種帶磁製伸縮薄膜組件發電球，包括球體1，所述球體1內中部區域設有設有兩層絕緣基板21、22，兩層絕緣基板21、22對稱設置在球體1的對稱中心軸兩側。兩層絕緣基板21、22均為圓形基板，其邊緣與球體固定連接。該兩層絕緣基板21、22可以採用絕緣性能的氯化聚氯乙烯或亞克力 材料製作而成，具有良好的抗震性能和絕緣性能。兩層絕緣基板21、22中間設有一線圈骨架3，線圈骨架3橫截面為矩形或圓形，沿球體中軸線設置，且其對稱中心軸與兩層絕緣基板21、22的對稱中心軸線重疊。所述線圈骨架3兩端部與兩層絕緣基板21、22的兩端部卡設或焊接固定，所述線圈骨架3兩端各設有一永磁體4，本實施例中，該永磁體4夾設在兩層絕緣基板21、22的兩端，且永磁體4一端面與絕緣基板端部相抵設置，可以開設卡槽卡設等與絕緣基板實現固定。線圈骨架3內腔設有一磁致伸縮薄膜5，所述磁致伸縮薄膜5一端與線圈骨架3一端及該端設置的永磁體4固定連接，所述磁致伸縮薄膜5另一端為自由端，該自由端與該端的永磁體4之間的距離為1-10mm，所述線圈骨架3外部繞設有感應線圈6。所述層絕緣基板21的表面設有電路組件7，該電路組件7包括一電路基板71，電路基板71固定焊接在絕緣基板21上。且該電路組件7和電路基板71的上面還覆蓋有一層絕緣薄膜。所述感應線圈6通過導線與電路組件7電性連接，兩層絕緣基板21、22的兩外側面分別設有一對電極薄膜層81、82。
具體參考圖4所示，每對電極薄膜層81、82的相對側面均設有摩擦增益層9，每對電極薄膜層的背離面均設有電極層10，所述電極層10通過導線與電路組件7電性連接。每對電極薄膜層81、82的摩擦增益層9之間的垂直距離d滿足以下條件： 0≤d≤1cm。所述電極層10作為電壓和電流輸出電極，並通過導線與電路組件電性連接，從而將電極薄膜層摩擦產生的電壓和電流輸出至電路組件進行存儲。每對電極薄膜層之間距離設置符合以下條件：當球受碰撞或在滾動過程中使發電薄膜層產生形變並發生摩擦，當球體恢復形變後，該對發電薄膜層能夠分離。
每對電極薄膜層分別包括電極薄膜層81和電極薄膜層82，但所述電極薄膜層81和電極薄膜層82的材質不同，所述電極薄膜層81選自聚四氟乙烯、聚酯纖維、聚二甲基矽氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯材料經氧氣以及四氟化碳混合氣體所產生的等離子體進行表面改性後的材質中的一種，所述電極薄膜層82選自聚四氟乙烯、聚酯纖維、聚二甲基矽氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯材料經氧氣以及四氟化碳混合氣體所產生的等離子體進行表面改性後的材質中的一種。
在本實施例中，所述電極薄膜層81選自聚四氟乙烯（PTFE）材質製作而成，所述電極薄膜層82採用聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料經氧氣以及四氟化碳混合氣體所產生的等離子體進行表面改性後的材質製作而成。聚四氟乙烯（PTFE或Teflon），俗稱「塑料王」，是一種柔性高分子材料，具有優良的綜合性能。PTFE的優良性能使其在化工、機械、電子、電器、軍工、航天、環保和橋梁行業都有廣泛的應用。PTFE的可加工性較強，可以通過多種改性方法獲得所需的PTFE材料，如表面改性、填充改性、共混改性等。PTFE薄膜是一種工程塑料，一半應用於性能要求較高的耐腐蝕的管道、容器、泵、閥以及制雷達、高頻通訊器材、無線電器材等。其具有以下特性：耐高溫：使用工作溫度達250℃，耐低溫：具有良好的機械韌性，即使溫度下降到-196℃，也可保持5%的伸長率，無毒害：具有生理惰性，作為人工血管和臟器長期植入體內無不良反應，力學性能，不粘附：光滑異常，連冰都比不過它，是固體材料中最小的表面張力，不粘附任何物質。它的摩擦係數極小，僅為聚乙烯的1/5，這是全氟碳表面的重要特徵。又由於氟-碳鏈分子間作用力極低，所以聚四氟乙烯具有不粘性，絕緣性能優異：報紙厚的一層薄膜，便足以抵擋1500V的高壓電。耐化學腐蝕和耐候性：除熔融的鹼金屬外，聚四氟乙烯幾乎不受任何化學試劑腐蝕。例如在濃硫酸、硝酸、鹽酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均無變化，也幾乎不溶於所有的溶劑，只在300℃以上稍溶於全烷烴（約0.1g/100g），優異的耐候性：不吸潮，不燃，對氧、紫外線均極穩定，有塑料中最佳的老化壽命。電性能：聚四氟乙烯在較寬頻率範圍內的介電常數和介電損耗都很低，而且擊穿電壓、體積電阻率和耐電弧性都較高。耐輻射性能：聚四氟乙烯的耐輻射性能較差（104拉德），受高能輻射後引起降解，高分子的電性能和力學性能均明顯下降。
另一些實施例中，電極薄膜層81選用聚酯纖維材質製作而成，所述電極薄膜層82均採用聚二甲基矽氧烷材質製作而成。所述電極薄膜層81和電極薄膜層82的厚度均為500-5000μm。
本實施例中，所述電極層10採用金屬導電材料通過真空濺射法或化學氣相沉積工藝，在第一電極薄膜層的兩片發電薄膜中間避開絕緣基板20的部分製作出完整的金屬電極。所述電極層10採用金屬導電材料通過真空濺射法或化學氣相沉積工藝，在所述電極薄膜層81和電極薄膜層82的背離面製作出完整的金屬電極。所述金屬電極為圓形或非圓形金屬電極。所述金屬導電材料選自金、銀、銅、鋁、鈦、鎢、烙及其合金中的一種，金屬電極厚度優選為100nm-4000nm。
具體參考圖4所示，所述摩擦增益層9包括設置在電極薄膜層81、82相對面的微凸顆粒狀結構91，以及覆蓋在該微凸顆粒狀結構上的納米金屬層結構92。本實施例中，所述微凸顆粒狀結構91採用納米級SiO 2和納米級Al2O3材料混合製作而成。其製作工藝如下：在電極薄膜層81、82相對面分別採用粘合劑塗覆一層微凸顆粒狀結構納米級SiO 2和納米級Al2O3材料混合材料，該粘合劑採用溶膠SiO 2粘合劑。乾燥後，利用濺射或蒸發工藝，將納米級金屬材料塗覆至所有納米級SiO 2和納米級Al2O3材料混合材料上以及電極薄膜層81、82其他沒有塗覆上混合材料的部分。
具體參考圖1和圖3所示，本實施例中，電極層10通過導線11與電路組件7電性連接構成閉合迴路，電路組件7包括依次電性連接的整流電路71、電源控制電路72、蓄電池73及其他電路74，所述整流電路71為橋式整流電路將發電產生的交流電轉為直流電，電源控制電路72為升降壓控制並對電池充電，其中升降壓控制為蓄電池73充電提供穩定的輸入電壓，包含基於PWM控制的升降壓晶片(buck-boost voltage regulator)，還有對蓄電池73進行充電管理的充電晶片，其他電路74為智能球相關的其他智能電路。
本實施例的工作原理如下：
在本實施例中，電極薄膜層81與電極薄膜層82之間的距離均為d=4㎜，如圖4所示，當球體1收到外力碰撞發生形變時，兩層絕緣基板中的磁致伸縮薄膜受到外力發生尺寸形變導致磁致伸縮逆效應，在感應線圈和永磁體形成的磁場作用下將該機械能轉換為電磁能，從而將球體的形變勢能進行收集，將尺寸形變勢能轉換為磁能 ，從而大大增強在永磁體磁場作用下的感應線圈的電磁感應並增大電流電壓的產生。而同時在該球體1收到外力碰撞發生形變時，電極薄膜層81和電極薄膜層82的中部會貼合在一起，而碰撞的力度越大，則其貼合的力度也越大，撞擊後由於薄膜本身的彈性形變會又分開，則在撞擊和分開的過程中，電極薄膜層81分別和電極薄膜層82由於不斷摩擦產生了電勢變化，生成等量但電性相反的移動電荷。而電極層10作為整個發電薄膜的正負電極與外部的電路組件電路連接，從而所述電極層10作為電壓和電流輸出電極，並通過導線與電路組件電性連接，從而將發電薄膜層摩擦產生的電壓和電流輸出至電路組件進行存儲。
在電極薄膜層81、82上設置摩擦增益層9，則可以增大接觸區域面積，在摩擦增益層9的摩擦力作用下使得電極薄膜層81、82發生豎直和水平方向上的相對滑動，具體地，而微凸顆粒狀結構91增加豎直方向上的摩擦接觸，而納米金屬層92則增加了水平方向上的摩擦滑動，且納米金屬層92的設置，能夠增加電荷的產生，從而使得電極薄膜層81,82之間的內電勢大大增強。從而使得電極層10產生更多的自由電荷，並在外電路導通情況下發生中和，形成外電流進入電路組件負載，對電流進行存儲，並為球體1其他部件提供工作電壓。
本實施例的有益效果如下：
1、通過在球體內設置設置兩層絕緣基板，在兩層絕緣基板中設計磁致伸縮薄膜和感應線圈，在兩層絕緣基板兩端設置永磁體，通過磁致伸縮薄膜在磁場作用下實現機械能和電磁能之間的雙向轉換，通過磁致伸縮薄膜受到球體運動過程發生的尺寸形變導致磁致伸縮逆效應，從而對球體的形變勢能進行收集，將尺寸形變勢能轉換為磁能 ，從而大大增強在永磁體磁場作用下的感應線圈的電磁感應並增大電流電壓的產生。再在兩層絕緣基板兩背離面分別設置一對電極薄膜層，每對電極薄膜層由兩片發電薄膜構成，兩片發電薄膜相對面設有摩擦增益層，兩片發電薄膜背離面均設有電極層，電極層與電路組件電性連接，這些結構組合構成摩擦發電裝置，藉助一種分離技術，當摩擦發生時，每對電極薄膜層之間產生電荷分離並形成電勢差，經由外部電路即可形成電流。在摩擦中，第一電極薄膜層產生電子，第二電極薄膜層則負責接收電子，從將產生的電流和電壓通過導線輸出到電路組件中，並通過整流濾波過程為摩擦發電智能球的電路組件的其他電子器件供電。
2、每對電極薄膜層的兩相對側面均設有摩擦增益層，該摩擦增益層結構採用微凸顆粒狀結構和納米金屬層結構，當每對電極薄膜層發生摩擦時，該微凸顆粒狀結構能夠在豎直方向上增加摩擦，而納米金屬層能夠在水平方向上增加摩擦，從而從兩個維度極大地增加了摩擦表面的摩擦力度，進一步提高輸出電壓電流。
需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者終端設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者終端設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括……」或「包含……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者終端設備中還存在另外的要素。此外，在本文中，「大於」、「小於」、「超過」等理解為不包括本數；「以上」、「以下」、「以內」等理解為包括本數。
儘管已經對上述各實施例進行了描述，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例做出另外的變更和修改，所以以上所述僅為本實用新型的實施例，並非因此限制本實用新型的專利保護範圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護範圍之內。