引信用氣流驅動振動摩擦發電機

李福松,王紅麗,馬旭輝

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

摩擦發電機基于常見的摩擦起電效應，利用摩擦過程中不同材料得失電子的特性產生電勢差，從而實現機械能/電能的轉換[1]。自2012年王中林團隊發明摩擦納米發電機[2]以來，憑借其結構簡單、便于大規模生產、易于與電路集成及應用材料豐富的特點，廣受能源技術研究人員的青睞，在藍色海洋能源、風力發電、自供電可穿戴等領域得到了大量的開發與研究[3]，在短短的幾年里摩擦發電機的輸出功率密度就由10.4 mW/cm3提高到113 mW/cm3，能量轉化效率提高了70.6%[4]。尤其是文獻[5]采用針尖結構放電開關將摩擦發電的輸出電流由微安級提高到毫安級，極大地擴展了摩擦發電機的應用。

基于卡門渦街效應的氣流驅動摩擦發電機是摩擦發電機利用風力發電的主要模式之一，它利用進氣氣流繞鈍體產生卡門渦街效應來驅動夾在上下電極間的異于上下電極材料制成的薄膜周期性振動，使振動膜與上下電極接觸/分離或接近/離開產生靜電感應而發電。氣流繞鈍體只能在一定風速范圍內產生卡門渦街效應，當超出這一風速范圍卡門渦街效應就會消失，導致該種發電機的輸出能力急劇降低[6-8]或無法正常工作，從而極大地限制了這一模式摩擦發電機的應用。為解決此種氣流驅動摩擦發電機工作風速受限的問題，提出了一種新型的氣流驅動振動摩擦發電機。

1 氣流驅動摩擦發電機工作模式與結構

摩擦發電機按照摩擦形式可分為如下四種工作模式[6-7]：垂直接觸-分離模式、接觸滑動模式、單電極模式和獨立摩擦層模式，如圖1所示。

圖1 摩擦發電機的四種工作模式Fig.1 Four working mode of friction generator

垂直接觸-分離模式摩擦發電機由兩種形狀與大小一樣的不同材料及其基材相隔一定間隙平行安裝構成，而且在這兩種材料的基材上分別沉積有電極，通過電極與外電路連接，它是摩擦發電機最常見的一種工作模式[8-10]。外力作用時，這兩種材料相互接觸摩擦產生電荷；外力消除后，這兩種材料分離，材料表面則分別帶有等量的異種電荷，形成電勢差，同時感應外部電路電子流動形成電流；而當這兩種材料再次接觸時電荷中和，電勢差消失，電壓為零，同時外部電路電子逆流形成反向電流。

接觸滑動模式摩擦發電機的結構與垂直接觸-分離模式摩擦發電機類似，兩者不同之處在于運動的模式不同。在外力作用下接觸滑動模式摩擦發電機的運動模式是周期性滑動，而不是垂直接觸-分離，是通過周期性滑動來摩擦生電，產生電壓和感應電流。平面滑動[11]、圓柱旋轉[12]、平盤旋轉[13]是接觸滑動模式摩擦發電機三種主要的滑動模式。

單電極模式摩擦發電機的結構、工作原理與垂直接觸-分離模式摩擦發電機相同，不同之處是只在固定不動那種材料的基材上沉積有電極，而在運動的摩擦材料的基材上不沉積電極。這種模式是解決因摩擦材料不能固定而無法連接電極的摩擦發電機應用場合，例如人走路時鞋子和地面的摩擦、指尖滑動摩擦生電等典型應用情況。

獨立摩擦層模式摩擦發電機是由三塊摩擦材料組成的：其中兩塊的基材上沉積有電極，兩者在同一平面間隔一定距離安置，另一塊摩擦材料(材料不同于前兩塊，稱為第三塊摩擦材料)平行安放在前兩塊摩擦材料之間。在外力作用下，第三塊與第一、第二塊摩擦材料進行接觸滑動模式摩擦發電，不斷改變第三塊摩擦材料與前兩塊摩擦材料的接觸面積，使前兩塊摩擦材料電極上產生電勢差，在外電路上產生周期性的感生電流。

針對以上四種工作模式及特點，結合引信的應用環境，采用垂直接觸-分離模式，提出了如圖2所示的與引信共形的氣流驅動振動摩擦發電機。該發電機由帶有進氣口的兩個平行設置的電極、振動膜、振動腔和排氣道組成。其中，兩個電極可以與引信的電路板合二為一，但是面對振動膜的端面必須進行導電處理；振動膜為聚合物材料薄膜(也可為多層不同聚合物材料薄膜)剪裁而成，振動膜固定端和排氣道均為非導體材料制成。

圖2 與引信共形的氣流驅動摩擦發電機結構示意圖Fig.2 Airflow-driven friction generator schematic diagram conformal to fuze

這樣，當彈丸在空中飛行時產生的流動氣流將會先后通過引信進氣口和電極1及電極2上的進氣口進入電極1、振動膜和電極2形成的振動腔中并通過排氣道和引信體排氣口流出到大氣中，而氣流流經電極1、振動膜和電極2形成的振動腔中時將導致振動膜產生振動，使振動膜周期性地接觸(接近) 或離開電極1或電極2，實現摩擦發電機的垂直接觸-分離模式發電功能。

2 氣流驅動摩擦發電機工作原理

如圖3(a)所示，電極1的進氣口比電極2的靠前。在初始狀態，振動膜基本處于電極1與電極2的中間。當彈丸在空中飛行時產生的流動氣流進入引信進氣口后，由于電極1的進氣口靠前，則通過電極1的進氣口進入的氣流先于通過電極2的進氣口進入的氣流作用于振動膜3的自由端上，使振動膜3的自由端靠近并接觸電極2，參見圖3(b)。這樣，通過電極1的進氣口進入的氣流可以通過排氣道迅速流出，而通過電極2的進氣口進入的氣流不能通過排氣道流出或流出的很少，導致電極2這一側的壓力增加而另一側的壓力減少，從而驅動振動膜離開電極2并靠近和接觸電極1，參見圖3(c)。這時，通過電極2的進氣口進入的氣流可以通過排氣道迅速流出，而通過電極1的進氣口進入的氣流不能通過排氣道流出或流出的很少，導致電極1這一側的壓力增加而電極2一側的壓力減少，從而驅動振動膜離開電極1并靠近和接觸電極2，參見圖3(b)。這樣，驅動振動膜就會重復以上狀態，在電極1、電極2之間產生振動。

圖3 氣流驅動摩擦發電機振動膜振動工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of airflow-driven friction generator vibrating membrance

振動模與電極1或電極2緊密接觸的同時會發生摩擦，產生電荷并發生電荷轉移，從而使得電極1或電極2內表面帶一種電荷(如負電荷)，振動模的內表面帶等量的另一種電荷(如正電荷)；當振動模離開電極1或電極2后，振動模與電極1或電極2發生電荷分離，它們表面所帶的電荷使得兩者間產生電勢差。隨著離開距離的增大，電勢差逐漸增大至極值；當振動模與電極1或電極2再次接觸時，正負電荷中和，電勢差消失，電壓為零。在分離的瞬間，假設電極1或電極2產生的是負電荷，振動模必然帶有等量的正電荷，這種電勢差導致電場力產生。感應外電路的自由電子向帶有正電荷(也就是下部材料)方向移動，由此產生電流。當振動模與電極1或電極2再次接觸，電勢差消失，電場力也跟著消失，原本感應的自由電子需要回到原位以維持原有的平衡，此時外電路形成了一個反向電流。因此，當外力周期性的施加和撤出，使得振動模與電極1或電極2接觸和分離交替進行，外電路就會同步的產生交變的電流信號。

3 仿真與實驗驗證

為了驗證提出的氣流驅動摩擦發電機實現的可行性，進行了簡化的氣動仿真和吹風實驗驗證，即用一個三通管道同時給電極1、電極2的進氣口供氣，驗證振動膜能否在電極1與電極2形成的腔內產生振動，有否電能輸出；同時也進行了0.1～1.5Ma氣流繞鈍體流動的仿真以驗證渦街效應。圖4為仿真和吹風實驗的模型結構示意圖，圖5—圖7分別為氣流速度為50、100、150 m/s的仿真結果，圖8為振動膜厚度分別為0.5、0.2 mm，面積為56 mm×50 mm聚四氟乙烯薄膜的吹風測試結果，圖9中所示分別為0.1～1.5Ma氣流繞鈍體流動仿真的速度云圖。

圖4 仿真和吹風實驗的模型結構示意圖Fig.4 Model structure schematic diagram of simulation and blowing experiment

圖5 氣流速度為50 m/s時的仿真結果Fig.5 Simulation results when the air velocity is 50 m/s

圖6 氣流速度為100 m/s時的仿真結果Fig.6 Simulation results when the air velocity is 100 m/s

圖7 氣流速度為150 m/s時的仿真結果Fig.7 Simulation results when the air velocity is 150 m/s

圖8 振動膜與電極不同間隙的吹風測試結果Fig.8 The blowing test results of different gap between vibrating membrane and electrode

圖9 氣流繞鈍體流動在不同速度下的渦街效應速度云圖Fig.9 Contours of velocity magnitude of vortex street effect of airflow around bluff body at different velocities

從圖5—圖7的仿真結果可以看出，振動膜能夠在電極1與電極2形成的腔內產生振動，而且起振的響應時間隨氣流速度的增加而減小，振動膜兩邊的壓差隨著速度的增加而變大，表明振動可以持續。

圖8中的吹風實驗測試結果表明：當振動膜厚度為0.5 mm時，可以產生峰峰值為24.81 V、頻率為647.7 Hz 的交流電；當振動膜厚度為0.2 mm時，可以產生峰峰值為44.79 V、頻率為843.2 Hz 的交流電。這表明本文提出的氣流驅動振動摩擦發電機不僅可以產生振動，也可以產生20 V以上的電能，而且產生電能的頻率和輸出電壓隨振動膜厚度的減小而增加。

圖9中給出的在不同速度下氣流繞鈍體流動的渦街效應速度云圖表明，隨著氣流速度的增加，渦街效應引起下游氣流振動的幅度在變小，振動的長度在變短。文中分析對象在Ma=0.4時，渦街效應幾乎不存在，這說明，當速度增加到某一值速度后，利用渦街效應的氣流驅動摩擦發電機無法維持振動膜持續振動，發電將停止。

4 結論

本文提出了引信用氣流驅動振動摩擦發電機。該發電機以兩塊平行設置的電路板為上下電極、一片聚四氟乙烯薄膜為中間振動膜，氣流通過上下電極一排斜置進氣孔，驅動聚四氟乙烯薄膜在上下電極之間振動產生靜電感應而發電。仿真與吹風實驗結果表明，該氣流驅動摩擦發電機的輸出電壓和頻率的大小隨振動膜的厚度減小而增大，但該趨勢的有效范圍還需進一步的實驗驗證；輸出電壓峰值可達20 V以上，能滿足微功耗電引信對電能的需求。