电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器及其制造方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器及其制造方法。该装置包括：外部支撑结构、永磁体、弹性材料、电磁线圈、聚合物材料和摩擦电极阵列，电磁线圈和摩擦电极阵列分别位于外部支撑结构的上、下内表面，聚合物材料覆盖于摩擦电极阵列之上，永磁体通过弹性材料悬浮在支撑结构中心与聚合物材料接触，并可以沿各个方向随意滑动；永磁体与弹性材料形成谐振系统，沿平面内任意方向滑动产生电能输出，对周围环境中的低频振动机械能进行有效采集。本发明专利技术结构简单、设计合理、布置灵活，能够有效采集平面内沿各个方向振动的机械能，快速将电容充电到较高的电压水平。

【技术实现步骤摘要】
电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器及其制造方法
本专利技术涉及微能源
，尤其涉及一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器及其制造方法。
技术介绍
振动机械能是自然界中广泛存在的一种能量形式，例如树枝的摇摆、桥梁和建筑物的晃动、发动机的振动以及波浪起伏等。将周围环境中广泛分布的振动机械能收集起来转化为电能输出对于实现系统自供能和满足日益增长的能量需求有着至关重要的意义。然而周围环境中的振动机械能大多分布在低频范围，其振动方向、幅度、频率等特征具有随机时变性。一般的振动能量采集器工作频率都较高，且为了实现最大的能量输出只能对一个方向振动能有效采集，导致其他方向的振动机械能被浪费，传统的电磁式能量采集器虽然具有输出功率大的特点，但在低频振动下效率较低且输出电压有限，限制了其为电容充电的最终电压。2012年，王中林教授提出一种基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦发电机，它具有加工制造简单、材料选择和器件结构多样化等优点，并且在低频振动下可以实现很高的能量转换效率。上述现有技术中的缺点为：该摩擦发电机输出的电压高、电流低，且匹配负载很大，导致其输出功率较低，为电容充电的速度较慢。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器及其制造方法，以有效采集平面内沿各个方向低频振动的机械能，并快速将电容充电到较高的电压水平。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：本专利技术的实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器，其特征在于，该装置包括：外部支撑结构、永磁体、弹性材料、电磁线圈、聚合物材料和摩擦电极阵列，所述电磁线圈和所述摩擦电极阵列分别位于所述外部支撑结构的上、下内表面，所述聚合物材料覆盖于所述摩擦电极阵列之上，所述永磁体通过所述弹性材料悬浮在所述外部支撑结构的中心；所述永磁体与所述弹性材料形成谐振系统，所述永磁体在外界轻微扰动下发生滑动，采集周围环境中的低频振动机械能，产生电磁电流和摩擦电压并输出。优选地，所述外部支撑结构采用绝缘材料，所述绝缘材料具有支撑作用；所述外部支撑结构的材料选用：亚克力、聚氯乙烯或聚苯醚。优选地，所述永磁体的外表镀有金属，所述永磁体用于采集周围环境中的低频振动；所述弹性材料为具有拉伸特性的材料，所述弹性材料选用：弹簧或橡胶；所述永磁体与所述弹性材料组成谐振系统。优选地，所述电磁线圈，用于在所述永磁体发生滑动时，将机械能转化为电磁电流进行输出。优选地，所述聚合物材料，用于在所述永磁体发生滑动时，与所述永磁体表面的金属发生摩擦，产生摩擦输出电压；所述聚合物材料采用与金属摩擦易获得电子的材料，选用：聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。优选地，所述摩擦电极阵列，用于将所述聚合物材料产生的摩擦输出电压导出；所述摩擦电极阵列采用具有导电能力但不导磁的材料，选用：铜、铝、金或具有导电能力的半导体材料；所述摩擦电极阵列，由至少两对呈环形排列的电极组成。本专利技术的实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器制造方法，其特征在于，包括：通过激光切割或3D打印加工得到所述外部支撑结构的上、下表面和侧壁；通过溅射或蒸镀工艺，在聚酰亚胺薄膜表面淀积一层金属薄膜，利用光刻以及湿法腐蚀的方法，图形化聚酰亚胺表面的金属薄膜，分别形成所述电磁线圈结构和所述摩擦电极阵列结构；在所述外部支撑结构的上、下内表面分别涂抹一层环氧树脂胶，将所述电磁线圈和所述摩擦电极阵列分别粘附在上、下内表面，聚酰亚胺薄膜裸露在外部；在所述永磁体表面涂抹少量环氧树脂胶，将4根弹性材料结构的一端分别粘附在所述永磁体上，4根弹性材料结构等间隔分布；在所述外部支撑结构的侧壁上涂抹少量环氧树脂胶，将所述4根弹性材料结构的另一端分别粘附在侧壁上，使所述永磁体悬浮在中心与所述聚合物材料接触，并可沿任意方向滑动；通过环氧树脂胶将所述外部支撑结构的上、下表面和侧壁粘附为一个整体。优选地，所述的通过激光切割或3D打印加工出所述外部支撑结构的上、下表面和侧壁，包括：所述外部支撑结构上、下表面的直径为10cm，厚度为2mm；所述外部支撑结构的侧壁为圆环形，所述侧壁的外直径为10cm，高度为1cm，厚度为2mm。优选地，所述的通过溅射或蒸镀工艺，在聚酰亚胺薄膜表面淀积一层金属薄膜，包括：所述聚酰亚胺薄膜的厚度为40um，所述金属薄膜的厚度为12um。优选地，所述的利用光刻以及湿法腐蚀的方法，图形化聚酰亚胺表面的金属薄膜，分别形成所述电磁线圈结构和所述摩擦电极阵列结构，包括：所述电磁线圈的线宽为0.25mm，间隔为0.25mm，圈数为60圈；所述摩擦电极阵列为8个等间隔分布的扇形，半径为3cm，间隔为1mm。由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例设计了一种包括外部支撑结构、永磁体、弹性材料、电磁线圈、聚合物材料和摩擦电极阵列的电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器，电磁线圈和摩擦电极阵列分别位于外部支撑结构的上、下内表面，聚合物材料覆盖于摩擦电极阵列之上，永磁体通过弹性材料悬浮在支撑结构中心，并可以沿各个方向随意滑动。本专利技术所提供的电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器可以应用于自供能传感系统和人机交互界面等领域，对周围环境中的低频振动机械能进行有效采集，并可以有效收集平面内沿各个方向振动的机械能，能量利用率高，且能够提升能量转换效率。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器的截面图；图2为本专利技术实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器的内部结构俯视图；图3为本专利技术实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器的电磁线圈结构图；图4为本专利技术实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器的摩擦电极阵列结构图；图5为本专利技术实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器的摩擦部分输出电压波形图；图6为本专利技术实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器的电磁部分输出电压波形图；图7为本专利技术实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器的电容曲线图；图8为本专利技术实施例提供的一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器制造方法的处理流程图；其中，1-外部支撑结构上表面，2-电磁线圈，3-侧壁，4-表面镀有金属的永磁体，5-弹性材料，6-聚合物材料，7-摩擦电极阵列，8-外部支撑结构下表面。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本专利技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器，其特征在于，该装置包括：外部支撑结构、永磁体、弹性材料、电磁线圈、聚合物材料和摩擦电极阵列，所述电磁线圈和所述摩擦电极阵列分别位于所述外部支撑结构的上、下内表面，所述聚合物材料覆盖于所述摩擦电极阵列之上，所述永磁体通过所述弹性材料悬浮在所述外部支撑结构的中心；所述永磁体与所述弹性材料形成谐振系统，所述永磁体在外界轻微扰动下发生滑动，采集周围环境中的低频振动机械能，产生电磁电流和摩擦电压并输出。

【技术特征摘要】
1.一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器，其特征在于，该装置包括：外部支撑结构、永磁体、弹性材料、电磁线圈、聚合物材料和摩擦电极阵列，所述电磁线圈和所述摩擦电极阵列分别位于所述外部支撑结构的上、下内表面，所述聚合物材料覆盖于所述摩擦电极阵列之上，所述永磁体通过所述弹性材料悬浮在所述外部支撑结构的中心；所述永磁体与所述弹性材料形成谐振系统，所述永磁体在外界轻微扰动下发生滑动，采集周围环境中的低频振动机械能，产生电磁电流和摩擦电压并输出。2.根据权利要求1所述的电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器，其特征在于，所述外部支撑结构采用绝缘材料，所述绝缘材料具有支撑作用；所述外部支撑结构的材料选用：亚克力、聚氯乙烯或聚苯醚。3.根据权利要求1所述的电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器，其特征在于，所述永磁体的外表镀有金属，所述永磁体用于采集周围环境中的低频振动；所述弹性材料为具有拉伸特性的材料，所述弹性材料选用：弹簧或橡胶；所述永磁体与所述弹性材料组成谐振系统。4.根据权利要求1所述的电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器，其特征在于，所述电磁线圈，用于在所述永磁体发生滑动时，将机械能转化为电磁电流进行输出。5.根据权利要求1所述的电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器，其特征在于，所述聚合物材料，用于在所述永磁体发生滑动时，与所述永磁体表面的金属发生摩擦，产生摩擦输出电压；所述聚合物材料采用与金属摩擦易获得电子的材料，选用：聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。6.根据权利要求1所述的电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器，其特征在于，所述摩擦电极阵列，用于将所述聚合物材料产生的摩擦输出电压导出；所述摩擦电极阵列采用具有导电能力但不导磁的材料，选用：铜、铝、金或具有导电能力的半导体材料；所述摩擦电极阵列，由至少两对呈环形排列的电极组成。7.一种电磁摩擦复合式多方向振...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海霞，陈学先，缪立明，郭行，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11