[发明专利]电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器及其制造方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及微能源技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采取了如下技术方案：

本发明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；