CN108429428B - 电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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；
所述摩擦电极阵列，由至少两对呈环形排列的电极组成。
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。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明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。本发明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。
本发明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，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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
下面详细描述本发明的实施方式，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，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，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，本发明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、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
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，对周围环境中的低频振动机械能进行有效采集。
本发明实施例的一方面，提供了一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器。
本发明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如图1所示，该装置包括：外部支撑结构、外表镀有金属的永磁体、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外部支撑结构中心，并可以沿各个方向随意滑动，采集周围环境中的低频振动机械能。
本发明实施例的各个组成部分的具体内容如下：
(1)外部支撑结构
外部支撑结构材料为具有一定支撑作用的绝缘材料，如亚克力(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯醚(PPO)等。
(2)永磁体
永磁体的外表镀有金属，永磁体通过弹性材料悬浮在支撑结构的中心，并可以沿各个方向随意滑动。
采用永磁体作为滑动结构，与弹性材料形成谐振系统，在外界轻微扰动下即可产生电磁和摩擦输出。因此可将器件应用于自驱动报警系统中，放置在电动车、门廊等位置，在有外界扰动产生时，便触发报警装置。
永磁体沿平面内任意方向滑动均可以产生电能输出，通过调整弹性材料的劲度系数和永磁体的质量，可使装置的谐振频率处于很低的范围内。因此可用于采集周围环境中的振动机械能，如放置在树枝上，收集树枝随风晃动的机械能；放在发动机外壳，收集发动机工作时的振动机械能；放在鞋子上，收集人跑步时的运动机械能；或在包装密封性良好的情况下，收集海水波浪机械能。
(3)弹性材料
弹性材料为具有拉伸特性的材料，如弹簧、橡胶等。
(4)电磁线圈
电磁线圈用于在永磁体发生滑动时，将机械能转化为电磁电流进行输出。
(5)聚合物材料
聚合物材料为与金属摩擦容易得电子的材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。
永磁体的表面镀有金属，当永磁体发生滑动时，聚合物材料与永磁体表面的金属发生摩擦，产生可观的摩擦输出电压，可以快速将电容充电到较高的电压水平。
(6)摩擦电极阵列
摩擦电极阵列的材料为具有一定导电能力但不导磁的材料，包括：金属如铜、铝、金等；以及具有导电能力的半导体材料如铟锡氧化物薄膜(indium tin oxide film，ITO)等。
电极阵列指电极由至少两对呈环形排列的电极组成。
本发明实施例的另一方面，提供了一种电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器制造方法。
本发明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如图8所示，该制造方法的具体步骤如下：
S810：通过激光切割或3D打印加工得到外部支撑结构的上、下表面和侧壁。
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。
S820：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，分别形成电磁线圈结构和摩擦电极阵列结构。
所述聚酰亚胺薄膜的厚度为40um，所述金属薄膜的厚度为12um。
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。
S830：在外部支撑结构的上、下内表面分别涂抹一层环氧树脂胶，将电磁线圈和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。
S840：在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永磁体上，4根弹性材料结构等间隔分布。
S850：在外部支撑结构的侧壁上涂抹少量环氧树脂胶，将4根弹性材料结构的另一端分别粘附在侧壁上，使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。
S860：通过环氧树脂胶将外部支撑结构的上、下表面和侧壁粘附为一个整体。
本领域技术人员应能理解，上述所举的电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器制造步骤顺序仅为更好地说明本发明实施例的技术方案，而非对本发明实施例作出的限定。任何对上述制造步骤调整顺序或删减步骤的方法，均包含在本发明实施例的范围内。
实施例二
该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，该装置的截面示意图如图1所示，装置内部结构的俯视图如图2所示，该装置包括：外部支撑结构上表面1，电磁线圈2，侧壁3，表面镀有金属的永磁体4，弹性材料5，聚合物材料6，摩擦电极阵列7和外部支撑结构下表面8。
电磁线圈的结构示意图如图3所示，摩擦电极阵列7的结构示意图如图4所示。
外部支撑结构1、3、8为亚克力，电磁线圈2为铜，永磁体4为钕铁硼复合材料，弹性材料5为不锈钢弹簧，聚合物材料6为聚酰亚胺(PI)，摩擦电极阵列7为铜。
具体加工步骤如下：
步骤1：通过激光切割亚克力板和圆管的方式，加工出外部支撑结构的上下表面和侧壁，其厚度均为2mm,圆形衬底直径为10cm。
步骤2：在厚度为40um的PI薄膜上溅射膜厚为12um的铜薄膜，光刻后通过氯化铁溶液腐蚀掉多余的铜，从而形成电磁线圈2。
步骤3：将加工好的电磁线圈2通过环氧树脂胶粘附到外部支撑结构的上表面。
步骤4：将4根不锈钢弹簧的两端通过环氧树脂胶分别粘附到永磁体4和外部支撑结构的侧壁3上。
步骤5：通过溅射工艺在厚度为40um的PI薄膜表面溅射一层厚度为12um的铜，通过光刻和湿法腐蚀的方法去掉多余的铜从而形成摩擦发电机电极阵列结构。
步骤6：将带有摩擦发电机电极阵列的PI薄膜粘贴到外部支撑结构的下表面，其中电极结构在内侧，PI薄膜在外侧。
步骤7：通过环氧树脂胶将外部支撑结构的上、下表面和侧壁粘附到一起。
本发明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。
如图5所示，采用以上步骤制备出的电磁摩擦复合式多方向振动能量采集器在频率为12Hz的外力驱动下，摩擦电极阵列部分输出电压峰峰值分别为73.1V、41.6V、23.9V、41.8V。如图6所示，该能量采集器在相同的外力驱动下，电磁线圈输出的电压峰峰值为1.57V。如图7所示，该器件在12Hz的振动条件下，电磁输出、摩擦输出以及复合输出在200s内可将20uF的电容分别充电至1.2V、4.5V、7V。
本发明的主要优势如下：
(1)本发明提出的电磁摩擦复合式能量采集器与其他能量采集器相比，其频率响应范围主要分布在低频区域(5-15Hz)，有利于对周围环境中的低频振动机械能进行有效采集。
(2)本发明提出的能量采集器可以有效收集平面内沿各个方向振动的机械能，相比于其他单方向振动能量采集器来说，其能量利用率更高。
(3)本发明提出的电磁摩擦复合式能量采集器在单次运动下，会同时产生多次震荡衰减的电磁和摩擦输出，提升了能量转换效率。
综上所述，本发明实施例通过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，其中，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，并可沿各个方向随意滑动。本发明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，同时产生可观的摩擦输出电压和电磁电流，从而可以快速将电容充电到较高的电压水平。本发明结构简单、设计合理、布置灵活，能量利用率高、能量转换效率高。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
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；
所述外部支撑结构的侧壁为圆环形；
所述摩擦电极阵列，由至少两对呈环形排列的电极组成；
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；
所述永磁体沿平面内任意方向滑动均可以产生电能输出，通过调整所述弹性材料的劲度系数和永磁体的质量调整装置的谐振频率范围；
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。
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。
6.一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打印加工得到外部支撑结构的上、下表面和侧壁；
所述外部支撑结构的侧壁为圆环形；
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，分别形成电磁线圈结构和摩擦电极阵列结构；
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，所述摩擦电极阵列，由至少两对呈环形排列的电极组成；
在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聚合物材料接触，并可沿任意方向滑动，通过调整所述弹性材料的劲度系数和永磁体的质量调整装置的谐振频率范围；
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。
7.根据权利要求6所述的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，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。
8.根据权利要求6所述的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，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。
9.根据权利要求6所述的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，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。
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Citations (5)
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Patent Citations (5)
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| CN103546058A (zh) * | 2013-10-28 | 2014-01-29 | 北京大学 | 一种基于电磁与摩擦原理的复合式发电机 |
| CN104362884A (zh) * | 2014-11-26 | 2015-02-18 | 厦门大学 | 一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置 |
| CN105991061A (zh) * | 2015-02-11 | 2016-10-05 | 北京纳米能源与系统研究所 | 一种收集流体流动能量的复合型发电机 |
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