本发明属于能量转化器件技术领域，具体涉及一种能适应外部振动环境的自适应摩擦-电磁复合振动能量采集器。
背景技术：
在日常生活中，机床振动、车辆行动、人体运动等各种场合都存在振动。悬臂梁振动能量采集装置可以将周围振动能量转化为电能，在振动能量采集领域得到广泛的研究与应用。悬臂梁振动能量采集装置有特定固有频率，当其工作于共振频率状态时，能量转化效率会得到大幅提高；但是当其工作处于非共振频率状态时，能量利用率低。
技术实现要素：
本发明为了解决传统的振动能量采集器固有频率恒定，在外界振动频率改变时，无法工作于共振状态，能量转化效率低的问题，提供了一种具有更宽的共振频率范围、更高的能源采集效率及更好地适应环境的自适应电磁-摩擦复合振动能量采集器。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：
一种自适应电磁-摩擦复合振动能量采集器，包括与外部激励源固定的结构基座，所述结构基座顶部设有呈十字型的支撑梁弹性基板，在每个支撑梁弹性基板顶部活动连接有与支撑梁方向相同的悬臂梁弹性基板，所述支撑梁弹性基板两端的底部分别设有电磁感应线圈，支撑梁弹性基板两端的顶部分别依次设有摩擦缓冲层、电极层、硅胶薄膜层，所述悬臂梁弹性基板两端的顶部分别设有磁铁，悬臂梁弹性基板两端的底部分别依次设有摩擦缓冲层及电极层，在电极层与摩擦缓冲层之间引出导线。本发明的结构基座与外部激励源固定，支撑梁弹性基板与悬臂梁弹性基板的固支端与结构基座固定，受外部激励源振动激励时，弹性强度不同的支撑梁弹性基板和悬臂梁弹性基板的弹性形变不同，在作为悬臂梁弹性基板质量块的圆柱形磁铁的辅助作用下，摩擦发电单元的相对摩擦层在弹性基板自由端形成有效接触-分离运动，通过摩擦生电和静电感应的耦合作用，在外电路产生电流；同时，在悬臂梁弹性基板自由端的圆柱形磁铁有较大的运动位移，使得通过支撑梁自由端下部的电磁感应线圈的磁通量发生变化，在外电路中产生电磁感应电流，摩擦发电单元和电磁发电单元协同工作。十字梁4个方向的弹性基板具有不同的悬臂梁长度，对应于不同的固有频率，当周围振动环境发生变化时，4个悬臂梁之一在外界激励下产生共振现象，更加有效转化环境中的振动能量。
进一步地，所述支撑梁弹性基板处于不同方向的具有不同的长度，悬臂梁弹性基板处于不同方向的也具有不同的长度。4个方向的弹性基板具有不同的悬臂梁长度，对应于不同的固有频率，可以提高复合振动能量采集器的能量转换效率及环境适应能力。
进一步地，所述支撑梁弹性基板与悬臂梁弹性基板的固定处之间设有基板垫片，并通过螺栓与支撑梁弹性基板及悬臂梁弹性基板上的通孔连接。
优选的，所述支撑梁弹性基板的弹性模量大于悬臂梁弹性基板的弹性模量，支撑梁弹性基板、悬臂梁弹性基板为不同弹性模量材质，支撑梁弹性基板具有较大的弹性模量，在外力作用下，发生的弹性变形较小，悬臂梁弹性基板具有较小的弹性模量，在外力作用下，发生的弹性变形较大。所述支撑梁弹性基板不能被磁化，不会被磁铁吸引。悬臂梁弹性基板能够被磁化，会被磁铁吸引，从而与圆柱形磁铁形成更牢固的连接。在外部激励源作用下，上部的悬臂梁弹性基板的自由端产生较大弯曲形变，与下部的支撑梁弹性基板自由端形成接触—分离过程。
优选的，所述磁铁为圆柱形磁铁。悬臂梁弹性基板自由端固定有圆柱形永磁铁作为质量块，形成悬臂梁-质量块结构。圆柱形磁铁作为悬臂梁质量块，能够使电极与硅胶薄膜形成更紧密的接触，提高摩擦发电单元输出性能。
优选的，所述硅胶薄膜由复合硅胶材料制备，通过与同时作为电极的金属摩擦层的接触-分离过程，构成摩擦发电单元。在受外部激励源振动激励时，圆柱形磁铁跟随悬臂梁弹性基板自由端运动，通过电磁感应线圈的磁通量发生变化，构成电磁发电单元。本发明通过摩擦发电单元、电磁发电单元的协同工作，有效将外界振动能量转化为电能，提高了对振动环境的频率适应性。
本发明的4个方向的弹性基板具有不同的长度，对应于不同的固有频率。当周围振动环境发生变化时，4个悬臂梁之一在外界激励下产生共振现象，摩擦发电单元和电磁发电单元协同工作，得到较高的能量转化效率。本发明集成了摩擦发电单元和电磁发电单元，相对于传统的能源采集器件，具有更宽的共振频率范围、更高的能源采集效率及更好的环境适应性。本发明通过采集周围环境的机械能给各种便携式电子设备、传感器件、传感网络提供电能，具有绿色环保、成本低、性能稳定等优点，具有广泛的应用场合与应用前景。
附图说明
现在参考附图对本发明作进一步描述，其中：
图1为本发明的俯视图；
图2为本发明的仰视图；
图3为本发明的截面图（稳定状态）；
图4为本发明的截面图（振动状态）；
图5为弹性基板结构示意图。
附图标记说明：1、支撑梁弹性基板，2、悬臂梁弹性基板，3、结构基座，4、基板垫片，5、磁铁，6、摩擦缓冲层，7、电极层，8、硅胶薄膜层，9、电磁感应线圈，10、螺栓，11、通孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至5所示，一种自适应电磁-摩擦复合振动能量采集器，包括与外部激励源固定的结构基座3，所述结构基座3顶部设有呈十字型的支撑梁弹性基板1，在每个支撑梁弹性基板1顶部活动连接有与支撑梁方向相同的悬臂梁弹性基板2，所述支撑梁弹性基板1两端的底部分别设有电磁感应线圈9，支撑梁弹性基板1两端的顶部分别依次设有摩擦缓冲层6、电极层7、硅胶薄膜层8，所述悬臂梁弹性基板2两端的顶部分别设有磁铁5，悬臂梁弹性基板2两端的底部分别依次设有摩擦缓冲层6及电极层7，在电极层7与摩擦缓冲层6之间引出导线。本发明的结构基座3与外部激励源固定，支撑梁弹性基板1与悬臂梁弹性基板2的固支端与结构基座3固定，受外部激励源振动激励时，弹性强度不同的支撑梁弹性基板1和悬臂梁弹性基板2的弹性形变不同，在作为悬臂梁弹性基板2质量块的圆柱形磁铁5的辅助作用下，摩擦发电单元的相对摩擦层在弹性基板自由端形成有效接触-分离运动，通过摩擦生电和静电感应的耦合作用，在外电路产生电流；同时，在悬臂梁弹性基板2自由端的圆柱形磁铁5有较大的运动位移，使得通过支撑梁自由端下部的电磁感应线圈9的磁通量发生变化，在外电路中产生电磁感应电流，摩擦发电单元和电磁发电单元协同工作。十字梁4个方向的弹性基板具有不同的悬臂梁长度，对应于不同的固有频率，当周围振动环境发生变化时，4个悬臂梁之一在外界激励下产生共振现象，更加有效转化环境中的振动能量。
进一步地，所述支撑梁弹性基板1处于不同方向的具有不同的长度，悬臂梁弹性基板处于不同方向的也具有不同的长度。4个方向的弹性基板具有不同的悬臂梁长度，对应于不同的固有频率，可以提高复合振动能量采集器的能量转换效率及环境适应能力。
进一步地，所述支撑梁弹性基板1与悬臂梁弹性基板2的固定处之间设有基板垫片4，并通过螺栓10与支撑梁弹性基板1及悬臂梁弹性基板2上的通孔11连接。
优选的，所述支撑梁弹性基板1的弹性模量大于悬臂梁弹性基板2的弹性模量，支撑梁弹性基板1、悬臂梁弹性基板2为不同弹性模量材质，支撑梁弹性基板1具有较大的弹性模量，在外力作用下，发生的弹性变形较小，悬臂梁弹性基板2具有较小的弹性模量，在外力作用下，发生的弹性变形较大。所述支撑梁弹性基板不能被磁化，不会被磁铁吸引。悬臂梁弹性基板1能够被磁化，会被磁铁7吸引，从而与圆柱形磁铁形成更牢固的连接。在外部激励源作用下，上部的悬臂梁弹性基板2的自由端产生较大弯曲形变，与下部的支撑梁弹性基板1自由端形成接触—分离过程。
优选的，所述磁铁5为圆柱形磁铁。悬臂梁弹性基板2自由端固定有圆柱形永磁铁作为质量块，形成悬臂梁-质量块结构。圆柱形磁铁5作为悬臂梁质量块，能够使电极与硅胶薄膜8形成更紧密的接触，提高摩擦发电单元输出性能。
优选的，所述硅胶薄膜层8由复合硅胶材料制备，通过与同时作为电极的金属摩擦层的接触-分离过程，构成摩擦发电单元。在受外部激励源振动激励时，圆柱形磁铁跟随悬臂梁弹性基板2自由端运动，通过电磁感应线圈9的磁通量发生变化，构成电磁发电单元。本发明通过摩擦发电单元、电磁发电单元的协同工作，有效将外界振动能量转化为电能，提高了对振动环境的频率适应性。
以上列举的仅是本发明的具体实施例子，对本发明的保护范围不构成任何限制，器件结构不受弹性基板尺寸、材料、形状、通孔位置，缓冲层材料种类、厚度，摩擦发电单元材料种类，线圈匝数、尺寸、个数，磁铁大小、形状等限制，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变形，需要注意的是：倘若这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。