陳永當(dāng) 陳青 杜冬青

【摘 要】設(shè)計了一種新型的電磁感應(yīng)加熱水杯，這種新型的加熱水杯分為電磁感應(yīng)無線充電器和水杯兩個部分，利用電磁感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)了對水杯的無線加熱。通過與現(xiàn)有加熱杯的構(gòu)造和原理的比較，這種新型的電磁感應(yīng)加熱水杯具有更好的安全性、清潔性和更廣闊的發(fā)展前景，具有一定的研究價值。

【關(guān)鍵詞】電磁感應(yīng)；加熱水杯；無線充電

中圖分類號： TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0016-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.006

【Abstract】A new type of electromagnetic induction heating cup is designed， which is divided into two parts：the electromagnetic induction wireless charger and the water cup.The wireless heating of the water cup is realized by using the electromagnetic induction principle.Compared with the structure and principle of the existing heating cup，this new type of electromagnetic induction heating water cup has better safety，cleanliness and wider development prospect，and has certain research value.

【Key words】Electromagnetic induction；Heating cup；Wireless charging

0 引言

水杯已然是人們生活中必不可少的日常用品，在日常生活中，我們只用到它盛裝和保溫的功能，而在旅途和一些無法實(shí)現(xiàn)加熱水供我們飲用的條件下，水杯自身實(shí)現(xiàn)加熱的功能就顯得非常重要。隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，目前市場上出現(xiàn)了各種各樣的加熱水杯，主要為以下三種：直插式加熱杯、太陽能加熱杯以及接觸式加熱杯。但它們在不同程度上存在著不同的缺陷，影響了加熱水杯給人們帶來的便捷性和實(shí)用性。

尼古拉·特斯拉曾說：“若干年后，人類可以在地球上任何一處地方獲取能量從而驅(qū)動機(jī)器”[1]。而一百年后的今天，無線充電技術(shù)正如他所言的一樣取得了不可思議地發(fā)展。近來，隨著無線充電手機(jī)、無線充電汽車等無線充電設(shè)備的出現(xiàn)，無線充電技術(shù)受到了廣大群眾的高度關(guān)注。

因此，我們設(shè)計了基于電磁感應(yīng)技術(shù)的無線加熱水杯。這種新型的加熱水杯，通過無線充電器的發(fā)射線圈與水杯底部的接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，使連接在接收器上的電阻片通電發(fā)熱，從而實(shí)現(xiàn)對水杯中水的加熱。

1 電磁感應(yīng)技術(shù)

1831年法拉第實(shí)驗(yàn)通過將兩線圈的其中一個作為發(fā)送能量裝置，另一個作為接收能量的裝置。兩線圈相互獨(dú)立、無線連接、軸心對準(zhǔn)，當(dāng)給發(fā)送線圈接上交流電后，電流表在接收線圈上可測得有電流，而在兩線圈中插入鐵芯時，電流表上的數(shù)字發(fā)生了明顯的變化，原因在于有鐵芯的線圈比無鐵芯的線圈能得到更大的感應(yīng)電流。通過上邊這個實(shí)驗(yàn)，法拉第發(fā)現(xiàn)出電磁感應(yīng)定律，并得出（隨時間）變化的磁場能產(chǎn)生電場，該現(xiàn)象被稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1864年麥克斯韋表示（隨時間）變化的電場能產(chǎn)生磁場；同年麥克斯韋通過概括前人的成果，總結(jié)宏觀電磁場運(yùn)動規(guī)律并提出了著名的麥克斯韋方程組，該方程組表明，時變電場與時變磁場互相激發(fā)、互相為源，在空間能形成電磁波[2]。

水杯內(nèi)部的電阻片的發(fā)熱原理，就是通過無線充電器端的發(fā)射線圈與水杯端的接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流與電動勢，而電流與感應(yīng)電動勢是由兩線圈相互間的磁場耦合產(chǎn)生的，原理如圖1：

2 電磁感應(yīng)加熱水杯

2.1 電磁感應(yīng)加熱水杯的基本結(jié)構(gòu)

本電磁感應(yīng)加熱水杯的結(jié)構(gòu)包括：電磁感應(yīng)無線充電器2和水杯1。

水杯為一個整體，在水杯底部制作時，就將接收器3和電阻片4預(yù)先置于底部。水杯通過底面中心的圓凸槽座放在電磁感應(yīng)無線充電器上表面中心的凸圓盤上，水杯底部靠下設(shè)置有接收器3，水杯底部靠上設(shè)置有電阻片4，電阻片4與接收器3導(dǎo)線連接；接收器3內(nèi)部包括接收線圈8和整流交換電路9，接收線圈8通過整流交換電路9與電阻片4連接；

電磁感應(yīng)無線充電器2為電能發(fā)射器，呈圓盤狀，由電路板6、外接電源和發(fā)射線圈7組成，與現(xiàn)有的手機(jī)無線充電器（深圳市古尚數(shù)碼有限公司、無線充GUSGU）類似。電路板6的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)為：整流濾波電路10輸入端通過輸電線5與電源（家用220V交流電）連接，整流濾波電路10輸出端一路與高頻逆變電路11連接，另一路與驅(qū)動電路12連接，驅(qū)動電路12的輸出端接入高頻逆變電路11中，高頻逆變電路11的輸出端通過功率放大電路13與發(fā)射線圈7連接。

具體結(jié)構(gòu)如圖2、圖3、圖4、圖5。

2.2 電磁感應(yīng)加熱水杯的工作原理

該電磁感應(yīng)無線加熱杯利用了電磁感應(yīng)原理，將水杯坐放在電磁感應(yīng)無線充電器的表面凸圓盤上，整流濾波電路10將交流電源轉(zhuǎn)變成直流電，驅(qū)動電路12產(chǎn)生驅(qū)動信號與（上一級）整流濾波電路10產(chǎn)生的直流電共同在高頻逆變電路11中交匯，將會產(chǎn)生高頻的交流電，該高頻的交流電通過功率放大電路13進(jìn)一步將能量放大，再通過發(fā)射線圈7（圖6中標(biāo)示為L1）將電能傳輸至空間，依靠空間磁場耦合方式，水杯底部的接收器3（接收端）中的接收線圈8（圖6中標(biāo)示為L2）接收電能，將感應(yīng)電流通過整流交換電路9轉(zhuǎn)換為某一特定大小的直流電，該直流電最終給電阻片4供電發(fā)熱，實(shí)現(xiàn)對水杯中的水加熱。

3 現(xiàn)有加熱杯與電磁感應(yīng)無線加熱杯的比較

目前，市場上主要有以下三種加熱水杯：直插式加熱杯、太陽能加熱杯以及接觸式加熱杯。

3.1 直插式加熱杯

直插式加熱杯又可分為普通直插式加熱杯和充電式加熱杯，普通直插式電熱杯是通過插頭連接電源，從而使電阻片通電發(fā)熱，加熱杯中的水，這種電熱杯的插頭在非工作狀態(tài)時，多被藏于杯中，這樣就導(dǎo)致水杯體積大而容量小，而且水杯杯身不易接觸水。充電式電熱杯又稱USB加熱杯，與普通直插式電熱杯相似，只是杯底或杯蓋多加裝了一個可循環(huán)使用的電池，避免了在沒電的環(huán)境下任然可以實(shí)現(xiàn)加熱功能，但頻繁的拔插充電線可能引起USB接口的損壞，而且長期將USB接口暴露在外，杯身在潮濕的環(huán)境下容易引起漏電，且和普通直插式加熱杯一樣的存在體積大而容量小的特點(diǎn)。

3.2 太陽能加熱杯

太陽能加熱杯顧名思義通過太陽板把吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過導(dǎo)線連接，使電阻片通電發(fā)熱，從而實(shí)現(xiàn)杯中水的加熱。這種加熱杯以太陽的光和熱為能源，非常綠色環(huán)保，且不受有無電源的制約，但太陽能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換率不高，而且及受天氣的影響，同時也存在體積大而容量小的特點(diǎn)[3]。

3.3 接觸式加熱杯

接觸式加熱杯是將盛有水的水杯放置在加熱底座上，通過熱傳遞而加熱杯中的水。這種加熱方式可以實(shí)現(xiàn)多個水杯的加熱，擺脫了一個杯子的限制，這樣方便使用者實(shí)現(xiàn)水杯、咖啡杯、奶杯等的分開使用，但它的缺點(diǎn)也是很顯著的，如果操作時或不小心觸碰到加熱底座，就很容易造成燙傷的危險。

3.4 電磁感應(yīng)無線加熱杯的優(yōu)點(diǎn)

電磁感應(yīng)無線加熱杯基于電磁感應(yīng)的原理，通過無線充電器的發(fā)射線圈與水杯底部的接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流與電動勢，使連接在接收器上的電阻片通電發(fā)熱，從而實(shí)現(xiàn)對水杯中水的加熱。整個水杯渾然一體，外形和普通水杯一樣，只是底部增加了一些厚度，用于放置接收器和電阻片，不需要充電電線或充電電池，也不需要借助外部加熱，完全實(shí)現(xiàn)內(nèi)部加熱，且加熱系統(tǒng)不易損壞，具有操作簡單、靈活，使用方便、安全的特點(diǎn)。

4 總結(jié)

這種電磁感應(yīng)加熱水杯為我們提供了一種全新的思路，隨著未來核能發(fā)電技術(shù)的成熟，我們可以在一個區(qū)域里放置一個電源發(fā)射器，在這個區(qū)域里的任何機(jī)電設(shè)備只需要在內(nèi)部安裝一個接收器，通過調(diào)試，將接受的能量轉(zhuǎn)化為適應(yīng)自身工作的電能，所有的電器設(shè)備都能隨時隨地接收到電能，無需擔(dān)心設(shè)備電量不足的問題，同時也省去了設(shè)備內(nèi)部電源所占的空間，使設(shè)備能更加精細(xì)化、清潔化、智能化。

【參考文獻(xiàn)】

[1]迎九.無線充電的安全、成本、效率和方便性在提升[J].電子產(chǎn)品世界，2015，3：77-78.

[2]黎宇洲.基于電磁感應(yīng)技術(shù)的手機(jī)無線充電器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].成都：成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016.

[3]楊獻(xiàn)社.太陽能加熱水杯的現(xiàn)實(shí)意義[J].企業(yè)導(dǎo)報，2015：188-190.