一種多功能磁力攪拌杯設計

付軼雯　朱登雷

摘 要：本文設計了一種多功能磁力攪拌杯，主要給出了其整體結構、自發電機構、磁力攪拌機構、攪拌粒及應急充電等方面的設計方案。該攪拌杯不僅便于清洗，而且無需外接電源或使用電池供電，利用溫差發電片將熱水的內能轉換為電能，從而驅動攪拌的進行。此外，其還能為手機等電子設備提供電能，可作為應急充電的“充電寶”。

關鍵詞：攪拌杯;磁力攪拌;溫差發電;應急充電

Abstract： In this paper， a multi-functional magnetic stirring cup was designed. The design schemes of its overall structure， self-generating mechanism， magnetic stirring mechanism， stirring particles and emergency charging were given. The stirring cup is not only easy to clean， but also does not need external power supply or battery power supply. The internal energy of hot water is converted into electricity by using thermoelectric power sheet， so as to drive the stirring process. In addition， it can also provide electricity for mobile phones and other electronic devices， and can be used as a "charging treasure" for emergency charging.

Keywords： mixing cup;magnetic stirring; thermoelectric generation;emergency charging

隨著生活質量的逐步提高，人們居家或外出時，除了飲水，也會更多地選擇口感較好的飲品或具有保健作用的沖劑來豐富味蕾、強身健體。若飲用沖劑類飲品，通常人們會選擇用筷子、吸管、勺子等工具輔助攪拌，或通過搖晃杯子的方式來將飲品混合均勻。但這些方式存在一定的弊端，如不夠衛生、不容易混合均勻、無法溶解杯子底部結塊的沖劑，從而導致口感偏淡且造成浪費。為了解決上述問題，設計帶有自動攪拌功能的攪拌杯尤為必要。

1 攪拌杯簡介及研究現狀分析

目前，市面上有需要插電的攪拌杯出售，方便了人們攪拌飲品，但同時也存在一些問題。比如，其結構一般是在杯底中心部位設轉軸，攪拌葉片置于杯內固定在轉軸之上，通過攪拌葉片的旋轉來攪拌飲品。但是，此類電動攪拌杯的攪拌葉片無法取出，導致杯子無法徹底清洗;轉軸與杯體的連接處需要做密封處理，長期使用容易損壞，導致杯子漏水。更重要的是，此種攪拌杯需要外部電源供電，人們在戶外找不到電源或不好找電源的地方，該攪拌杯就無法使用。

同時，考慮到現在人們使用的手機耗電量大，在戶外攜帶充電寶不方便或充電寶沒電時手機也將無法充電，導致通信受阻。所以，設計一款既能不外接電源就可以攪拌飲品，又能借助熱水來產生電能，完成對手機充電的攪拌杯就顯得尤為重要。

2 多功能磁力攪拌杯的設計

2.1 多功能磁力攪拌杯外觀特征

本文所設計的多功能磁力攪拌杯包括杯蓋與杯體兩部分。杯體為雙層中空不銹鋼結構，內外兩層在水杯杯口位置通過機械沖壓使之成為一個密閉整體，中空部分抽真空，通過此結構使飲品保溫，同時提高杯體內外壁的溫差，從而保證溫差發電片的發電效率。杯體上設有轉換開關及USB接口。其中，USB接口用來對外供電。轉換開關有兩個作用：一是控制攪拌的啟動或者停止;二是控制USB接口是否供電。攪拌與USB接口的供電采用聯動控制，當攪拌進行時，USB接口不對外供電;當攪拌停止時，USB接口對外供電。攪拌杯整體外觀特征。

2.2 自發電機構設計

德國物理學家塞貝克（Seebeck）于1821年首先發現，若用兩種金屬接成閉合回路，并使兩個接頭處的溫度不同，則在閉合回路中形成電流，這一現象叫做溫差電效應或塞貝克效應。回路中形成電流表明該回路中存在電動勢，這種由于溫差而出現的電動勢叫作溫差電動勢。筆者把兩種不同金屬焊接成的閉合回路叫作溫差電池或熱電偶。

實驗表明，溫差電動勢的大小只和兩種金屬的性質及接頭處的溫度有關。金屬的溫差電動勢是非常小的，例如，用銅和康銅構成的熱電偶，當兩個接頭處的溫度相差100℃時，回路中的溫差電動勢只有4.3mV。當熱電偶中形成電流時，放在高溫熱源處的熱電偶接頭從高溫熱源吸熱，而放在低溫熱源處的另一接頭則向低溫熱源放熱。熱電偶兩個接頭吸熱和放熱的差值即為轉化成電能的數量。

金屬熱電偶的發電效率極低，約為0.1%，即熱電偶從高溫熱源處吸熱1 000J，只有1J轉化為電能，999J熱量傳給低溫熱源。因此，金屬熱電偶不宜作為電源使用，其主要用途是作為溫度計測量溫度。除金屬有溫差電效應外，半導體也有溫差電效應。用某些半導體制成的溫差電池有較大的溫差電動勢和較高的發電效率（6%～8%），因此，半導體溫差電池在實際中可作為電源用[1]。

在本文所設計的磁力攪拌杯中，所用溫差發電片即為利用塞貝克效應制成的半導體溫差電池，其作用是將攪拌杯中熱水的內能轉換為電能，從而驅動攪拌杯攪拌飲品或對手機等電子設備進行應急充電。該溫差發電片采用弧形結構，內外極板涂抹硅脂保證與杯壁緊密貼合。溫差發電片之間采用串并聯結構增大輸出電流及電壓，杯體內置調壓整流電路，保證電能穩定輸出。此種方式解決了攪拌杯需要外部電源供電的問題。自發電機構如圖2所示。

2.3 磁力攪拌機構設計

為了彌補現售電動攪拌杯由于攪拌葉無法取出，導致杯子無法徹底清洗，以及轉軸與杯體的連接處需要做密封處理，長期使用容易損壞，導致杯子漏水的弊端，本文設計了一種供電裝置以及磁力攪拌系統都密封在杯子內外膽之間的磁力攪拌杯，從而徹底解決了以上問題。

磁力攪拌機構的具體設計如圖3所示。磁力攪拌系統主要包括超薄電機、驅動磁體以及杯內攪拌粒。超薄電機和驅動磁體位于杯子內外膽之間，攪拌粒位于杯子之中。具體實施方式為將超薄電機通過固定片固定于杯子內膽，同時將驅動磁體固定于電機的轉軸上。超薄電機通過溫差發電片所產生的電能來驅動，電機轉軸的旋轉帶動驅動磁體旋轉，使置于杯子中的攪拌粒在驅動磁體磁力的驅動下旋轉起來，以完成對杯內物質的攪拌，實現攪拌杯的功能。

在本設計中，驅動磁體及攪拌粒的內芯均采用銣鐵硼材料以增強磁性，并且兩者均采用“凹”形結構設計，兩“凹”形結構相對放置磁極相反，通過此種方式來構成方形磁回路以進一步增強磁性。攪拌粒結構如圖4所示。本文所述攪拌粒采用食品級耐高溫蒸煮材料對磁性內芯進行包覆，包覆后為“山”形結構，中間高兩邊低，旋轉時中間部分作為轉軸，以減小摩擦阻力。

2.4 應急充電功能

此外，考慮到現在人們使用的手機耗電量大，在戶外攜帶充電寶不太方便，再加上若充電寶沒電，屆時手機將無法充電，導致通信受阻。為了解決以上問題，本文設計的攪拌杯除具有市面上攪拌杯的基本功能外，還具有“一杯多用”的功能，即將攪拌杯作為應急充電設備使用，為人們急需使用的電子設備充電。該應急充電功能的實現比較簡單。前述溫差發電片所產生的電能可以用來驅動攪拌杯工作，只需在電路中設置分支電路并增加一個轉換開關和USB接口置于杯壁底部即可。通過開關來切換電路的供電方式，從而切換攪拌和充電模式。在找不到充電場所時，只需要將攪拌杯中接滿開水并切換到充電模式就可以對手機等電子設備進行應急充電。

3 結論

本文通過攪拌杯的整體結構、自發電機構、磁力攪拌機構、攪拌粒及應急充電功能的設計，為人們提供了一種多功能磁力攪拌杯的設計方案。此攪拌杯最大的特點是：內膽無需開孔，最大程度上保證了攪拌杯的整體性，便于清洗;無需外接電源或使用電池供電，利用溫差發電片將熱水的內能轉換為電能，從而驅動攪拌的進行，低碳環保，無需后期維護;通過功能轉換開關還可以將溫差發電片產生的電能通過杯體上的接口向外輸出，從而給手機等電子設備提供電能，可作為應急充電的“充電寶”。本文設計的攪拌杯新穎、美觀、大方，預計將會受到人們的歡迎。

參考文獻：

[1]賈瑞皋，薛慶忠.電磁學[M].北京：高等教育出版社，2011.