一种新型的电磁感应加热水杯

陈永当 陈青 杜冬青

【摘 要】设计了一种新型的电磁感应加热水杯，这种新型的加热水杯分为电磁感应无线充电器和水杯两个部分，利用电磁感应原理，实现了对水杯的无线加热。通过与现有加热杯的构造和原理的比较，这种新型的电磁感应加热水杯具有更好的安全性、清洁性和更广阔的发展前景，具有一定的研究价值。

【关键词】电磁感应；加热水杯；无线充电

中图分类号： TM564 文献标识码： A 文章编号： 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

水杯已然是人们生活中必不可少的日常用品，在日常生活中，我们只用到它盛装和保温的功能，而在旅途和一些无法实现加热水供我们饮用的条件下，水杯自身实现加热的功能就显得非常重要。随着科技技术的不断发展，目前市场上出现了各种各样的加热水杯，主要为以下三种：直插式加热杯、太阳能加热杯以及接触式加热杯。但它们在不同程度上存在着不同的缺陷，影响了加热水杯给人们带来的便捷性和实用性。

尼古拉·特斯拉曾说：“若干年后，人类可以在地球上任何一处地方获取能量从而驱动机器”[1]。而一百年后的今天，无线充电技术正如他所言的一样取得了不可思议地发展。近来，随着无线充电手机、无线充电汽车等无线充电设备的出现，无线充电技术受到了广大群众的高度关注。

因此，我们设计了基于电磁感应技术的无线加热水杯。这种新型的加热水杯，通过无线充电器的发射线圈与水杯底部的接收線圈产生感应电流，使连接在接收器上的电阻片通电发热，从而实现对水杯中水的加热。

1 电磁感应技术

1831年法拉第实验通过将两线圈的其中一个作为发送能量装置，另一个作为接收能量的装置。两线圈相互独立、无线连接、轴心对准，当给发送线圈接上交流电后，电流表在接收线圈上可测得有电流，而在两线圈中插入铁芯时，电流表上的数字发生了明显的变化，原因在于有铁芯的线圈比无铁芯的线圈能得到更大的感应电流。通过上边这个实验，法拉第发现出电磁感应定律，并得出（随时间）变化的磁场能产生电场，该现象被称为电磁感应现象。1864年麦克斯韦表示（随时间）变化的电场能产生磁场；同年麦克斯韦通过概括前人的成果，总结宏观电磁场运动规律并提出了著名的麦克斯韦方程组，该方程组表明，时变电场与时变磁场互相激发、互相为源，在空间能形成电磁波[2]。

水杯内部的电阻片的发热原理，就是通过无线充电器端的发射线圈与水杯端的接收线圈产生感应电流与电动势，而电流与感应电动势是由两线圈相互间的磁场耦合产生的，原理如图1：

2 电磁感应加热水杯

2.1 电磁感应加热水杯的基本结构

本电磁感应加热水杯的结构包括：电磁感应无线充电器2和水杯1。

水杯为一个整体，在水杯底部制作时，就将接收器3和电阻片4预先置于底部。水杯通过底面中心的圆凸槽座放在电磁感应无线充电器上表面中心的凸圆盘上，水杯底部靠下设置有接收器3，水杯底部靠上设置有电阻片4，电阻片4与接收器3导线连接；接收器3内部包括接收线圈8和整流交换电路9，接收线圈8通过整流交换电路9与电阻片4连接；

电磁感应无线充电器2为电能发射器，呈圆盘状，由电路板6、外接电源和发射线圈7组成，与现有的手机无线充电器（深圳市古尚数码有限公司、无线充GUSGU）类似。电路板6的内部电路结构为：整流滤波电路10输入端通过输电线5与电源（家用220V交流电）连接，整流滤波电路10输出端一路与高频逆变电路11连接，另一路与驱动电路12连接，驱动电路12的输出端接入高频逆变电路11中，高频逆变电路11的输出端通过功率放大电路13与发射线圈7连接。

具体结构如图2、图3、图4、图5。

2.2 电磁感应加热水杯的工作原理

该电磁感应无线加热杯利用了电磁感应原理，将水杯坐放在电磁感应无线充电器的表面凸圆盘上，整流滤波电路10将交流电源转变成直流电，驱动电路12产生驱动信号与（上一级）整流滤波电路10产生的直流电共同在高频逆变电路11中交汇，将会产生高频的交流电，该高频的交流电通过功率放大电路13进一步将能量放大，再通过发射线圈7（图6中标示为L1）将电能传输至空间，依靠空间磁场耦合方式，水杯底部的接收器3（接收端）中的接收线圈8（图6中标示为L2）接收电能，将感应电流通过整流交换电路9转换为某一特定大小的直流电，该直流电最终给电阻片4供电发热，实现对水杯中的水加热。

3 现有加热杯与电磁感应无线加热杯的比较

目前，市场上主要有以下三种加热水杯：直插式加热杯、太阳能加热杯以及接触式加热杯。

3.1 直插式加热杯

直插式加热杯又可分为普通直插式加热杯和充电式加热杯，普通直插式电热杯是通过插头连接电源，从而使电阻片通电发热，加热杯中的水，这种电热杯的插头在非工作状态时，多被藏于杯中，这样就导致水杯体积大而容量小，而且水杯杯身不易接触水。充电式电热杯又称USB加热杯，与普通直插式电热杯相似，只是杯底或杯盖多加装了一个可循环使用的电池，避免了在没电的环境下任然可以实现加热功能，但频繁的拔插充电线可能引起USB接口的损坏，而且长期将USB接口暴露在外，杯身在潮湿的环境下容易引起漏电，且和普通直插式加热杯一样的存在体积大而容量小的特点。

3.2 太阳能加热杯

太阳能加热杯顾名思义通过太阳板把吸收的太阳能转化为电能，通过导线连接，使电阻片通电发热，从而实现杯中水的加热。这种加热杯以太阳的光和热为能源，非常绿色环保，且不受有无电源的制约，但太阳能转换成电能的转换率不高，而且及受天气的影响，同时也存在体积大而容量小的特点[3]。

3.3 接触式加热杯

接触式加热杯是将盛有水的水杯放置在加热底座上，通过热传递而加热杯中的水。这种加热方式可以实现多个水杯的加热，摆脱了一个杯子的限制，这样方便使用者实现水杯、咖啡杯、奶杯等的分开使用，但它的缺点也是很显著的，如果操作时或不小心触碰到加热底座，就很容易造成烫伤的危险。

3.4 电磁感应无线加热杯的优点

电磁感应无线加热杯基于电磁感应的原理，通过无线充电器的发射线圈与水杯底部的接收线圈产生感应电流与电动势，使连接在接收器上的电阻片通电发热，从而实现对水杯中水的加热。整个水杯浑然一体，外形和普通水杯一样，只是底部增加了一些厚度，用于放置接收器和电阻片，不需要充电电线或充电电池，也不需要借助外部加热，完全实现内部加热，且加热系统不易损坏，具有操作简单、灵活，使用方便、安全的特点。

4 总结

这种电磁感应加热水杯为我们提供了一种全新的思路，随着未来核能发电技术的成熟，我们可以在一个区域里放置一个电源发射器，在这个区域里的任何机电设备只需要在内部安装一个接收器，通过调试，将接受的能量转化为适应自身工作的电能，所有的电器设备都能随时随地接收到电能，无需担心设备电量不足的问题，同时也省去了设备内部电源所占的空间，使设备能更加精细化、清洁化、智能化。

【參考文献】

[1]迎九.无线充电的安全、成本、效率和方便性在提升[J].电子产品世界，2015，3：77-78.

[2]黎宇洲.基于电磁感应技术的手机无线充电器设计与实现[D].成都：成都理工大学硕士学位论文，2016.

[3]杨献社.太阳能加热水杯的现实意义[J].企业导报，2015：188-190.