一种多功能磁力搅拌杯设计

付轶雯　朱登雷

摘 要：本文设计了一种多功能磁力搅拌杯，主要给出了其整体结构、自发电机构、磁力搅拌机构、搅拌粒及应急充电等方面的设计方案。该搅拌杯不仅便于清洗，而且无需外接电源或使用电池供电，利用温差发电片将热水的内能转换为电能，从而驱动搅拌的进行。此外，其还能为手机等电子设备提供电能，可作为应急充电的“充电宝”。

关键词：搅拌杯;磁力搅拌;温差发电;应急充电

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

随着生活质量的逐步提高，人们居家或外出时，除了饮水，也会更多地选择口感较好的饮品或具有保健作用的冲剂来丰富味蕾、强身健体。若饮用冲剂类饮品，通常人们会选择用筷子、吸管、勺子等工具辅助搅拌，或通过摇晃杯子的方式来将饮品混合均匀。但这些方式存在一定的弊端，如不够卫生、不容易混合均匀、无法溶解杯子底部结块的冲剂，从而导致口感偏淡且造成浪费。为了解决上述问题，设计带有自动搅拌功能的搅拌杯尤为必要。

1 搅拌杯简介及研究现状分析

目前，市面上有需要插电的搅拌杯出售，方便了人们搅拌饮品，但同时也存在一些问题。比如，其结构一般是在杯底中心部位设转轴，搅拌叶片置于杯内固定在转轴之上，通过搅拌叶片的旋转来搅拌饮品。但是，此类电动搅拌杯的搅拌叶片无法取出，导致杯子无法彻底清洗;转轴与杯体的连接处需要做密封处理，长期使用容易损坏，导致杯子漏水。更重要的是，此种搅拌杯需要外部电源供电，人们在户外找不到电源或不好找电源的地方，该搅拌杯就无法使用。

同时，考虑到现在人们使用的手机耗电量大，在户外携带充电宝不方便或充电宝没电时手机也将无法充电，导致通信受阻。所以，设计一款既能不外接电源就可以搅拌饮品，又能借助热水来产生电能，完成对手机充电的搅拌杯就显得尤为重要。

2 多功能磁力搅拌杯的设计

2.1 多功能磁力攪拌杯外观特征

本文所设计的多功能磁力搅拌杯包括杯盖与杯体两部分。杯体为双层中空不锈钢结构，内外两层在水杯杯口位置通过机械冲压使之成为一个密闭整体，中空部分抽真空，通过此结构使饮品保温，同时提高杯体内外壁的温差，从而保证温差发电片的发电效率。杯体上设有转换开关及USB接口。其中，USB接口用来对外供电。转换开关有两个作用：一是控制搅拌的启动或者停止;二是控制USB接口是否供电。搅拌与USB接口的供电采用联动控制，当搅拌进行时，USB接口不对外供电;当搅拌停止时，USB接口对外供电。搅拌杯整体外观特征。

2.2 自发电机构设计

德国物理学家塞贝克（Seebeck）于1821年首先发现，若用两种金属接成闭合回路，并使两个接头处的温度不同，则在闭合回路中形成电流，这一现象叫做温差电效应或塞贝克效应。回路中形成电流表明该回路中存在电动势，这种由于温差而出现的电动势叫作温差电动势。笔者把两种不同金属焊接成的闭合回路叫作温差电池或热电偶。

实验表明，温差电动势的大小只和两种金属的性质及接头处的温度有关。金属的温差电动势是非常小的，例如，用铜和康铜构成的热电偶，当两个接头处的温度相差100℃时，回路中的温差电动势只有4.3mV。当热电偶中形成电流时，放在高温热源处的热电偶接头从高温热源吸热，而放在低温热源处的另一接头则向低温热源放热。热电偶两个接头吸热和放热的差值即为转化成电能的数量。

金属热电偶的发电效率极低，约为0.1%，即热电偶从高温热源处吸热1 000J，只有1J转化为电能，999J热量传给低温热源。因此，金属热电偶不宜作为电源使用，其主要用途是作为温度计测量温度。除金属有温差电效应外，半导体也有温差电效应。用某些半导体制成的温差电池有较大的温差电动势和较高的发电效率（6%～8%），因此，半导体温差电池在实际中可作为电源用[1]。

在本文所设计的磁力搅拌杯中，所用温差发电片即为利用塞贝克效应制成的半导体温差电池，其作用是将搅拌杯中热水的内能转换为电能，从而驱动搅拌杯搅拌饮品或对手机等电子设备进行应急充电。该温差发电片采用弧形结构，内外极板涂抹硅脂保证与杯壁紧密贴合。温差发电片之间采用串并联结构增大输出电流及电压，杯体内置调压整流电路，保证电能稳定输出。此种方式解决了搅拌杯需要外部电源供电的问题。自发电机构如图2所示。

2.3 磁力搅拌机构设计

为了弥补现售电动搅拌杯由于搅拌叶无法取出，导致杯子无法彻底清洗，以及转轴与杯体的连接处需要做密封处理，长期使用容易损坏，导致杯子漏水的弊端，本文设计了一种供电装置以及磁力搅拌系统都密封在杯子内外胆之间的磁力搅拌杯，从而彻底解决了以上问题。

磁力搅拌机构的具体设计如图3所示。磁力搅拌系统主要包括超薄电机、驱动磁体以及杯内搅拌粒。超薄电机和驱动磁体位于杯子内外胆之间，搅拌粒位于杯子之中。具体实施方式为将超薄电机通过固定片固定于杯子内胆，同时将驱动磁体固定于电机的转轴上。超薄电机通过温差发电片所產生的电能来驱动，电机转轴的旋转带动驱动磁体旋转，使置于杯子中的搅拌粒在驱动磁体磁力的驱动下旋转起来，以完成对杯内物质的搅拌，实现搅拌杯的功能。

在本设计中，驱动磁体及搅拌粒的内芯均采用铷铁硼材料以增强磁性，并且两者均采用“凹”形结构设计，两“凹”形结构相对放置磁极相反，通过此种方式来构成方形磁回路以进一步增强磁性。搅拌粒结构如图4所示。本文所述搅拌粒采用食品级耐高温蒸煮材料对磁性内芯进行包覆，包覆后为“山”形结构，中间高两边低，旋转时中间部分作为转轴，以减小摩擦阻力。

2.4 应急充电功能

此外，考虑到现在人们使用的手机耗电量大，在户外携带充电宝不太方便，再加上若充电宝没电，届时手机将无法充电，导致通信受阻。为了解决以上问题，本文设计的搅拌杯除具有市面上搅拌杯的基本功能外，还具有“一杯多用”的功能，即将搅拌杯作为应急充电设备使用，为人们急需使用的电子设备充电。该应急充电功能的实现比较简单。前述温差发电片所产生的电能可以用来驱动搅拌杯工作，只需在电路中设置分支电路并增加一个转换开关和USB接口置于杯壁底部即可。通过开关来切换电路的供电方式，从而切换搅拌和充电模式。在找不到充电场所时，只需要将搅拌杯中接满开水并切换到充电模式就可以对手机等电子设备进行应急充电。

3 结论

本文通过搅拌杯的整体结构、自发电机构、磁力搅拌机构、搅拌粒及应急充电功能的设计，为人们提供了一种多功能磁力搅拌杯的设计方案。此搅拌杯最大的特点是：内胆无需开孔，最大程度上保证了搅拌杯的整体性，便于清洗;无需外接电源或使用电池供电，利用温差发电片将热水的内能转换为电能，从而驱动搅拌的进行，低碳环保，无需后期维护;通过功能转换开关还可以将温差发电片产生的电能通过杯体上的接口向外输出，从而给手机等电子设备提供电能，可作为应急充电的“充电宝”。本文设计的搅拌杯新颖、美观、大方，预计将会受到人们的欢迎。

参考文献：

[1]贾瑞皋，薛庆忠.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2011.