2. 直流电磁铁吸力-行程特性曲线实测
测试台搭建与测量原理
直流电磁铁吸力-行程特性曲线的本质，是在不同气隙 δ 下测量电磁铁对衔铁的静态吸力 F，从而得到 F(δ) 关系。测试台的核心是力—位移解耦：用测力传感器固定电磁铁，用位移机构移动衔铁并锁定气隙，避免测量时两者相互干扰。
推荐采用“电磁铁固定、衔铁随位移台移动”的立式结构。测力传感器串接在电磁铁与支架之间，衔铁通过非磁性连接杆与位移台相连，位移台带锁紧机构，保证每个气隙点读数稳定。气隙 δ 用塞尺或位移台读数确定，励磁电流用恒流源给定，避免线圈发热导致电流漂移。
测量步骤与数据记录
以某 24 V 直流电磁铁为例，线圈电阻约 12 Ω，额定电流 2 A。测试时保持励磁电流恒定在 2.0 A，气隙从 0.5 mm 逐步增大到 8 mm，每个气隙点锁紧位移台后读取测力传感器示值，重复 3 次取平均。
| 气隙 δ (mm) | 第1次 F (N) | 第2次 F (N) | 第3次 F (N) | 平均 F (N) |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 | 42.1 | 42.3 | 42.0 | 42.13 |
| 1.0 | 28.5 | 28.7 | 28.4 | 28.53 |
| 2.0 | 14.2 | 14.4 | 14.1 | 14.23 |
| 3.0 | 8.6 | 8.7 | 8.5 | 8.60 |
| 4.0 | 5.8 | 5.9 | 5.7 | 5.80 |
| 5.0 | 4.2 | 4.3 | 4.1 | 4.20 |
| 6.0 | 3.2 | 3.3 | 3.1 | 3.20 |
| 7.0 | 2.5 | 2.6 | 2.4 | 2.50 |
| 8.0 | 2.0 | 2.1 | 1.9 | 2.00 |
表中数据为教学示例，用于说明曲线形态与区段划分方法，不代表特定型号电磁铁的实测结果。
曲线绘制与区段识别
将平均吸力 F 对气隙 δ 作图，可得到典型的吸力-行程曲线。曲线呈现三个明显区段：
- 近距高吸力区（δ ≤ 1 mm）：吸力随气隙减小急剧上升，曲线陡峭。此区段磁路磁阻以气隙磁阻为主，吸力近似与 δ² 成反比。
- 过渡非线性区（1 mm < δ < 4 mm）：吸力下降速率逐渐减缓，曲线由陡变缓。铁芯开始进入局部饱和，气隙磁阻与铁芯磁阻共同作用。
- 远距低吸力区（δ ≥ 4 mm）：吸力变化平缓，曲线趋于水平。铁芯饱和程度加深，继续增大气隙对吸力影响减弱。
识别饱和区段的实用判据：计算相邻点斜率 dF/dδ，当斜率绝对值下降到最大斜率的 10% 以下时，可认为进入饱和/远距低吸力区。本例中 δ=4 mm 处斜率约 −1.6 N/mm，δ=0.5 mm 处斜率约 −27 N/mm，比值约 6%，已进入平缓段。
结果判读与验证
完成曲线后，用以下方法验证测量有效性：
- 重复性检查：同一气隙点 3 次读数极差应小于平均值的 5%。本例最大极差 0.3 N，满足要求。
- 回差检查：从大间隙向小间隙反向测量一遍，同一气隙点正反向吸力差应小于 10%。若超差，检查衔铁是否卡滞或存在剩磁。
- 物理合理性检查：吸力应随气隙单调递减，不应出现局部回升。若出现，排查测力传感器零点漂移或电磁铁温升导致电流变化。
测量时电磁铁连续通电会发热，线圈电阻随温度升高而增大。若使用恒压源而非恒流源，电流会逐渐下降，导致吸力读数偏低。建议每测 3–4 个点后暂停冷却，或直接采用恒流源供电。