NEMA42规格步进电机结构设计

　　做自动化设备结构选型的时候，NEMA42规格的步进电机基本是大负载点位传动场景绕不开的部件，这类电机的输出扭矩区间刚好覆盖了中大型单轴模组、重载输送线分度机构、大型雕刻机Z轴进给这类需要大保持扭矩的工位，和小规格的NEMA17、NEMA23电机相比，它的安装法兰尺寸更大，输出轴的抗径向载荷能力更强，不用额外加装支撑座就能承受一定的皮带侧拉或者丝杠轴向载荷，在很多对安装空间有要求但又需要大扭矩输出的设备里，能省掉不少传动辅助件的成本。

　　从实际使用的场景来看，这类电机常被用在非标自动化的重载转台、包装机械的主送料轴、木工机械的进给驱动、工业机器人的辅助关节重载轴这些位置，它的保持扭矩足够在设备断电的时候锁住负载位置，不会出现滑台下坠或者转台偏移的问题，相比同功率等级的伺服电机，步进电机的控制逻辑更简单，不需要复杂的增益调整，对很多做中低端设备的厂商来说，调试成本能降一大截，搭配对应的步进驱动器就能实现精准的开环点位控制，要是对位置精度有更高要求，也可以加装编码器做成闭环步进，精度表现能满足大部分工业场景的需求。

　　这次做的这个结构设计，首先考虑的是安装边界的匹配性，NEMA42的标准安装法兰是110mm见方的尺寸，安装孔的孔距严格遵循美标NEMA的安装规范，四个安装孔的位置公差控制在0.02mm以内，保证用户替换同规格其他品牌电机的时候不用重新加工安装板，输出轴采用的是标准D型切边轴，轴径和切边深度都符合行业通用尺寸，不管是装同步轮、联轴器还是行星减速机，都能直接用市面上的标准连接件，不用额外做轴的二次加工。电机本体的外壳采用的是方形铝挤型材加前后端盖的结构，铝挤外壳的散热筋沿着电机轴向布置，在电机持续运行的时候，能通过外壳的散热筋把定子绕组产生的热量快速导出去，避免长时间高负载运行的时候出现绕组过热退磁的问题，前后端盖用的是压铸铝合金材质，既保证了轴承安装位的结构强度，又能控制整体的重量，不会给设备的安装板带来太大的负重压力。

　　设计的时候特意把电机的出线位置放在了后端盖的侧面，而不是正后方，这样在安装空间比较局促的场合，比如电机后面要贴着装传感器或者其他部件的时候，不会因为出线接头的突出导致安装干涉，后端盖的轴承位采用的是双轴承支撑结构，靠近输出端的是深沟球轴承，能承受径向的载荷，靠近后端的是角接触轴承，能承受一定方向的轴向载荷，要是用户用这个电机直接驱动丝杠做垂直运动，轴向的负载不会直接作用在电机的内部绕组上，能大幅提升电机的使用寿命。定子和转子的间隙控制在0.05mm以内，既保证了气隙的均匀性，避免出现运行的时候扭矩波动大、噪音高的问题，又不会因为间隙太小导致加工装配难度提升，转子的磁钢采用的是高矫顽力的钕铁硼材质，能保证电机在高转速区间也不会出现扭矩骤降的问题，低速运行的时候的振动也控制在合理范围内，不会带动整个设备出现共振的问题。

　　从安装尺寸的细节来看，电机的输出轴突出法兰面的长度做了标准化设计，搭配标准联轴器的时候，不用额外调整轴的插入深度，法兰面的定位止口尺寸严格匹配行业标准，安装的时候能直接卡进安装板的定位孔里，保证电机轴和传动部件的同轴度，不会因为安装不同心导致联轴器过早磨损或者轴承损坏。电机的机身长度根据扭矩等级做了对应的比例设计，绕组的线径和匝数匹配对应的额定电流，用户在选型的时候可以根据自己需要的扭矩值直接对应机身长度，不用重新核对绕组参数。另外在设计的时候也考虑了后期维护的便利性，前后端盖的固定螺丝都是标准内六角螺丝，市面上的通用工具就能拆卸，要是需要更换轴承或者清理内部积尘，不用特殊工具就能完成拆解，端盖和外壳之间的密封采用的是耐高温的橡胶密封圈，能在有少量粉尘或者切削液飞溅的车间环境里使用，不会有杂质进到电机内部磨损磁钢或者绕组。

　　很多工程师在选这类大规格步进电机的时候，经常会忽略安装面的平面度要求，这次设计的时候把法兰安装面的平面度控制在0.01mm以内，安装到设备上的时候，能保证电机和安装板完全贴合，不会出现因为安装面不平导致电机运行的时候出现额外的应力，时间长了端盖变形卡轴承的问题。另外输出轴的表面做了硬化处理，硬度达到HRC40以上，频繁装拆同步轮或者联轴器的时候，不会把轴表面刮花，也不会因为长期的载荷冲击导致轴出现变形。绕组的绝缘等级按照F级设计，能承受155度的工作温度，在设备持续高负载运行的工况下，也不会因为温度过高导致绝缘层老化击穿，电机的引出线采用的是耐油耐高温的硅胶线，在车间有油污的环境里，线皮不会过早老化开裂，接线端子采用的是标准的快插接头，用户接线的时候不用自己焊线，直接插对应的驱动器端子就能完成接线，能节省现场装配的时间。