CN107634632A - 一种表贴式永磁同步电机及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表贴式永磁同步电机及设计方法。定子铁芯沿周向开槽，定子齿为采用平行齿形式，每槽放置两层绕组，绕组连接形式采用三相分数槽集中绕组。转子结构永磁体和合金护套装配后贴合在转子铁芯外表面，合金护套结构特征如下：护套为笼型结构，笼型导条为扁平状，具有一定深度，端部使用圆环将护套导条连接形成一个整体。笼型结构护套槽口呈内宽外窄状，永磁体可从内部向外嵌套安装，因此可以对永磁体提供足够的支撑力。其优点在于这种护套结构不会增加电机的等效气隙长度，在其他结构参数不变的前提下，可以有效地提高转矩密度和减小转子结构涡流损耗，同时电机运行时转子结构的安全可靠可以得到保证。

Description

一种表贴式永磁同步电机及设计方法

技术领域

本发明涉及一种电动机制造技术，特别是涉及到一种提高表贴式永磁同步电机转矩密度、减少转子涡流损耗技术。

背景技术

表贴式永磁同步电机具有体积小，效率高，转矩密度大的诸多特点，因此在很多场合如航空航天、船舶推进、工业驱动等具有较好的应用情景。目前，在转速较低的情况下，表贴式永磁电机一般使用高性能粘合剂将永磁体固定于转子铁芯表面，在电机运行过程中，如果转速过高的情况下，永磁体将会承受巨大的离心力而脱离转子铁芯，将导致严重的后果。为了保证永磁同步电机运行的安全稳定，传统的解决方式为在转子永磁体外层过盈装配一定厚度的圆筒合金护套。

文献IEEE Transactions on Industry Applications,53(4):3411-3419.2017(Rotor Design for High-Speed High-Power Permanent-Magnet SynchronousMachines)介绍了一种永磁同步电机转子结构设计的方法，包括了提升电磁性能和保证结构强度两方面。由于永磁体材料具有抗压不抗拉的特性，为保护永磁体在额定转速运行时的安全稳定，在永磁体外表面过盈装配圆筒护套，合金护套为电机转子提供支撑力。圆筒护套采用加热过盈装配的方式紧密贴合于永磁体外表面，不仅在安装工艺上要求较高，而且由于采用过盈装配的方式，对圆筒护套与永磁体之间的过盈量设计和操作带来困难，若操作不当，极有可能造成永磁体和圆筒护套的损坏。除此之外，当相邻永磁体之间存在间隙，即永磁体的极弧系数不为1时，永磁体极间必须要填充合适的材料，否则圆筒护套上会产生极大的弯曲应力，对电机的转子结构造成极大的威胁。圆筒护套在保护永磁体的同时，也增加了电机的等效气隙长度，降低了电机磁负荷，因而电机的转矩密度难以提高。于此同时，由于护套覆盖于永磁体外侧，护套上易感应出电磁涡流，由此而产生了一定的涡流损耗，引起电机温升过高，不利于电机的正常运行。因此，采用有效的办法设计转子护套提高转矩密度和降低转子涡流损耗具有重要的意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决原有转子护套增加电机等效气隙长度，导致电机转矩密度难以提升，同时转子涡流损耗过大的问题，提出了一种简单有效、工程上易于执行的方法。该方法保证了电机转子结构机械强度等性能在安全范围以内的同时，转矩密度有较大提升并且转子涡流损耗也有一定程度下降。为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种表贴式永磁同步电机，包含定子，转子，定子和转子之间具有气隙；定子沿圆周均匀开槽形成定子槽和定子齿，定子槽内放置有电枢绕组，转子由三部分组成，为转子铁芯、永磁体和合金护套；合金护套为笼型结构，由两端的端部圆环以及中间均匀布置的若干导条组成，导条与端部圆环连接为一个整体，同时留下槽口用来放置永磁体；槽口(25)与永磁体的形状与大小一致，永磁体可从合金护套内侧装配。

进一步，电枢绕组绕制在定子齿上，电机定子齿采用平行齿结构，电枢绕组采用双层分数槽集中绕组的方式。

进一步，转子的合金护套和永磁体为梯形台形状，永磁体从合金护套内侧安装，二者紧密接触，合金护套为永磁体提供足够的支撑力。

本发明的设计方法的技术方案为：一种表贴式永磁同步电机的设计方法，包括以下设计步骤：

步骤1，确定表贴式永磁同步电机的基本结构参数，包括电机尺寸，极槽配合，结构材料，并优化定子槽口Bs0、槽宽Bs1和槽深Hs2的大小，使用有限元计算的方法使电机满足较好的电磁与机械性能；

步骤2，确定电机转子永磁体的极弧系数和削角角度α，以此来控制永磁体的形状，得出永磁体最佳的极弧系数和削角角度α的组合，具体的优化策略为使电机的削角角度α从0°开始每隔1°递增，削角角度α逐渐增大的同时，t1、t2的数值随之分别呈现出递增和递减的结果，t1、t2分别为合金护套导条外表面切向宽度和永磁体外表面切向宽度；

步骤3，根据永磁体优化后得出的极弧系数和削角角度α的形状，将每两块相邻永磁体之间的空隙使用金属导条填满，并将所有导条两端端部使用圆环将其连接为一个整体；要求永磁体和合金护套紧密贴合，在电机在一定转速运行时，合金护套为永磁体提供足够的支撑力，避免永磁体受离心力的作用而损坏；

步骤4，电机转子合金护套与永磁体紧密配合并安装于转轴上，所设计合金护套为内嵌式，而电机的气隙磁密与气隙长度成反比，较大的气隙长度不利于电机磁密的提升，电机磁密可以表示为下式：

式中，F_δ为气隙磁动势，Λ为气隙磁导，K_δ为气隙系数，μ₀为气隙磁导率；

步骤5，表贴式永磁电机强度分析可使用材料力学中旋转圆盘和厚壁圆筒理论建立机械稳定方程，为保证护套和永磁体的安全可靠，护套和永磁体所受的最大拉力要小于材料的许用应力，护套和永磁体σ_Sleeve所受拉力σ_PM、σ_Sleeve表示为：

σ_PM＝σ_p+σ_t1-σ_c1＜[σ₁]

σ_Sleeve＝σ_p+σ_c2＜[σ₂]

式中，σ_p为永磁体和护套之前的装配应力，由护套过盈装配所致；σ_t1为永磁体与转子铁芯的拉力，由二者之间的粘合剂所产生；σ_c1、σ_c2分别为永磁体和护套受到的离心拉力，由转子转动所致；[σ_i]为材料的许用应力，σ_si为材料的抗拉强度，n为材料安全系数；新型内嵌式合金护套需要使用有限元计算的方法来对护套强度进行分析校验；

步骤6，永磁体在高温作用下会产生不可逆退磁，为避免永磁体在运行状态下失磁，需要对转子永磁体的涡流损耗进行控制；

步骤7，电机的定转子设计完成后，需要对电机的各方面性能进行进一步校验，验证电机是否满足设计要求，如果不满足，需要检查电机参数并返回到步骤2、3、4、5、6重新进行设计。

进一步，所述步骤2中，经过对永磁体切削角度的优化，当α为12.5度时，空载气隙磁密中的30次谐波和反电势中的3次谐波基本被消除，波形也更接近正弦曲线。

进一步，所述步骤2中还包括，永磁体和合金护套的宽度可以通过控制t1和t2的来调节，具体的调节方式为：当增加t1的值时，由于t1与t2的和为一个常数，t2得值随之减小，由此永磁体和护套导条的宽度比例随之发生改变，永磁体和合金护套不同的宽度配合具有不同的电磁和机械性能；同时永磁体的极弧系数可以通过控制t1来调节，不同的极弧系数也可以表现出不同的电机性能。

所述转子2，由转子铁芯21，永磁体22和合金护套组成。转子铁芯21与永磁体22和合金护套紧密连接为一个整体。合金护套为笼型结构，由金属导条23和端部圆环24组成为，留有槽口25。护套槽口25沿径向内宽外窄，永磁体22从内部装配嵌入，永磁体22和合金护套组合为一体，紧密贴合。之后再将定子铁芯21从合金护套内部插入，形成完整紧凑的转子结构。合金护套可根据电磁性能和结构强度设计护套外宽度t1和永磁体22外宽度t2的比例，护套内宽度t3用来控制永磁体的极弧系数。

永磁体22和合金护套紧密贴合为一个整体，永磁体22可以通过左右对称削角来控制与合金护套的比例。永磁体削角的量为α，根据电机实际运行情况和性能要求控制削角量。

本发明实施的对象为表贴式永磁同步电机。该方案具有以下优点：

传统的表贴式永磁同步电机为防止电机在额定转速下运行时永磁体脱落，需在转子外过盈转配圆筒护套。圆筒护套虽然有效的保护了电机结构的完整性，保障了电机的稳定运行。但是护套装配在永磁体的外侧，增大了电机的等效气隙长度，在相同的永磁体用量下，电机的转矩密度难以提升。本发明提出的解决方案为采用一种新型结构护套，该护套为笼型结构，永磁体内嵌于笼型护套中。该护套结构的优势在于保护了电机转子结构完整性的同时，并不会增加电机的等效气息长度，因而增大了电机的磁负荷，电机的空载反电势和转矩密度得到了较大的提升。与此同时，由于新型护套紧贴于转子铁芯上，且为笼型结构，气隙磁场感应产生的涡流较少，与圆筒形护套相比，将产生较少的涡流损耗，减少电机发热，由此缓解电机的温升。

附图说明

下列附图为本发明的三相表贴式永磁同步电机的实施例，其中：

附图1为新型表贴式永磁同步电机结构示意图。

附图2为新型表贴式永磁同步电机护套结构三维示意图。

附图3为新型表贴式永磁同步电机转子结构示意图。

附图4为新型表贴式永磁同步电机转子永磁体削角优化前后反电势频谱图。

附图5为传统表贴式与新型表贴式永磁同步电机反电势频谱对比示意图。

附图6为传统表贴式与新型表贴式永磁同步电机负载转矩对比示意图。

附图7为传统表贴式与新型表贴式永磁同步电机转子涡流损耗对比示意图。

具体实施方式

请参考图1，本发明为一种表贴式永磁同步电机的转矩密度提升设计方法，该结构包含定子1，转子2，定子1和转子2之间具有气隙，气隙长度根据电机结构和实际要求选取。所述定子1的定子槽12用来放置电枢绕组14。转子2由转子铁芯21，永磁体22和合金护套组成，永磁体22和合金护套紧密接触，二者共同组成一个紧凑的结构。电枢绕组14采用双层分数槽集中绕组的方式，可以减少齿槽转矩，减少端部绕组，降低铜耗，提升电机的电磁性能。

本发明包括以下设计步骤：

步骤1，确定表贴式永磁同步电机的基本结构参数，包括电机尺寸，极槽配合，结构材料等，并优化定子槽口Bs0、槽宽Bs1和槽深Hs2的大小，使用有限元计算的方法使电机满足较好的电磁与机械性能。

步骤2，确定电机转子永磁体的极弧系数和削角角度α，以此来控制永磁体的形状，得出永磁体最佳的极弧系数和削角角度α的组合，具体的优化策略为使电机的削角角度α从0°开始每隔1°递增，削角角度α逐渐增大的同时，t1、t2的数值随之分别呈现出递增和递减的结果。经过对永磁体切削角度的优化，当α为12.5度时，空载气隙磁密中的30次谐波和反电势中的3次谐波基本被消除，波形也更接近正弦曲线。

步骤3，根据永磁体22优化后得出的极弧系数和削角角度α的形状，将每两块相邻永磁体22之间的空隙使用金属导条23填满，并将所有导条23两端端部使用圆环24将其连接为一个整体。要求永磁体22和合金护套紧密贴合，在电机在一定转速运行时，合金护套可以为永磁体22提供足够的支撑力，避免永磁体受离心力的作用而损坏。在机械强度方面，传统表贴式永磁电机使用的圆筒护套，合金护套和永磁体中的等效应力达到了140MPa和12MPa。相比于传统永磁同步电机圆筒护套结构，新型内嵌式笼型结构护套和永磁体之间不需要过盈装配，由于永磁体削角后，留下的空间使护套形成倒三角形状，为永磁体提供了足够的径向支撑，使永磁体在额定转速下运行时受到护套的保护，保证电机运行时的安全可靠，使用有限元方法计算后，可以得到护套和永磁体22在额定转速运行时的等效应力分别为9.7MPa和1.5MPa，比传统圆筒护套结构等效应力有显著地减小。

步骤4，电机转子合金护套与永磁体22紧密配合并安装于转轴上，由于所设计合金护套为内嵌式，而传统的圆筒式护套贴合于永磁体22外侧。相对于传统圆筒式护套等效气隙长度有所减小，而电机的气隙磁密与气隙长度成反比，较大的气隙长度不利于电机磁密的提升。电机磁密可以表示为下式：

式中，F_δ为气隙磁动势，Λ为气隙磁导，K_δ为气隙系数，μ₀为气隙磁导率。

步骤5，传统表贴式永磁电机强度分析可使用材料力学中旋转圆盘和厚壁圆筒理论建立机械稳定方程。为保证护套和永磁体22的安全可靠，护套和永磁体22所受的最大拉力要小于材料的许用应力。护套和永磁体σ_Sleeve所受拉力σ_PM、σ_Sleeve可以表示为：

σ_PM＝σ_p+σ_t1-σ_c1＜[σ₁]

σ_Sleeve＝σ_p+σ_c2＜[σ₂]

式中，σ_p为永磁体和护套之前的装配应力，由护套过盈装配所致。σ_t1为永磁体与转子铁芯的拉力，由二者之间的粘合剂所产生。σ_c1、σ_c2分别为永磁体和护套受到的离心拉力，由转子转动所致。[σ_i]为材料的许用应力，σ_si为材料的抗拉强度，n为材料安全系数。新型内嵌式合金护套需要使用有限元计算的方法来对护套强度进行分析校验。

步骤6，永磁体22在高温作用下会产生不可逆退磁，为避免永磁体在运行状态下失磁，需要对转子永磁体的涡流损耗进行控制。新型转子结构护套对永磁体没有屏蔽作用，永磁体中感应的涡流损耗与无护套结构的转子中一样多，但是新型转子结构护套导条分布在永磁体之间，传统的圆筒式护套为一个完整的结构，因此在新型护套中的感应的涡流损耗相对较少，因此转子结构的温升得到一定的限制，永磁体失磁的风险进一步降低。

步骤7，电机的定转子设计完成后，需要对电机的各方面性能进行进一步校验，验证电机是否满足设计要求，如果不满足，需要检查电机参数并返回到步骤2、3、4、5、6重新进行设计。

图2是合金护套三维结构示意图。包含导条23、圆形端环24，槽口25，导条23和端环24为一整体结构。槽口25呈梯形台形状，内宽外窄，用以安放永磁体22，槽口25内外宽度可根据电磁性能和结构强度进行适当的优化。于此同时，放置在槽口25中的永磁体22也要随其同步变化，保持合金护套与永磁体22保持紧密接触。

图3是转子二维结构各部件示意图。永磁体22和合金护套紧密接触，可以放置电机运行时永磁体22的脱落。可通过削角永磁体22来调整t1和t2的比例，削角的大小可用角度α控制，同时可以通过控制t3来调整永磁体的极弧系数，具体的优化策略为使电机的削角角度α从0°开始每隔1°递增，削角角度α逐渐增大的同时，t1、t2的数值随之分别呈现出递增和递减的结果。当电机的削角角度α为15°时，此时反电势中谐波含量最低，电机的三次谐波基本被消除。在机械强度方面，传统表贴式永磁电机使用的圆筒护套，强度分析可使用材料力学中旋转圆盘和厚壁圆筒理论建立机械稳定方程。为保证护套和永磁体的安全可靠，护套和永磁体所受的最大拉力要小于材料的许用应力。护套σ_PM和永磁体σ_Sleeve所受拉力可以表示为：

σ_PM＝σ_p+σ_t1-σ_c1＜[σ₁]

σ_Sleeve＝σ_p+σ_c2＜[σ₂]

式中，σ_p为永磁体和护套之前的装配应力，由护套过盈装配所致。σ_t1为永磁体与转子铁芯的拉力，由二者之间的粘合剂所产生。σ_c1、σ_c2分别为永磁体和护套受到的离心拉力，由转子转动所致。[σ_i]为材料的许用应力，σ_si为材料的抗拉强度，n为材料安全系数。当电机的过盈量δ取0.02mm时，合金护套和永磁体中的等效应力达到了140MPa和12MPa。相比于传统永磁同步电机圆筒护套结构，新型内嵌式笼型结构护套和永磁体之间不需要过盈装配，由于永磁体削角后，留下的空间使护套形成倒三角形状，为永磁体提供了足够的径向支撑，使永磁体在额定转速下运行时受到护套的保护，保证电机运行时的安全可靠。使用有限元方法计算后，可以得到护套和永磁体在额定转速运行时的等效应力分别为9.7MPa和1.5MPa，比传统圆筒护套结构等效应力有显著地减小。为了使电机达到一个最佳的性能，永磁体削角角度需要兼顾电磁和机械强度两方面。其中，t1、t2分别为合金护套导条外表面切向宽度和永磁体外表面切向宽度，t3为相邻两块永磁体之间的距离。

图4为永磁体削角前后反电势频谱示意图。为了达到更佳的电磁性能和提高护套对永磁体支撑力，需要将每一块永磁体两侧进行削角，削角大小用角度α表示。在相同的永磁体结构形式下，新型护套对永磁体仅仅只有切向支撑，可以有效的防止电机高速旋转时的切向位移，但是径向支撑不足。永磁体削一定的角度后，留下的空间使护套形成倒三角形状，为永磁体提供了足够的径向支撑，使永磁体在额定转速下运行时受到护套的保护，保证电机运行时的安全可靠。经过对永磁体切削角度的优化，当α为12.5度时，空载气隙磁密中的30次谐波和反电势中的3次谐波基本被消除，波形也更接近正弦曲线。

图5为传统和新型永磁同步电机结构反电势频谱示意图。表贴式永磁电机具有高功率密度的优势，但传统的转子结构为了满足运行时的安全可靠，必须要在转子外层装配合金护套防止永磁体的脱落造成电机的损坏。合金护套的存在无疑增大了电机的等效气隙长度l，而电机气隙磁密B_δ可以表示为：

式中，F_δ为气隙磁动势，Λ为气隙磁导，K_δ为气隙系数，μ₀为气隙磁导率。随着等效气隙长度l的增加，气隙磁密B_δ也会也会随之下降。新型护套相比于传统护套结构等效气隙下降了1mm，该长度即为传统结构护套的厚度，由于永磁体削角，新型护套结构永磁体用量稍有减少，其余电机参数保持一致。从图中可见，新型护套结构基波幅值比传统结构高了80V，三次谐波却低了7.6V。

图6为传统和新型永磁同步电机结构负载转矩示意图。由于电机的气隙长度减小，气隙磁阻随之较小，电机的磁负荷得到显著的提高。从图中可以看出，在相同的额定电流下，新型护套结构转矩比传统结构高了7.7Nm，转矩提高了22.5％。由于永磁体削角作用，新型护套结构电机的永磁体用量少于传统护套结构电机，因此单位永磁体产生转矩提高了24.7％。这对提高高速电机的功率密度意义重大。表明新型结构相比于传统结构在转矩密度上有了明显的提升。

图7为传统和新型永磁同步电机结构转子涡流损耗示意图。传统表贴式电机转子结构因为护套完全覆盖在电机转子表面，护套采用合金材料，其较高的电导率特性使得转子上的涡流损耗主要集中于护套上，对永磁体感应涡流有屏蔽作用，故随着护套厚度的增加，护套上的涡流损耗随之增加，而永磁体上的感应的涡流损耗随之下降。新型转子结构由金属导条组成，为内嵌分散式结构，依靠端部圆环将其连接为一个整体，故护套内部不能形成较大的涡流回路，因此涡流损耗也相对较小。从图中可以看出，传统转子结构涡流损耗集中于护套中，而永磁体因为护套的屏蔽作用，导致感应的涡流损耗相对较小。新型转子结构护套对永磁体没有屏蔽作用，永磁体中感应的涡流损耗与无护套结构的转子中一样多，但是新型转子结构护套中的涡流损耗较少，整个转子结构中也比传统转子结构少38.8W，降幅达到了10.6％。新型护套厚度为5mm，在满足结构强度的情况下，尚有优化的余地。随着护套厚度的减小，护套上感应出的涡流损耗进一步降低，永磁体中感应的涡流损耗保持不变，因此随着护套厚度的减少，新型转子结构中感应的涡流损耗随之较低。考虑到转子安全可靠和加工，新型护套厚度选为3mm，此时，新型护套中的涡流损耗比传统护套结构降低了113.2W，降幅达到了30％。

综上，槽口25为内宽外窄的梯形台结构，该结构在电机高速转动时可以保护电机转子结构的完整性。槽口25与永磁体22的形状与大小一致，永磁体22可从合金护套内侧装配。合金护套和永磁体22的宽度可以优化获取最佳的电磁性能和机械性能。通过选择新型合金护套，相对传统结构而言，在保证转子运行安全的前提下，可以减小等效气隙长度，降低了气隙磁阻，可以有效提高电机的转矩密度。与此同时，由于合金护套与永磁体22相互嵌套的结构，电机转子上的涡流损耗也有相应的降低。在电机转动时，合金护套还可以提供支撑力保护永磁体22不被甩脱。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种表贴式永磁同步电机，其特征在于，包含定子(1)，转子(2)，定子(1)和转子(2)之间具有气隙；定子(1)沿圆周均匀开槽形成定子槽(12)和定子齿(13)，定子槽(12)内放置有电枢绕组(14)，转子(2)由三部分组成，为转子铁芯(21)、永磁体(22)和合金护套；合金护套为笼型结构，由两端的端部圆环(24)以及中间均匀布置的若干导条(23)组成，导条(23)与端部圆环(24)连接为一个整体，同时留下槽口(25)用来放置永磁体(22)；槽口(25)与永磁体(22)的形状与大小一致，永磁体(22)可从合金护套内侧装配。

2.根据权利要求1所述一种表贴式永磁同步电机，其特征是：电枢绕组(14)绕制在定子齿(13)上，电机定子齿(13)采用平行齿结构，电枢绕组(14)采用双层分数槽集中绕组的方式。

3.根据权利要求1所述一种表贴式永磁同步电机，其特征是：转子(2)的合金护套和永磁体(22)为梯形台形状，永磁体(22)从合金护套内侧安装，二者紧密接触，合金护套为永磁体(22)提供足够的支撑力。

4.一种表贴式永磁同步电机的设计方法，其特征在于，包括以下设计步骤：

步骤1，确定表贴式永磁同步电机的基本结构参数，包括电机尺寸，极槽配合，结构材料，并优化定子槽口Bs0、槽宽Bs1和槽深Hs2的大小，使用有限元计算的方法使电机满足较好的电磁与机械性能；

步骤2，确定电机转子永磁体(22)的极弧系数和削角角度α，以此来控制永磁体的形状，得出永磁体(22)最佳的极弧系数和削角角度α的组合，具体的优化策略为使电机的削角角度α从0°开始每隔1°递增，削角角度α逐渐增大的同时，t1、t2的数值随之分别呈现出递增和递减的结果，t1、t2分别为合金护套导条外表面切向宽度和永磁体外表面切向宽度；

步骤3，根据永磁体(22)优化后得出的极弧系数和削角角度α的形状，将每两块相邻永磁体(22)之间的空隙使用金属导条(23)填满，并将所有导条(23)两端端部使用圆环(24)将其连接为一个整体；要求永磁体(22)和合金护套紧密贴合，在电机在一定转速运行时，合金护套为永磁体(22)提供足够的支撑力，避免永磁体(22)受离心力的作用而损坏；

步骤4，电机转子合金护套与永磁体(22)紧密配合并安装于转轴上，所设计合金护套为内嵌式，而电机的气隙磁密与气隙长度成反比，较大的气隙长度不利于电机磁密的提升，电机磁密可以表示为下式：

<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </msub> <mi>&amp;Lambda;</mi> </mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </msub> <mi>l</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，F_δ为气隙磁动势，Λ为气隙磁导，K_δ为气隙系数，μ₀为气隙磁导率；

步骤5，表贴式永磁电机强度分析可使用材料力学中旋转圆盘和厚壁圆筒理论建立机械稳定方程，为保证护套和永磁体(22)的安全可靠，护套和永磁体(22)所受的最大拉力要小于材料的许用应力，护套和永磁体σ_Sleeve所受拉力σ_PM、σ_Sleeve表示为：

σ_PM＝σ_p+σ_t1-σ_c1＜[σ₁]

σ_Sleeve＝σ_p+σ_c2＜[σ₂]

<mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mi>n</mi> </mfrac> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> </mrow>

式中，σ_p为永磁体和护套之前的装配应力，由护套过盈装配所致；σ_t1为永磁体与转子铁芯的拉力，由二者之间的粘合剂所产生；σ_c1、σ_c2分别为永磁体和护套受到的离心拉力，由转子转动所致；[σ_i]为材料的许用应力，σ_si为材料的抗拉强度，n为材料安全系数；新型内嵌式合金护套需要使用有限元计算的方法来对护套强度进行分析校验；

步骤6，永磁体(22)在高温作用下会产生不可逆退磁，为避免永磁体在运行状态下失磁，需要对转子永磁体的涡流损耗进行控制；

步骤7，电机的定转子设计完成后，需要对电机的各方面性能进行进一步校验，验证电机是否满足设计要求，如果不满足，需要检查电机参数并返回到步骤2、3、4、5、6重新进行设计。

5.根据权利要求4所述的一种表贴式永磁同步电机的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，经过对永磁体切削角度的优化，当α为12.5度时，空载气隙磁密中的30次谐波和反电势中的3次谐波基本被消除，波形也更接近正弦曲线。

6.根据权利要求4所述的一种表贴式永磁同步电机的设计方法，其特征在于，所述步骤2中还包括，永磁体(22)和合金护套的宽度可以通过控制t1和t2的来调节，具体的调节方式为：当增加t1的值时，由于t1与t2的和为一个常数，t2得值随之减小，由此永磁体(22)和护套导条的宽度比例随之发生改变，永磁体(22)和合金护套不同的宽度配合具有不同的电磁和机械性能；同时永磁体(22)的极弧系数可以通过控制t1来调节，不同的极弧系数也可以表现出不同的电机性能。

7.根据权利要求4所述的一种表贴式永磁同步电机的设计方法，其特征在于，电枢绕组(14)绕制在定子齿(13)上，电机定子齿(13)采用平行齿结构，电枢绕组(14)采用双层分数槽集中绕组的方式。

8.根据权利要求4所述的一种表贴式永磁同步电机的设计方法，其特征在于，转子(2)的合金护套和永磁体(22)为梯形台形状，永磁体(22)从合金护套内侧安装，二者紧密接触，合金护套为永磁体(22)提供足够的支撑力。