20世纪50年代,无刷直流电机和无触点开关电器的日渐成熟,为飞机高压直流电力系统的发展奠定了基础。三级式发电机以其独有的性能优势而运用在航空高压直流电源领域。三级式发电机由五部分组成:永磁副励磁机、励磁机、旋转整流器、主发电机和输出桥式整流滤波器,具有体积小、重量轻、电气性能好、可靠性高、功率密度高等优点。本文首先介绍航空电源系统发展历程,引出了三级式电机及其结构介绍。概述了国内外对三级式发电机各部分的研究现状,重点集中在主发电机和励磁机,进一步介绍三相和多相电励磁同步电机的电枢绕组形式的研究现状,分析已有研究的不足和遗漏的方面。本课题根据技术指标设计出一台120kVA,72槽12极的带整流负载的主发电机,详细介绍了定转子尺寸设计,气隙的选择,电枢和励磁绕组设计等方面,给出多种详细设计方案并进行对比分析,最后根据多方案设计分析总结出三级式主发电机的设计准则。本文在已设计的主发电机基础上设计出一台配套的励磁机,同样介绍了关键设计步骤,并给出最终设计方案。重点分析了旋转整流器的工作方式,通过有限元软件将主发电机和励磁机进行联合仿真,验证了理论推导的正确性和电机设计的合理性。本文在已设计的主发电机基础上进一步设计电枢绕组结构形式,理论分析星形、三角形和双Y形绕组的换相过程、换相角大小和电流变化率,通过有限元仿真进行验证。在此基础上对多相电励磁同步电机(WFSG)进行探讨,设计出五相星形和环形绕组形式WFSG,将五相星形分别和三相星形,五相环形电机进行对比,针对输出直流电压脉动和电机损耗方面得出一系列结论,为电机设计方面提供了经验和帮助。