三级式无刷同步发电机组是由主发电机、主励磁机和副励磁机三个电机以及相应的电力电子器件组成，该系统中三个电机同轴相连，其中主励磁机为主发电机提供励磁电源，而副励磁机作为主励磁机的励磁电源，实现了同步发电机励磁系统的无刷化，运行安全可靠，维护成本低，并使得励磁电流在转速变化的情况下得以即时的调节，发电质量得到保障，对提高电机性能有重要的意义。本文主要研究无刷同步发电机组副励磁机的设计，因永磁电机有节省材料、减小电机体积等优势，并且永磁式副励磁机不需要额外励磁电源，因此本文的副励磁机采用永磁同步发电机。本文针对三级式无刷同步发电机组的要求，在系统掌握永磁同步电机的基本结构、工作原理、电磁关系以及设计方法的基础上，提出副励磁机的标准化设计方法；同时应用编程软件设计永磁同步发电机计算程序，完成1台小功率副励磁机的设计工作，进而研究极槽数配合、极弧系数等结构设计参数对副励磁机性能的影响；运用有限元软件对多种电磁设计方案进行不同工况下的仿真，并分析其磁密谐波、输出电能质量等，确定最优化设计方案。并对副励磁机在短路情况下，永磁体去磁风险进行研究。本文所完成的工作，对副励磁机的标准化设计有重要的现实意义，并为无刷同步发电机组的进一步研究奠定了基础。