研究的目的是掌握能量变换器定转子铁心和绕组的合理结构,探讨以电磁场数值计算为手段的电磁设计方法,为我国今后开发、设计、制造能量变换器提供理论依据、基础数据和基本的设计方法与经验.本文首先建立了能量变换器的高阶参数模型,导出了能量变换器三阶模型的运算电抗、超-超瞬态电抗、超瞬态电抗和瞬态电抗的表达式,较准确地描述了能量变换器的动态过程,给出了根据电磁场数值计算得到的频率特性,利用最小二乘法确定三阶模型的各个电抗和时间常数的参数辨识方法,为精确预计和计算能量变换器的运行性能打下了基础.针对能量变换器的结构和设计特点,研究了求解能量变换器磁场问题的数值计算方法.建立了采用基于叠层元的h-p2方式自适应有限元法计算能量变换器磁场问题的数学模型,与普通有限元法相比该方法能准确的处理能量变换器定子绕组XLPE电缆中半导体层的边界条件,避免出现交界面处边界条件的"夹层"问题.提出了用有限元法计算磁场问题时周期性边界条件和第一类边界条件的统一处理方法,利用该方法在不改变代数方程组阶数、保持系数矩阵性质不变和带宽基本不变的条件下,使两种强加边界条件能同时处理,简化了程序编制,并与寻址方法相结合,提高了计算速度.提出了用有限元法计算能量变换器同步电抗、瞬态电抗、零序电抗、负序电抗、负序电阻、定子端部漏抗的数学模型和计算方法.讨论了铁心磁饱和、XLPE电缆中半导体层的电导率对电抗参数的影响;分析了不同参数模型中瞬态电抗的物理意义,对各阶模型的瞬态参数进行了详细的计算和对比;分析了阻尼绕组的排列对空载磁动势波形的影响.为了比较能量变换器与传统发电机的故障电流,在参数计算的基础上,根据能量变换器的运动方程,用不同的参数模型分析计算了空载三相突然短路动态过程的定子电流和电磁转矩的变化情况.根据理论分析与计算结果,提出了能量变换器模拟样机的设计方案,并以兰州电机厂生产的700Kw,4极凸极同步电机为主体,保留其转子,对定子进行从新设计和加工,制作了模拟样机,介绍了能量变换器模拟样机在设计和制作过程中遇到的问题和解决方法及经验.对样机进行了试验,并将试验结果与计算结果进行了对比,验证了本文所提出的分析与设计方法的正确性与可行性.