永磁电机具有高效率、高功率密度,以及结构简单等诸多优点,已广泛地应用于航空航天、家用电器、风力发电和电动汽车等领域。为了解决永磁电机气隙磁场调节的问题,通过增加励磁绕组的方式形成的混合励磁电机是一种有效的途径。为此,围绕一种基于谐波励磁的无刷混合励磁发电机的工作原理、谐波励磁系统设计、性能计算以及样机研制与实验开展系统研究。提出了一种具有附加谐波绕组的混合励磁同步发电机拓扑。在混合励磁发电机的基础上,该发电机增加了两套附加谐波绕组:定子谐波励磁绕组和转子谐波绕组。通过两套谐波绕组之间的电磁耦合关系,将励磁功率从定子侧直接传递到转子侧。在无交流励磁机的情况下,该方案保持了永磁电机无刷化优点。分析了混合励磁发电机气隙磁场调节原理、谐波无刷励磁原理,以及转子谐波绕组电动势产生机理,并给出了谐波无刷混合励磁发电机的拓扑结构;推导了转子励磁绕组电流与定子谐波励磁绕组电流之间的关联关系,通过控制定子谐波励磁绕组电流,可以调节转子谐波绕组电动势以及转子励磁电流的大小,实现了调节混合励磁发电机气隙磁场和端电压的目的。给出了谐波无刷励磁系统的设计原则和方法,包括输入直流电流和不同频率交流电流励磁时的定子谐波励磁绕组极对数、转子谐波绕组和励磁绕组节距,以及构成谐波无刷励磁系统的绕组匝数的确定方法。以一台48槽、2对极的混合励磁发电机为例,详细分析了定子谐波励磁绕组、转子谐波绕组和励磁绕组设计过程,得到了相应的绕组展开图和绕组布置示意图,并对定子谐波励磁绕组极对数分别为8、12和24三种情况、转子绕组7种不同方案进行了仿真计算,线电压谐波分析与转子谐波绕组感应的电动势频率均验证了理论分析的正确性。建立了该混合励磁发电机系统场路耦合仿真模型,计算并分析了励磁绕组节距对调磁性能的影响、空载特性、不同功率因数时的恒压输出特性,以及谐波无刷励磁系统性能。研制了一台具有附加谐波绕组的混合励磁同步发电机样机,搭建了样机测试平台,实验结果与理论计算相吻合,验证了该混合励磁发电机设计方案的正确性以及谐波无刷励磁原理的有效性。