作为电网电能的重要源头,水轮发电机电能质量的优劣,对机组与用电设备的安全运行具有重要影响,特别是由电压谐波引发的空载电压波形畸变,有可能对发电机并网及运行安全,造成不利影响。作为水轮发电机的重要组成部分,阻尼绕组是发电机安全稳定运行的重要保障。而在发电机设计阶段,若干结构和材料参数的选取,不但影响阻尼绕组损耗发热的分布,还对空载电压波形畸变率有着密切影响。为改善水轮发电机电能质量,预防阻尼绕组过热断条故障,保证机组运行安全,本文采用电磁场、温度场及耦合场分析方法,对大型水轮发电机空载电压波形畸变率与阻尼绕组损耗发热抑制问题进行了全面深入的研究,论文的主要工作包括:　　①基于电机电磁场理论与电路理论,建立了水轮发电机三维分层非线性时变运动电磁场-电路结合模型,用于求解空载电压波形与阻尼绕组损耗。进而在分析磁极系统热源的基础上,从传热学基本理论出发,研究了三维稳态温度场边值问题。并结合电机结构和通风特点,建立了磁极系统三维稳态温度场的计算数学模型。仿真和实验结果验证了上述模型的准确性、合理性与先进性,为进一步研究不同设计方案对空载电压波形质量和阻尼绕组损耗发热的影响,奠定了理论基础。　　②应用上述模型,针对大型卧式水轮发电机中较为典型的q=11/2分数槽贯流式机组,以及大型立式水轮发电机中较为常用的q=4整数槽机组,通过电磁场-温度场综合计算,广泛深入地分析了结构和材料参数变化对空载电压波形畸变率和额定工况阻尼绕组损耗发热的影响。结果表明,与现有文献相比,本文的研究工作,较为全面地给出了算例机组空载电压波形畸变率、阻尼绕组损耗及最高温度随若干关键结构和材料参数变化的趋势,揭示了上述参数变化对这两类机组空载电压波形质量及阻尼绕组损耗发热的影响。在此基础上,讨论了同时优化上述两项指标的设计措施。为优化空载电压波形质量,抑制阻尼绕组损耗发热,提供了更为全面准确的参考依据。　　③为进一步提高阻尼绕组热源计算精度,建立了水轮发电机端部三维非线性时变运动电磁场模型。并提出了将该模型与三维分层非线性时变运动电磁场-电路结合模型相结合,分别求解端部构件和阻尼条直线部分涡流损耗的阻尼绕组总损耗求解方案,有效克服了单纯使用发电机全三维模型所导致的计算资源消耗大、计算效率低等问题,从而具有较高的计算效率。　　④根据电机物理场耦合计算理论,提出了基于电阻率及导热系数温度耦合迭代的磁极与阻尼绕组三维电磁场-温度场全域双向耦合计算模型,计算与试验结果表明,与现有文献相比,该模型不但充分考虑了阻尼绕组与励磁绕组电阻率随温度变化的影响,也考虑了磁极各构件导热系数随温度变化的影响,因此能够得出更为准确合理的阻尼绕组与转子损耗发热分布规律。为大型水轮发电机阻尼绕组及转子损耗发热评估,提供了一套更为全面、准确、快捷的计算模型与计算方法。