直线电机驱动／换能技术是自由活塞型斯特林热机的核心技术。现在普遍使用的单相微型交流电机在功率和性能上具有一定的局限性。而采用三相永磁直线电机替代传统的单相交流永磁电机则可促进大功率自由活塞斯特林热机与应用开发,使其在克服动力型斯特林机系统固有缺陷的基础上能够应用于高电压、大功率的场合,且更便于采用先进的电控技术来改善整个热/电/机耦合系统的运行特性从而获得更高的整体效能。但关于三相永磁直线电机用于自由活塞斯特林热机系统的研究还不充分,缺乏系统的理论和方法。本文在深入研究自由活塞斯特林热机以及直线电机机理的基础上,系统的研究了三相直线电机应用于斯特林系统中的几个关键技术。主要的内容及其意义如下：(1)为在直线电机的初始设计时能够快速估算某些关键参数,基于等效磁路模型,推导了五种可行磁路结构的气隙磁场和电磁力表达式。建立了设计量与磁场和电磁力之间的函数关系。通过对解析解的定性分析,揭示了设计量对磁场、电驱动力和各种定位力(包括齿槽力,端部效应力和径向偏心力)的影响,提出了降低定位力不良影响的方法。等效磁路模型及其解析解,也被用于后续的综合寻优设计中。(2)一维模型过于简化,未能考虑实际电机中连接非线性,几何非线性和材料属性的非线性等复杂因素,因此精确的电机性能研究需要借助更高维度的数值模型实现。基于有限元理论的建模与分析揭示了磁路结构与磁场分布和磁路饱和的关系以及电磁力和定位力等随电流和位置参数变化的规律。其结果可用于电机的选型与设计。(3)针对直线电机设计过程中变量多,性能指标多样,且存在相互冲突的取值要求的特点,结合斯特林热机的应用背景,提出了一种高效的综合寻优设计方法。提出的方法以基于响应面理论的优化设计法为算法的核心,结合参数化的有限元建模技术,将有限元的计算耦合到优化程序中,充分发挥各自的优点得到具有实际应用价值的综合设计方案。优化方法中结合了磁路模型的推导结果,用以提炼构建参数化有限元模型的变量,提高有限元模型的鲁棒性。综合寻优设计计算与实验设计方法的融合,能够实现多目标且有偏向的综合设计,且可通过统计分析技术,对结果进行有效性评价。运用所提出的优化方法,对一种新型的电机作了优化设计,并进行了性能分析。(4)针对自由活塞斯特林热机系统属于多物理场、多变量强耦合非线性系统,动态过程受热力过程、电机特性和控制策略共同决定的特点,建立了综合的性能仿真模型。研究了矩形波电压控制策略下系统的运行特性。通过修改和补充用于旋转无刷直流电机控制的的驱动和控制的矩形波控制技术,提出一种能够满足斯特林热机系统往复运动控制需要的具体控制方法。通过仿真模型计算了系统的启动、运行、调节过程,证明了控制策略能够适应自由活塞斯特林热机的控制需要。实验研究验证了方法的合理性。(5)针对矩形波控制技术用于斯特林用直线电机驱动系统中所存在的电磁力波形不受控而影响机电效率的特点,提出了一种基于直接转矩控制策略的用于自由活塞斯特林系统的三相永磁直线电机控制方法。通过修改和补充用于旋转电机的直接转控制技术,使提出的方法满足斯特林热机往复运动控制和调节的需要。基于Matlab/Simulink平台搭建仿真系统,分析了系统空载运行、负载运行和调速运行时的响应特性。研究表明,相对于矩形波电压控制策略,系统在直接转矩控制技术下具有更优良的动态特性和机电效率。实验研究验证了方法的合理性。