斯特林太阳能热发电系统因其工作方式简单、系统安全可靠而被广泛关注,发展前景广阔。但受结构限制,该系统原动力有限,致使其核心组成部分——斯特林直线发电机次级运行速度低、输出功率小。此外,直线发电机本身存在功率密度小、材料利用率低的缺点。这些因素制约了系统热电转换效率的进一步提高。直线磁齿轮复合发电机(Linear Magnetic-Geared Permanent Magnet Generator,LMGPMG)的提出为解决这一问题提供了契机,它具有功率密度大、材料利用率高的优点,且可以通过内部齿轮有效提高系统驱动速度,非常适用于此类原动力不足的系统。本文将LMGPMG引入斯特林太阳能热发电系统,在总结国内外相关研究成果的基础上,对其本体设计、结构参数优化、电磁性能分析及功率控制展开了系统研究。主要研究工作及成果包括:首先,研究了LMGPMG拓扑结构,针对现有LMGPMG磁路耦合方式存在的磁场间干扰严重及工艺难度大的缺点,提出了一种串联耦合式结构,并讨论了其主要结构参数的确定方法。LMGPMG拓扑结构直接决定其磁路耦合方式,进而影响其工作特性。为减小各部分之间的磁场干扰、简化拓扑结构、降低制作难度,提出了串联式拓扑结构,该结构克服了传统串联拓扑结构中导角带来的不便利因素,使次级行程不受导角限制,更具有实际应用价值。电机设计参数直接决定其性能指标,LMGPMG属于新型永磁电机,其主要参数的确定方法尚不完善。本文以平板形LMGPMG为例,采用提出的串联式拓扑结构,结合电机设计技术,讨论了LMGPMG主要结构参数的确定方法,为其结构设计提供了必要参考。其次,采用有限元分析方法研究了充磁方式对LMGPMG电磁性能的影响规律,并分析了提出的串联式拓扑结构LMGPMG的电磁性能。永磁体充磁方式决定发电机磁场分布,进而影响其电磁性能。为了解这种影响的一般规律,对比分析了法向充磁、纵向充磁和Halbach充磁方式下LMGPMG的磁场分布,为LMGPMG充磁方式选择提供了依据。为进一步了解提出的串联耦合结构LMGPMG的磁场空间分布及其随时间的变化规律,基于上述结论,采用有限元分析方法,将其复杂的三维结构简化到二维模型,分析了法向充磁LMGPMG的磁场分布特征、空载和负载特性、功率密度等电磁性能,为该结构LMGPMG的研制奠定了基础。然后,就LMGPMG参数优化展开研究,针对现有电机优化方法存在的收敛速度慢、耗时长、优化效率低的、难以实现多目标优化的缺陷,提出了一种基于表面响应法(Response Surface Method,RSM)的多目标正交优化方法,并对提出的串联耦合结构LMGPMG进行了优化。电机优化可进一步提高材料利用率、改善电机性能。为简化计算、提高优化效率,提出的基于RSM的多目标正交优化方法通过建立多个优化目标与电机结构参数之间的数学模型来节约实验时间,并充分利用正交法均衡分布的特性和正交分析实现多目标优化,可通过较少次数的实验获得满意的优化结果,算法简单有效,为实现多目标电机优化提供了新途径。基于上述方法,在研究了影响串联耦合结构LMGPMG推力特性、反电动势和定位力的主要结构参数及影响规律基础上,对其进行了优化,为进一步研究该结构LMGPMG有重要的指导意义。此外,就LMGPMG最大功率控制方法进行研究,针对传统功率控制存在的开关频率不固定、抗扰性能差和时滞的缺陷,提出了基于自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)的最大功率控制方法。用于太阳能热发电系统的LMGPMG由斯特林发动机驱动,系统功率控制复杂,为了保证最大功率运行,提出了考虑二者功率匹配的最大功率控制策略,LMGPMG功率控制是该策略的核心。与传统直线发电机相比,由于增加了永磁齿轮部分,LMGPMG功率控制难度增大。为此,针对现有功率控制存在的开关频率不固定、抗扰性能差和时滞的缺陷,提出了基于ADRC的直接功率控制方法。该方法在保证开关频率固定的基础上,利用跟踪微分器的快速响应性有效提高了系统响应速度,并借助ADRC良好的扰动估计和补偿功能,提高了系统抗干扰能力,为LMGPMG最大功率控制开辟了新途径。最后,就上述方法进行了验证,设计了一种平板形串联耦合结构的LMGPMG,制作了原理样机,并进行了必要的仿真和实验研究,仿真及实验结果充分证明了上述设计和方法的正确性和有效性。研究表明,与传统直线发电机相比,LMGPMG的功率密度明显增大,它的引入有效提高了碟式斯特林太阳能热发电系统的热电转换效率。上述工作为LMGPMG在该系统的进一步推广应用提供了有力参考。