约束活塞式内燃直线发电系统是伴随着能源与环境问题逐渐发展的一种新型汽车能量转换装置。它由常规发动机与直线发电机耦合而成,保留了常规发动机的曲柄连杆机构,相比传统的内燃机—旋转发电机模式,其缩短了热能转换为电能的传递路线,降低了系统的机械损耗,具有较好的结构紧凑性,同时也解决了自由活塞式发电系统易熄火、不稳定性较强与难于控制的问题。本文通过对约束活塞式内燃直线发电系统的燃烧、动力学分析,优化设计发电系统的性能参数,采用理论分析与仿真计算相结合的研究方法,分析约束活塞发电机的空、负载特性,完成发电机的结构优化,并检验系统的可靠性与运行稳定性。本文的具体工作和研究内容如下:(1)确定系统总体布置方案,建立系统燃烧、动力学模型。针对约束活塞式内燃直线发电系统的结构特点,分析系统的综合性能,并设计连杆-动子组件的四冲程往复运动;基于AVL BOOST选择目标发动机的传热模型和燃烧模型,建立其整机模型,得到发动机的缸内压力变化曲线、活塞运动规律等性能参数;对系统进行运动学与动力学分析,建立系统的动力学方程和动力学模型,系统、深入地分析各个力对系统运行的影响及其之间的相互作用,为进一步的结构设计与优化提供理论基础。(2)完成约束活塞发电系统电机结构设计与建模。介绍约束活塞发电机的基本结构及工作原理,并对比分析其与不同类型发电机的优缺点;分析动圈式和动磁式两种不同类型的初、次级结构特点,确定约束活塞发电机的结构方案;根据系统对发电机的性能需求,设计发电机的主要结构尺寸、绕组线圈布置形式及永磁体的排列、充磁方式;基于电磁软件JMAG选择发电机的模型求解器与各部件材料,并建立发电机的有限元模型。(3)对约束活塞发电系统进行有限元分析与结构优化。为检验发电机设计尺寸是否符合系统性能需求及能否稳定运行,借助JMAG软件对发电机进行空、负载特性计算,详细介绍发电机的模型电路及参数设置,从空载感应电动势均值、各高次谐波占比、负载电磁力均值、损耗分析及齿槽推力等方面评价发电机性能,其中发电机感应电动势均值为234.70V,峰值达到了331.78V;针对发电系统运行时存在的电磁力脉动较大的问题,从永磁体轴向长度、气隙厚度、定子长度及开口槽型等方面对发电机进行结构优化。优化后发电机感应电动势均值提高了13.59%,电磁力脉动由27.61%降低为17.93%,验证了通过结构优化来提升发电系统性能的可行性和有效性。(4)完成约束活塞发电系统的可靠性与运行稳定性分析。通过介绍传热学的基本理论,确定发电机内部热量传递的基本形式和损耗热源,建立发电机的温度场数学模型;介绍磁—热耦合计算方法和热网格法,基于JMAG建立发电机的温度场有限元模型,分析发电机静、瞬态时各部件温度分布,其中最高温度达到了122.31°C,出现在绕组线圈部位,最低温度为42.79°C,出现于端盖部位,部件最高温均未达到材料的极限工作温度,系统可靠性校验合格;通过滤波整流分析研究系统的运行稳定性,整流后发电机运行稳定时的端电压和电流波动分别为3.89%和4.57%,系统运行稳定性良好。