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自由活塞发动机具有能量转换效率高和燃料适应性好等特点,近年来成为车载发电装置的研究热点。直线发电机作为自由活塞发动机的机电能量转换装置和运动控制装置,其性能对自由活塞发动机的性能有很大的影响。本文针对单活塞式四冲程自由活塞发动机的应用需求,完成了一类圆筒型动圈式直线发电机及其四象限可逆控制器的设计,并对其进行了仿真分析和样机试验研究。首先,根据单活塞式四冲程自由活塞发动机的结构组成,在Simulink中建立了系统的动力学仿真模型,通过仿真确定了系统对直线发电机及其控制器的性能要求。在此基础上确定了直线发电机的结构形式为圆筒型动圈式永磁直线发电机,基于等效磁路原理建立了直线发电机推力常数和反电势常数的计算公式;通过对永磁直线发电机的电磁场有限元仿真,得到了永磁直线发电机的推力常数、反电势常数和响应时间等性能参数。然后,基于H桥电路设计了四象限可逆的控制电路,在Simulink中建立了四象限可逆的直线发电机控制器仿真模型,与系统动力学仿真模型结合,对四象限可逆控制器的工作过程进行了仿真分析。最后,完成了圆筒型动圈式永磁直线发电机样机的研制,并搭建了单活塞式四冲程自由活塞发动机的样机试验平台,完成了样机稳定运行工况的试验研究。仿真分析和样机试验表明:本文设计的圆筒型动圈式永磁直线发电机的推力常数为31.1N/A,响应时间为0.6ms,发电效率为95.2%。能够满足单活塞式四冲程自由活塞发动机的需求。