热声发电技术是当前可再生能源研究领域研究热点,具有热源适应性好、效率高、结构简单紧凑、使用寿命长的特点。热声发电系统主要由热声发动机和直线发电机两部分组成。热声发电系统采用横向磁通永磁直线热声发电机作为系统的机电能量转换装置。由于直线电机端部磁场产生回复性质的磁阻力,当电机磁阻力及机械弹簧合力与系统运行频率对应驱动力不匹配将影响热声发电系统机械谐振状态,降低系统电能输出。另一方面,穿片磁场是横向磁通永磁直线热声发电机的特殊问题,穿片磁场会引起较大的涡流损耗。本文围绕横向磁通永磁直线电机空间磁场展开研究,得到电磁-机械耦合参数,并将参数代入解析模型中对热声发电系统工作状态进行分析,全文主要研究内容如下。结合热声发电系统声波驱动力运行特性,为保证系统电能稳定输出以及保持直线发电机与热声发电系统处于同步谐振状态,选定横向磁通永磁直线电机作为热声发电系统机电能量转换装置。相较于传统直线电机,横向磁通永磁直线电机简单可靠,叠装工艺易于实现,同时轴向无齿槽结构可提高其应用于高频短行程运行状态的平稳性。采用叠加法建立横向磁通永磁直线电机等效磁路模型求取电机电磁阻力表达式,通过数值解析分析横向磁通永磁直线电机力学特性与热声发电系统声波驱动力的匹配关系。横向磁通永磁直线电机轴向及横向相邻永磁体极性相异,其端部磁场呈现复杂的三维空间分布,目前缺乏相关内容的研究。为求取影响电机磁阻力的轴向端部磁场,提出端部磁场空间解耦分析方法,实现轴向端部漏磁解耦计算,进而求取端部磁阻力。以此为基础,得出横向磁通永磁直线电机等效劲度系数的计算方法,从而将电机的磁阻力与系统机械特性结合起来,简化后续对热声发电系统工作特性的分析,并保证系统电能的稳定输出。为后续研究热声发电系统工作特性及频率漂移补偿控制策略提供理论基础。为提高电机功率密度,确保系统紧凑性,横向磁通永磁直线电机设计过程中电磁负荷选择相对较高。由于轴向相邻的永磁体极性相异以及铁心饱和的原因,在横向磁通永磁直线电机初级铁心内部存在与主磁通回路正交的穿片磁场,因此初级铁心内部磁场呈现三维混合磁路分布。与铁心叠片正交流通的穿片磁场形成区间比较小,却会形成较大的涡流损耗,在电机设计过程中不易发现,目前缺乏相关研究。针对这一情况,提出基于三维磁路的横向磁通永磁直线电机空间穿片磁场分析方法,计算穿片磁场区间及穿片磁感强度。以此为基础,计算由穿片磁场所产生的附加涡流损耗,得到不同饱和状态下穿片磁场所形成的涡流损耗及经典铁耗与电机主磁密的幂函数关系,并给出综合考虑空载铁耗及功率密度的横向磁通永磁直线电机设计依据。将横向磁通永磁直线电机空载铁耗通过等效计算得到热声发电系统的等效电磁阻尼系数,为热声发电系统起振-发电过程控制提供精确模型参数。设计并搭建拼装式穿片磁场等效实验平台,并对主磁场及穿片磁场磁感强度进行归一化处理验证穿片磁场解析结果及不同主磁场饱和状态对穿片磁场的影响。建立热声发电系统回路中的气体工质状态方程,得出热—声—电能量成因及影响各能量转换和衰减原因。基于相似理论,建立热声发电系统力—电类比模型对电机及热声发电系统工作状态进行耦合分析。以横向磁通永磁直线电机等效劲度系数及等效电磁阻尼系数计算为基础,求取热声发电系统最大电能输出状态下匹配电抗,计算分析不同工作状态下热声发电系统的电磁阻尼。得出阻抗匹配状态下的系统等效劲度系数的计算方法。通过直线振荡系统实验平台对理论分析进行验证。研究结果可为热声发电系统及直线发电机优化设计提供理论依据及新的研究思路。