近年来,随着汽车领域对节能和环保等方面的需求不断增加,国内外学者都对新能源汽车十分关注。由于电池能量密度不足导致纯电动汽车的续航里程受到制约,学者们广泛聚焦于混合动力汽车的研究。在混合动力汽车这一应用背景下,将直线电机与自由活塞内燃机级联可以构成直线发电系统,该系统无需任何中间传动机构,系统效率和集成度都得到有效提升。本文对混合动力汽车用直线电机的电磁优化设计、充磁方式、机械结构和优化算法等方面的问题展开研究,主要工作如下:首先,根据自由活塞式直线发电系统对直线电机的电磁方案进行了初步设计。根据应用背景需求选取了15槽13极圆筒型直线电机,绕组形式为单层分数槽绕组结构,充磁方式采用Halbach充磁结构。随后通过参数优化提升电机性能,研究了永磁体厚度、径向充磁占比、动子外径和极槽配合对效率和功率密度的影响,探究了边端齿对推力波动的影响。最后研究了实际工况下动子变速运动对电机性能的影响,并且对变速工况下电流-速度的匹配进行了研究。其次,对圆筒型直线电机的充磁方式进行了研究。在动子质量严格受限的前提下分析了径向充磁、轴向充磁和Halbach充磁对电机性能的影响。随后针对轴向充磁动子铁芯利用率不合理和漏磁较多的缺陷,采用异形永磁体设计来进行改善。针对Halbach充磁动子非气隙侧存在磁力线的问题,采用异形永磁结构和背铁结构加以改善。再次,对圆筒型直线电机的优化算法进行了研究。针对有限元分析优化电机耗时良久的缺陷,采用响应面法来生成代理模型来近似逼近有限元仿真。对响应面的各种模型进行了研究,并根据拟合精度选取了最为合适的响应面模型。利用粒子群算法对拟合好的响应面模型进行参数寻优,得到最终结果后使用有限元分析进行了验证,结果表明算法优化是有效的。最后,对圆筒型直线电机的机械结构进行了研究。由于内燃机爆燃瞬间会产生一个巨大的轴向推力,该推力会通过自由活塞直接作用在直线电机动子上,为此设计了不同的动子结构方案来强化机械性能。在此基础上对直线电机动子进行了应力分析,选取了最合适的机械结构。随后对直线位移传感器进行了研究,探究了在直线电机动子端部空间不允许的状态下位移传感器的装配问题。