热声发电机以其低成本、高可靠、对环境友好等特点受到较多研究者的关注,其中对结构尺寸较大的带谐振管的热声发电机的研究较多,并取得了一定的进展,而针对空间应用的长寿命、小尺寸的热声发电机的研究较少,目前国内仅本课题组开展了对直驱型热声发电机的研究。为详细研究其运行模态,实现非线性起振,提高整机性能,本文开展了相关的理论与实验研究。采用网络阻抗分析方法,建立热声发电机的整机网络模型。热声发电机是一个集合了热、声、电、磁的复杂系统,各部件之间的阻抗匹配特性是其中的关键问题。热声发电机中包括气体声阻抗、机械阻抗和电阻抗,线性发电机作为热声发电机的谐振元件,其阻抗不仅受自身参数的影响,还受热声发动机输出特性的影响。在对热声发动机和线性发电机的控制方程进行分析的基础上,分别对其建立网络模型,然后根据二者在声功输出口的振荡压力、体积流率及焓的连续性,建立了热声发电机的整机网络模型。直驱型热声发电机的各部件结构参数的仿真计算与分析。基于所建立的热声发电机整机网络模型,编写了整机仿真程序。分别对热声发动机的加热器、回热器、主冷端水冷器、容、惯性管、声功输出口、次冷端水冷器、热缓冲管的结构参数,以及线性发电机的活塞面积、间隙尺寸、动质量、机电转换常数、机械阻尼系数、板弹簧刚度系数等关键参数对整机的影响进行了仿真分析,以提高整机性能为设计原则,初步确定热声发动机各部件结构尺寸值及线性发电机关键参数值。研制能与热声发动机形成良好阻抗匹配的线性发电机,建立了线性发电机关键参数测量系统。根据仿真计算所得到的线性发电机的关键参数,针对整机对电磁转换性能的要求,结合动力学特性,采用电磁场分析软件Ansoft Maxwell对线性发电机的电磁部件进行仿真设计,以获得合适的机电转换常数为前提,确定硅钢片叠片铁芯的尺寸及绕组线圈的长度。线性发电机的活塞与气缸之间的间隙尺寸较小,同轴度要求较高,为此,经过长期探索,本文形成了一套完整的加工及装配工艺流程。另外,线性发电机的设计参数受加工和装配影响很大,为明确其最终的参数,本文建立了一套准确测量线性发电机的间隙尺寸、板弹簧刚度系数、机电转换常数以及机械阻尼系数等关键参数的方法及装置。对所设计的热声发电机开展实验研究,通过六轮样机的研制实现了整机非线性起振及长期且高效的运行。通过两轮样机的研究,分别采用不同形式的线性发电机作为声负载,实现整机非线性起振。对加热器的结构及材料、保温装置结构及材料、耐压腔结构进行改进,解决高温端加热器变形、漏热量大、活塞“卡缸”等问题,实现系统长期、高效的运行。对充放气系统和电功率输出系统进行简化,将其整合在一个小控制箱内,减小热声发电系统整体尺寸。提出热声发动机声功输出口调相技术,改善热声发动机与线性发电机的阻抗匹配特性,实现了直驱型热声发电机较高的电功率输出。热声发动机的声功输出口是热声发动机与线性发电机的耦合部位,其结构与尺寸对热声发动机与线性发电机的阻抗匹配特性起关键性作用。声功输出口的压流相位差通常在80°左右,通过增加不同形状、不同大小调相装置以及将其放置在不同的位置,可以在不同程度上减小压流相位差,同时增大压流幅值乘积,进而可以增加流入线性发电机的声功,使热声发电机最大输出电功率提高15.65%。采用正交实验法对间隙尺寸、动质量、膜片弹性系数对系统性能的影响进行分析,以起振温度、输出电功率和热电效率为实验指标,分别采用极值分析法和方差分析法对实验结果进行分析,确定各因素对实验指标影响作用的主次顺序,并确定最优组合条件。通过开展以上理论分析、建模、仿真计算以及实验研究工作,所研制的直驱型热声发电机能够实现长期安全运行,且输出电功率处于国际领先水平。