便携式电源系统在野外作业机器人、小型侦查设备以及单兵数字化装备等领域广泛运用。传统便携式电源系统是在发动机的基础之上串联一个独立的发电机,结构简单但集成化程度不高;微型电源系统多是利用MEMS技术将热动力电源系统集成到用电设备的主板上,技术难度较大且对设备电路影响较大。论文针对现有电源系统的不足,提出了一种转子一体化的新型热动力电源系统,利用独创的对置式轴向活塞发动机创新地将发电机的永磁磁极集成到发动机的外转子上,有望取得较高的功率密度及可靠性。本文围绕电源系统的结构方案以及基本理论问题,对于电源系统转子一体化总体设计方案、气缸式增压发动机热力学过程、斜置式滚子与环面凸轮啮合特性、部分柔性化的功率传输机构力学特性以及机电耦合特性展开研究。全文的主要内容如下:(1)基于集成化的设计思想,提出了转子一体化的热动力电源系统总体方案。从整体上分析了电源系统的设计目标与结构布局,根据电源系统设计目标,面向运用需求,初定了发动机与发电机转子一体化的设计方案。提出了一种对置式轴向活塞发动机作为电源系统的动力源,阐述了环面凸轮式功率传输机构以及气缸式增压扫气系统原理及方案,介绍了发动机与发电机集成化布局形式,研究了发电机的永磁磁极与发动机的外转子的连接特点。初步分析表明:采用新型凸轮推杆式的功率传输机构,将气缸环形布置,优化发动机的空间布局形式,是提升电源系统功率密度的关键。(2)基于新型气缸增压式扫气过程,建立了发动机热力学理论及数值模型,研究了缸内热力学过程及流场特性。提出了适应凸轮式机构的气缸增压式扫气方式,分析了气缸增压扫气方式的特点;根据缸内能量以及质量平衡关系,采用双区域模型研究了发动机燃烧过程,采用等熵流动假设研究了扫气过程。利用CFD方法建立了发动机燃烧过程的数值模型,通过数值计算获得缸内热力学特性曲线,分析了缸内瞬态流场特性。基于理论模型,通过数值计算研究了发动机燃烧提前角、转速以及增压与动力气缸缸径比对于发动机热力学特性的影响,采用多目标优化方法确定了相关参数的最优值。结果显示:发动机点火提前角为-7度、实际转速为4000~6000rpm、缸径比小于1.78时可显著优化发动机性能。(3)研究了斜置式滚子与环面凸轮啮合特性。根据滚子斜置的结构特点分析了两者之间的接触特性,采用多重坐标变换方法建立了接触过程运动学模型,研究了凸轮滚子接触点的空间轨迹并分析了两者无穿透条件下相对滑动特性;建立了凸轮和滚子接触过程的简化模型,研究了两者之间非线性瞬态接触特性;利用数值模型,研究了准稳态情况下环面凸轮与斜置滚子的啮合特性和功率传输特性,对于两者的传动角、接触曲线以及相互作用力变化特点进行了研究。结果显示圆锥状滚子可有效减小两者的相对滑动速度,有利于减小滑动磨损。(4)研究了调整机构柔性化以后环面凸轮式功率传输机构力学特性。分析了功率传输机构连杆系力学约束,确定了接触面不分离条件下调节机构预紧力,采用离散化模型,研究了凸轮与滚子接触应力分布情况以及连杆系模态。利用线性拟合方法研究各构件刚度特性。研究了变结构参数对于调整结构刚度的影响,基于应力均布的原则,确定了两线槽尺寸分别为9mm和8mm。简化了功率传输机构动力学模型,建立了基于多体动力学方法的功率传输机构数学模型,通过数值计算,研究了空载情况下发动机的加速特性;分析了稳态条件下连杆系与调整结构变形量以及内部应力随着外转子转角变化曲线,研究了瞬时功率特性。结果显示:在额定工况下,构件上存在较大惯性载荷,容易引起构件形变进而影响机构运动规律。(5)研究了电源系统的机电耦合特性。确定了发电机具体结构以及气隙磁密、极绕组系数、绕组短距系数等关键参数,建立了发电机数学模型。基于等效原理建立了发动机的简化数学模型,分析发动机转速、扭矩与化油器开度之间的关系;建立了发电机定子线圈以及外部整流电路的等效电路,得到了电源系统的机电耦合模型,对于发电系统的动力部分以及电磁部分的耦合特性进行了研究,通过数值方法,研究了电源系统在恒载以及变载工况下电压、电流、功率及电磁扭矩瞬态特性。