永磁活塞机械-电力发动机是一种集成传统活塞式内燃机和直线发电机结构原理于一体的新型双元动力装置,保留了传统内燃机的曲轴连杆机构,加入了直线发电机的电磁结构,克服了传统内燃发电机组结构体积大、传递路线长、工作不协调、仅能输出单一能量等问题。本文通过仿真模拟与试验研究对永磁活塞-机械电力发动机的电动力结构与性能进行了研究,为结构优化设计提供理论依据。完成了整机动力学建模与结构匹配设计。依据传统内燃机和直线发电机的分析方法,建立了永磁活塞机械-电力发动机的系统动力学模型、电动力学模型和损耗模型,得到了动子组件的运动规律、受力平衡方程以及电机电磁解析式,提出了5个系统性能指标;基于168F汽油发动机的结构进行了改进设计,确定了动子组件和定子组件相关尺寸参数,完成了整个永磁活塞机械-电力发动机的几何建模。完成了电动力结构的三维有限元建模与分析。利用ANSYS Maxwell电磁仿真软件,建立了永磁活塞机械-电力发动机的三维有限元模型,以永磁体200℃的磁性能为基础对直线发电机部分进行了电动力仿真研究。对比分析了不同定子设计、不同充磁方向下的静磁场特性和额定工况（油门开度100%、转速3600r/min、负载电阻5Ω）环境下不同充磁方向的电动力特性,发现采用有铁芯的定子设计和轴向充磁的永磁体具有更好的电性能,依此进行了负载特性分析,得到了负载电流、负载电压和电磁推力的时域曲线,当负载电阻为5Ω时,负载电流有效值约为1A,电输出功率约为5W。对比168F汽油发动机的整体性能参数,发现虽然机械输出功率有所减少,但增加了电能输出,实现了双元动力输出。在不同工况环境下进行参数化仿真分析,得到了负载电阻和运动频率对负载电流、负载电压和电磁推力的影响规律,进一步计算得到了系统性能指标的规律曲线。随着负载电阻增加,电输出功率先增大后减小,而其它性能指标均增大;随着运动频率增加,电效率保持不变,机械效率先增大后减小,而其它性能指标均增大。当负载电阻为8Ω,运动频率为60Hz时,电输出功率最大为5.11W,此时电效率为65.84%,机械输出功率为3698.33W,机械效率为83.24%,热效率为33.88%,比原发动机仅减小了0.04%。依据数学模型,设计了一台永磁活塞机械-电力发动机的试验样机,利用电动机的机械能进行电动力匹配试验,得到了负载电压信号,与仿真数据较为接近,验证了有限元模型的准确性和结构原理的可行性。