随着现代工业的飞速发展,高速电机的应用日益广泛。由此也带来了轴承的严重磨损与发热问题。然而不同于传统的机械轴承,磁悬浮轴承以其无接触,免维护和长寿命等优势具有着十分广阔的应用前景。按照类型磁轴承可分为主动磁轴承和被动磁轴承,主动磁轴承性能可控,但设计涉及多学科交叉而较为复杂,而被动磁轴承的主要优点是结构简单,不需控制和成本低。若能充分利用各自的优势则可使整套轴系更加稳定且损耗低。因此本文将围绕两类磁轴承的工作原理、数学模型以及参数优化设计展开相关研究。本文首先从磁悬浮轴承的应用背景入手,总结和归纳了目前各种类型轴承的特点及应用范围,结合高速电机应用要求,选择磁轴承作为分析对象。分别对主动磁轴承和永磁轴承的工作原理进行探究,推导了各自的数学模型。在此基础上又将主动磁轴承数学模型线性化以得到其控制系统模型,分析了永磁轴承的稳定性以及其轴向和径向刚度间的关系。随后对8极、12极和16极主动磁轴承展开参数设计,采用等效磁路法与3D有限元对其关键性能指标进行推导验证。分析了极数以及轴径尺寸对电磁性能的影响,确定各尺寸的适用范围。对比分析了相同尺寸与激励约束条件下结构的磁场分布、气隙磁密及刚度方面的性能差异。基于蒙特卡罗法对推导得到的永磁轴承复杂积分表达式进行了数值求解。并改进已有算法提升了求解的精度、收敛性以及重复性。通过对比有限元与文献结果证明了方法的有效性。进而采用统计学正交试验分析了永磁轴承各结构参数对性能的贡献度大小,在此基础上对参数进行了优化。得到了直接而有效的结论用于确定给定外径的单层永磁轴承的尺寸参数。最后设计并搭建了磁悬浮轴承实验平台。通过Workbench有限元软件对刚性转子的应力应变以及模态进行了校核,设计了磁轴承静态悬浮及动态性能测试试验,验证了装置的合理性与可行性。