随着高空侦察技术和对地观测技术的需求不断提升,航天器对姿态控制的力矩精度和主动振动控制精度提出了越来越高的要求。传统的机械飞轮采用机械轴承支承,存在过零摩擦、粘滞力矩、摩擦磨损、需要润滑和寿命相对较低等缺点,限制了飞轮性能的进一步提升;磁悬浮飞轮采用磁悬浮轴承支承,克服了机械动量轮的诸多缺点,被认为是理想的惯性执行机构^[1-2]。本文研究内容如下:（1）设计最优飞轮悬浮方案。为了保证磁悬浮飞轮能够实现高精度力矩输出并满足航天器的姿态控制需求,对比不同的飞轮结构方案,针对其工作特点,选定较优方案。在此基础上,针对飞轮体特性,选择合适的材料来加工不同的飞轮体零部件,并基于实际工程经验,给出飞轮系统的主要结构参数。针对磁悬浮飞轮真空密封的技术难题,总结出一种通用的磁悬浮飞轮密封系统设计方法。针对磁悬浮飞轮的工作特性,提出了一种磁轴承和传感器的检控共位设计,并设计出一种球面保护轴承,用来现有的球形飞轮转子。为了使磁轴承能快速稳定和抑制飞轮系统的振动,提出了一种偏转轴向阻尼器洛伦兹力磁轴承的结构设计。为解决现有隐式洛伦兹力磁轴承刚度低的特点,又提出了一种新型的高刚度隐式洛伦兹力偏转磁轴承。最后,总结了一种通用的洛伦兹力偏转磁轴承的设计方法,为洛伦兹力磁轴承的设计提供了较好的参考思路。（2）对磁悬浮电机进行结构设计优化,使得气隙磁密最大。为使磁悬浮飞轮气隙磁密达到最大,降低功耗,基于现有的工程技术需求,对磁悬浮飞轮电机结构尺寸进行优化。通过陀螺动力学方程的推导,确定了飞轮转子最佳极赤转动惯量的比值范围,使得飞轮转子稳定运行时,进动和章动对转子影响较小。将永磁体和内、外导磁环的尺寸设为设计变量,气隙磁密作为优化目标,利用优化软件Isight集成有限元软件ANSYS,并采用序列二次规划法对电机结构进行优化,最终得到最优磁密。（3）对磁悬浮飞轮转子进行设计优化,使得转子系统质量最小。现有的磁悬浮飞轮转子优化大多集中在磁路拓扑结构及控制系统优化,为提升飞轮整体性能,根据现有磁悬浮飞轮工程化的实际需求,运用陀螺力学控制理论,推导出使得磁悬浮飞轮转子径向平动通道解耦的条件,简化磁轴承控制器设计。将飞轮转子组件的轮缘和轮辐等相关尺寸作为设计变量,基于实际工程需求设定约束变量,并将转子的极赤转动惯量比值和飞轮转子径向平动通道解耦的条件也设为约束变量,将转子质量最小设为目标函数,建立优化模型,最终优化得到最优转子结构。（4）基于以上优化结果,搭建实验测试平台对磁悬浮飞轮样机进行测试。通过示波器测量转子的一阶共振频率,并与转子模态仿真结果进行对比,验证优化方法及结果的准确性。不平衡振动仿真和转子径向平动通道解耦实验再一次验证了优化的效果。通过转子离线动平衡实验来降低转子的不平衡量,又通过测定飞轮的稳态功耗和最大瞬态功耗来验证飞轮的功耗符合要求。