飞轮是现代卫星高精度姿态控制的主要执行机构,高精度、低功耗、小体积、高可靠性一直是现代飞轮技术发展的目标。本文以微小姿态控制飞轮系统的应用需求为背景,从飞轮系统结构形式、飞轮电机设计方法和系统优化方法三个方面对其中的关键技术展开深入研究,主要研究内容包括以下几个方面:(1)驱动电机是飞轮系统结构的核心,电磁设计的准确性会直接影响飞轮系统的性能,飞轮电机具有径向大、轴向小的结构特殊性,论文采用场路结合的方法,对影响飞轮驱动电机性能的关键参数进行了分析,给出了气隙参数、等效计算极弧系数、等效漏磁系数和电枢电路参数的计算方法,从而为飞轮电机的电磁设计与分析提供理论基础;(2)提高飞轮电机的效率有利于降低系统的功耗,论文提出了一种满足飞轮电机高效率、低功耗要求的永磁无刷直流电机的设计方法,实现了飞轮系统电磁设计的逆问题求解,并以此为基础,设计了一种轮缘驱动式飞轮系统,研究了充磁方式、极对数、端部间隙等磁路关键参数对飞轮电机性能的影响。仿真结果表明,该方法具有较高的设计精度,最大设计误差约为10.7%;(3)为了优化系统整体性能,论文将多学科优化技术应用于对飞轮轮体的优化设计中,兼顾了机械系统力学性能与电机电磁学性能,从质量、体积、气隙磁密等多个方面实现了对飞轮转子组件的多目标优化;为提高飞轮系统的可靠性,基于有限元分析了系统的结构强度、模态和随机载荷激励等力学特性,结果表明,优化后的结构能满足工程应用中的力学环境需求;(4)常规飞轮系统轴向尺寸大、结构分散,导致功能密度较低。论文提出了一种基于PCB绕组和轴向磁通电机的微小平面飞轮系统,目的在于提高系统集成度和相关技术的可移植性;建立了PCB绕组电磁参数计算的数学模型,提出了波形PCB绕组形式,消除了反向转矩对飞轮性能和系统损耗的影响;分析了印制导体的内部涡流形式,并通过采用分割印制式导体和普通盘式绕线绕组来减小导体涡流损耗;(5)论文的最后研制出满足工程应用需求的飞轮样机,进行了轮缘驱动式飞轮样机总体性能测试,并开展了飞轮系统功耗研究;通过对样机进行高低温、热真空实验、随机振动等试验,保证了系统的可靠性和安全性。本文的研究成果密切联系现代工程应用需要,对小卫星用姿态控制飞轮系统的小型化、轻量化与低功耗设计具有重要的理论意义和工程价值。