磁浮重力补偿器是一种利用电磁悬浮力来补偿负载重力,并具有低悬浮刚度特性,以实现负载精密定位与隔振的电磁装置。由于其无能量消耗、无接触摩擦、真空兼容等特性,在微电子制造、真空扫描隧道显微镜、微重力环境仿真等现代精密制造领域中具有广阔应用前景。本文针对磁浮重力补偿器研究关键问题,围绕其电磁理论模型推导、拓扑构型设计方法、构型尺度多目标优化以及实物样机研制测试等方面开展了研究。本文首先介绍所提出磁浮重力补偿器基本拓扑结构及其工作机理。在明确其主要研究性能指标后,从共轴环电流轴向力推导出发,基于等效面电流层模型,对拓扑构型的电磁理论模型进行建立,为后续构型设计方法及优化设计研究奠定理论基础。针对尚无理论与方法指导构型设计的突出问题,提出一种拓扑构型参数化设计的方法。首先对典型磁浮重力补偿器的拓扑构型进行综合分析,抽离出构型中关键可参数化要素。选取拓扑构型的径向磁环层数、每层磁环数目以及充磁方向作为参数,提出拓扑构型参数化描述的方法,并基于参数化构型推导其电磁理论模型。为验证该构型设计方法的可行性,对磁环径向层数为两层和三层的构型进行设计优选,通过运算得到了一些性能表现优异的拓扑构型,为磁浮重力补偿器拓扑构型的设计选取提供新思路。开展磁浮重力补偿器构型尺度多目标优化设计,提出一种适用于该优化问题的混合优化策略。首先确定拓扑构型尺度多目标优化的设计参量、优化目标及约束条件,建立多目标优化模型。在ISIGHT中搭建基于DOE抽样与全局优化混合优化策略的多目标优化求解平台,借助优化目标Pareto图与响应曲面图,分析各设计参量对优化目标的影响效应,并在Pareto解集中选取优化构型尺度参数组。为验证上述理论研究及设计方法有效性,基于优化构型尺度参数组,设计研制磁浮重力补偿器样机。通过搭建的力特性测试平台,得到样机悬浮补偿力与悬浮刚度表现,并对样机测试结果与理论计算间误差出现原因进行分析,为磁浮重力补偿器研制与改进提供参考。