反作用飞轮系统是卫星等航天器实现姿态调节的执行机构,该系统具有体积小、重量轻、精度高、可靠性高和寿命长等特点。飞轮电机是航天器姿态控制系统中的关键部件,其性能直接影响航天器的控制精度、稳定性、系统功耗及运行效率。本文针对外转子无铁心结构的常规飞轮电机气隙磁密波形及反电势波形质量不高、转矩波动和电机损耗大等问题,对飞轮电机的结构进行分析和改进,提出双圈磁钢结构和双层Halbach磁极结构两种新构型的飞轮电机,并对该两种电机结构进行电磁设计和性能分析。具体的研究工作如下:(1)分析飞轮电机的结构和工作原理,采用等效磁路法对常规飞轮电机进行电磁设计,并对电机进行有限元分析。(2)基于常规飞轮电机的结构,设计双圈磁钢飞轮电机,利用有限元软件对该电机进行电磁设计和分析,包括电机铁心、电机定转子以及永磁体的设计,最后确定电机的具体方案和尺寸。(3)采用有限元软件分析常规飞轮电机和双圈磁钢飞轮电机的气隙磁密波形、反电势波形和输出电磁转矩。分析结果表明,双圈磁钢飞轮电机的气隙磁密波形比常规飞轮电机的气隙磁密波形有所改善,转矩脉动有所减小,提高了反作用飞轮系统的控制精度和稳定性。最后对比分析了双圈磁钢飞轮电机和常规飞轮电机的电机损耗,结果表明,双圈磁钢飞轮电机的电机损耗更小。(4)在双圈磁钢飞轮电机的基础上,本文提出一种双层Halbach型磁极的飞轮电机结构。确定了电机的结构和Halbach磁极的分块数,分别采用解析计算法和有限元法计算了气隙磁密波形,对电机的极弧系数进行了优化,并与双圈磁钢飞轮电机的性能进行了比较。研究结果表明,双层Halbach飞轮电机比双圈磁钢飞轮电机的输出转矩大,电机损耗更小,进一步改善了电机性能。