基于角动量定理的动量交换技术，具有控制精度高、寿命长等优点，近年来在航天器的姿态控制中得到了广泛的应用。目前，国内外对动量交换技术的研究重点主要集中于单自由度动量交换技术，而对三自由度动量交换技术的研究较少。国外少数机构对三自由度动量交换技术的研究也正处于理论分析和实验研究阶段，只有简单报道，目前还无有价值的研究成果公开发表。　　 针对上述现状，本文以航天器姿态控制为应用背景，从一般力学的角度出发，对三自由度动量交换技术的原理、设计方法等基础性问题进行研究，试图为航天器的三轴姿态控制提供一种简单可行的执行机构，进一步提高姿控系统的集成度和功能密度。　　 首先，本论文在介绍动量球原理的基础上，确定动量球“电磁感应驱动”和“万向轴承支承”的实现方案，并对动量球系统的结构布局、磁场合成、转速控制策略等方面进行优化设计；其次，提出动量球状态检测方法和角动量的控制方法；最后，通过仿真计算和单轴实验研究，验证了本文相关设计方法和控制算法的有效性。　　 本论文的创新点在于：　　 1、采用“场能量”实现动量的生成，提出利用分布式电磁换能器合成三维空间旋转磁场的方法，并从能量角度进行优化设计。　　 2、提出动量球“四点驱动”和“四点支承”的优化结构布局。　　 3、提出基于光电传感器的动量球状态检测方法。　　 4、将陀螺进动理论应用于动量球角动量方向的控制。　　 5、提出恒转速差的转速控制算法，并结合PI稳速控制算法实现对动量球角动量大小的控制。