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控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope,CMG)是大型航天器及快速机动卫星姿态控制系统的主要执行机构。本文围绕一种空间站用大型磁悬浮单框架控制力矩陀螺(Single Gimbal CMG,SGCMG),从系统关键组件结构优化设计、磁轴承支承特性、系统动力学特性和转子不平衡振动及其抑制等方面,进行了较为系统和全面地研究,主要完成了如下工作:1、概述了CMG基本理论,总结了空间用磁悬浮飞轮常用构型,并对比分析了各种构型的优缺点。选择四轴主动型结构作为本文SGCMG磁悬浮飞轮构型,确定了SGCMG系统总体结构形式。2、对磁悬浮SGCMG关键组件进行了结构优化设计和力学校核。采用序列二次规划法对飞轮转子组件进行了结构优化设计;考虑高速离心载荷作用,设计了多层嵌套转子组件各配合面的过盈量,计算了转子组件在额定转速下的应力和位移分布情况;计算了不同转速下转子组件的模态振型及固有频率。采用解析方法对飞轮定子组件进行了结构优化设计,对优化设计的定子组件利用有限元法进行了刚度校核。对SGCMG陀螺房进行了动力学、静力学和稳定性分析。3、采用等效磁路法和有限元法研究了SGCMG飞轮用径向混合磁轴承(Radial Hybrid Magnetic Bearing,RHMB)支承特性。介绍了RHMB基本结构和工作原理,基于等效磁路采用迭代法分别设计了RHMB永磁磁路和电磁磁路结构参数。基于建立的RHMB永磁和电磁等效磁路,分别采用积分法和传统线性近似法计算了RHMB气隙磁阻、磁通密度分布和转子受力。采用有限元法计算了RHMB磁场分布及径向磁力,分析了通道间磁通和磁力耦合情况。分析了RHMB轴向和倾斜被动稳定机理,分别采用等效磁路法和有限元法计算了RHMB轴向被动回复力和倾斜被动回复力矩及轴向和倾斜被动回复刚度,研究了结构参数对轴向和倾斜被动稳定特性的影响。4、研究了磁悬浮SGCMG动力学特性。采用拉格朗日方法推导了磁悬浮SGCMG框架-飞轮系统运动微分方程。研究了飞轮转子进动的基本振型,分别计算了框架固定和自由时飞轮转子进动频率随转速变化情况,分析了框架对转子进动频率和临界转速的影响。研究了磁悬浮SGCMG动框架效应,提出了基于框架角速率前馈补偿的动框架效应抑制方法并进行了仿真验证,研究了模型参数准确性和框架速率信号滞后对前馈校正效果的影响。5、研究了磁悬浮SGCMG飞轮转子不平衡响应及抑制方法。分析了刚性转子不平衡状态,建立了SGCMG磁悬浮飞轮不平衡强迫振动微分方程。研究了磁悬浮飞轮径向平动和转动不平衡响应,分析了不平衡振动对陀螺力矩的影响。介绍了不平衡振动主动控制的基本原理,提出了“广义凹陷滤波”+“位移刚度力补偿”的不平衡振动主动抑制方法并进行了仿真验证。研究了模型参数误差对不平衡振动抑制效果的影响。