随着大科学装置建设的推进,国内对大型低温系统的需求也日益增长。氦透平膨胀机作为氦低温系统的核心部件之一,担负着冷量制备的重任,是系统稳定运行的重要保障。为发展国内自主的氦透平膨胀机技术,本文结合电涡流制动技术的优点,展开了流体动力学、传热学和电磁学的融合技术探索,开展了电涡流制动氦透平膨胀机的设计研究工作。针对通流部分、电涡流制动、静压气体轴承这三个核心部件,研究分析了氦透平膨胀机的工作性能,并加工了样机,进行了常温测试,验证了电涡流制动技术在氦透平膨胀机上应用的可行性。具体研究结果如下:（1）提出了针对电涡流制动氦透平膨胀机的设计流程,并阐述了其部件设计时相互间的依存关系。针对5 kW级氦透平膨胀机,阐述了通流部分的设计流程,并对设计的喷嘴、叶轮进行了仿真研究。仿真结果显示,通道内流动较为合理,由叶顶间隙造成的泄漏损失是叶轮中流动损失的主要来源。流量系数在0.6～1.2之间变化时,氦透平膨胀机均可以保持在较高的效率下运行。（2）设计了 5 kW级氦透平膨胀机的电涡流制动装置,并对其进行了模拟研究。分析了不同制动电流和不同转速作用下制动功率、制动转矩的时变特性。针对制动性能的影响因素,分析了转子-涡流环间隙、制动电流、转子转速对电涡流制动装置制动性能的影响规律。结果显示,电涡流有明显的集肤效应,制动功率与制动转矩均表现了一定的阻尼震荡时变特性。制动功率随转子-涡流环间隙的增大而急剧减小,变化极为敏感,而与制动电流和转速则呈现了一定的线性增长关系。（3）针对氦气润滑静压气体轴承,建立了其理论计算模型,基于有限元方法推导了离散格式的静压润滑Reynolds方程,并在静态方程的迭代求解过程中引入了可变的阻尼迭代因子,用以增加迭代过程的收敛性。针对高偏心、高转速下的静压轴承,提出了节流孔返流的计算方法,推导了含返流计算项的有限元离散格式。分析研究了含节流孔的静压轴承与纯动压轴承间的静、动性能差异,以及返流闭孔措施对于静压轴承性能的改善作用。结果显示,相对于全动压轴承,静压轴承节流孔的存在给轴承的静、动特性带来了全面提升。高偏心高转速下,返流孔的出现会造成气膜高压区的压力塌陷,一定程度上削弱了轴承的静、动性能。采用返流闭孔措施,能在高偏心高转速运行时给静压轴承带来约10%的承载力、静态刚度提升,约11%的Y方向动态主刚度的提升。（4）采用立式结构对电涡流制动透平膨胀机的进行了整体设计,简述了加工工艺,对转子进行了动平衡测试,并最终完成了样机的整机装配。搭建了实验测试平台,对电涡流制动透平膨胀机进了常温测试。测试过程中,通过变工况运行和制动电流的调节作用来验证电涡流制动的可行性,并将实验结果与仿真结果进行了对比。分析了转速对制动电流的响应特性以及制动装置的散热特性,此外还测试了轴承的耗气量,并与理论计算值进行了比对。测试结果显示,样机在转速0～95600 r/min范围内能稳定运转,并具有良好的变工况适应性,制动装置能提供迅速有效的制动性能,随着制动功率的提高,水冷功率占比逐渐提升。