电磁轴承是一种新型、高性能轴承，其特点是转轴与电磁轴承之间不存在直接接触、无摩擦损耗、不需润滑，对环境无油污染，为高速大承载飞轮储能系统的研究提供了技术支持。本论文以600Wh飞轮储能系统试验样机为应用背景，根据样机性能技术指标，结合样机转子系统的支撑布局、轴系结构，开展了径向、轴向电磁轴承的结构设计及优化研究。首先，对600Wh飞轮储能系统样机支撑系统进行方案设计，根据飞轮转子轴系的结构特点，展开了支承系统总体布局的研究，并进行了辅助支撑系统的设计。基于磁路法建立了电磁轴承电磁力数学模型，依据数学模型分析研究了结构参数和控制参数对电磁力产生的影响方式及规律。依据样机系统性能对支撑系统提出的运行参数指标和结构布置等约束条件，展开了径向、轴向电磁轴承结构设计，确定了电磁轴承的结构参数。同时，对初始设计方案中的相关装配及制造工艺对电磁轴承的性能影响因素进行了分析，并提出了解决方案。其次，本文通过ANSYS电磁场有限元分析模块，结合电磁轴承结构参数和电流控制参数，建立了径向电磁轴承有限元模型。并模拟分析了不同电流加载控制模式对径向电磁轴承内部的磁场分布、磁场耦合的影响机理；加工工艺孔对径向电磁磁轴承内部磁场耦合影响规律。磁场分布和磁耦合可以反映磁力的变化规律。建立了不同气隙比的轴向电磁轴承模型，得到了轴向电磁轴承内部磁场分布；分析了不同气隙比参数下，轴向电磁轴承的漏磁现象和漏磁程度，揭示了漏磁导致轴向电磁轴承的径向和轴向电磁力形成力耦合现象，寻找了较为合适的气隙比结构参数，以减轻漏磁引起的力耦合。最后，基于矩形磁极形式，结合有限元分析手段，以提高电磁轴承承载能力，降低功耗、损耗为目的，对几种磁极结构的承载性能、边缘效应进行了比较，对各项数据和制造工艺难易程度进行对比分析，得到了承载性能较优的磁极结构。并针对线圈槽形状突变处易出现磁饱现象进行了分析，提出磁极槽型优化的解决方案，使材料磁路得到充分利用。