目前,电动汽车动力电池广泛采用化学电池,其能量转化效率低,污染严重、寿命短、受环境影响较大等一系列缺点阻碍了电动汽车的可持续发展。而磁悬浮飞轮电池以其能量转化效率和功率密度高、无污染、寿命长、对温度不敏感等特点,已然成为电动汽车极具发展潜力的动力电池。磁悬浮轴承作为飞轮电池支承系统的主要部件,直接影响着磁悬浮飞轮电池系统的稳定性能。为了保证车载飞轮电池在电动汽车加速、减速、转弯等复杂工况下始终实现稳定运行,对车载磁轴承的拓扑结构设计、建模及控制提出了苛刻要求。本文针对车载飞轮电池用二自由度磁轴承在结构设计、建模、控制方法以及车载工况下的动态性能展开研究。论文主要工作及主要成果如下:1.阐述了车载飞轮电池的研究背景、工作原理、国内外研究现状及其发展趋势。通过分析车载飞轮电池的关键技术及车载飞轮电池支承系统的研究概况,指出了本文的研究意义和主要内容。2.提出一种新型球面二自由度混合磁轴承,该磁轴承可从结构上有效抑制飞轮转子的陀螺效应,介绍了该磁轴承的结构、磁路及工作原理。针对传统的磁轴承参数设计方法通常在忽略漏磁现象的情况下,将气隙磁通密度等同于定子铁心中磁通密度参与计算,因此导致磁路横截面偏小处经常出现磁饱和现象,无法满足设计要求的各个部分的结构参数的弊端,提出一种基于双B-H曲线的磁轴承参数优化设计方案。根据设计要求和设计方案,给出了磁轴承的主要参数,并利用有限元仿真验证了该方法的合理性和设计结果的正确性。3.与传统的柱形磁轴承不同,球面二自由度混合磁轴承的转子和定子极内表面都采用球面结构,因此,球面二自由度混合磁轴承的气隙磁场分布更为复杂,其扩散磁通和漏磁现象更为明显。针对现有磁轴承在建模过程中忽略扩散磁通和漏磁的影响,提出一种计及扩散磁通和漏磁的精确悬浮力建模方法。采用磁场分割法细致的划分气隙磁场,进而较为精确的计算球面二自由度磁轴承的扩散磁通,并利用分段漏磁法求得精确漏磁系数。模型验证仿真结果证实了提出的模型比原始模型(未考虑扩散磁通与漏磁)更加精确。4.基于上述对磁轴承参数设计和悬浮力建模研究成果的基础上,设计了二自由度球面磁轴承支承的飞轮电池控制系统,并构建了磁悬浮飞轮电池数控实验平台。为模拟飞轮电池工况实验,采用MATLAB和ADAMS仿真软件联合仿真工况下球面二自由度磁轴承支承的飞轮电池系统的动态性能,探寻不同工况下磁悬浮飞轮电池系统的动态特性受基础运动的影响及控制参数调节规律。最后给出了实验样机在受基础运动变化导致的外界干扰影响下的转子位移波形,并分析了实验结果。良好的转子动态性能验证了所设计球面二自由度混合磁轴承拓扑结构、参数设计、悬浮力建模及控制系统的正确性。