悬浮力学振子是近年来发展起来的新型高灵敏的力学探测手段, 相比于固态力学振子, 悬浮系统由于和外部环境完全没有物理接触, 有着非常高的品质因子, 在弱力测量, 波函数塌缩测量等方面非常具有潜力。讨论了反馈冷却的机制, 利用NdFeB永磁体对乙二醇600液滴实现了抗磁悬浮, 并且用一个微线圈对其两个振动模式进行了反馈冷却, 在常温300 K和真空环境10-5 mbar中达到了实现了几百mK量级的冷却。实验结果与理论预测的最低有效温度吻合, 为将来深入研究宏观量子现象提供了一个良好的平台。

高速磁悬浮列车因其高速便捷将是未来非常有竞争力的地面交通工具，但是高速磁浮车地通信面临多普勒频移大、越区切换频繁、传输实时性要求高以及需承载多种业务等技术问题。本文研究了无线局域网(WLAN)、38 GHz毫米波和地铁长期演进通信系统(LTE-M)/5G等常见民用通信和铁路地铁通信技术在高速磁悬浮系统中的适应性，并对这些通信技术在高速磁悬浮系统车地通信环境中的应用进行了详细分析，提出了改进和应用这些通信技术的方向和技术路线。

磁悬浮热解石墨片的光驱转动提供了一种光能向动能转换的途径,对该现象的研究在能量转换领域中具有重要意义。使用等效磁荷法计算永磁体磁场的空间分布,接着对热解石墨片的受力、扭矩及势能分布进行了理论计算。基于此,对圆形热解石墨片在嵌套的圆柱形永磁体上的光驱转动现象进行计算分析和解释。研究发现,当嵌套的圆柱形永磁体严格同轴时,圆形热解石墨片在激光照射下不会发生光驱转动现象。但嵌套的永磁体在装配时不可避免地会产生一定的偏心量,导致磁场分布不对称,使得圆形热解石墨片的扭矩随着激光照射点呈周期性变化,因此产生了光驱转动现象。

针对测速传感器故障情况下磁悬浮飞轮不平衡振动抑制所需的高精度的转速信息的提取, 提出了一种通过预先提取转子位移信号和转速信号构建BP神经网络模型, 从而通过位移信号实时估计转速的方法; 通过MATLAB/Simulink构建了磁悬浮飞轮系统模型, 以仿真得到的位移和转速数据训练出一个神经网络模块, 以此实时估计转速, 得到恒速和变速两种情形下的转速估计结果, 并与测速传感器获得的转速进行比较。仿真和实验结果证明, 该转速估计方法在恒速和变速时均估计效果良好, 实验估计误差不超过20 r/min。

在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题, 提高转子位置精度, 本文分析了转子所受磁力的特性, 建立了转子系统非线性动力学模型, 提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律, 采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型, 自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值, 同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明, 所提出方法的转子位置精度达到99%, 稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。

为了更准确地预测磁悬浮控制力矩陀螺中高速电机工作时的温升, 需要计算电机绕组涡流损耗和对陀螺进行热分析。本文以最大角动量200 N·m·s, 额定转速12 000 r/min的磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象, 首先分析了电机绕组涡流产生原理, 采用了一种解析法和有限元法结合的方法, 推导并计算了高速电机绕组涡流损耗。然后, 建立了陀螺三维有限元模型, 在已知陀螺各部件损耗的基础上进行了热分析, 得到了温度仿真分布。最后, 设计了陀螺样机温升实验进行验证。仿真分析得知高速电机定子温度最高, 定子绕组温度为40.3 ℃。温升实验测得电机定子温度为41.6 ℃, 与理论值误差为3.1%。这相比未考虑绕组涡流损耗时的热分析, 精度提高了3.7%。考虑了绕组涡流损耗的热分析预测温升更加准确, 这对于优化磁悬浮控制力矩陀螺的热设计有重要意义。

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素, 为了解决以上干扰问题, 实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动, 并结合自适应反步法获得控制律, 其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律, 对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确, 同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明, 采用此复合控制方法, DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%, 实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。

为了明确由损耗导致航天器应用中的磁悬浮控制力矩陀螺温升问题，需要对损耗和温度分布进行分析计算。本文针对额定转速12 000 r/m，最大角动量200 N·m·s的单框架磁悬浮控制力矩陀螺，通过建立理论模型进行分析计算，得到了框架力矩电机、径向磁轴承、轴向磁轴承和转子高速电机的铁损以及铜损;对陀螺三维有限元模型进行了热场仿真分析，得到在各类损耗影响下的温度分布，并进行了热-结构耦合仿真分析。分析得到最大温度位于高速电机定子，最大温度是48.3 ℃;最后，进行了样机温升实验验证，检测温度最大值位于高速电机定子，最大值为51.8 ℃，与计算值误差为6.8%。通过温升检测实验验证了损耗计算和有限元热场分析。实验结论为整体结构优化提供了理论参考。