近零均匀磁场环境作为航空航天、生命科学和粒子物理等多学科前沿实验的基础实验环境,具有重要的科研意义。哈尔滨工业大学承担建设的国家重大基础科技设施“空间磁环境模拟与研究系统”,目的是实现模拟太空的近零磁场环境,也称其为零磁装置,是我国弱磁装置建设的重要组成部分。本文针对零磁装置中均匀磁场线圈系统(本文简称线圈)特有的设计问题,开展了铁磁边界下线圈的磁场解析模型、线圈设计方法以及关键指标与设计参数映射的研究,为零磁装置中地磁场补偿线圈和弱磁复现线圈的设计,乃至大体积均匀磁场发生装置的设计提供了理论基础。本文的研究工作分为以下四部分:首先,铁磁边界即铁磁屏蔽层内线圈磁场的解析模型是线圈设计的必要条件,因此提出了基于镜像法三维镜像磁场解析模型,编写了解析法的计算程序进行空间磁场的计算。对比解析法和有限元法的计算结果,验证了解析模型的合理性和准确性。其次,提出了令磁场均匀区域体积最大化的线圈设计原理;基于屏蔽层内线圈磁场解析模型,针对屏蔽层内的线圈,提出了空间离散点磁场为判据的匀场线圈设计方法,在给定均匀度指标下,以空间离散点的磁场是否满足均匀度指标为判据,以中心均匀区域体积最大化为目标,对线圈的参数进行最优化设计。相较于传统方法设计的线圈,按照新方法设计的线圈均匀区体积大幅提高。再次,从弱磁复现线圈的应用需求出发,分析铁磁屏蔽层与线圈的耦合强度、线圈均匀度指标对线圈设计参数的影响规律,并给出了线圈指标变化时,均匀区体积最大的线圈的设计参数指导。在屏蔽层内线圈设计方法的基础上,提出了偏置线圈的设计方法,并分析了均匀区体积与偏置的线圈中心的变化规律,给出了均匀区体积最大的最佳偏置位置,对于所提的偏置线圈的设计,采用有限元法进行了验证。最后,设计了实验线圈并搭建了实验系统,测试了线圈的性能。对于所提出的立方体屏蔽层内线圈磁场解析模型,通过对比解析值和实验测量值验证了解析模型准确性;对于所提出的立方体屏蔽层内线圈的设计方法,通过对比幅值偏差率的理论设计值和实验测量值,验证了设计方法的合理性与有效性。