储能飞轮技术的发展有两个非常明显的趋势:一是实现高储能密度,二是追求轻质化。近些年来,有不少研究者将两个趋势进行融合发展,形成同时具备高储能密度和轻质化两项优点的更先进的储能飞轮系统。本文以此为切入点,具体到高储能密度飞轮系统关键技术之一的飞轮转子系统,进行深入的理论分析和实验工作。本文根据飞轮储能系统储能密度300 Wh/kg等主要技术指标要求,通过理论计算与ANSYS软件分析相结合的方法,得出了飞轮的结构尺寸、轮缘包覆材料及其组合方式,解决了之前仅依靠经验估算的较为粗糙的方式。针对飞轮转子系统的支承布局方式进行了分析讨论,提出了转子系统下端采用超导轴承,上端采用永磁轴承进行辅助支承的结构布局方式,并对涉及该支承布局方式的关键技术指标——超导轴承的悬浮力和径向力,在理论计算的基础上,通过实验验证的方式验证了超导轴承设计的合理性,为超导轴承的全过程设计提供可行性参考。针对飞轮转子结构优化设计,采用了转子系统结构参数对临界转速灵敏度数学模型,确定了转子优化目标函数,运用智能算法——混合蛙跳算法对该目标函数进行优化计算,减小了运算的工作量,同时也提高了运算结果的精确度。在对转子动力学特性进行分析的过程中,充分运用现代的辅助分析软件ANSYS软件对转子的临界转速和不平衡响应进行仿真分析,并用实验的方式来验证仿真分析的正确性,为高储能密度飞轮转子优化后的动态特性分析提供了较好的解决思路。相关研究结果可为高储能密度超导磁悬浮飞轮转子系统优化设计提供较好的解决思路,为高储能密度超导磁悬浮飞轮的实验测试系统的搭建提供了可参考的初步方案。