飞轮储能又被称作机械电池,作为90年代提出的新概念电池,为了应对传统能源日益消耗殆尽的情况被提出。飞轮储能系统相较于传统化学电池,具有无污染,效率高,成本低,寿命长以及瞬时功率大等特点,因此被国内外广泛研究,成为能源研究的热点。本文以600Wh飞轮转子储能系统为研究对象,对飞轮转子的结构与运动进行了分析,并对飞轮转子系统的优化设计进行了相关研究。首先,对飞轮转子系统的性能要求进行理论计算,选择飞轮转子系统各部件采用的材料以及飞轮转子系统的结构布置方式。分析飞轮转子的涡动以及陀螺效应,对其运动方程进行推导,得到飞轮转子系统考虑陀螺力矩下的运动微分方程。然后对金属飞轮毂的应力表达式进行推导,分别得到空心与实心飞轮毂的径向应力,环向应力的解析式以及对飞轮毂应力大小与分布的影响参数。然后通过ANSYS Workbench采用有限元法对不同结构的飞轮毂以及不同轮辐式的空心伞状飞轮进行静力学分析,对比它们的应力应变以及储能密度的情况,并针对飞轮分析进行网格大小与划分方式的独立性分析,增加有限元分析的可靠性,对比不同类型飞轮毂的性能优劣程度。根据对飞轮毂轮辐形状的分析,得到一种新的轮辐形状的飞轮毂,并建立优化模型,采用ANSYS Workbench中的直接优化工具,以减小飞轮毂的应力为目标,以不恶化飞轮转子系统的储能密度和增大应变为约束,对飞轮毂的优化模型进行基于多目标遗传算法的组合方案优化设计,得到飞轮轮毂的最优设计方案,并对其进行应力应变分析,得到优化后的飞轮毂的应力应变大小以及分布情况。最后,推导出飞轮转子系统临界转速求解的数学模型,通过理论计算得到支撑系统的等效刚度范围。在刚度范围内分析刚度大小对储能系统临界转速影响的变化规律,选取较合理的支撑刚度以保证一阶临界转速分布满足设计要求,对飞轮转子系统的临界转速进行有限元分析,得到飞轮转子系统的临界转速,针对转子系统二阶临界转速不满足设计要求的情况进行飞轮转轴的轴段灵敏度分析以及基于多目标遗传算法的方案优化设计,分析各轴段对临界转速影响的变化规律,实现对临界转速分布的调整,达到飞轮转子系统的设计要求。