飞轮储能是一类重要机械储能方式,永磁轴承与螺旋槽轴承混合支承为飞轮储能系统典型的支承方式。近年来,研发百公斤级的储能飞轮系统,为该领域的研究目标。面向百公斤级的储能飞轮系统,如何提高永磁轴承与螺旋槽轴承混合支承的承载能力,如何提高飞轮转子系统的动态稳定性,是亟待解决的关键问题。围绕该关键问题,本文开展了较为系统的研究,主要研究工作如下:(1)储能飞轮转子-轴承-阻尼器系统的结构创新设计开展了储能飞轮转子-轴承-阻尼器系统的结构创新设计,提出了径向永磁轴承激励的悬摆式TMD与轴向永磁轴承分离配置的上支承结构,设计了带滚动球铰的悬摆式TMD;进行了轴向永磁轴承与螺旋槽轴承混合支承的承载能力分析与测试,优化了轴承结构。结果表明:悬摆式TMD的轴向负载和摩擦阻力小;轴向永磁轴承与螺旋槽轴承混合支承的承载能力大,摩擦功耗低。(2)储能飞轮转子-轴承-阻尼器系统的动力学分析基于含耗散力的第二类拉格朗日方程,建立了适用于储能飞轮转子-轴承-阻尼器系统的四自由度的自由振动模型、非线性稳态动力学模型、等加速下的瞬态动力学模型以及系统稳态进动下的线性扰动方程,进而分析了飞轮转子系统的模态、稳态不平衡响应、轴承外传力和稳定性等动力学特性,探讨了上、下阻尼器特性参数对系统动力学特性的影响,优化了系统的特性参数。研究结果表明:储能飞轮转子系统的飞轮一阶正进动频率远低于二阶正进动频率,系统不存在由飞轮二阶正进动引起的临界转速;储能飞轮转子系统的飞轮一阶正进动模态阻尼及其在一阶临界转速处的不平衡响应主要取决于上阻尼器特性参数;储能飞轮转子系统的飞轮二阶正进动模态阻尼、下轴承的振动和外传力主要取决于下阻尼器特性参数;理论上,上、下阻尼器的固有频率应该分别与高速下的飞轮一阶、二阶正进动模态频率相等;下阻尼器特性参数对系统稳态圆进动的稳定性影响最为显著,增大下阻尼器的半径间隙和降低枢轴刚度可减小下阻尼器的油膜力,显著提高系统的稳定性。(3)储能飞轮转子-轴承-阻尼器系统的动态特性实验研究搭建了储能飞轮转子-轴承-阻尼器系统的动态特性测试装置,构建了基于粒子群法的振动系统特性参数识别法,进而识别了系统的刚度、阻尼、参振质量、模态频率、振型和阻尼比等特性参数,评估了悬摆式TMD的减振性能,制作了储能飞轮样机,测试了飞轮转子的不平衡响应。研究结果表明:与传统的轴向永磁轴承激励的TMD相比,径向永磁轴承激励的TMD刚度小,固有频率低,飞轮一阶模态阻尼比大,能够更有效地抑制百公斤级储能飞轮转子系统的一阶正进动;飞轮转子越过一阶临界转速后运行平稳,高速下不平衡响应的理论值与实验值基本一致。本文的研究工作为百公斤级永磁轴承与螺旋槽轴承混合支承的储能飞轮系统的动力学分析与控制提供了有效的方法,进而为该类储能飞轮系统走向工程应用奠定理论基础。