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随着太阳能发电、风力发电等新能源的飞速发展,电力调峰、清洁UPS与轨道交通蓄能等众多需求,使飞轮储能成为当前研究热点,其应用前景极为广阔。目前国内、外飞轮储能系统都是采用外置真空装置对储能飞轮抽真空,由于外置真空装置有抽气速度慢、能量损失大、占用空间大等缺点,于是本文独创性地提出“飞轮储能系统的自抽真空装置”。确定自抽真空装置总体方案,由带螺旋叶片的泵转子、内置泵体和护网等组成,将泵转子与飞轮转子用飞轮轴连接成同轴系统,其中泵转子又划分为涡轮叶片段、连接过渡段与螺旋槽段三段。根据自抽真空装置的结构与分子泵二维抽气理论模型,推导出此装置不同流态下的抽速计算公式。利用有限元分析软件ANSYS对自抽真空装置的泵转子进行计算,得出泵转子不同转速下应力分布与变形结果,最大工作转速(36000r/min)时有最大应力为87.5MPa,发生在泵转子内孔处与飞轮轴联接处圆周上,远小于屈服极限。径向最大位移量为0.762mm,发生在泵转子上端内孔处,同时确定泵转子与内置泵体间隙为lmm。根据过盈配合要求与仿真应力大小,进一步确定泵转子与飞轮轴的过盈量大小范围为0.03mm～0.055mm。为更好地模拟自抽真空装置泵转子螺旋槽内抽气气体流动,在粘滞流与滑移流状态下用计算流体动力学方法(CFD法)模拟,在自由分子状态与过渡状态进行直接模拟蒙特卡罗法(DSMC法)模拟。通过仿真计算得出自抽真空装置抽速结果,计算抽速与转速的关系,可知在较高真空度时抽气效果好,在12000r/min-60000r/min范围内抽速较快。对自抽真空装置工作时的泵转子位移量进行实验测试,测试结果与泵转子位移理论数据进行比较,实验结果与理论结果最大误差为17.1%；通过自抽真空装置对储能飞轮的抽真空实验,得出自抽真空装置的抽速测试数据与仿真结果最大误差为13%；用外置真空装置进行抽真空实验,与自抽真空装置抽真空比较,结果为自抽真空达到0.01Pa所需时间只要外置真空装置抽真空时间的12%,自抽真空装置能耗是外置真空装置能耗的29.2%,用自抽真空装置的飞轮储能系统比用外置真空装置的飞轮储能系统能耗减小34.86%。飞轮储能系统的自抽真空装置具有结构紧凑、抽真空时间短与能量损失小等优点。