飞轮储能具有储能密度高、寿命长、无污染以及使用场景不受时间地点限制的优点,在电力系统、电动汽车以及航天上有广泛的应用前景。本文以超导飞轮转子为研究对象,开展了飞轮轮缘厚度分配优化工作,提升飞轮的储能密度。本文研究了飞轮储能密度的计算方法,分析了飞轮的失效准则,对复合材料制成的飞轮应力分布进行了研究。以应力分布为基础,建立了多层复合材料飞轮的数学模型。给出了飞轮轮毂常用的金属材料及飞轮轮缘常用的复合材料,根据复合材料的特性,选择圆环作为飞轮的结构形式。选择过盈装配的方法来提高复合材料飞轮的径向强度。研究了超导体的本构方程,推导了超导磁轴承的悬浮力计算式。以复合材料飞轮的应力分析式为基础,提出了一种以轮缘各层的厚度分配为基础的飞轮优化设计方法。建立了五层轮缘的复合材料飞轮有限元模型,采用以轮缘各层的厚度分配为基础的飞轮优化设计方法对飞轮进行优化设计,验证了优化方法的有效性。结合施加压应力的方法,进一步对飞轮进行优化设计,最终使得飞轮的储能密度进一步提升,改进后的飞轮储能密度相比原本飞轮提升了43.21%。仿真结果表明本文提出的飞轮优化设计方法可以有效提高飞轮的储能密度。以超导体的本构方程为基础建立了超导磁体有限元模型,计算了超导磁体的临界电流,设计并制造了超导磁体样机,开展了超导磁体样机的实验研究,得到了样机的临界电流数据,验证了超导磁体有限元模型临界电流计算的有效性。建立了超导磁轴承有限元模型,计算超导体的临界电流,计算了磁轴承的悬浮力,验证了超导磁轴承可以为本文设计的飞轮提供足够的悬浮力。