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在储能飞轮系统常用的轴承支承方式中，电磁悬浮轴承的控制系统较为复杂、成本高且其自身也消耗能量，而超导磁悬浮轴承依赖于低温液态氮冷却系统，制约其广泛地工业应用。永磁轴承具有结构简单，体积小，不需要维护与主动控制等技术特点，如与机械轴承合理地组合，可望获得一类结构简单、摩擦功耗小、成本低廉、无需主动控制的储能飞轮支承方式。为此，本文提出了两套用于储能飞轮的永磁悬浮—机械轴承混合支承系统:1)摩擦损耗低的大承载永磁轴承(PMB)与动压螺旋槽轴承(HB)支承。2）动态稳定性好的大承载永磁轴承(PMB)与角接触球轴承(ACBB)支承。另外，本文选用了成本低廉、制造方便的整体式金属飞轮本体。委托加工了飞轮用永磁无刷直流电动/发电机及其电力电子变流系统。本文的工作集中在飞轮转子—轴承系统动力学分析与试验研究，现将论文主要内容及取得的研究成果概括如下:
1.研制了PMB与HB混合支承的储能飞轮系统:飞轮转子上、下端分别采用大承载永磁轴承与动压螺旋槽轴承支承，上端永磁轴承起到轴向卸载作用，便于动压螺旋槽轴承形成全油膜;在转子上端引入悬吊式挤压油膜阻尼器，下端采用了摆锤式挤压油膜阻尼器，旨在抑制飞轮转子系统的横向振动，提高运行稳定性和降低轴系外传力;为防止飞轮转子系统失稳带来的损伤，设计了专用的碰摩保护装置;研制了电机定子高效水冷却套，并配置了循环水冷却系统;储能飞轮转子—轴承系统与飞轮电机定—转子系统放置在真空腔里。
2.基于Lagrange法，建立了PMB与HB混合支承的储能飞轮转子系统动力学模型;采用有限元法求解了挤压油膜的刚度与阻尼系数;选用Gauss法求解转子动力学方程;分析计算了转子系统临界转速、主振型及其不平衡响应;为验证本文建立的飞轮转子动力学模型的正确性，作者以文献报道的同类（飞轮本体重量9.117kg）飞轮为对象，分析其转子动力学特性，结果表明，数值解与试验值基本吻合;然而在本文110kg飞轮的运行试验中，转子—轴承系统在越过低阶临界转速后，由于HB轴承不能形成全油膜而功耗过大，导致电压驱动的直流电机在低频端输出扭矩偏小而无法拖动。为此，本文将HB轴承更换为ACBB支承，发现虽然ACBB能大幅降低轴承的摩擦扭矩，但是飞轮转子系统仍然存在振动幅度较大问题，初步分析可能是转子制造误差引起的，有关后续研究工作尚在开展中。
3.建立了PMB与HB混合支承的储能飞轮转子系统瞬态动力学方程:首先，建立了飞轮本体上的动、静不平衡量与校正平面（选用飞轮本体的上、下端面）上不平衡量之间的关系方程;其次，引入赖柴儿坐标系将飞轮本体的动能分为平移、绕转轴摆动和绕转轴自转动能，并基于Lagrange方程建立了飞轮系统在等加速工况下的瞬态动力学方程;最后，用四阶龙格—库塔法求解动力学方程，获得了飞轮本体上、下端面轴心在等加速运行过程中瞬态响应曲线。
4.研制了PMB与ACBB混合支承的储能飞轮系统:飞轮转子上、下端均采用低摩擦、长寿命的角接触球轴承支承;飞轮本体的上端引入大承载永磁轴承，起到轴向卸载作用，旨在降低下轴承的轴向负荷，减小摩擦阻力，延长使用寿命;采用超临界转子设计思想，飞轮转子系统的1阶临界转速为1966r/min，2阶临界转速为47700r/min，确保了飞轮系统在较宽的频率范围内平稳运行;在下轴承处引入挤压油膜阻尼器，以抑制转子系统的横向振动;设计了专用的滚动轴承加载与冷却装置;同样，飞轮转子—轴承系统与飞轮电机定—转子系统放置在真空腔里。
5.基于转子动力学的传递矩阵法、滚动轴承分析理论和挤压油膜阻尼器雷诺方程，建立了PMB与ACBB混合支承的储能飞轮转子-轴承-阻尼器系统的动力学模型，采用迭代法对动力学方程进行了求解，得到飞轮本体轴心（上端面处）与阻尼器的幅频特性曲线，完成了飞轮系统动态性能试验研究。研究表明:1）飞轮转子幅频特性数值解与试验值基本吻合，飞轮转子越过一阶临界转速后，能平稳地运行至12000r/min;2）此类飞轮滚动轴承的摩擦功耗随着转速的升高而增加，在10000r/min时单个轴承的摩擦功耗仅为73W;3）11-12Pa与23-27Pa两种真空度对飞轮系统的空载摩擦功耗影响可忽略;4）随着永磁轴承轴向气隙增大，飞轮转子下端球轴承的温升与摩擦扭矩都随之增加，同时转子临界转速也略有增大。
6.基于DAlembert原理与Wilson-θ数值积分法，建立了圆盘与轴段组合单元的9×9阶瞬态传递矩阵;进而建立在等加速工况下PMB与ACBB混合支承的储能飞轮的瞬态动力学模型，考虑了滚动轴承刚度系数随转速的非线性变化关系、弹性鼠笼刚度系数、阻尼器油膜力以及阻尼器等效质量对飞轮转子动态特性的影响;在传递矩阵法中引入泰勒级数及迭代法对瞬态动力学方程进行了求解;得到了飞轮转子加速通过1阶临界转速时的瞬态响应曲线，可以看出，当飞轮以角加速度值为20πrad/s2越过临界转速时，系统依然是稳定的。