五自由度磁悬浮异步电机系统由三自由度永磁偏置交直流混合磁轴承和无轴承异步电机组成,同时实现转子悬浮及负载驱动功能。该系统继承了磁轴承支承高速电机的无摩擦、无磨损、无需润滑及维修和高度密封、高转速、寿命长等优点,从根本上改变了传统的支承与传动形式。三自由度交直流混合磁轴承集交流驱动、永磁偏置及径向-轴向联合控制等于一体,其结构紧凑,控制系统简单,制造与运行成本较低,是有利于实际应用于工业领域的新型磁轴承。无轴承异步电机能够同时实现径向两自由度的悬浮控制及产生驱动转矩,具有磁轴承和异步电机所有优点,其结构简单、气隙均匀、牢固可靠、便于弱磁提速等特点,更加有利于实现磁悬浮电机系统超高转速。基于此,本文主要作了以下几个方面的工作:首先,深入研究了一种高效紧凑的交直流永磁偏置径向轴向磁轴承。分析该磁轴承的工作原理,利用等效磁路法建立该磁轴承的悬浮力数学模型,据此进行了径向、轴向悬浮力及控制电流之间的非线性及耦合性分析,得出在转子平衡位置附近,轴向与径向控制之间不存在耦合,且悬浮力与控制电流之间线性度较高的结论,从而为控制系统的设计带来极大的方便。在此基础上,推导出磁悬浮力的线性化方程,提出该结构磁轴承的性能指标公式,并给出磁轴承的电气参数与机械参数设计流程图,设计试验样机,通过有限元分析方法对样机磁路进行仿真研究,验证了理论研究的合理性,并对样机参数进一步优化设计。其次,介绍无轴承异步电机的运行机理,分析推导了无轴承异步电机数学模型。在普通异步电机的基础上设计无轴承电机样机,并使用电磁场分析软件Asoft/Maxwell对无轴承电机进行仿真分析,充分展现了无轴承异步电机气隙磁场的分布及变化情况,验证悬浮力产生条件,得到径向力控制电流与径向力之间的非线性函数关系及产生最有效径向力的转矩电流。最后,对本文的五自由度磁悬浮系统建立全数字控制实验平台,采用转矩绕组气隙磁场定向解耦的控制策略,实现了无轴承异步电机的动态非线性解耦。应用经典的PID控制方法实现了转子在0～3000rpm的稳定悬浮运行。