无轴承电机除具有普通磁悬浮轴承无摩擦、无磨损以及无需润滑的优点外，还具有电动机的旋转驱动功能，因此与传统的“磁轴承+电动机”结构相比，其结构简单，轴向尺寸短，更易于实现高速和大功率运行。为控制转子的五个自由度，现有的无轴承电机，一般需要配置磁轴承，磁轴承的存在，增加了系统无功损耗和转子轴向长度，制约了转子的临界转速及轴功率输出。针对上述配置磁轴承转子系统的固有缺陷，并进一步发挥无轴承电机的优势，本文提出一种新型的五自由度转子系统，由两台锥形无轴承异步电机构成，可实现转子五个自由度的主动控制和旋转驱动，系统中无需磁轴承，具有转子长度短、效率高、结构简洁、可靠性高等诸多优点。针对所设计的五自由度转子系统，本文从悬浮力分析入手，对其机电结构和控制系统进行了全面深入的研究，主要包括如下几点：在分析悬浮力产生原理的基础上，建立了基于气隙磁密的悬浮力解析模型，以及基于气隙磁链和电感的径向悬浮力解析模型；分析了悬浮绕组转子电流对悬浮力的影响，得出了悬浮绕组定子电流与励磁电流之比随频率的变化规律，并研究了给定悬浮力与实际悬浮力偏差的补偿方法。提出一种转矩绕组气隙磁密幅值（或气隙磁链幅值）的差动控制方法，对轴向悬浮力进行了线性化；设计了转子径向位移控制子系统、转子轴向位移控制子系统以及转速控制子系统之间的解耦控制策略，并给出了控制系统的总体结构图，最后通过仿真验证了所提出控制策略的有效性。结合异步电机、锥形异步电机以及传统无轴承异步电机的设计方法，提出了所设计五自由度转子系统的机电结构设计流程，给出了机电结构设计的主要限制条件和设计方法，并以额定功率、额定转速、最大径向及轴向悬浮力为优化目标，设计出实验样机。建立了描述转子运动状态的广义坐标系，分析了转子的受力情况和耦合特性，推导出计及刚性转子倾斜的五自由度动力学模型，设计了集中控制系统和分散控制系统，并进行了仿真研究，给出了转子在高速运转时，采用交叉反馈控制补偿陀螺力矩的控制系统结构。为了取消转子位移传感器，进一步简化系统机械结构、缩短转子轴向长度，基于两相绕组等效模型，分析了在高频信号激励下，转子位移对转矩绕组及悬浮绕组的自感及其互感的影响，提出一种五自由度转子位移自检测方法，该方法适用于本文提出的“基于锥形无轴承异步电机的五自由度转子系统”，最后通过仿真验证了该方法的可行性。设计了控制系统硬件电路，并基于双DSP（数字信号处理器）编制了解耦控制程序，给出了实验样机的机械结构与绕组分布方式，测定了样机在水平放置时两套绕组轴线与水平轴之间的夹角，搭建了“基于锥形无轴承异步电机的五自由度转子系统”实验平台，并实现了其直接转矩控制和静态悬浮实验。