超声波电机是近20年发展起来的新型驱动器，其工作原理与传统的电磁型电机工作原理有着根本区别，它是利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化成质点超高频微观振动，进一步通过摩擦或声悬浮驱动转子的宏观运动。具有结构简单、设计灵活、低速、大力矩密度、响应快、无电磁干扰等优点，在航空航天、机器人、光学仪器、医疗器械、精加工、办公自动化、信息产业、汽车等领域中具有广阔的应用前景。但由于超声电机发展历史较短，输出性能有着很多不足，特别是行波超声电机，在力矩密度和绝对输出力矩方面，都难以满足实际应用领域的需要。为提高行波超声电机力矩密度和绝对输出力矩的性能指标，扩展其应用领域，本文对行波超声电机定子的结构、振动特性以及电机系统进行了全面的研究。　　传统圆环型行波超声电机在动态接触过程中，定转子之间动态点面接触是其力矩密度和绝对输出力矩比较低的主要原因。针对行波超声电机的这个缺点，本文提出将定转子之间动态点面接触改变为线面接触的新驱动原理概念。从提高行波超声电机的力矩密度和绝对输出力矩两个角度，进行了新型行波超声电机的理论与实验研究。　　首先从提高力矩密度角度，本文提出了一种圆筒型超声电机结构，利用定子质点径向椭圆运动的切向速度产生的摩擦力来驱动转子旋转，其定转子之间为动态线面接触，从而通过增大接触面积，提高了样机的力矩密度。本文实验样机的力矩/质量比是日本USR30的1.7倍。文中对此电机定子进行了理论分析，从圆柱壳体的振动微分方程出发，通过给定边界条件和初始条件，求解出了圆柱壳体振动的频率参数。从能量守恒原理出发，针对圆柱壳体中性层的两种状态（不变和伸长），推导出压电陶瓷的位置分布对圆柱壳体定子振动特性的影响，以及求解出压电陶瓷分布参数所应满足的函数关系式；从振动力学、波动学理论出发，分析圆筒型超声电机定子行波形成原理。　　本文建立了粘贴压电陶瓷的圆筒型超声电机定子的有限元模型，采用耦合场分析方法对电机定子（考虑压电陶瓷的电学效应）进行了有限元分析，得到了数值分析结果，进一步采用不同的回归拟合函数，建立了以不同金属基体厚度与压电陶瓷厚度比值、齿的结构尺寸以及不同轴向尺寸为自变量，定子自由振动特征频率为因变量的数学解析模型，绘制了各参数对定子圆柱壳体固有频率的影响曲线。同时对定子齿的齿高、齿周向尺寸以及定子轴向尺寸变化对特征频率的影响进行了比较分析，为定子齿结构参数的优化设计提供了选择的依据。文中利用有限元瞬态分析，证明了圆筒型超声电机在特定间隔位置分布的压电陶瓷激励下，可以在定子齿上形成径向椭圆运动轨迹。　　本文针对圆筒型超声电机对预紧力调节的要求，提出了两种形式的圆筒型超声电机定子结构。并给出了定子齿结构参数的设计规则。通过对电机材料使用特性的要求以及结构形式特殊性的分析，选择了适合圆筒型超声电机的材料。最后通过对两种定子结构形式电机的测试得到了圆筒型超声电机的力矩/质量比，并分析了性能输出受到限制的原因，同时也看到了此种结构形式电机的发展空间。　　为了提高行波超声电机的绝对输出力矩，本文提出并研制了一种基于仿行波机理的换能器式大力矩超声电机。其定子由3个兰杰文振子组成，定转子动态过程中为线面接触，所以该电机具有绝对输出力矩大、驱动简单等优点。文中利用有限元软件分析了电机单个振子的动态特性，得到了电机振子工作的谐振频率，并通过调整兰杰文振子结构尺寸，消除了连接架对其耦合振动的影响。分别从几何学和有限元角度证明了径向椭圆轨迹的存在，并通过有限元分析给出激励电压与椭圆轨迹振动幅值的关系。样机在工作频率为33.94kHz、驱动电压为140V时，最大输出力矩达到了3.7N·m。