超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应进行能量转化的新型机械动力装置,具有结构紧凑、定位精度高、低速大扭矩、响应速度快、电磁兼容、断电自锁等优点,能应用于很多传统电机无法使用的场合,在医疗器械、精密驱动、镜头调焦与变焦、机器人等领域有广阔的应用前景。本论文分析了圆环面内模态在定子上形成椭圆运动的机理,以及螺母型超声电机的螺纹接触产生螺旋运动的驱动机理。本文围绕螺母型超声电机进行了以下三个方面的研究。(1)推导了弯曲振动换能器的机械品质因数Q_m和有效机电耦合系数K_eff~2Q_m与贴片长度的关系。推导结果显示,贴片长度增加时机械品质因数减小,有效机电耦合系数增大,K_eff~2Q_m有峰值,峰值在压电陶瓷贴片与定子表面积的比例为0.4-0.5时。制作了四种贴片方案的螺母型超声电机并进行了实验测试,四片压电陶瓷驱动的方案在小负载下输出了最大转速、能量利用效率最高,与K_eff~2Q_m的变化趋势一致。K_eff~2Q_m可以作为设计电机定子的一个指标,以评判定子结构与负载匹配程度,以保持足够的输出功率同时获得较高的能量效率。(2)设计了一种可以利用单相电压驱动的二贴片螺母型超声电机。提出了一种利用单通道激光测振仪进行振动相位测量的方法,该方法使用输入超声振动定子的电压激励信号作为参考对象和绝对零相位,从而得到所有振动点的振动相位。结合振幅信息就可以完整的描述一个行波。最终利用这种方法观察到了二贴片螺母型超声电机在单相驱动下产生的行波。推导了单相电压驱动产生行波的理论,使用圆柱壳的面内弯曲的有阻尼振动理论计算了单相电压驱动时不同模态的响应相位。解释了在模态分离和有阻尼的情况下超声电机单相电压驱动可以产生行波的现象。(3)研究了将螺母型超声电机在高温超导滤波器中进行机械调谐的应用。为了适应高温超导滤波器的使用要求,将螺母型超声电机的尺寸进行了小型化和结构再设计。新设计的结构为杯形螺母型超声电机,固定非常方便。制作了杯形螺母型超声电机和高温超导滤波器样机,并组装成可调滤波器进行调谐测试,结果显示螺母型超声电机可实现滤波器中心频率6%的频率宽度调节。