超声波电机是一种新型电机,利用压电材料的逆压电效应实现电能到机械能的转换。根据电机定子和转子间能量传递方式,超声波电机分为接触型和非接触型。接触型超声波电机定、转子直接接触,具有大力矩、低转速、无噪声、抗电磁干扰和响应速度快等优良性能,在航空航天、微型机械、机器人、自动控制系统等领域有着广泛的应用前景,但由于定、转子之间的摩擦,电机具有使用寿命短、不能连续长时间运行等缺点。非接触型超声波电机定子和转子不直接接触,有效地克服了接触型超声波电机因接触摩擦引起的缺点,是超声波电机领域一个新的研究方向。液体媒质超声波电机是利用液体媒质完成能量传递的非接触型超声波电机,液体媒质在定子环内,转子浸于液体媒质之中,定子振动产生的能量通过液体间接传递给转子,从而驱动转子旋转,可以通过控制液体媒质的参数获得不同的运行特性。本文的主要内容包括:(1)介绍了液体媒质超声波电机的基本结构及运行机理,阐述了定子上驻波的产生及行波的合成,分析了液体媒质超声波电机利用声流传递能量的基本过程,对声流场进行了理论解析。(2)利用有限元方法研究了液体媒质超声波电机定子的振动模态、谐振频率和接触面质点振动幅值、运动轨迹等问题,分析了外激励方式对定子振动的影响,利用声场和定子的耦合方程,研究了液体媒质的负载效应。(3)通过非线性声场分析、驱动力计算和流场分析,解决了液体媒质超声波电机声流场仿真问题,研究了声场衰减和定子驱动电压等对声流驱动力、声流速的影响,分析了饱和流速产生的原因。(4)在声流场分析基础上,研究了驱动电压、液体和转子参数对液体媒质超声波电机转速特性的影响。利用弹簧和质量块系统模拟牛顿剪切力对转子的作用,提出了转子稳定性分析模型,在电机转轴不固定的条件下,转子的振动频率可作为其稳定性的量度,据此研究了各种运行条件下的转子稳定性问题。(5)根据液体媒质超声波电机等效电路和转速–频率特性,分析了驱动电压和等效电路中串联支路电流的相位差与电机运行状态的关系,提出了基于频率跟踪的转速辨识策略。建立了液体媒质超声波电机模糊控制系统,模糊控制单元根据转速误差信号及其变化量调节驱动信号频率,以跟踪给定转速信号。