超声电机因为具有独特的性能优点,在航空航天、精密机械等领域具有广阔的应用前景。复合模态型超声电机,作为超声电机的一个重要分支,其自身结构灵活多变,可以在各种环境条件下,实现旋转运动、直线运动、步进运动等。因此对不同驱动原理以及不同构型的超声电机的研发,已经成为当前超声电机发展的主要方向之一。本文根据具体的应用背景,提出了四种新原理及新结构的超声电机,对电机的结构设计、理论建模、性能优化以及测试技术等方面进行了深入的研究,主要研究的内容和成果如下:1.对复合模态型超声电机的工作原理以及激励方式进行了分析,对压电陶瓷的各项性能参数以及振动模式进行了相关的介绍,对复合模态型超声电机的椭圆运动产生机理进行了阐述,并对摩擦模型中的问题进行了研究和总结。通过电机类比法,对电机的电学特性以及导纳圆进行了研究,并对阻抗进行了分析,建立了复合模态型超声电机的等效电路图,并对本文超声电机用到的设计方法进行了分析和归纳。2.针对超声电机在宏微结合平台中的应用需求,设计出了一种复合模态型直线超声电机。该电机通过一阶纵向振动模态和二阶反对称模态进行复合。对电机进行了结构优化和仿真实验,并针对超声电机进行了机电耦合模型分析。通过该模型计算出电机的两种共振频率与机电耦合系数等特征参数,并与仿真结果一起和实验结果进行对比,研究结果表明,基于理论模型的结果更接近实验结果,验证了该理论模型的可行性。最后对制作好的样机进行扫频实验以及机械性能测试,电机的输出力与自重的比值较大,输出性能较好。3.针对超声电机在微型云台中的应用需求。设计出了一种利用一阶纵振和二阶弯振两相振动模态相互复合的轻小型弧形超声电机,对超声电机驱动足椭圆运动的形成机理进行了理论分析,并对压电陶瓷的激励原理进行了理论建模。对样机进行了机械特性测试实验,并对单定子电机和双定子电机进行了对比实验,在单定子驱动下,测得最大无负载转速为120 rpm,最大失速力矩为2.6×10-2 N·m,在双定子驱动下,最大失速力矩为单定子的1.5倍。研究了电机的结构尺寸与有效机电耦合系数的关系,结合实验证明了增加定子的弧长,减小定子的厚度,会提高电机的有效机电耦合系数,从而有助于提高电机效率,减小功耗。4.针对在实际应用中对大力矩超声电机的需求,利用轻小型弧形超声电机的设计原理,设计了一种大推力的弧形电机。并根据微型弧形电机在实验中所发现的问题,对大推力弧形超声电机结构尺寸以及夹持装置进行结构优化,以此来增大电机的输出力矩。实验测得在双定子驱动下电机的最大转速为249 rpm,最大力矩为1.03 N·m。对大推力弧形超声电机的多定子并联驱动的实验装置进行了动力学分析,研究了电机在多定子并联状态下的输出特性。对大推力弧形超声电机在工作中存在的升温和压电陶瓷碎裂问题进行了研究,对压电陶瓷片的尺寸进行改进,使电机减小应力集中分布,电机的升温和碎裂现象减少,电机输出性能更加稳定。5.针对多自由度压电作动器所存在的结构复杂、制作过程繁琐、制作成本高等问题,设计出了一种可自由调角的爬行式复合模态型超声电机。该电机利用四种振动模态为工作模态,其中两相振动模态相互叠加产生直线驱动,另外两相振动模态相互叠加产生旋转驱动。本文首先采用主体结构尺寸优化的方法对电机结构进行调整,之后通过变密度法对定子进行拓扑再优化,使产生直线运动的两相模态频率差与产生旋转运动的两相模态频率差均达到了合理设计范围内。实现了超声电机的直线运动与角度调整运动。