超声电机技术,伴随着智能材料的兴起和现代控制技术的进步,在最近几十年时间得到迅速发展,并且在特殊环境、高精度工况、微驱动领域等方面已经逐渐取代电磁电机,成为一种新型的驱动方式。超声电机优于传统的电磁电机的性能主要表现在抗电磁干扰、可实现低速运行、输出推力大、功率密度高、定位精度高、响应速度快、断电自锁等方面。超声电机的上述优势使其在航空航天、光纤通讯、科学仪器、精密机床、微机电系统等诸多领域具有重要的研究和应用价值。超声电机的工作过程可以分为两个阶段:机电耦合阶段和摩擦耦合阶段。在机电耦合阶段,超声电机定子在交变电压的激励下产生微观超声振动。在摩擦耦合阶段,超声电机定子的微观振动通过摩擦耦合的方式转变为动子的宏观运动。因此,这两个阶段的工作状况直接决定了超声电机的输出性能的好坏。迄今为止,超声电机的研究工作主要集中在新构型的提出和研制领域,所研制的各种类型的超声电机定子还未能达到预期的高机电耦合效率。此外,在超声电机摩擦耦合的研究领域,大部分的研究成果为行波型超声电机的连续接触的摩擦模型。对于驻波型超声电机周期性断续接触的摩擦模型,由于该过程涉及碰撞、接触、摩擦等非线性较强的行为,数学模型难度较大,相关的研究成果报道较少。针对超声电机技术机电耦合性能较低的问题,本文以夹心式超声电机为研究对象,对其纵振模态和弯振模态下的机电耦合环节的工作机理展开研究,建立了两种振动模态下的夹心式超声换能器机电耦合环节的数学模型。基于所建立的数学模型,研究了压电陶瓷激励位置对纵振模态和弯振模态的有效机电耦合系数的影响,并获得了压电陶瓷的最佳激励位置。进一步分别研制了5组夹心式超声换能器样机,测试了样机的振动特性和机电耦合系数,对比理论模型和实验测试结果,验证了所建立数学模型的正确性。在所建立的机电耦合环节的数学模型的指导下,对应纵振和弯振两种振动模态,分别提出了两种超声电机定子,所提出的两个电机定子的压电陶瓷均布置于使有效机电耦合系数最优的压电陶瓷最佳激励位置;利用有限元方法提取超声电机定子的振动模态及驱动足轨迹,从而对超声电机定子的工作原理进行了解释。实验研制了两个夹心式超声电机定子的样机,并对超声电机定子的振动特性、阻抗特性和机械输出性能进行了测试和评估。对于纵振模态,本文提出一种蛙型直线超声电机,该电机采用了一个纵振压电换能器和四片压电陶瓷进行驱动,压电陶瓷的体积为4197mm3,电机自身重量为0.255kg,最大输出推力为11.8N,推力密度为46.27 N/kg,有效机电耦合系数为21.29%。该电机采用单一纵振模态进行驱动,成功地解决了双模态或多模态电机设计中模态简并的繁琐过程。该特点使得该电机驱动简单、易于控制和实现小型化。对于弯振模态,本文提出一种弯振复合模态直线超声电机,该电机采用两个正交的三阶弯振模态和四片压电陶瓷实现直线驱动功能,压电陶瓷体积为5596mm3,电机的自身重量为0.185kg,最大输出推力为23N,推力密度为124.3N/kg,两个方向弯振的有效机电耦合系数分别为35.04%和34.69%。该电机采用分区激励的方式,使两个正交方向的弯振压电陶瓷都处于最佳激励位置,不需要模态简并,易于实现小型化。针对超声电机间歇性接触摩擦行为,本文从随机粗糙表面的角度出发,基于Greenwood-Williamson理论,建立了超声电机定子和动子之间的动态接触摩擦模型。综合考虑定动子表面材料、驱动足振动幅、定动子表面微观特性等因素对接触摩擦行为的影响,获得了接触面的法向动态接触力、动摩擦系数、动态摩擦力、电机稳态输出性能的仿真特性。利用所研制的弯振复合直线超声电机,实验测试了不同接触材料匹配下电机的稳态输出性能、不同表面粗糙度下电机的稳态输出性能、不同法向预紧力下电机的稳态输出性能。通过对比实验测试结果和理论仿真结果,验证了所建立接触摩擦模型的正确性。