超声电机(Ultrasonic Motor,简称USM)利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能,打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统驱动概念。由于采用了全新的原理和结构,超声电机具有低速大力矩、力矩-质量比大、无耗能自锁、动态响应迅速、定位精度高、不产生电磁噪声且不易受外电磁干扰以及噪声低等众多优点。相较于传统的电磁电机,超声电机在某些特定的应用领域显然是更为合适的选择,例如航空航天、医疗器械、精密制造、汽车工业、微机电系统以及半导体制造业等领域。现有的超声电机大多采用共振式驱动模式。通常情况下,不同的谐振模态分别由不同的陶瓷组激励生成,那么这些陶瓷组之间必然存在振动耦合问题;还有,电机应用模态的数量基本决定了陶瓷组数,该特征势必造成定子结构的复杂性、加工装配精度要求高以及振子质量大等问题。为了解决上述问题,本文针对纵弯模态组合和夹心式正交弯振模态组合展开研究,提出了纵弯复合激励和改进的夹心式弯弯复合激励两种激励方法,以期改善超声电机性能和提升超声电机效率。本文首先介绍了矩形截面梁的纵振和弯振两模态的基本振动特点。针对夹心式纵弯组合振动的传统激励方法(简称传统纵弯激励方法)进行了结构说明及致动机理分析;以此为基础,提出了一种夹心式纵弯复合激励方法,在实现矩形梁纵弯组合振动的同时,简化了压电金属复合梁的结构;并进一步提出了纵弯复合激励方法的贴片结构形式。每种激励方法均通过构建简化模型,建立了复合梁端面质点的振动轨迹方程。最后针对夹心式正交弯弯组合振动的传统激励方法(简称传统弯弯激励方法)进行了结构说明,并由此提出了一种改进的弯弯复合激励方法,在保持基本结构尺寸不变的前提下,实现了弯弯组合振动的高振幅输出。基于夹心式纵弯复合激励方法,提出了一种夹心式纵弯复合超声电机。首先对电机结构进行了说明,并分析了电机的工作原理;利用有限元模态分析实现了电机定子的模态简并,并对结构优化后的电机定子进行了振动特性仿真;最后制作了实验样机,进行了振动特性测试和阻抗特性测试,并获得了样机的机械输出性能:最高速度为728.85mm/s,最大推力为16N,最大功率为3.13W。基于贴片式纵弯复合激励方法,对纵弯复合超声电机进行了小型化研究。贴片式纵弯复合超声电机利用压电陶瓷的d31工作模式,其工作原理与夹心式纵弯复合超声电机相同。利用有限元法对电机定子进行了结构参数灵敏度分析,以实现模态简并,并仿真获得了驱动足处的椭圆振动轨迹。最后制作了实验样机,进行了相关特性测试,并获得了样机的机械输出性能:最高速度为467.84mm/s,最大推力为1.8N,最大功率为0.27W。基于夹心式纵弯复合激励方法和改进的夹心式弯弯复合激励方法,提出了一种夹心式多自由度复合超声电机。该电机利用三种模态的两两组合在定子端面实现了球体的三自由度驱动。当球体绕任一轴旋转时,所有陶瓷组均参与定子振动激励。利用有限元法确定了电机定子的最终结构参数并验证了驱动区域的椭圆振动轨迹。最后制作了实验样机,进行了相关特性测试,并获得了样机的机械输出性能:YOZ驱动模式下的最高转速为109.8r/min,XOZ驱动模式下的最高转速为107.9r/min,XOY驱动模式下的最高转速为290.8r/min。