超声波电机是一种新型微电机,自20世纪80年代飞速发展至今已有几十年的历史。超声波电机依靠体积微型化、无电磁干扰、响应速度快、可控性好等优于传统电机的性能,广泛应用于多个领域,如生物医疗、航天航空、车辆等。随着工艺及加工技术的发展,超声波电机的不同构造不断涌现以适应各个工作场合,因而其应用领域会不断扩大,应用前景势必会十分广阔。超声波电机的工作原理是利用压电材料的逆压电效应激发压电振子产生伸长或收缩变形,再通过弹性体定子将压电振子的微观运动转化为驱动足的宏观运动,利用摩擦耦合推动转子旋转。超声波电机是涵盖多个交叉学科的机电一体化产品,本文首先对超声波电机的概况、分类、国内外研究现状以及应用领域进行了系统的阐述,总结了现有的各结构超声波电机,指明了超声波电机的优势与不足。接着介绍了边梁满足超声波电机定子工作模态的固有振动和受迫振动,分析了旋转型超声波电机中压电振子的各项特性及参数,得出了在一定频率的电压激励下将激发出压电振子的横向振动模态,进而实现弹性体的受迫振动。阐述了旋转型超声波电机的工作机理:定子组件中两条垂直分布的边梁交汇点形成椭圆运动轨迹,利用摩擦力推动转子旋转。设计了一种中空矩形板旋转型超声波电机,对定子组件的材料进行了选择。运用Workbench中的优化分析组件对电机进行结构参数灵敏度分析,对定子结构的边梁宽度、驱动足高度、薄板边长、驱动足位置等变量进行了优化设计,提高了超声波电机的驱动效率,同时确定了定子板工作所需的固有振动模态。利用有限元分析法对优化后的定子组件进行模态分析找到定子组件所需的固有振型,进行谐响应分析得到定子组件的幅频特性曲线,得出电压的最佳驱动频率为26340Hz,瞬态分析仿真出定子组件在一个运动周期中的运动模态,验证了超声波电机的工作机理。对旋转型超声波电机的定、转子进行接触分析,建立定、转子接触模型,在有限元分析软件中对驱动足的运动轨迹进行仿真分析得到驱动足端面质点三维运动轨迹曲线,最后改变预紧力得到驱动转子旋转的最佳预紧力为4N。