近年来，超声电机的研究受到广泛重视。与传统的电磁电机不同，超声电机利用压电材料的逆压电效应，将电能直接转化为机械能输出，具有结构简单、重量轻、响应快、低速大力矩、不受电磁干扰等优点。超声电机适合制作毫米量级的微型驱动器，其中圆柱型微超声电机(包括管式或柱式)适合在狭长空间工作，近年来成为研究的热点之一。 本文主要针对微型管式超声电机进行研究，首先研究两类不同固定方式的微型管式超声电机的结构，对压电陶瓷管的弯曲振动进行理论分析，然后设计制作超声电机的驱动电路，最后，利用直径1mm的压电陶瓷管，制作两类超声电机，并对电机性能进行测试。论文由六个部分组成： 在第一章中，首先回顾了超声电机的研究历史，其次简要介绍了压电材料以及压电陶瓷的四种振动模式，然后分类介绍了直线型超声电机和旋转型超声电机的发展。 在第二章中，首先介绍了压电陶瓷的压电性质和四种类型的压电方程，利用压电陶瓷管安装金属帽复合结构作为超声电机的定子，提出两类固定方式不同的电机结构(悬臂式和自由式)，并简要分析了电机的驱动原理。 然后利用欧拉梁理论，对压电陶瓷管的弯曲振动进行分析。推导了外加电场下的压电陶瓷管的横振动方程，针对不同的边界条件(一端固定一端自由和两端自由)，解出了陶瓷管的各阶弯曲谐振频率，结果表明外加电场不影响陶瓷管的弯曲谐振频率，在陶瓷管密度和弹性柔顺常数不变的条件下，增大管长或减小内外半径都会使弯曲谐振频率下降。根据推导的陶瓷管端部弯曲力矩的表达式，分析陶瓷管结构参数对端部速度振幅的影响。 最后，利用有限元方法分析压电陶瓷管的谐振和反谐振，忽略机电损耗和电磁辐射，分析压电陶瓷管的管长以及金属帽质量对有效机电耦合系数的影响。 在第三章中，根据Timoshenko梁模型，对端部有、无质量负载的情形进行了研究：1．对于端部无质量负载的情形，分析了梁的四种边界条件，推导了不同边界组合下梁弯曲振动的频率方程；2．对于端部有质量负载的情形，分析了一端钳定一端自由和两端自由情形下的边界条件，推导了对应的弯曲振动频率方程，并根据频率方程，对陶瓷管的长度、厚度以及负载质量对复合定子的各阶弯曲谐振频率的影响进行数值模拟。 同时，设计、制作了相应的陶瓷管复合定子，通过实验测量不同管长和金属帽质量的陶瓷管定子的弯曲谐振频率，与理论进行比较，很好吻合。进一步，建立超声电机定子转子之间的接触模型，研究弹簧预紧力对电机工作频率的影响。理论和实验结果一致表明：电机工作频率不随弹簧预紧力变化。 在第四章中，针对超声电机的等效电路，设计制作了超声电机的驱动电路。电路由信号发生器、移相器、功率放大器、变压器组成。选择铁氧体材料作为变压器磁芯，并根据变压器的功率和工作频率估算线圈的直径和匝数。为方便超声电机的手提操作，使用相应的集成芯片代替信号发生器，达到良好的性能。 在第五章中，利用直径1mm的压电陶瓷管，分别制作了自由式和悬臂式两类微型超声电机，并对电机性能进行测试。保持输入电压不变，两类电机都在各自的谐振频率处达到最大转速，保持驱动频率不变，电机的转速随电压近似线性增加。对于悬臂式电机的实验结果还表明：电机转速随预紧力增加而降低，电压增量与转速增量的比值受预紧力的影响很小。利用“角加速度”法测量了三种悬臂式电机在不同预紧力下的力矩，并根据等效电路分析对三种悬臂式电机力矩变化趋势作了定性解释。实验测得自由式电机转速可达57转/秒，力矩可达10μNm；悬臂式电机转速可达60转/秒，力矩可达3～4μNm。 在实验中，当驱动电压信号频率为定子谐振频率的1/3时，观察到悬臂式电机的“反转”现象，通过对驱动电压信号做频谱分析，观察到有较大的三次谐波存在，当三次谐波的频率与电机定子的谐振频率接近时，可以激发定子的共振；通过对四个电极上的三次谐波的相位进行分析，解释了“反转”现象。 最后，在第六章中，对全文进行了总结。