随着现代化工业的发展,工业应用领域对多自由度驱动装置的精密度、集成度、灵活度要求越来越高。多自由度超声电机是在压电陶瓷材料基础上开发出的一种新型驱动电机,其具有较高的结构集成度、驱动策略简单、驱动位移精度高、不受外界电磁的干扰以及结构设计灵活等特点。然而,现有的多自由度压电电机结构设计多以外部驱动方式为主,空间占用率小使得电机机械集成度相对较低不易于微小型化。本文提出了两种内置压电定子的结构设计,从球形转子的内部驱动使其可以实现多自由度旋转运动,增加了电机空间占用率为球形多自由度超声电机的小型化奠定了基础。两种球形多自由度超声电机的压电定子分别采用三个环形压电定子和球形压电定子为动力源,转子结构均为球形,通过摩擦效应驱动转子的多自由度运动。本文的主要研究内容如下:对于三定子多自由度球形超声电机结构及其驱动原理进行了详细的介绍,电机的内部设有预压力调节机构,三个定子预压力大小可同时调节且大小一致。通过有限元仿真软件对电机的环形压电定子进行了模态振型和瞬态动力学响应分析,得到了理论分析中由行波运动而在定子质点上产生的椭圆轨迹,验证了电机设计的可行性。考虑到温度的上升会影响到压电电机定子的谐振频率,分析了三定子多自由度球形超声电机的发热量来源,得出了定/转子摩擦生热、压电陶瓷片介电损耗生热、定子结构体振动生热的理论模型。根据理论分析所得到的热量生成情况,对电机不同位置的接触状态进行了温度场仿真分析。对于基于球形压电定子的多自由度球形超声电机,介绍了结构设计和尺寸参数,对其运行工作机理进行了详细分析。利用有限元仿真软件分析了电机定子和转子的振动模态工作频率和固有阶型,并根据仿真结果对电机的尺寸进行优化,提升了定子输出性能和转子的耐久力。最后分析了电机定子驱动足的运动轨迹,通过瞬态分析验证了轨迹的合理性。最后,制作了两种多自由度球形超声电机的样机,搭建了性能测试实验平台,介绍了实验平台所用到的仪器设备,并测出了电机在实际工作运行中的输出性能。对于三定子球形超声电机测试了在工作中电机温度随时间的变化关系,与仿真结果进行对比证明理论分析的正确性。通过搭建相关性能测试实验平台,验证电机设计的可行性和合理性,为后续的电机结构优化和性能提升提供参考。