本课题是在国家自然科学基金项目(项目编号:51575288)资助下进行的关于超声电机压电材料量化选型、三维接触模型及接触面输出特性分析、部分结构性能优化设计等方面的研究。本文所研究的旋转型行波超声电机是超声电机中最典型一种。该电机最突出的优点在于它的微型化及对精密装置的驱动和控制,尤其是在航空航天、光纤通信、微机系统等领域具有广阔的应用前景,可以充分体现出传统电机所不具备的优点。超声电机的初期研究主要致力于动力传输分析,未能顾及到性能的改善,尤其是在定转子接触面的接触模型及接触结构的设计等方面至今尚无系统的、合理的论述。为了研发出性能更好、输出效率更高的超声电机产品,对其进行更深入的科学研究显得尤为重要。本文针对旋转型行波超声电机,从压电陶瓷材料的量化选型、电机接触面动力学模型、输出特性仿真及实际工况验证、应用设计等方面对超声电机进行了系统而全面的研究。主要概括如下:(1)压电材料的选择是超声电机结构初始设计的关键步骤,要综合考虑材料的压电性能、工艺性能、经济性能以及环境属性等,故确定过程是一个多准则、多目标、多方案的决策问题。考虑到决策者决策的模糊性。文提出一种基于模糊层次分析法的多目标决策问题的解决方案,利用∞标度法构造模糊判断矩阵,结合Delphi法和AHP法确定各指标参数权值,实现对选型方案的量化评价。针对某电动汽车所需压电超声电机,以四种典型压电材料为实例,依据该量化选型方法计算综合评价指标,从理论上获得了最佳的压电材料方案。(2)分析了超声电机由电能到机械能转换的工作机理,提出一种异于传统纯滑动摩擦状态平面模型的变摩擦三向接触模型;在该模型的基础上,构建定转子在接触面的运动、受力即能量损耗状况的数学模型;通过MATLAB仿真获得电机驱动力矩、接触点切向速度以及电机输出效率,计算获得摩擦界面输出效率等参数随定转子间距变化的特性曲线,并利用测功机通过实验验证,与传统模型相比,本文所述模型更加准确的反映了电机的实际工况。(3)建立了超声电机的自适应模糊控制模型,并对超声电机定子的电流、输入功率以及功率因数等性能参数随频率变化的特性进行了仿真分析;对超声电机定子尺寸、接触结构以及压电膜片等模块进行了初步的优化设计。尤其是提出的定转子柔性接触结构能保证接触面与驱动质点的运动轨迹保持垂直状态,有效地减少了定、转子之间的相对滑动,提高电机整体的能量转换效率。