超声电机具有结构简单紧凑、重量小、体积小、断电保持力大、无电磁噪音和电磁干扰等优点,在很多驱动领域有着广泛的应用,但由于电机在工作过程中定子振动的非线性和摩擦传动的非线性等因素,使得电机在运行过程中会出现不稳定现象,限制了其产品的应用。本课题来源于中国空间技术研究院科研项目“微纳卫星用轻小型压电陶瓷驱动系统研究”和河北省创新资助项目“行波型旋转超声电机稳定性研究”。课题围绕超声电机稳定性关键影响因素展开对行波型旋转超声电机的深入研究,主要内容和研究成果如下:(1)超声电机稳定性关键影响因素分析:从超声电机结构设计、材料选择、定子弹性体与压电陶瓷片胶结、温升的角度出发,研究各参数对超声电机稳定性的影响,为定子机电耦合分析及稳定性研究提供方向。(2)超声驱动理论研究:对定子表面行波的形成、压电陶瓷片极化分区和驱动激励以及定子表面质点驱动转子转动的运行机理作了详细介绍,明确了定子振幅是作为转子转速的性能指标,为机电耦合有限元仿真与优化奠定基础。基于Hamilton原理,以振动学相关理论为基础,综合动态子结构法和有限元法对定子进行机电耦合分析,得出了定子组件机电耦合方程,为有限元仿真提供理论依据。(3)机电耦合仿真与优化:对压电陶瓷片诱发应变实现电能到机械能转变的过程进行有限元仿真,并分别对定子弹性体厚度、齿深、定子弹性体筋板厚度、压电陶瓷片厚度、压电陶瓷片分区方式、定子弹性体与压电陶瓷片粘接方式和转子筋板厚度几个方面进行仿真,得出定转子结构对机电耦合的影响规律,实现了定转子结构的优化,优化结果表明模态混叠现象得以改善,为样机研制提供依据。(4)测试、试验研究:基于理论分析和仿真结果,研究制作了原理样机,通过激光测振仪分别对优化前后结构开展了振型测试,验证了有限元仿真模态分离结果的正确性;通过控制胶结材料、加压量以及是否排气设计完成了压电陶瓷片与定子弹性体的胶结试验,运用阻抗分析仪对其胶结前后性能优劣进行了分析,优选出了较好的胶结工艺;并对超声电机开展速度稳定性测试,得出了温升对电机稳定性的影响规律。通过结构改进和温度闭环控制,超声电机速度稳定性明显提升。