控制力矩陀螺是通过陀螺原理实现动量交换从而完成航天飞行器姿态控制的设备,广泛用于各种人造卫星、空间站等航天飞行器。控制力矩陀螺主要由产生角动量的高速组件、实现动量交换的低速组件及相关控制电路组成。现有控制力矩陀螺的低速组件一般由电磁电机和减速齿轮构成。该系统整体具有结构复杂、体积大、抗电磁干扰能力弱、机械响应慢、不易实现高精度控制等缺点。超声电机具有转速低、扭矩更大、断电自锁、抗电磁干扰能力强、瞬态响应更快、定位精度高等优点。为实现微型卫星的姿态控制以完成对目标区域的快速、精确地扫描和观测,本文以单框架力矩陀螺在微型卫星的姿态控制应用为背景,研究用于驱动控制力矩陀螺的超声电机。本文的主要研究内容和成果如下:1、在介绍单框架力矩陀螺的工作原理的基础上,分析了现有控制力矩陀螺的应用现状,针对太空的极端工作环境分析了现有电磁电机驱动控制力矩陀螺可能遇到的不足,提出使用超声电机驱动控制力矩陀螺可能为解决问题的途径之一。2、设计了旋转行波驱动的单框架力矩陀螺,根据控制力矩陀螺的机械结构的需求,设计了中空型的旋转行波超声电机,利用有限元法对该型超声电机定子尺寸进行了优化。加工制造了样机,并进行了实验验证。3、针对航天高真空需求,提出了异型模态超声电机。从动力学的角度分析了异型模态超声电机的工作机理,对异型直线电机的解算方程及非线性接触问题进行了研究分析。利用有限元软件对超声电机定子进行了模态分析、模态识别、网格节点轨迹计算和载荷响应计算。以定子结构尺寸为输入,以超声电机的工作频率、模态混叠、振动振幅为设计目标进行了动力学优化。并根据优化结果制作了样机。4、设计了异型直线超声电机驱动控制力矩陀螺的三维模型。利用有限元法完成了对动量轮质心偏置情况的模态分析和应力分布分析。对动量轮轴承强度进行了校核。最终根据优化和校核结果加工制作了样机。5、根据系统要求对所设计的样机进行了相关实验验证和部分参数优化。实验结果表明:经过优化后异型超声电机的负载性能和速度性能大幅提升。超声电机与控制力矩陀螺的耦合实验表明:动量轮转速在低转速时对框架的旋转速度影响很大;当动量轮转速升高后,动量轮的转速对框架的旋转速度影响较小。