超声电机体积小,重量轻,具有低速、大力矩直驱、响应快、精度高、断电自锁、无电磁干扰等传统电磁电机无法比拟的优点,在航天领域有着巨大的应用潜力,欧美等发达国家早已成功将其应用于单框架控制力矩陀螺（Single Gimbal Control Moment Gyroscope,以下简称为SGCMG）等航天器关键机构。我国的航天事业和超声电机技术均发展迅猛,但将两者结合的成功案例寥寥可数。因此,面向我国航天SGCMG技术的发展需要,推动超声电机在SGCMG上的应用,是我国航天科技和超声电机科技发展的双赢目标。本文针对航天领域内某型SGCMG对超声电机的需求,设计制造了第一代样机TRUM-70HA和改进型二代样机TRUM-70HB。研制过程中对行波型中空超声电机的动力学模型、低速大力矩特性优化设计、高精度高速度稳定性的伺服控制、SGCMG实物平台的搭建与实验、模拟太空环境下的超声电机可靠性试验等做了深入而全面的研究。实验研究结果表明TRUM-70HB的性能满足SGCMG的指标要求,有望实现航天工程应用。研究的主要内容和成果如下:1.分别介绍了SGCMG技术和超声电机技术在国内外的发展现状。以国内某型SGCMG为应用目标,阐述了目前行波超声电机存在的低速大力矩特性不够突出、高精度高速度稳定度控制困难、特殊工况环境下电机可靠性下降等不足之处以及针对这些不足的研究现状。2.根据某型SGCMG的指标要求,设计了一款外径为?70mm、内孔为?37mm的行波型中空超声电机,并命名为TRUM-70HA。针对其结构建立了定子的Lagrange动力学方程和定、转子接触界面力学模型。利用MATLAB对70HA样机的动力学模型进行了仿真计算,得到了预压力与定子齿面法向振幅、定/转子临界接触角、行波等速点位置、电机机械输出特性之间关系的仿真曲线。搭建了70HA定子法向振幅测量实验平台和预压力-机械特性研究实验平台,验证了预压力对定子法向振幅和机械输出特性的影响。经测试,70HA重量为245g,最大转速为72r/min,最大堵转力矩为1.2N·m,最大工作效率为10%。3.提出了提高行波型中空超声电机低速、大力矩输出性能的方法。该方法以定子齿面法向振幅与切向速度的数值比（简称为幅速比）为优化目标,利用ANSYS优化设计平台AWE对70HA定子进行参数化建模,实现了对定子特征结构的多目标自适应优化。制作了优化后的第二代样机TRUM-70HB,搭建了定子振动测试和机械输出特性测试平台。经测试,70HB重量为210g,最大转速为50r/min,最大堵转力矩为2.4N?m,最大工作效率为27%。提出了基于T-S模糊PID控制策略的伺服控制系统,设计了分段驱动模式:脉冲驱动模式（转速范围0.01°/s～0.1°/s）和连续驱动模式（转速范围0.1°/s～72°/s）。速度稳定性实验结果表明,70HB在连续驱动模式下转速波动性均小于5%,脉冲驱动下转速波动性均小于0.01°/s。4.建立了基于行波型中空超声电机的SGCMG系统动力学模型,对SGCMG总体结构和框架伺服控制系统进行了设计,提出了基于SGCMG的PID-模式推理框架伺服控制算法。在Simulink中搭建了仿真控制模型,仿真显示陀螺框架转速的对目标转速的阶跃响应快速且稳定。最后搭建了SGCMG系统实物平台,对框架电机转速稳定性和陀螺输出力矩进行了测试。实验结果表明第二代样机70HB具有良好的速度精度和稳定性,满足SGCMG性能指标。5.阐述了热-电耦合效应导致的压电陶瓷PZT击穿机理,并搭建了热击穿试验系统复现了70HA样机PZT热击穿烧毁的现象。提出了提高定子有效机电耦合系数来提高电机热可靠性的方法。利用有限元阻抗分析研究了定子结构对其有效机电耦合系数的影响,结合实验证明了提高定子有效机电耦合系数有助于提高电机效率,减小功耗,降低温升。接着模拟了电机在航天空间环境下的服役情况,通过多次环境试验复现了摩擦材料剧烈磨损现象。利用故障树分析法,改善了摩擦材料配方来提高材料的耐磨性。环境试验结果表明新摩擦材料改善了电机剧烈磨损现象,提高了电机在模拟太空环境下的可靠性。