朱 华，崔云鹏，牛瑞坤

（南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 南京，210016）

引言

目前，对于超声电机的结构设计比较常见的方式是采用尺寸优化确定电机定子的几何参数，使用此种方法进行电机结构设计比较简便，但是在特定的尺寸范围内，对于电机性能的提升具有局限性［1‐4］。

近年来，许多学者尝试了不同的方法来设计超声波电动机的结构［5‐7］。Gilder 等［8］等对一种压电柔性换能器进行了拓扑优化设计。万志坚［9］通过在矩形板上打4 个槽用于减小谐振的频率差，仿真后发现这种方式同样可以增加驱动足的振幅。唐茜［10］通过拓扑优化技术对杆状超声电机的定子结构进行设计，通过放大驱动足的振幅提高电机的性能。M'Boungui等［11］以输出点位移响应最大为目标，利用拓扑优化的方法设计了一款利用2 个谐振频率比为1∶2 的贴片式直线超声波电动机，其空载速度为14 mm/s，最大推力为50 mN。张百亮等［12］提出将V型直线电机前端盖开圆弧形槽增加驱动足处振幅，通过实验得出开槽后的电机性能有了一定的提升。

笔者提出通过对矩形板式的直线超声电机定子结构进行拓扑优化设计，旨在不改变电机几何外形尺寸的条件下提高板式直线超声电机的机械性能。对优化前后的电机进行实验分析后发现，电机定子结构的拓扑优化设计可以在一定程度上提高电机的性能。

1 电机结构和拓扑优化方法

1.1 电机结构

电机整体结构如图1 所示，由动子导轨、矩形板电机和预压力调节器组成。……