CN104632565B - 一种霍尔推力器磁路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔推力器磁路结构，通过在外磁屏、内磁屏和磁屏底座上开孔，以及在磁屏底座和导磁底座之间留有间隙，提高了霍尔推力器放电通道的散热效率，可以降低霍尔推力器热设计的难度；通过对磁屏参数，尤其是扇形孔尺寸的优化，提高了放电通道内的磁场梯度，从而提高了电子利用率和电离效率；同时，通过对扇形孔面积的优化，使磁场径向分量的最大值超出磁屏上端，将离子对陶瓷内、外环的腐蚀溅射效应降到最低，从而最大程度地提高了霍尔推力器的寿命。

Description

一种霍尔推力器磁路结构

技术领域

本发明涉及航天技术和低温等离子体技术领域，尤其涉及一种霍尔推力器磁路结构。

背景技术

霍尔电推进作为一种先进的空间电推进技术，具有推力密度大、系统组成简单、可靠性高、发射成本低等优点，成为应用最为广泛的空间电推进装置之一。影响霍尔推力器综合性能的主要因素就是放电通道内的磁场分布，而该磁场分布又取决于霍尔推力器的磁路组成。理想磁路结构所形成放电通道内的磁场应具备径向分量的轴向梯度足够大。径向分量最大值的位置合理，以减少离子对陶瓷环的腐蚀溅射。

如图1所示，是现有技术的霍尔推力器磁路组成示意图。包括外极靴、外陶瓷环、外铁芯、导磁底座、内极靴、磁屏、内陶瓷环和内磁铁，其中磁屏包括外磁屏和内磁屏，磁屏与导磁底座为一个整体，且内外壁面均为实心。该磁路结构存在的主要问题是:(1)散热效果差，内外磁屏之间的阳极产生的热量不能很好地从磁屏壁面向周围辐射出去，会带来一些热设计的困难。(2)磁场梯度低，内外磁屏之间放电通道内径向磁场的轴向梯度较低，导致该通道内工质气体的电离效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种霍尔推力器磁路结构，能够增加磁路的散热，同时增加内外屏之间放电通道径向磁场的轴向梯度，提高电离效率。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种霍尔推力器磁路结构，包括外极靴、外陶瓷环、外磁铁、导磁底座、内极靴、磁屏、内陶瓷环和内磁铁，其中磁屏包括外磁屏和内磁屏，所述磁屏还包括固定在外磁屏和内磁屏形成的空腔底部的磁屏底座，所述磁屏底座与所述导磁底座之间留有间隙；所述外磁屏、内磁屏和磁屏底座上分别有多个开孔。

进一步的，所述外磁屏、内磁屏和磁屏底座沿其各自的圆周面上均匀开有4个扇形孔。

较佳的，所述外磁屏和内磁屏上的扇形孔互相对应；所述磁屏底座上的扇形孔与所述外磁屏或内磁屏的扇形孔之间的偏移角度e为45°；

所述磁屏参数如下：

所述外磁屏的外径g＝156mm，外磁屏内径h＝153mm，内磁屏内径L＝104mm，内磁屏外径m＝107mm。

磁屏高度c＝43mm,内磁屏和外磁屏的扇形孔高度d＝31mm；外磁屏与磁屏底座中分隔两相邻扇形孔的肋骨宽度f＝5mm，内磁屏与磁屏底座中分隔两相邻扇形孔的肋骨宽度u＝5mm。

所述磁屏选用电工纯铁DT4C加工而成。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的霍尔推力器磁路结构，通过在外磁屏、内磁屏和磁屏底座上开孔，以及在磁屏底座和导磁底座之间留有间隙，提高了霍尔推力器放电通道的散热效率，可以降低霍尔推力器热设计的难度；

(2)本发明的霍尔推力器磁路结构，通过对磁屏参数，尤其是扇形孔尺寸 的优化，提高了放电通道内的磁场梯度，从而提高了电子利用率和电离效率；同时，通过对扇形孔面积的优化，使磁场径向分量的最大值超出磁屏上端，将离子对陶瓷内、外环的腐蚀溅射效应降到最低，从而最大程度地提高了霍尔推力器的寿命。

附图说明

图1为现有技术中的霍尔推力器的结构示意图。

图2为本发明的霍尔推力器的结构示意图。

图3为本发明的霍尔推力器的磁屏侧视图。

图4为本发明的霍尔推力器的磁屏俯视图。

图5为无磁屏、实心磁屏、空心磁屏三种磁路结构的磁场分布示意图。

其中，1-外极靴，3-外磁铁，4-导磁底座，5-内极靴，6-磁屏，61-外磁屏，62-内磁屏，63-磁屏底座，9-内磁铁。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种霍尔推力器磁路结构，如图2-4所示，包括外极靴1、外陶瓷环、外铁芯3、导磁底座4、内极靴5、磁屏6、内陶瓷环和内磁铁9，其中磁屏6包括外磁屏61和内磁屏62，以及固定在外磁屏61和内磁屏62形成的空腔底部的磁屏底座63，磁屏底座63与导磁底座4之间留有间隙；外磁屏61、内磁屏62和磁屏底座63上分别有多个开孔。

通过开孔，可以提高通道内的散热效率，即内外磁屏61之间通道内产生的热量可以通过开孔辐射出去，可以大大降低推力器热设计的难度。

为了最大程度提高散热效果，同时考虑到对内、外磁屏61的结构强度，本 发明中外磁屏61、内磁屏62和磁屏底座63沿其各自的圆周面上均匀开有4个扇形孔。

本发明通过将磁屏6与导磁底座4分离，并使其与导磁底座4保持一定的距离。对本发明的霍尔推力器磁路进行测试，分离后磁屏6下端处(靠近导磁底座4的一端)磁场强度与分离前导磁底座4处的磁场强度基本相近，分离后磁屏6上端处磁场强度与分离前基本相同，因此，本发明的磁路结构保持了原有磁路性能。由于内磁屏62和外磁屏61之间放电通道长度较分离前明显缩短(即缩短了磁屏底座63与导磁底座4之间的距离)，所以使得内外磁屏61之间通道内的磁场梯度得到显著的提高。而磁场梯度的提高可以提高通道内的电离效率，最终可以提高霍尔推力器的综合性能。

进一步的，如果对开孔面积进行优化，可以调整磁场径向分量最大值的位置，使得离子对陶瓷环的腐蚀溅射效应降到最低，从而最大程度地提高霍尔推力器的寿命。

霍尔推力器磁路结构确定后，利用有限元软件通过对静磁场结构优化最终确定磁屏的最优参数：

1)分别对无磁屏、实心磁屏和本发明的磁屏三种磁路结构进行静磁场分析，所得磁场径向分量的轴向分布如附图5所示，图中横坐标表示磁屏6中心线高度，方向如图2的箭头所示，起点为磁屏底座63。经过对三种磁路设计结果的对比，发现实心磁屏的磁场梯度最大，但是0.6Brmax-Brmax之间的区域即等离子体产生和加速的区域基本位于推力器引出平面的下游，使得离子的加速和聚焦性能变差。而且在相同磁势激励下，Brmax的值最小，比本发明的磁屏磁路设计小30％。无磁屏磁路设计和空心磁屏磁路设计的磁场梯度相近，但是空心磁屏磁路设计的0.6Brmax-Brmax之间的位置既可以使产生的离子被很好地加速，又使Brmax的位置略位于推力器引出平面下游，可以减少对陶瓷的腐蚀，延长 推力器的寿命。(注：Brmax为磁场径向分量的轴向最大值，0.6Brmax为Brmax的0.6倍)

2)根据以上工作可以确定最佳的磁路设计应该是采用空心磁屏的磁路结构，同时发现：放电通道内0.6Brmax-Brmax之间的距离可以缩小到2mm，而现有技术霍尔推力器磁路结构下放电通道内0.6Brmax-Brmax之间的距离最小为4mm至5mm之间，可见本发明可以显著提高放电通道内等离子产生区域内即0.6Brmax-Brmax之间的磁场梯度。

3)根据如下磁场设计准则对空心磁屏的参数进行优化：本发明的磁屏6底面附近磁场强度最小，以降低等离子体的壳层电压，减少加速电压损失；内、外磁屏之间通道内磁场径向分量的轴向梯度最大；磁场径向分量的最大值略超出磁屏上端。得到本发明的磁屏的最佳结构尺寸—高度尺寸：c＝43mm,d＝31mm；角度e＝45度，宽度f＝5mm，u＝5mm；直径尺寸g＝156mm，h＝153mm，L＝104mm，m＝107mm。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种霍尔推力器磁路结构，包括外极靴(1)、外陶瓷环、外磁铁(3)、导磁底座(4)、内极靴(5)、磁屏(6)、内陶瓷环和内磁铁(9)，其中磁屏(6)包括外磁屏(61)和内磁屏(62)，其特征在于，所述磁屏(6)还包括固定在外磁屏(61)和内磁屏(62)形成的空腔底部的磁屏底座(63)，所述磁屏底座(63)与所述导磁底座(4)之间留有间隙；所述外磁屏(61)、内磁屏(62)和磁屏底座(63)上分别有多个开孔。

2.如权利要求1所述的一种霍尔推力器磁路结构，其特征在于，所述外磁屏(61)、内磁屏(62)和磁屏底座(63)沿其各自的圆周面上均匀开有4个扇形孔。

3.如权利要求1所述的一种霍尔推力器磁路结构，其特征在于，所述外磁屏(61)和内磁屏(62)上的扇形孔互相对应；所述磁屏底座(63)上的扇形孔与所述外磁屏(61)或内磁屏(62)的扇形孔之间的偏移角度e为45°；

所述磁屏(6)参数如下：

所述外磁屏(61)的外径g＝156mm，外磁屏(61)内径h＝153mm，内磁屏(62)内径L＝104mm，内磁屏(62)外径m＝107mm；

磁屏高度c＝43mm,内磁屏(62)和外磁屏(61)的扇形孔高度d＝31mm；外磁屏(61)与磁屏底座(63)中分隔两相邻扇形孔的肋骨宽度f＝5mm，内磁屏(62)与磁屏底座(63)中分隔两相邻扇形孔的肋骨宽度u＝5mm。

4.如权利要求2所述的一种霍尔推力器磁路结构，其特征在于，所述磁屏(6)选用电工纯铁DT4C加工而成。