CN106837723B - 基于步进电机驱动的霍尔推力器高效磁路优化设计机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于步进电机驱动的霍尔推力器高效磁路优化设计机构，其中，内阳极和外阳极分别安装于陶瓷腔的腔内和外侧，且可与陶瓷腔相对运动；磁钢固定在极靴上，且极靴安装于外阳极的外侧，且可与外阳极相对运动；内阳极、外阳极和极靴采用三套调整机构调整相对位置。每套调整机构包括连杆、驱动面板、步进电机和导轨；三个驱动面板相互平行；三组连杆、三个导轨之间相互平行；三个驱动面板与导轨、连杆均成垂直状态；导轨走向与霍尔推力器轴线平行。本发明依靠步进电机驱动，连续改变放电通道、阳极、磁钢相对位置，寻求最优磁路结构，能够显著缩短研制周期、降低研制成本、寻求更精确的优化设计域。

Description

基于步进电机驱动的霍尔推力器高效磁路优化设计机构
技术领域
本发明属于航天空间电推进技术、真空电子领域，具体涉及一种基于步进电机驱动的霍尔推力器高效磁路优化设计机构。
背景技术
霍尔推力器是基于霍尔效应的电磁式空间电推进技术，放电通道磁路构型对放电等离子体动力学特性影响深刻，直接决定霍尔推力器工作性能。如何高效开展霍尔推力器磁路优化设计，是当前霍尔推力器研制过程中面临的关键问题之一。传统的磁路优化设计是通过不断更改推力器结构实现的，每次更改都需要重新设计、加工相关组件，存在周期长、成本高、优化设计域范围过宽等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于步进电机驱动的霍尔推力器高效磁路优化设计机构，依靠步进电机驱动，连续改变放电通道、阳极、磁钢相对位置，寻求最优磁路结构，能够显著缩短研制周期、降低研制成本、寻求更精确的优化设计域。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种基于步进电机驱动的霍尔推力器高效磁路优化设计机构，包括霍尔推力器组件部分和运动部分；其中，霍尔推力器组件部分包括陶瓷腔、内阳极、外阳极、极靴和磁钢；
陶瓷腔位置固定；内阳极和外阳极分别安装于陶瓷腔的腔内和外侧，且可沿霍尔推力器轴线与陶瓷腔相对运动；磁钢固定在极靴上，且极靴安装于外阳极的外侧，且可沿霍尔推力器轴线与外阳极相对运动；
所述运动部分包括三套调整机构，分别为：
在内阳极调整机构中，内阳极连杆穿过陶瓷腔的底部将内阳极与内阳极驱动面板相连，内阳极驱动步进电机安装于内阳极驱动面板上，构成内阳极驱动机构；该内阳极驱动机构运行轨迹由内阳极电机移动导轨控制；
在外阳极调整机构中，外阳极连杆将外阳极与外阳极驱动面板相连，外阳极驱动步进电机安装于外阳极驱动面板上，构成外阳极驱动机构，该外阳极驱动机构运行轨迹由外阳极电机移动导轨控制；
在磁钢调整机构中，极靴连杆将极靴与极靴驱动面板相连，极靴驱动步进电机安装于极靴驱动面板上，构成极靴驱动机构，该极靴驱动机构运行轨迹由极靴电机移动导轨控制；
三个驱动面板相互平行；三组连杆、三个导轨之间相互平行；三个驱动面板与导轨、连杆均成垂直状态；导轨走向与霍尔推力器轴线平行。
优选地，所述内阳极驱动面板为圆板，外阳极驱动面板和极靴驱动面板均为环形板，三个面板构成嵌套结构；内阳极驱动面板的外圆小于外阳极驱动面板的圆孔，外阳极驱动面板的外圆小于极靴驱动面板的圆孔；
内阳极电机移动导轨、外阳极电机移动导轨、极靴电机移动导轨分层次安装；内阳极电机移动导轨穿过外阳极驱动面板和极靴驱动面板的圆孔，外阳极电机移动导轨穿过极靴驱动面板的圆孔。
优选地，每套调整机构中包括n个连杆，n大于或等于2；n个连杆相对于霍尔推力器轴线呈对称分布。
优选地，该优化设计机构放置于真空实验舱内。
有益效果：
(1)本发明采用步进电机分别驱动霍尔推力器放电通道、阳极、极靴等组件，采用步进电机控制其运动规律，可实现多种预期磁路优化方案，且减少人为干预，可实现真空舱封闭试验过程中磁路变化。利用步进电机改变放电通道、阳极、极靴相对位置，与改变磁路结构具有同等效果，但是，与改变磁路结构方法不同的是，步进电机驱动，实现方式简单，可在单次试验中，连续改变霍尔推力器磁路构型，寻求精确的磁路优化设计域。因此，本发明结构能有效解决霍尔推力器磁路优化设计周期长、成本高、优化设计域模糊的问题，并且具有更好的磁路优化结果。
(2)连杆机构与放电通道、阳极、极靴相连时，连杆与霍尔推力器轴线呈对称分布，避免推力作用于放电通道、阳极、极靴时，出现横向力矩。
(3)本发明采用嵌套的驱动面板和分层次的轨道设计，减小了整个优化设计机构的体积。
附图说明
图1为霍尔推力器连续优化设计机构的俯视图；
图2为霍尔推力器连续优化设计机构的侧视图；
图3为双连杆安装示意图；
图4为三连杆安装示意图。
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。
通常，磁路设计定型的霍尔推力器中陶瓷腔1、内阳极2、外阳极3、极靴4、磁钢5相对位置固定，若霍尔推力器性能无法满足设计指标，对其开展磁路优化需要重新加工相关组件，优化周期长、成本高。
本发明提供的基于步进电机驱动的霍尔推力器高效磁路优化设计机构，采用步进电机驱动面板与连杆机构组合的结构形式，实现放电通道、阳极、磁钢相对位置连续调节，达到快速、准确开展霍尔推力器磁路优化设计的目的。
如图1所示，本发明提出的一种基于步进电机驱动的霍尔推力器高效磁路优化设计方法，可以通过连续调节陶瓷腔1、内阳极2、外阳极3、极靴4、磁钢5的相对位置，以试验方式探索霍尔推力器优化磁路结构，操作方便，结果可信。该方法具体实施方式为：
保持陶瓷腔1位置不动，以此为基准。内阳极2和外阳极3分别安装于陶瓷腔1的腔内和外侧，且可沿霍尔推力器轴线与陶瓷腔1相对运动；磁钢5固定在极靴4上，且极靴4安装于外阳极3的外侧，且可沿霍尔推力器轴线与外阳极3相对运动。
该霍尔推力器高效磁路优化设计机构包括三套调整机构，每套调整机构包括连杆、驱动面板、步进电机和导轨。其中，
内阳极连杆6穿过陶瓷腔1的底部将内阳极2与内阳极驱动面板15相连，内阳极驱动步进电机9安装于内阳极驱动面板15上，构成内阳极驱动机构，该驱动机构运行轨迹由内阳极电机移动导轨12控制。
外阳极连杆7将外阳极3与外阳极驱动面板16相连，外阳极驱动步进电机10安装于外阳极驱动面板16上，构成外阳极驱动机构，该驱动机构运行轨迹由外阳极电机移动导轨13控制。
极靴连杆8将极靴4与极靴驱动面板17相连，极靴驱动步进电机安装于极靴驱动面板17上，构成极靴驱动机构，该驱动机构运行轨迹由极靴电机移动导轨14控制。由于磁钢5固定安装于极靴4上，改变极靴4的位置，等效为改变磁钢5的相对位置。
三个驱动面板相互平行；三组连杆、三个导轨之间相互平行；三个驱动面板与导轨、连杆均成垂直状态；导轨走向与霍尔推力器轴线平行，从而保证作用于霍尔推力器的推力无横向力矩。
本实施例中，采用嵌套的驱动面板和分层次的轨道设计，减小了整个优化设计机构的体积。其中，
内阳极驱动面板15为圆板，外阳极驱动面板16和极靴驱动面板17均为环形板，三个面板构成嵌套结构，内阳极驱动面板15的外圆小于外阳极驱动面板16的圆孔，外阳极驱动面板16的外圆小于极靴驱动面板17的圆孔，从而避免电机运动时发生相互干涉。
内阳极电机移动导轨12、外阳极电机移动导轨13、极靴电机移动导轨14分层次安装，便于电机连续移动。如图2所示，内阳极电机移动导轨12穿过外阳极驱动面板16和极靴驱动面板17的圆孔，外阳极电机移动导轨13穿过极靴驱动面板17的圆孔。
此外，内阳极连杆6、外阳极连杆7和极靴连杆8可以采用双连杆或三连杆形式，或者更多连杆形式，图3为双连杆的安装示意，图4为三连杆的安装示意。多个连杆相对于霍尔推力器轴线呈对称分布，避免推力作用于放电通道、阳极、极靴时，出现横向力矩。步进电机、驱动面板、导轨和连杆需按图1所示顺序安装，并且安装过程中保证三个驱动面板相互平行，三组连杆之间相互平行，三个导轨之间相互平行，且与连杆与导轨相互平行，驱动面板的推力平面与导轨、连杆均成垂直状态，也是保证作用于霍尔推力器的推力无横向力矩。
上述三个步进电机，通过步进可以实现放电通道、阳极、极靴等部件相对位置连续变化。通过内置可编程逻辑芯片，根据磁路优化设计目的，设置步进电机驱动步长、驻留时间，从而控制步进电机运动规律，可实现多种预期磁路优化方案。
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 (3)

1.一种基于步进电机驱动的霍尔推力器高效磁路优化设计机构，包括霍尔推力器组件部分和运动部分；其中，霍尔推力器组件部分包括陶瓷腔(1)、内阳极(2)、外阳极(3)、极靴(4)和磁钢(5)；其特征在于：
陶瓷腔(1)位置固定；内阳极(2)和外阳极(3)分别安装于陶瓷腔(1)的腔内和外侧，且可沿霍尔推力器轴线与陶瓷腔(1)相对运动；磁钢(5)固定在极靴(4)上，且极靴(4)安装于外阳极(3)的外侧，且可沿霍尔推力器轴线与外阳极(3)相对运动；
所述运动部分包括三套调整机构，分别为：
在内阳极调整机构中，内阳极连杆(6)穿过陶瓷腔(1)的底部将内阳极(2)与内阳极驱动面板(15)相连，内阳极驱动步进电机(9)安装于内阳极驱动面板(15)上，构成内阳极驱动机构；该内阳极驱动机构运行轨迹由内阳极电机移动导轨(12)控制；
在外阳极调整机构中，外阳极连杆(7)将外阳极(3)与外阳极驱动面板(16)相连，外阳极驱动步进电机(10)安装于外阳极驱动面板(16)上，构成外阳极驱动机构，该外阳极驱动机构运行轨迹由外阳极电机移动导轨(13)控制；
在磁钢调整机构中，极靴连杆(8)将极靴(4)与极靴驱动面板(17)相连，极靴驱动步进电机安装于极靴驱动面板(17)上，构成极靴驱动机构，该极靴驱动机构运行轨迹由极靴电机移动导轨(14)控制；
三个驱动面板相互平行；三组连杆、三个导轨之间相互平行；三个驱动面板与导轨、连杆均成垂直状态；导轨走向与霍尔推力器轴线平行。
2.如权利要求1所述的优化设计机构，其特征在于，所述内阳极驱动面板(15)为圆板，外阳极驱动面板(16)和极靴驱动面板(17)均为环形板，三个面板构成嵌套结构；内阳极驱动面板(15)的外圆小于外阳极驱动面板(16)的圆孔，外阳极驱动面板(16)的外圆小于极靴驱动面板(17)的圆孔；
内阳极电机移动导轨(12)、外阳极电机移动导轨(13)、极靴电机移动导轨(14)分层次安装；内阳极电机移动导轨(12)穿过外阳极驱动面板(16)和极靴驱动面板(17)的圆孔，外阳极电机移动导轨(13)穿过极靴驱动面板(17)的圆孔。
3.如权利要求1所述的优化设计机构，其特征在于，该优化设计机构放置于真空实验舱内。
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