CN107165794B - 一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器 - Google Patents

一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器 Download PDF

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Abstract

本发明内容为一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器，属于电推进技术领域。随着航天任务需求的多样化，低功率霍尔电推力器越来越受到重视，但是霍尔推力器低功率化带来了寿命短效率低的问题，这与霍尔推力器放电通道几何尺寸、磁场位形和强弱等有关。本发明将磁屏蔽理论引入低功率霍尔推力器的设计中，使用永磁铁产生强磁场，利用双磁屏构型在放电通道内部形成磁屏蔽型磁场限制等离子体运动，减弱对壁面的腐蚀，增加寿命；同时，永磁铁的使用大大降低了霍尔推力器的功耗，使推力器的功耗不高于100W；此外本发明还设计了推力器内部的到热结构，避免因为热负载过高影响永磁铁的性能。

Description

一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器
技术领域：
本发明属于电推进技术领域，涉及一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器。
背景技术：
电推进是一种将电能转化为推进剂的动能，以获得推力的先进推进方式，相对于传统化学推进方式而言，电推进具有比冲高、控制精度高、寿命长等优点。经过六十年的发展，国际上千瓦级霍尔和离子电推进技术已经日趋成熟。
但是随着国内航天任务需求的多样化，小卫星的发展越来越受到重视，霍尔推力器的低功率化过程中暴露出越来越多的问题。随着尺寸的减小，放电通道表面积与体积比减小，造成壁面损失增加，效率下降，壁面腐蚀增加；同时，通道厚度变薄使得寿命缩短；还有体积更加的紧凑带来的热载荷问题等等；
发明内容：
为了解决上述问题，本发明提出一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器。主要包括端面散热芯、陶瓷垫片、内磁极、内磁屏、陶瓷放电通道、外磁极、微调磁线圈、不锈钢外壳、外磁屏、散热铜盘、散热铜环以及固定螺钉。
本发明的技术方案如下：
出于低功耗的要求，本发明中所述的霍尔推力器选用永磁铁(内磁极3和外磁极6)作为强磁场的主要来源。永磁铁的使用大大降低了霍尔推力器的功耗，使推力器的功耗不高于100W；此外还附加了微调磁线圈7用来调节磁场构型，以适应不同的工况；
本发明将磁屏蔽理论引入低功率霍尔推力器的设计中，使用永磁铁产生强磁场，利用双磁屏构型(内磁屏4和外磁屏6)在放电通道内部形成磁屏蔽型磁场限制等离子体运动，减弱对壁面的腐蚀，增加寿命；
本发明还设计了推力器内部的导热结构，主要包括端面散热芯1、散热盘10和散热铜环15，人为控制推力器内部热量的传输方向，避免因为热负载过高影响永磁铁的性能。
本发明的优点：
1)本发明使用永磁铁作为磁场来源，大大降低了磁场对功率损耗的要求，将功率降到100W以内，在小卫星平台上有很好的应用前景。
2)在低功率了霍尔通道内部引入磁屏蔽构型的磁场，利用磁屏蔽的等电子温度和等热化电势的理论，降低等离子体对通道壁面的轰击，降低壁面损失，同时延长推力器寿命；
3)增加磁线圈，可以根据工况的变化灵活调节通道内磁场形状和大小，使推力器在不同的工况下均工作在最佳的磁场条件下；
4)围绕放电通道设计散热结构，使通道和阳极壁面上沉积的热流绕过永磁铁(内磁极3和外磁极6)，导向不锈钢外壳8和散热铜盘10，然后通过传导和辐射导向舱体，保证永磁铁的磁性不被破坏；
附图说明
图1为本发明所述的一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器的装配图(沿推力器对称轴剖视)。
图2为有磁屏蔽效果(有内磁屏4)磁场构型图(只显示对称轴一侧磁场)；
图3为无磁屏蔽效果(无内磁屏4)磁场构型图(只显示对称轴一侧磁场)；
图中：
1.端面散热芯 2.陶瓷垫片 3.内磁极
4.内磁屏 5.陶瓷放电通道 6.外磁极
7.微调磁线圈 8.不锈钢外壳 9外磁屏
10.散热铜盘 11.绝缘陶瓷套管 12.进气管
13.固定螺钉 14.线圈骨架 15.分配器-下底
16.分配器-上底 17.散热铜环
注：其中绝缘陶瓷套管、进气管、分配器-下底、分配器-上底以及分配器安装方式不属于本发明，该部件的结构特征在本人另一专利《一种电推进发动机气体分配器》中进行了详细的叙述，本发明只是使用了该零件。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行说明。
具体实施方式一：本发明为一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器，主要部件包括端面散热芯1、陶瓷垫片2、内磁极3、内磁屏4、陶瓷放电通道5、外磁极6、微调磁线圈7、不锈钢外壳8、外磁屏9、散热铜盘10、绝缘陶瓷套管11、进气管12、固定螺钉13、线圈骨架14、分配器-下底15、分配器-上底16、散热铜环17。
将四个绝缘陶瓷套管11插入散热铜盘10上的4mm直径小孔。
以铜制散热铜盘10为基准，先后将环形凹槽状的外磁屏9、散热铜环17和环形凹槽状的内磁屏4套在散热铜盘10的中心轴上边，以散热铜盘10平面为左限位，四个绝缘陶瓷套管11为周向限位。散热铜环17在起到改善热流传递效果的同时，对内磁屏4进行径向限位，保证安装过程的配合关系。内外磁屏由1J22材料制成，有良好的导磁性能，饱和磁感应强度高，且高温下导磁性能优于其他导磁材料。
将耐高温铜线均匀缠绕在铜制线圈骨架14上，将缠绕好的微调磁线圈7和线圈骨架14整体放入内磁屏4和外磁屏9之间的环装空间。线圈骨架14侧面留有穿线凹槽，微调磁线圈7引出线经过凹槽，通过外磁屏9和散热铜盘10上留有的穿线孔引到推力器外，方便电路连接。
将SmCo材质的内磁极3放入由内磁屏4和散热铜环17、外磁屏9以及散热铜盘10形成的圆柱状空间，散热铜盘10中心轴的端面作为内磁极3的左限位，内磁屏4的壁面作为内磁极3的径向定位。内磁极3的充磁方向为沿轴向向左，剩余磁感应强度为0.9T。
将SmCo材质的外磁极6外表面与外磁屏9的外表面对齐，外磁屏9的右端面作为外磁极6的左限位。外磁极6充磁方向为沿轴向向右，剩余磁感应强度为0.8T。
将陶瓷放电通道5放入内磁屏4形成的环形凹槽内，左端紧贴内磁屏4，放电通道上的2.5mm直径小孔应与内磁屏陶瓷绝缘套管11同心作为周向限位。
将陶瓷垫片2套在端面散热芯1上，端面散热芯1中心轴上加工螺纹，与散热铜盘10中心轴上的螺纹孔进行螺纹连接，端面散热芯1压紧陶瓷放电通道5的内壁进行轴向定位，同时通过陶瓷垫片2对内磁极进行轴向定位，螺纹连接保证压紧力的同时减小了接触热阻，改善热量传递。
将不锈钢外壳8套在外磁极6和外磁屏9外表面，保证外磁极6的径向定位，使用固定螺钉13提供压紧力，压紧陶瓷放电通道5外壁面，与端面散热芯1共同对陶瓷放电通道5进行轴向定位。
最后将组装好的分配器(包括进气管12、分配器-下底15、分配器-上底16)放入陶瓷放电通道5(因为该部分不属于本发明，所以具体组装方式和固定方法次数不详述)。
具体实施方式一形成的磁场如附图2所示，磁感线沿着放电通道5壁面深入到阳极(分配器)16表面，形成磁屏蔽效果；
具体实施方式二：对比具体实施方式一，删掉内磁屏4，其他结构形式与具体实施方式一相同，可以形成磁屏蔽效果较弱的低功率磁场可调霍尔推力器，进行对比试验。形成的磁场如附图3所示，磁感线主要为径向分量，磁屏蔽效果较弱。
本发明点火步骤：
1)将本发明所述的推力器与空心阴极一同固定在实验台上，进行电路和气路连接，在本发明中分配器(包括进气管12、分配器-下底15、分配器-上底16)充当电推力器的阳极和气体分配器；
2)空心阴极供电除气激活；
3)分别对推力器和空心阴极供应氙气，推力器阳极、空心阴极触持极供电；
4)空心阴极加热丝供电，进行点火；
5)推力器微调磁线圈7供电，调节磁场，寻找最佳工况。

Claims (6)

1.一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器，其特征在于：主要部件包括端面散热芯(1)、陶瓷垫片(2)、内磁极(3)、内磁屏(4)、陶瓷放电通道(5)、外磁极(6)、微调磁线圈(7)、不锈钢外壳(8)、外磁屏(9)、散热铜盘(10)、绝缘陶瓷套管(11)、阳极进气管(12)、固定螺钉(13)、线圈骨架(14)、阳极-下底(15)、阳极-上底(16)、散热铜环(17)；
将四个绝缘陶瓷套管(11)插入散热铜盘(10)上的4mm直径小孔；以铜制散热铜盘(10)为基准，先后将环形凹槽状的外磁屏(9)、散热铜环(17)和环形凹槽状的内磁屏(4)套在散热铜盘(10)的中心轴上边，以散热铜盘(10)平面为左限位，四个绝缘陶瓷套管(11)为周向限位；散热铜环(17)在起到改善热流传递效果的同时，对内磁屏(4)进行径向限位，保证安装过程的配合关系；内外磁屏由1J22材料制成，有良好的导磁性能，饱和磁感应强度高，且高温下导磁性能优秀；
将耐高温铜线均匀缠绕在铜制线圈骨架(14)上，将缠绕好的微调磁线圈(7)和线圈骨架(14)整体放入内磁屏(4)和外磁屏(9)之间的环状空间；线圈骨架(14)侧面留有穿线凹槽，微调磁线圈(7)引出线经过凹槽，通过外磁屏(9)和散热铜盘(10)上留有的穿线孔引到推力器外，方便电路连接；
将SmCo材质的内磁极(3)放入由内磁屏(4)和散热铜环(17)、外磁屏(9)以及散热铜盘(10)形成的圆柱状空间，散热铜盘(10)中心轴的端面作为内磁极(3)的左限位，内磁屏(4)的壁面作为内磁极(3)的径向定位，内磁极(3)的充磁方向为沿轴向向左，剩余磁感应强度为0.9T；
将SmCo材质的外磁极(6)外表面与外磁屏(9)的外表面对齐，外磁屏(9)的右端面作为外磁极(6)的左限位；外磁极(6)充磁方向为沿轴向向右，剩余磁感应强度为0.8T；
将BN陶瓷放电通道(5)放入内磁屏(4)形成的环形凹槽内，左端紧贴内磁屏(4)，放电通道上的2.5mm直径小孔应与内磁屏陶瓷绝缘套管(11)同心作为周向限位；
将陶瓷垫片(2)套在端面散热芯(1)上，端面散热芯(1)中心轴上加工螺纹，与散热铜盘(10)中心轴上的螺纹孔进行螺纹连接，端面散热芯(1)压紧陶瓷放电通道(5)的内壁进行轴向定位，同时通过陶瓷垫片(2)对内磁极进行轴向定位，螺纹连接保证压紧力的同时减小了接触热阻，改善热量传递；
将不锈钢外壳(8)套在外磁极(6)和外磁屏(9)外表面，保证外磁极(6)的径向定位，使用固定螺钉(13)提供压紧力，压紧陶瓷放电通道(5)外壁面，与端面散热芯(1)共同对陶瓷放电通道(5)进行轴向定位；
最后将组装好的阳极进气管(12)、阳极-下底(15)和阳极-上底(16)放入陶瓷放电通道(5)，组装完成。
2.根据权利要求1所述的一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器，其特征在于：利用内磁屏(4)和外磁屏(9)组建的双磁屏构型在放电通道内部形成磁屏蔽型磁场限制等离子体运动，减弱对壁面的腐蚀，增加寿命；内外磁屏由1J22材料制成，有良好的导磁性能，饱和磁感应强度高，且高温下导磁性能优秀。
3.根据权利要求1所述的一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器，其特征在于：附加了微调磁线圈(7)用来调节磁场构型，以适应不同的工况；线圈骨架(14)侧面留有穿线凹槽，外磁屏(9)和散热铜盘(10)上留有穿线孔,用于微调磁线圈(7)引出线。
4.根据权利要求1所述的一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器，其特征在于：出于低功耗的要求，所述的霍尔推力器选用永磁铁作为强磁场的主要来源，使推力器的功耗不高于100W；内磁极(3)为SmCo材质,充磁方向为沿轴向向左，剩余磁感应强度为0.9T；外磁极(6)为SmCo材质,充磁方向为沿轴向向右，剩余磁感应强度为0.8T。
5.根据权利要求1所述的一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器，其特征在于：设计了推力器内部的导热回路，主要包括端面散热芯(1)、散热铜盘(10)和散热铜环(17)，材料均为黄铜，其中端面散热芯(1)中心轴上加工有螺纹，与散热铜盘(10)中心轴上的螺纹孔进行螺纹连接，螺纹连接保证压紧力的同时减小了接触热阻，改善热量传递。
6.根据权利要求1所述的一种磁场可调的带磁屏蔽效应的低功率霍尔推力器，其特征在于：内磁屏(4)可形成具有屏蔽效果的低功率磁场可调霍尔推力器，相对于无内磁屏(4)的情况具有更好的屏蔽效果。
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