CN108320879A - 霍尔推力器柔性磁路调控方法 - Google Patents

Abstract

霍尔推力器柔性磁路调控方法，属于霍尔推力器领域，本发明为解决电推力器无法进行宽参数变化范围调整的问题。本发明所述柔性磁路为m阶级磁路结构，所述调控方法为：当工况发生变化时，通过调节柔性磁路的各阶级线圈的安匝数来调整原磁场位型，调整至与新工况匹配的目标磁场位型；从原磁场位型调整至目标磁场位型的调控过程包括最大磁场强度调控、最大磁场强度位置调控、磁场梯度调控和零磁场位置调控。

Description

霍尔推力器柔性磁路调控方法

技术领域

本发明属于霍尔推力器领域，涉及磁路设计及调控技术。

背景技术

霍尔推力器是国际上应用最为广泛的一种空间电推进技术，是利用电场和磁场共同作用将电能转换为工质动能的一种能量转换装置。它具有结构简单、比冲高、效率高、工作寿命长、功率密度高、在轨服役时间长等优势，适用于各类航天器的姿态控制、轨道修正、轨道转移、动力补偿、位置保持、重新定位、离轨处理、深空探测等任务，成为世界各国降低航天器总质量、提高平台有效载荷、延长在轨寿命的最有效手段之一。

随着全电推卫星发射并成功交付用户使用，全电推卫星已经逐步走进现实。从化电混合推进方式向全电推进方式的转变为电推进的空间应用赋予了新的革命性意义：在进一步提升了航天器质量增益的同时，电推进由单一的辅助推进扩展到了主推进，电推力器的功能从单一化迈向了多元化。未来空间任务对电推力器提出了宽参数变化范围内高性能连续可调稳定工作的要求。

然而，基于当前设计理念的霍尔推力器均只能在一个较窄的工况及调节参数范围内高效稳定放电。当偏离该区间之后，放电会表现出振荡加剧、模式转变等降低性能、削弱稳定性的现象，进而带来异常熄火的风险，是破坏霍尔推力器工作可靠性的潜在重大隐患。当前的霍尔推力器不具备宽范围变参数条件下高性能稳定工作的能力，无法胜任未来航天器的多样化推进任务需求。在航天动力产品不可维修、不可更换、高可靠、长寿命的约束条件下，霍尔电推进向宽范围连续工作的转变必将带来设计理念的全面更新，多参数和多自由度耦合带来的技术问题的突破和解决是霍尔电推进适应航天器多元化发展需求的必经之路。

为使得高效稳定的连续变推力变比冲霍尔电推进技术的实现成为可能，对磁场的设计是至关重要的，因为它允许在陶瓷通道内足够长的时间捕获电子，以便能够有效地离子化中性流并加速离子。而且，磁场形状引导带电粒子流，对离子聚焦起作用，影响推力器热负荷、腐蚀状况及羽流性能等。在实际情况下，推力器性能的有效提高需要优化的磁场拓扑。然而，标准的磁性体系缺乏灵活性，其为保证高效稳定的性能水平只产生一个选定的拓扑结构，这也就使得推力器设计有着很大的局限性。

发明内容

本发明目的是为了解决电推力器无法进行宽参数变化范围调整的问题，提供了一种霍尔推力器柔性磁路调控方法。本发明提出了一种新型磁路，并提供了适用于本磁路的调控方法，使它允许大范围的改变磁场配置。与霍尔推进器中使用的传统磁路相比，所提出的磁性拓扑的位置，梯度，强度等特性都可进行较大范围调控。

本发明所述霍尔推力器柔性磁路调控方法的方案：所述柔性磁路由内部线圈和n组外部线圈构建为m阶级磁路结构，20≥m≥4，n≥4，所述n组外部线圈分别绕制在n个外部导磁柱上，每组外部线圈布局相同，自导磁底座至放电通道出口依次为1号附加线圈、m-1个主磁路外部线圈；所述内部线圈绕制在中心位置导磁柱上，自导磁底座至放电通道出口依次为2号附加线圈、m-1个主磁路内部线圈；处于同一轴向位置的n个外部线圈和1个内部线圈构成一个阶级磁路结构，且同一阶级磁路结构中的n个外部线圈串联；

所述调控方法为：

当工况发生变化时，通过调节柔性磁路的各阶级线圈的安匝数来调整原磁场位型，调整至与新工况匹配的目标磁场位型；

从原磁场位型调整至目标磁场位型的调控过程包括最大磁场强度调控、最大磁场强度位置调控、磁场梯度调控和零磁场位置调控。

优选地，所述最大磁场强度调控的过程为：同时调节所有线圈安匝数依次增大或减小，则最大磁场强度也将随之增大或减小，直至达到目标磁场位型的最大磁场强度为止；

原磁场所有线圈安匝数的变化幅度为各自基准安匝数的任意倍数，所述基准安匝数为原磁场位型中各线圈安匝数。

优选地，所述最大磁场强度位置调控的过程为：

判断目标磁场位型的最大磁场位置相对于原磁场位型的最大磁场强度位置是否为沿轴向向内移动，若是，则按如下过程调整：

放电通道出口处的k个阶级的所有线圈的安匝数逐渐减小，放电通道中间位置的p个阶级的所有线圈的安匝数逐渐增大，靠近附加线圈的q个阶级的所有线圈的安匝数逐渐增大；直至调整至目标位型的最大磁场强度位置为止；

若否，则按上述过程逆向调整。

优选地，当m＝[4,12]时，k＝1，p＝1，q＝1；

当m＝[13,20]时，k＝2，且选择第1～第2阶级两个阶级的线圈；p＝2，且选择与放电通道中间位置对应的连续两个阶级的线圈；q＝2，且选择靠近附加线圈的连续两个阶级的线圈。

优选地，放电通道出口处的k个阶级的所有线圈的安匝数逐渐增大，且所述k个阶级的主磁路内部线圈的安匝数以A1幅度依次增大，k个阶级的主磁路外部线圈的安匝数以A2幅度依次增大，A1＞A2；

放电通道中间位置的p个阶级的所有线圈的安匝数逐渐减小，且所述p个阶级的主磁路内部线圈的安匝数以B1幅度依次减小，p个阶级的主磁路外部线圈的安匝数以B2幅度依次减小，B1＞B2；

靠近附加线圈的q个阶级的所有线圈的安匝数逐渐减小，且所述q个阶级的主磁路内部线圈的安匝数以C1幅度依次减小，q个阶级的主磁路外部线圈的安匝数以C2幅度依次减小，C1＞C2；

A1＞B1＞C1。

优选地，所述磁场梯度调控过程包括正梯度调控和负梯度调控两个过程；

所述正梯度调控过程为：调节1号附加线圈的安匝数以幅度D1依次增大或减小，2号附加线圈的安匝数以幅度D2随同1号线圈同步调整，且D2＞D1；直至正梯度达到目标磁场位型的要求为止；

所述负梯度调控过程为：调节1号附加线圈的安匝数以幅度E1依次增大或减小，2号附加线圈的安匝数以幅度E2随同1号线圈同步调整，且E2＞E1；直至负梯度达到目标磁场位型的要求为止。

优选地，零磁场位置调控的过程依次包括轴向调整和径向调整两个过程：

所述轴向调整的过程为：调节1号附加线圈的安匝数以幅度F1依次增大或减小，2号附加线圈的安匝数以幅度F2随同1号线圈同步调整，且F2＞F1；使零磁场位置沿轴向向外或向内移动，直至达到目标磁场位型的零磁场的轴向位置为止；

所述径向调整的过程为：靠近附加线圈的q个阶级的所有线圈的安匝数逐渐增大；该q个阶级中的主磁路外部线圈以幅度G1依次增大，该q个阶级中的主磁路内部线圈以幅度G2依次增大，根据目标磁场位型择一配置，实现沿径向移动，直至调整至目标位型的零磁场的径向位置为止：

配置1：附加线圈中至少2号附加线圈供给电流设置为0，且G1＞G2，实现零磁场位置沿径向向内移动；

配置2：2号附加线圈供给电流设置为0，且G2＞G1，实现零磁场位置沿径向向外移动。

本发明的有益效果：本推力器可实现最大磁场强度在0-300G内精确调控，满足一般推力器场强设计要求；最大磁场强度的位置也可沿轴向移动，移动范围达15毫米，可控制场强峰值位于通道出口内部或外部；可独立控制磁场正、负梯度沿着通道中心线的变化，在推力器电离区(场强峰值轴向坐标的50％-80％区间所对应的区域)磁场正梯度变化率可达34％，在峰值外侧负梯度变化率可达26％；允许创建和大幅度移动零磁场区域，且这个特定的区域能够在轴向和径向上自由移动，可位于通道内的任何位置。

附图说明

图1是本发明所述霍尔推力器柔性磁路的立体结构示意图；

图2是本发明所述霍尔推力器柔性磁路的线圈分布图；

图3是最大磁场强度调控变化曲线图；

图4是最大磁场强度随励磁线圈安匝数的变化特性；

图5是最大磁场强度位置调控变化曲线图；

图6是磁场正梯度调控变化曲线图；

图7是磁场负梯度调控变化曲线图；

图8是零磁场位置沿轴向移动示意图，其中(b)为原磁场位型的零磁场位置图；(a)为沿轴向内移；(c)为沿轴向外移；

图9是零磁场位置沿径向移动示意图，其中(b)为原磁场位型的零磁场位置图；(a)为沿径向内移；(c)为沿径向外移。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明首先配置多阶级多线圈的磁路结构，如图1所示，在此结构基础上，通过对各线圈安匝数的调节以产生不同配比的工况，从而实现对磁性拓扑的强度，位置，梯度等特性独立且精确的大范围调控。

图2所示的多阶级磁路结构的线圈分布图，图2只表示了霍尔推力器一半的线圈布局，在导磁底座3的中心位置设置有中心位置导磁柱4，在导磁底座3的周向均布n＝4个外部导磁柱5，中心位置导磁柱4上绕制内部线圈1，每个外部导磁柱5上绕制一个外部线圈2。内部线圈1和外部线圈2之间为放电通道6。

内部线圈1自导磁底座至放电通道出口依次为2号附加线圈Add2、4个主磁路内部线圈L8、L7、L6、L5；外部线圈2自导磁底座至放电通道出口依次为1号附加线圈Add1、4个主磁路内部线圈L4、L3、L2、L1(Add-1、L-4、L-3、L-2、L-1与Add1、L4、L3、L2、L1分别属于一套线圈，只是表征电流方向相反的另一个截面)。

本实施例是m＝5阶级磁路结构，四个L1和L5构成一个阶级，四个L1串联，并共用同一套独立直流电源，L5自用一套独立直流电源；同理四个L2和L6构成一个阶级，四个L3和L7构成一个阶级，四个L4和L8构成一个阶级，四个Add1和Add2构成一个阶级，总计需要十个独立直流电源。

L1～L8属于主磁路，Add1和Add2属于副磁路。

霍尔推力器稳定运行于某一工况时，它的磁场位型是一个标准的磁场位型，如图3、图5、图6和图7所标识的原磁场位型所示，当霍尔推力器的工况发生变化时，为了匹配新工况，要求磁场位型修订到目标磁场位型才能更好的工作，新工况对应的目标磁场位型是系统能够根据新工况来确定下来的，本发明需要做的事情是如何调节线圈的安匝数使磁场位型从原磁场位型更新至目标磁场位型。

第一个实施例：关于最大磁场强度的调控。

原磁场位型的最大磁场强度如图3中所标识的曲线，该工况各线圈安匝数如表1所示，为了适应新工况，调节所有线圈安匝数以0.25倍各自基准安匝数的幅度依次增大或减小，则最大磁场强度也将随之增大或减小，如图3所示的变化趋势，直至达到目标磁场位型的最大磁场强度的指标为止。

表1原磁场位型各线圈安匝数

线圈	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	Add1	Add2
											安匝数	0	121.5	162	5.4	55	204.75	195	65	0	0

图4给出了最大场强随线圈安匝数的变化特性。由于导磁材料具有一定的磁饱和特性，所以随着线圈安匝数的增大，其对最大磁场强度的影响也是有变化的，当安匝数达到3倍基准工况时，最大场强值增速大幅度放缓。

基于上述分析，最大磁场强度的调控不需副磁路的参与，所以附加线圈的安匝数设置为零。同时调节所有线圈的安匝数为基准安匝数的任意倍数，则可实现最大磁场强度的调节，同时可保证高峰位置的轴向分布不受场强大小影响。

第二个实施例：关于最大磁场强度位置的调控。

原磁场位型的最大磁场强度位置如图5中所标识的曲线，该工况各线圈安匝数如表2所示。作出如下同步调整：调节线圈L1以97.5安匝的幅度依次增大；调节线圈L5以165安匝的幅度依次增大；调节线圈L3以28.8安匝的幅度依次减小；调节线圈L7以41.6安匝的幅度依次减小；调节线圈L4以14.4安匝的幅度依次减小；调节线圈L8以24.96安匝的幅度依次减小，则磁场位置将沿轴向向外移动。按此规律将线圈L1、L5安匝数减小，将线圈L3、L7、L4、L8安匝数增大，则磁场位置将沿轴向向内移动，如图5所示的变化趋势，直至达到目标磁场位型的最大磁场强度位置为止。

表2原磁场位型各线圈安匝数

线圈	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	Add1	Add2
											安匝数	292.5	113.4	57.6	28.8	495	240.75	83.2	49.92	0	0

最大磁场强度位置的调控同样不需副磁路的参与，而需要通过同时调节主磁路上6个线圈的安匝数实现。其中L1、L3、L5、L7线圈用来控制磁场的宏观轴向移动，L4、L8线圈用来对磁场的梯度进行微调，以保证磁场在其位置沿轴向移动的情况下仍可保持良好的工作性能。

第三个实施例：关于磁场梯度的调控。

对于磁场正梯度的调控。原磁场位型的各线圈参数如表3所示，且对应图6中标识曲线。调节线圈Add1以12安匝的幅度依次增大或减小，线圈Add2的安匝数始终比Add1大6的幅度同步调整，则磁场正梯度将随之减小或增大，结果如图6所示。

表3原磁场位型各线圈安匝数

线圈	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	Add1	Add2
											安匝数	0	40.5	54	1.8	22	68.25	65	13	24	30

对于磁场负梯度的调控。原磁场位型的各线圈参数如表4所示，且对应图7中标识曲线。调节线圈L1以32.5安匝的幅度依次增大或减小，线圈L5以55安匝的幅度依次增大或减小同步调整，则磁场负梯度将随之减小或增大，结果如图7所示。

表4原磁场位型各线圈安匝数

线圈	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	Add1	Add2
											安匝数	65	81	108	3.6	110	136.5	130	27	0	0

磁场梯度的调控是通过调节L1、L5线圈以及附加线圈的安匝数实现的。其中调节附加线圈的安匝数用来改变磁场正梯度，调节L1、L5线圈的安匝数用来改变磁场负梯度。磁场正、负梯度的调节可独立进行，必要时可对两者同时进行调控以满足复杂的设计要求。

第四个实施例：关于零磁场位置的调控。

对于零磁场区域的轴向移动，主要由附加线圈进行调控。原磁场位型的各线圈安匝数数据如表5所示。调节线圈Add1以32安匝的幅度减小或增加，同时调节线圈Add2以40安匝的幅度减少或增加，则可分别使得零磁场区域沿轴向内侧或外侧移动。其作用效果如图7所示。

表5原磁场位型各线圈安匝数

线圈	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	Add1	Add2
											安匝数	195	135	144	10.8	220	204.75	195	39	80	120

对于零磁场区域的径向移动，主要由2号附加线圈Add2以及L4、L8线圈调控。原磁场位型的各线圈安匝数数据如表6所示，对应的零磁场区域如图8(b)所示。将2号附加线圈Add2(或Add1和Add2)供给电流值设置为0；将线圈L4的安匝数增加169.2；将线圈L8的安匝数增加117，则可得到如图8(a)所示磁场位形，零磁场区域沿轴向向内移动了。若调节附加线圈Add2的电流值为0，同时将线圈L8的安匝数增加143，，则可得到如图8(c)所示磁场位形，零磁场区域沿轴向向外移动了。

表6原磁场位型各线圈安匝数

线圈	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	Add1	Add2
											安匝数	195	135	144	10.8	220	204.75	208	39	80	140

零磁场区域的移动与附加线圈的安匝数息息相关，通过调节附加线圈的安匝数可实现零磁场区域沿轴向移动。对于零磁场区域沿径向的移动，需对附加线圈以及L4、L8线圈同时进行调控。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.霍尔推力器柔性磁路调控方法，其特征在于，所述柔性磁路由内部线圈和n组外部线圈构建为m阶级磁路结构，20≥m≥4，n≥4，所述n组外部线圈分别绕制在n个外部导磁柱上，每组外部线圈布局相同，自导磁底座至放电通道出口依次为1号附加线圈、m-1个主磁路外部线圈；所述内部线圈绕制在中心位置导磁柱上，自导磁底座至放电通道出口依次为2号附加线圈、m-1个主磁路内部线圈；处于同一轴向位置的n个外部线圈和1个内部线圈构成一个阶级磁路结构，且同一阶级磁路结构中的n个外部线圈串联；

所述调控方法为：

当工况发生变化时，通过调节柔性磁路的各阶级线圈的安匝数来调整原磁场位型，调整至与新工况匹配的目标磁场位型；

从原磁场位型调整至目标磁场位型的调控过程包括最大磁场强度调控、最大磁场强度位置调控、磁场梯度调控和零磁场位置调控。

2.根据权利要求1所述霍尔推力器柔性磁路调控方法，其特征在于，所述最大磁场强度调控的过程为：同时调节所有线圈安匝数依次增大或减小，则最大磁场强度也将随之增大或减小，直至达到目标磁场位型的最大磁场强度为止；

原磁场所有线圈安匝数的变化幅度为各自基准安匝数的任意倍数，所述基准安匝数为原磁场位型中各线圈安匝数。

3.根据权利要求2所述霍尔推力器柔性磁路调控方法，其特征在于，所述最大磁场强度位置调控的过程为：

判断目标磁场位型的最大磁场位置相对于原磁场位型的最大磁场强度位置是否为沿轴向向内移动，若是，则按如下过程调整：

放电通道出口处的k个阶级的所有线圈的安匝数逐渐减小，放电通道中间位置的p个阶级的所有线圈的安匝数逐渐增大，靠近附加线圈的q个阶级的所有线圈的安匝数逐渐增大；直至调整至目标位型的最大磁场强度位置为止；

若否，则按上述过程逆向调整。

4.根据权利要求3所述霍尔推力器柔性磁路调控方法，其特征在于，当m＝[4,12]时，k＝1，p＝1，q＝1；

当m＝[13,20]时，k＝2，且选择第1～第2阶级两个阶级的线圈；p＝2，且选择与放电通道中间位置对应的连续两个阶级的线圈；q＝2，且选择靠近附加线圈的连续两个阶级的线圈。

5.根据权利要求4所述霍尔推力器柔性磁路调控方法，其特征在于，放电通道出口处的k个阶级的所有线圈的安匝数逐渐增大，且所述k个阶级的主磁路内部线圈的安匝数以A1幅度依次增大，k个阶级的主磁路外部线圈的安匝数以A2幅度依次增大，A1＞A2；

放电通道中间位置的p个阶级的所有线圈的安匝数逐渐减小，且所述p个阶级的主磁路内部线圈的安匝数以B1幅度依次减小，p个阶级的主磁路外部线圈的安匝数以B2幅度依次减小，B1＞B2；

靠近附加线圈的q个阶级的所有线圈的安匝数逐渐减小，且所述q个阶级的主磁路内部线圈的安匝数以C1幅度依次减小，q个阶级的主磁路外部线圈的安匝数以C2幅度依次减小，C1＞C2；

A1＞B1＞C1。

6.根据权利要求5所述霍尔推力器柔性磁路调控方法，其特征在于，所述磁场梯度调控过程包括正梯度调控和负梯度调控两个过程；

所述正梯度调控过程为：调节1号附加线圈的安匝数以幅度D1依次增大或减小，2号附加线圈的安匝数以幅度D2随同1号线圈同步调整，且D2＞D1；直至正梯度达到目标磁场位型的要求为止；

所述负梯度调控过程为：调节1号附加线圈的安匝数以幅度E1依次增大或减小，2号附加线圈的安匝数以幅度E2随同1号线圈同步调整，且E2＞E1；直至负梯度达到目标磁场位型的要求为止。

7.根据权利要求6所述霍尔推力器柔性磁路调控方法，其特征在于，零磁场位置调控的过程依次包括轴向调整和径向调整两个过程：

所述轴向调整的过程为：调节1号附加线圈的安匝数以幅度F1依次增大或减小，2号附加线圈的安匝数以幅度F2随同1号线圈同步调整，且F2＞F1；使零磁场位置沿轴向向外或向内移动，直至达到目标磁场位型的零磁场的轴向位置为止；

所述径向调整的过程为：靠近附加线圈的q个阶级的所有线圈的安匝数逐渐增大；该q个阶级中的主磁路外部线圈以幅度G1依次增大，该q个阶级中的主磁路内部线圈以幅度G2依次增大，根据目标磁场位型择一配置，实现沿径向移动，直至调整至目标位型的零磁场的径向位置为止：

配置1：附加线圈中至少2号附加线圈供给电流设置为0，且G1＞G2，实现零磁场位置沿径向向内移动；

配置2：2号附加线圈供给电流设置为0，且G2＞G1，实现零磁场位置沿径向向外移动。