CN108590994B - 一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，包括外磁极、扩展外磁极、改变阴极所处位置磁场并将磁分界面外移的附加永磁铁和附加永磁铁盖板，所述的扩展外磁极固定设置在外磁极的一侧，所述的扩展外磁极上设有阴极孔，所述阴极孔的尺寸大于阴极直径尺寸，所述的附加永磁铁设置在扩展外磁极上霍尔推力器的非羽流区的一侧，所述的附加永磁铁通过附加永磁铁盖板固定在扩展外磁极上，所述的扩展外磁极的材质为非导磁性金属材料，所述的附加永磁铁的极性方向与外永磁柱极性方向相同。本发明所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，改变了阴极附近的磁场分布，优化了电子向通道内的传导过程。
Description
技术领域
本发明属于航天技术和等离子体推进技术领域，尤其是涉及一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构。
背景技术
霍尔推力器是一种利用磁场约束电子，与中性气体发生碰撞电离，之后在电场的作用下将离子加速喷出获得推力的一种电推力器。它具有结构简单、比冲高、可靠性高和在轨服役时间长等特点，适用于各类航天器的位置保持、轨道修正和转移、宇宙探测和星际航行等任务，是目前国际上应用最为广泛的空间电推进装置之一。
磁场是霍尔推力器产生和约束等离子体的主要因素，是维持推力器持续稳定放电、控制离子束流发散的不可或缺的部分。阴极处磁场对于由阴极发射的电子向通道内传导过程有着至关重要的作用，对阴极与推力器之间的耦合电压也有一定的影响。一般的永磁霍尔推力器阴极位于磁分界面外，由阴极发射的电子要穿越强磁场区和大量磁力线才能进入放电通道参与碰撞电离过程，导致阴极推力器之间的耦合电压较大，实际的加速电压减小，推力器的性能降低。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，改变了阴极附近的磁场分布，优化了电子向通道内的传导过程。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，包括外磁极、扩展外磁极、改变阴极所处位置磁场并将磁分界面外移的附加永磁铁和附加永磁铁盖板，所述的扩展外磁极固定设置在外磁极的一侧，所述的扩展外磁极上设有阴极孔，所述阴极孔的尺寸大于阴极直径尺寸，所述的附加永磁铁设置在扩展外磁极上霍尔推力器的非羽流区的一侧，所述的附加永磁铁通过附加永磁铁盖板固定在扩展外磁极上，所述的扩展外磁极的材质为非导磁性金属材料，所述的附加永磁铁的极性方向与外永磁柱极性方向相同。
进一步的，所述附加永磁铁为环状永磁铁，相应的，所述附加永磁铁盖板为环状永磁铁盖板，所述的环状永磁铁和阴极孔同心设置，所述的环状永磁铁通过环状永磁铁盖板固定在扩展外磁极上。
进一步的，所述环状永磁铁盖板包括一体设置的环形槽和连接边沿，所述的连接边沿设置在环形槽的槽口四周，所述的连接边沿通过螺柱与扩展外磁极固定连接。
进一步的，所述环状永磁铁的内圈直径大于阴极孔直径。
进一步的，所述环状永磁铁的宽度为5mm，高度为5mm。
进一步的，所述附加永磁铁盖板的材质为热辐射系数较大的抛光处理后的金属钛。
进一步的，所述扩展外磁极与外磁极的宽度相同。
进一步的，所述扩展外磁极的材质为非导磁性金属材料钛或不锈钢。
相对于现有技术，本发明所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构具有以下优势：
本发明所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，有以下优点：
1、永磁铁励磁的霍尔推力器外部存在磁分界面，阴极发射的电子需要穿过大量磁力线和强磁场区才能进入通道，导致阴极与推力器之间耦合电压过大，推力器性能降低。而阴极外部的附加永磁铁能够改变阴极所处位置的磁场分布，将磁分界面外拉，同时形成连接阴极与推力器中心的磁力线，使阴极发射的电子能够更容易向通道内传导，提升推力器的性能。
2、扩展外磁极为非导磁性材料，可以保证新增的扩展段不对霍尔推力器的初始磁场和附加永磁铁所形成的磁场造成影响。
3、附加永磁铁盖板采用抛光金属材料，一方面用于固定附加永磁铁，另一方面由于抛光钛金属热辐射系数较高，可以作为隔热屏，保证阴极工作时的高温不对永磁铁的磁性造成破坏。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构的结构示意图；
图2为一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构中扩展外磁极和环状永磁铁的结构示意图；
图3为环状永磁铁盖板结构示意图；
图4为永磁霍尔推力器的初始外部磁场分布图；
图5为增加环状永磁铁后的霍尔推力器外部磁场分布图。
附图标记说明：
1-外磁极，2-扩展外磁极，3-环状永磁铁，4-环状永磁铁盖板，41-环形槽；42-连接边沿；5-阴极孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图3所示，一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，包括外磁极1、扩展外磁极2、改变阴极所处位置磁场并将磁分界面外移的附加永磁铁和附加永磁铁盖板，所述的扩展外磁极2固定设置在外磁极1的一侧，所述的扩展外磁极2上设有阴极孔5，所述阴极孔5的尺寸大于阴极直径尺寸，所述的附加永磁铁设置在扩展外磁极2上霍尔推力器的非羽流区的一侧，所述的附加永磁铁通过附加永磁铁盖板固定在扩展外磁极2上，所述的扩展外磁极2的材质为非导磁性金属材料，所述的附加永磁铁的极性方向与外永磁柱极性方向相同。
附加永磁铁的极性方向与外永磁柱极性方向相同(与内永磁环极性方向相反)时，有利于形成连接阴极与推力器中心的磁力线，而附加永磁铁环的极性方向与外永磁柱极性方向相反时则不利于形成，因此附加永磁铁环方向应与外永磁铁柱相同。
外磁极1所用材料为高导磁性材料电工纯铁DT4C，附加永磁铁为SmCo材质强永磁性材料，附加永磁铁可以为环状永磁铁3，所述的环状永磁铁3和阴极孔5同心设置，所述的环状永磁铁3通过环状永磁铁盖板4固定在扩展外磁极2上。
环状永磁铁盖板4包括一体设置的环形槽41和连接边沿42，所述的连接边沿42设置在环形槽41的槽口四周，所述的连接边沿42通过螺柱与扩展外磁极2固定连接。
环状永磁铁3的内圈直径大于阴极孔5直径，以便于安装和固定环状永磁铁盖板4。
环状永磁铁3的宽度为5mm，高度为5mm。
附加永磁铁也可以为条状永磁铁，条状永磁铁设置在阴极孔5的远离外磁极的一侧，条状永磁铁通过条状永磁铁盖板固定在扩展外磁极上。
阴极正常工作时温度可高达1000摄氏度以上，而永磁铁在高温条件下性能会被破坏。为了降低阴极工作时的高温对附加永磁铁的性能影响，附加永磁铁盖板所用材料为表面进行抛光处理后的金属，由于其具有较大的热辐射系数，可以同时起到隔热屏的作用，保证附加永磁铁的正常工作，附加永磁铁盖板的材质可以选择热辐射系数较大的抛光处理后的金属钛。
扩展外磁极2与外磁极1的宽度相同，以焊接的方式连接在一起。
扩展外磁极2的材质为非导磁性金属材料钛或不锈钢，因此扩展段的存在不会影响霍尔推力器的初始磁场分布。
永磁铁柱励磁的霍尔推力器磁场存在轴向不对称性，本发明外磁极1所用材料为电工纯铁DT4C，是一种良好的导磁性材料，用于均化霍尔推力器中永磁铁柱形成的磁场。
从图4可以看出，永磁励磁的霍尔推力器外部磁场存在一个明显的磁分界面，且该处磁力线较为密集，磁场强度较大。对于外置阴极，其发射的电子需要穿越该磁分界面才能进入放电通道，阴极出口与推力器通道出口之间需要有更高的电势差来维持电子向通道内的传导过程。在总放电电压一定的条件下，加速电压损失增大，推力器的实际加速电压减小。为了调整阴极附近的磁场，可以将一个环状永磁铁3安装在扩展外磁极2上。该环状永磁铁3与扩展外磁极上的圆形阴极孔同心布置，并由环状永磁铁盖板4固在外磁极1上霍尔推力器的非羽流区侧，避免推力器羽流对磁极的侵蚀和溅射。
从图4和图5可以看出，阴极外部附加永磁铁环能够改变阴极附近的磁场，使磁分界面从外磁极1边缘移动至环状永磁铁处，同时阴极处的磁力线直接延伸至霍尔推力器中心，这使得由阴极发射的电子在被磁场捕获后能够更容易进入放电通道，对于提升推力器的性能具有重要作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)
1.一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，其特征在于：包括外磁极(1)、扩展外磁极(2)、改变阴极所处位置磁场并将磁分界面外移的附加永磁铁和附加永磁铁盖板，所述的扩展外磁极(2)固定设置在外磁极(1)的一侧，所述的扩展外磁极(2)上设有阴极孔(5)，所述阴极孔(5)的尺寸大于阴极直径尺寸，所述的附加永磁铁设置在扩展外磁极(2)上霍尔推力器的非羽流区的一侧，所述的附加永磁铁通过附加永磁铁盖板固定在扩展外磁极(2)上，所述的扩展外磁极(2)的材质为非导磁性金属材料，所述的附加永磁铁的极性方向与外永磁柱极性方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，其特征在于：所述附加永磁铁为环状永磁铁(3)，相应的，所述附加永磁铁盖板为环状永磁铁盖板(4)，所述的环状永磁铁(3)和阴极孔(5)同心设置，所述的环状永磁铁(3)通过环状永磁铁盖板(4)固定在扩展外磁极(2)上。
3.根据权利要求2所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，其特征在于：所述环状永磁铁盖板(4)包括一体设置的环形槽(41)和连接边沿(42)，所述的连接边沿(42)设置在环形槽(41)的槽口四周，所述的连接边沿(42)通过螺柱与扩展外磁极(2)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，其特征在于：所述环状永磁铁(3)的内圈直径大于阴极孔(5)直径。
5.根据权利要求4所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，其特征在于：所述环状永磁铁(3)的宽度为5mm，高度为5mm。
6.根据权利要求1或5所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，其特征在于：所述附加永磁铁盖板的材质为热辐射系数较大的抛光处理后的金属钛。
7.根据权利要求6所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，其特征在于：所述扩展外磁极(2)与外磁极(1)的宽度相同。
8.根据权利要求7所述的一种改变阴极磁场分布的永磁霍尔推力器外磁极结构，其特征在于：所述扩展外磁极(2)的材质为非导磁性金属材料钛或不锈钢。
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