CN110566424B - 一种长寿命霍尔推力器的磁路 - Google Patents

一种长寿命霍尔推力器的磁路 Download PDF

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Abstract

本发明一种长寿命霍尔推力器的磁路，包括内磁屏、外磁屏、内磁极、外磁极、导磁底板、内磁芯、导磁外壳和内线圈、外线圈，推力器为轴对称结构；内线圈包围着内磁芯，内磁屏包围着内线圈、外磁屏包围着内磁屏，外线圈包围着外磁屏，导磁外壳包围着外线圈；内磁芯的两端分别与导磁底板、内磁极连接；内磁屏和外磁屏的一端均连接在导磁底板上；导磁外壳的两端分别与导磁底板、外磁极连接；外线圈由导磁外壳、外磁屏、导磁底板、外磁极包围；内线圈由内磁芯、导磁底板、内磁屏、内磁极包围。

Description

一种长寿命霍尔推力器的磁路
技术领域
本发明涉及一种长寿命霍尔推力器的磁路。
背景技术
霍尔推力器是目前国际上典型的一种电推进装置，用在航天器上，执行轨道转移和位置保持任务。图1是霍尔推力器的示例的轴向剖视图。推进剂氙气从环形放电通道20上游的阳极30进入通道内，阳极提供高电位；电子从环形放电通道下游出口处的阴极40喷出，阴极提供低电位。阴极喷出的一部分电子进入到环形放电通道内部，在外部磁路10产生的径向磁场和内部自洽生成的轴向电场作用下进行霍尔漂移运动，电子和推进剂原子发生碰撞电离产生离子，离子被轴向电场加速喷出产生推力，电子通过各种传导机制达到阳极。阴极喷出的另一部分电子进入羽流区和高速喷出的离子中和，保持羽流的电中性。霍尔推力器的主要组成部分包括环形放电通道、磁路、阳极、阴极等。
霍尔推力器的羽流发散角相对较大，高速喷出的离子会溅射轰击放电通道壁面，造成放电通道壁面材料不断被溅射侵蚀，最终导致放电通道被侵蚀完全，磁路暴露在离子流的轰击之下。工程上一般以霍尔推力器放电通道被完全侵蚀作为霍尔推力器寿命终结的标志。由于霍尔推力器寿命取决于放电通道被侵蚀的寿命，因此霍尔推力器要实现长寿命包括被动设计和主动设计两个方面，被动设计包括提高放电通道壁面材料的抗溅射性能、增加放电通道壁厚，壁面材料一般选择氮化硼陶瓷，该材料的抗溅射性能很难进一步提高，放电通道壁厚受到其它设计因素的制约，一般在10mm以内，很难有大幅度的提高。霍尔推力器长寿命设计最有效的方式是从源头上主动降低离子束对放电通道的轰击，在工程上实现的关键是设计出满足长寿命需求的磁路。目前，现有的霍尔推力器磁路结构(图2)并不能保证长寿命，必须对磁路中相关尺寸进行有效设计，才能实现推力器的长寿命。能够保证霍尔推力器长寿命的磁路设计方法并未在专利和文献中见到。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种长寿命霍尔推力器磁路，采用该方法设计的霍尔推力器能够大幅降低高能离子对放电通道壁面的轰击，延长工作寿命。
本发明的技术方案是：一种长寿命霍尔推力器的磁路，包括内磁屏、外磁屏、内磁极、外磁极、导磁底板、内磁芯、导磁外壳和内线圈、外线圈，推力器为轴对称结构；内线圈包围着内磁芯，内磁屏包围着内线圈、外磁屏包围着内磁屏，外线圈包围着外磁屏，导磁外壳包围着外线圈；内磁芯的两端分别与导磁底板、内磁极连接；内磁屏和外磁屏的一端均连接在导磁底板上；导磁外壳的两端分别与导磁底板、外磁极连接；外线圈由导磁外壳、外磁屏、导磁底板、外磁极包围；内线圈由内磁芯、导磁底板、内磁屏、内磁极包围；所述内磁极与内磁屏之间的径向距离r1＝内磁极与内磁屏之间的轴向距离z1＝外磁极与外磁屏之间的径向距离r2＝外磁极与外磁屏之间的轴向距离z2＝x，其中x为正整数。
所述内磁屏、外磁屏、内磁极、外磁极、导磁底板、内磁芯、导磁外壳均选用电工纯铁。
所述内磁屏、外磁屏、导磁外壳均为圆柱形薄壳结构，内磁芯为圆柱形结构，内磁极和导磁底板为圆形薄板结构，外磁极为圆环形薄板结构。
所述内磁屏、外磁屏、内磁极、外磁极的厚度在0.5mm～5mm范围内。
所述内磁屏与放电通道壁面之间的径向间距为0.5mm，外磁屏与放电通道壁面之间的径向间距为0.5mm；内磁极端面的轴向位置比放电通道出口平面低1～2mm，外磁极端面的轴向位置比放电通道出口平面低2～4mm。
所述x≤w/2，w表示放电通道宽度。
x取值的具体计算方法为：用磁场仿真软件对推力器的二维轴对称静态磁场进行数值仿真，得到推力器的静态磁场分布B(z,r)，根据B(z,r)分布计算出三个特征参数：放电通道中线的最大径向磁场强度Brmax值、最大径向磁场强度对应的轴向位置zBrmax、磁场梯度▽Br＝(Brmax-Br0)/(zBrmax-zBr0)，其中Br0为放电通道中线上阳极端面所在位置处的径向磁场强度值，zBr0为阳极端面所在的轴向位置；根据推力器的静态磁场分布B(z,r)，绘制不同x取值下的放电通道中线的径向磁场强度Br随轴向位置z的变化曲线，挑选出最大梯度磁场的x取值。
上述磁场仿真时内线圈和外线圈安匝数按照2:1的比例设置，内线圈和外线圈总的安匝数要求保证Brmax在100～300Gauss之间。
按如下条件挑选出最大梯度磁场的x取值：
a.磁场梯度▽Br最大；
b.要求Brmax≥200*15/w*sqrt(U/300)，w为放电通道宽度，U为霍尔推力器的阳极电压，sqrt()表示开根号；
c.最大径向磁场强度对应的轴向位置zBrmax位于放电通道出口下游1mm～7mm；
d.阳极端面所在位置的放电通道中线的径向磁场强度值Br0≤20Gauss。
根据最大梯度磁场的x取值对应的放电通道内磁场分布，挑选出放电通道中线上对应0.8Brmax磁场对应的位置z0.8，放电通道出口型面确定的方式为：放电通道出口型面与穿过z0.8处的磁力线形状一样。
本发明与现有技术相比的优点在于：
采用本发明的设计方法，可以设计出符合长寿命要求的霍尔推力器磁路，可以使离子在放电通道内产生，离子在放电通道出口之外进行加速，既可以保证推进剂气体可以有效地电离，同时降低了离子对壁面的溅射侵蚀，提高霍尔推力器的寿命。
采用本发明的磁路，通过内磁屏、外磁屏、内磁极、外磁极四个零件的相对位置优化，可以保证放电通道内的励磁效率高，并且放电通道中线上的磁场梯度大，可以有效地压缩电离加速区的长度，降低放电通道腐蚀带的长度，提高霍尔推力器的寿命。
附图说明
图1为霍尔推力器结构示意图；
图2为霍尔推力器磁路结构示意图；
图3为5kW霍尔推力器在不同x取值下，放电通道中线的径向磁场强度Br与轴向位置z的关系，图3中横坐标z＝30表示放电通道出口平面所在的轴向位置，z＝0表示放电通道出口上游30mm处(阳极端面所在)的轴向位置，1-1表示x＝1mm，3-3表示x＝3mm，5-5表示x＝5mm，7-7表示x＝7mm，9-9表示x＝9mm，11-11表示x＝11mm；
图4为5kW霍尔推力器在不同x取值下，放电通道中线的径向磁场强度最大值Brmax与x的关系；
图5为5kW霍尔推力器在不同x取值下，放电通道中线的径向磁场强度最大值Brmax对应的轴向位置zBrmax与x的关系，图5中纵坐标zBrmax＝0表示放电通道中线的径向磁场强度最大值Brmax正好位于放电通道出口处，zBrmax＝3表示放电通道中线的径向磁场强度最大值Brmax位于放电通道出口下游3mm处；
图6为5kW霍尔推力器在x＝3时的放电通道内磁场分布；
图7为5kW霍尔推力器放电通道型面与磁力线的匹配关系示意。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
霍尔推力器的放电通道为环形通道结构，放电通道的相关结构尺寸(包括平均直径、宽度、壁厚)按照本领域公开的设计知识确定。本发明针对放电通道结构尺寸已确定的情况下，提出了一种长寿命霍尔推力器的磁路。对于放电功率为5kW的霍尔推力器，已知阳极电压为600V，放电通道的平均直径为d＝120mm，宽度w＝22mm，壁厚δ＝5mm，阳极端面到放电通道出口长度为30mm，该推力器对应的长寿命磁路的具体实施方式如下：
1)推力器的磁路由内磁屏12、外磁屏13、内磁极18、外磁极17、导磁底板14、内磁芯11、导磁外壳16和内线圈19、外线圈15等组成，推力器为轴对称结构，见图2所示，内磁屏12、外磁屏13、内磁极18、外磁极17、导磁底板14、内磁芯11、导磁外壳16采用软磁材料，一般选用电工纯铁；内磁屏12、外磁屏13、导磁外壳14均为圆柱形薄壳结构，内磁芯11为圆柱形结构，内磁极18和导磁底板14为圆形薄板结构，外磁极17为圆环形薄板结构；推力器的磁路从内到外，内线圈19包围着内磁芯11，内磁屏12包围着内线圈19、外磁屏13包围着内磁屏12，外线圈19包围着外磁屏13，导磁外壳16包围着外线圈15；内磁芯11的两端分别与导磁底板14、内磁极18连接；内磁屏12和外磁屏13的一端连接在导磁底板14上；导磁外壳16的两端分别与导磁底板14、外磁极17连接；外线圈15由导磁外壳16、外磁屏13、导磁底板14、外磁极17包围；内线圈19由内磁芯11、导磁底板14、内磁屏12、内磁极18包围。
2)确定内磁屏12、外磁屏13、内磁极18、外磁极17厚度，厚度选取应使磁路工作在材料的磁化曲线的线性区，厚度一般在0.5mm～5mm范围；
3)确定内磁屏12、外磁屏13、内磁极18、外磁极17相对于放电通道20的位置(见图2所示)：内磁屏12与放电通道20壁面之间的径向间距为0.5mm，外磁屏13与放电通道20壁面之间的径向间距为0.5mm；内磁极18端面的轴向位置比放电通道20出口平面低2mm，外磁极17端面的轴向位置比放电通道20出口平面低2mm；
4)确定内磁屏12、外磁屏13、内磁极18、外磁极17之间的相对位置：内磁极18与内磁屏12之间的径向距离r1＝内磁极18与内磁屏12之间的轴向距离z1＝外磁极17与外磁屏13之间的径向距离r2＝外磁极17与外磁屏13之间的轴向距离z2＝x，见图2所示，要求：x≤w/2，即不超过放电通道宽度的一半；
5)选取x＝1mm、3mm、5mm、7mm、9mm、11mm，用磁场仿真软件对推力器的二维轴对称静态磁场进行数值仿真，得到推力器的静态磁场分布B(z,r)，根据B(z,r)分布计算出三个特征参数：放电通道中线的最大径向磁场强度Brmax值、最大径向磁场强度对应的轴向位置zBrmax、磁场梯度▽Br＝(Brmax-Br0)/(zBrmax-zBr0)，Br0为阳极端面所在位置的放电通道中线的径向磁场强度值，zBr0为阳极端面所在的轴向位置；上述磁场仿真时内线圈19安匝数为800安匝，外线圈15安匝数为400安匝。
6)根据步骤5)的计算结果，绘制不同x取值下的放电通道中线的径向磁场强度Br随轴向位置z的变化曲线，要求同时满足以下四个条件选取最大梯度磁场：a.磁场梯度▽Br最大；b.要求Brmax≥200*15/w*sqrt(U/300)，w＝22，U＝600；c.最大径向磁场强度对应的轴向位置zBrmax位于放电通道出口下游1mm～7mm；d.阳极端面所在位置的放电通道中线的径向磁场强度值Br0≤20Gauss。x＝3mm对应着满足最大梯度磁场的磁路，能同时满足上述四个要求：a、曲线斜率最大，即磁场梯度最大(见图3所示)，b、Brmax＝240Gauss(见图4所示)；c、zBrmax位于通道出口下游3mm处(见图5所示)；d、Br0＝5Gauss(见图4所示)。
7)根据x＝3mm对应的放电通道内磁场分布，得到出放电通道中线上对应0.8Brmax磁场对应的位置z0.8位于放电通道出口上游2mm处(见图3所示)，放电通道出口型面与穿过z0.8处的磁力线形状一样(见图6所示)。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种长寿命霍尔推力器的磁路，其特征在于：包括内磁屏(12)、外磁屏(13)、内磁极(18)、外磁极(17)、导磁底板(14)、内磁芯(11)、导磁外壳(16)和内线圈(19)、外线圈(15)，推力器为轴对称结构；内线圈(19)包围着内磁芯(11)，内磁屏(12)包围着内线圈(19)、外磁屏(13)包围着内磁屏(12)，外线圈(15)包围着外磁屏(13)，导磁外壳(16)包围着外线圈(15)；内磁芯(11)的两端分别与导磁底板(14)、内磁极(18)连接；内磁屏(12)和外磁屏(13)的一端均连接在导磁底板(14)上；导磁外壳(16)的两端分别与导磁底板(14)、外磁极(17)连接；外线圈(15)由导磁外壳(16)、外磁屏(13)、导磁底板(14)、外磁极(17)包围；内线圈(19)由内磁芯(11)、导磁底板(14)、内磁屏(12)、内磁极(18)包围；所述内磁极(18)与内磁屏(12)之间的径向距离r1＝内磁极(18)与内磁屏(12)之间的轴向距离z1＝外磁极(17)与外磁屏(13)之间的径向距离r2＝外磁极(17)与外磁屏(13)之间的轴向距离z2＝x，其中x为正整数；
所述x≤w/2，w表示放电通道宽度；
x取值的具体计算方法为：用磁场仿真软件对推力器的二维轴对称静态磁场进行数值仿真，得到推力器的静态磁场分布B(z,r)，根据B(z,r)分布计算出三个特征参数：放电通道中线的最大径向磁场强度Brmax值、最大径向磁场强度对应的轴向位置zBrmax、磁场梯度▽Br＝(Brmax-Br0)/(zBrmax-zBr0)，其中Br0为放电通道中线上阳极端面所在位置处的径向磁场强度值，zBr0为阳极端面所在的轴向位置；根据推力器的静态磁场分布B(z,r)，绘制不同x取值下的放电通道中线的径向磁场强度Br随轴向位置z的变化曲线，挑选出最大梯度磁场的x取值；
上述磁场仿真时内线圈(19)和外线圈(15)安匝数按照2:1的比例设置，内线圈(19)和外线圈(15)总的安匝数要求保证Brmax在100～300Gauss之间；
按如下条件挑选出最大梯度磁场的x取值：
a.磁场梯度▽Br最大；
b.要求Brmax≥200*15/w*sqrt(U/300)，w为放电通道宽度，U为霍尔推力器的阳极电压，sqrt()表示开根号；
c.最大径向磁场强度对应的轴向位置zBrmax位于放电通道出口下游1mm～7mm；
d.阳极端面所在位置的放电通道中线的径向磁场强度值Br0≤20Gauss；
根据最大梯度磁场的x取值对应的放电通道内磁场分布，挑选出放电通道中线上对应0.8Brmax磁场对应的位置z0.8，放电通道出口型面确定的方式为：放电通道出口型面与穿过z0.8处的磁力线形状一样。
2.根据权利要求1所述的一种长寿命霍尔推力器的磁路，其特征在于：所述内磁屏(12)、外磁屏(13)、内磁极(18)、外磁极(17)、导磁底板(14)、内磁芯(11)、导磁外壳(16)均选用电工纯铁。
3.根据权利要求1所述的一种长寿命霍尔推力器的磁路，其特征在于：所述内磁屏(12)、外磁屏(13)、导磁外壳(16)均为圆柱形薄壳结构，内磁芯(11)为圆柱形结构，内磁极(18)和导磁底板(14)为圆形薄板结构，外磁极(17)为圆环形薄板结构。
4.根据权利要求1所述的一种长寿命霍尔推力器的磁路，其特征在于：所述内磁屏(12)、外磁屏(13)、内磁极(18)、外磁极(17)的厚度在0.5mm～5mm范围内。
5.根据权利要求1所述的一种长寿命霍尔推力器的磁路，其特征在于：所述内磁屏(12)与放电通道(20)壁面之间的径向间距为0.5mm，外磁屏(13)与放电通道(20)壁面之间的径向间距为0.5mm；内磁极(18)端面的轴向位置比放电通道(20)出口平面低1～2mm，外磁极(17)端面的轴向位置比放电通道(20)出口平面低2～4mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111140452A (zh) * 2019-12-26 2020-05-12 兰州空间技术物理研究所 用于霍尔推力器性能优化的多参数在线调节机构及方法
CN111622912B (zh) * 2020-05-22 2021-09-28 哈尔滨工业大学 一种调节导磁柱霍尔推力器磁分界面形态的磁路设计方法
CN112696330B (zh) * 2020-12-28 2022-09-13 上海空间推进研究所 一种霍尔推力器的磁极结构
CN112943572B (zh) * 2021-03-23 2021-10-15 哈尔滨工业大学 一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构
CN115681061B (zh) * 2023-01-03 2023-06-02 国科大杭州高等研究院 阳极磁屏组件及霍尔推力器

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6456011B1 (en) * 2001-02-23 2002-09-24 Front Range Fakel, Inc. Magnetic field for small closed-drift ion source
CN103945632B (zh) * 2014-05-12 2016-05-18 哈尔滨工业大学 角向速度连续可调的等离子体射流源及该射流源的使用方法
CN104269336B (zh) * 2014-09-04 2016-08-31 兰州空间技术物理研究所 一种离子推力器放电室磁极结构及其设计方法
CN106014900B (zh) * 2016-07-27 2018-07-06 哈尔滨工业大学 一种霍尔推力器的气体分配器/阳极一体化结构

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