CN111622912A - 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 - Google Patents

Abstract

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，涉及一种霍尔推力器磁分界面形态的磁路结构设计技术，为了解决现有的导磁柱霍尔推力器存在磁分界面，导致电子损失高、电子利用效率低以及推力器放电效率低的问题。本发明通过在所述导磁柱霍尔推力器上增加上侧外壳或下侧外壳；通过改变上侧外壳或下侧外壳的位置、高度和厚度，实现调整磁分界面的形态；增设上侧外壳以增大磁分界面与推力器轴线的角度；增设下侧外壳以减小磁分界面与推力器轴线的角度；上侧外壳间隔设置在外励磁线圈外侧，并与外磁极的外边缘接触；下侧外壳间隔设置在外励磁线圈外侧，并与底板的外边缘接触。有益效果降低电子损失、提升电子利用效率、实现推力器高效率。

Description

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

技术领域

本发明涉及一种霍尔推力器磁分界面形态的磁路结构设计技术。

背景技术

霍尔推力器是一种利用正交电磁场电离加速工质气体产生推力的电推进装置，主要应用于航天推进领域；霍尔推力器在通道内部形成正交的电磁场，阴极发射的电子在到达通道底部阳极的过程中被磁场约束，绕磁力线做拉莫尔回旋运动；推进剂从通道底部注入，中性原子与电子在通道中碰撞电离，产生大量的离子、电子；离子在轴向电场的作用下高速喷出形成羽流，从而产生推力；霍尔推力器具有结构简单、比冲高、工作可靠等优点，可大大提高航天器的有效载荷率，适用于航天器的位置保持、轨道转移等任务。

霍尔推力器按励磁结构不同可分为导磁罩霍尔推力器与导磁柱霍尔推力器两种；其中，导磁柱霍尔推力器具有径向尺寸小、重量轻、散热面积大等优点，被广泛采用；但导磁柱霍尔推力器必然存在磁分界面，这是因为，导磁柱霍尔推力器中内外励磁电流相反，若内励磁产生的磁力线从内磁极表面发出，在推力器左半部分呈逆时针方向，则外励磁产生的磁力线从底板发出，在推力器左半部分呈顺时针方向，二者方向相反；当在空间的某些位置上，顺时针、逆时针的磁场强度在某一分量上相互抵消，则二者磁力线会汇聚成一条线，即磁分界面；磁分界面通常起始于外磁极外边缘，以一定的形态向外部延伸。

在霍尔推力器中，由于尺寸、散热等原因，阴极通常布置在霍尔推力器外部，阴极摆放区域与磁分界面区域有重叠；已有实验数据表明，在导磁柱霍尔推力器中，磁分界面的存在会影响电子进入放电通道的运动行为，阴极与磁分界面的相对位置会明显的影响推力器的放电状态，目前，现有的导磁柱霍尔推力器受阴极位置影响较大，当阴极位置在磁分界面外时，存在电子损失高、电子利用效率以及放电效率低问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的导磁柱霍尔推力器存在磁分界面，导致电子损失高、电子利用效率低以及推力器放电效率低的问题，提出了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。

本发明所述的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，该磁路结构设计方法是基于导磁柱霍尔推力器实现的；

所述导磁柱霍尔推力器包括内铁芯、内磁极、内励磁线圈、内磁屏、一体式陶瓷放电通道、外磁屏、外磁极、导磁柱、外励磁线圈、阳极和底板；

内铁芯为圆柱形，其内铁芯竖直固定在底板上，并且内铁芯与底板为一体结构；

内磁极设置在内铁芯的顶端，内励磁线圈缠绕在内铁芯的侧壁上，内磁屏和外磁屏依次由内向外设置在内励磁线圈的外部；一体式陶瓷放电通道设置在内磁屏和外磁屏之间；导磁柱设置在外磁屏的外部，并且导磁柱的底端固定在底板上，外磁极设置在导磁柱的顶端，外励磁线圈缠绕在导磁柱的侧壁上；

阳极设置在一体式陶瓷放电通道内，并且阳极的一端依次穿过在一体式陶瓷放电通道和底板；

该磁路结构设计方法具体为：在所述导磁柱霍尔推力器上增加上侧外壳或下侧外壳；

通过改变上侧外壳或下侧外壳的位置、高度和厚度，实现调整磁分界面的形态；其中，增设上侧外壳以增大磁分界面与推力器轴线的角度；增设下侧外壳以减小磁分界面与推力器轴线的角度；

上侧外壳间隔设置在外励磁线圈上部的外侧，并且上侧外壳的顶部与外磁极的外边缘接触；

下侧外壳间隔设置在外励磁线圈下部的外侧，并且下侧外壳的底部与底板的外边缘接触。

优选的是，内铁芯、内磁极、内磁屏、外磁屏、外磁极、导磁柱、上侧外壳和下侧外壳分别采用DT4C纯铁制成。

优选的是，一体式陶瓷放电通道采用氮化硼和二氧化硅的混合物制成。

优选的是，内励磁线圈通过将耐高温铜线均匀缠绕在铝合金线圈骨架上制作而成，外励磁线圈通过将耐高温铜线均匀缠绕在导磁柱上制作而成。

本发明的有益效果是通过增设上侧外壳和下侧外壳改变导磁柱霍尔推力器磁分界面形态的结构，通过在不同位置增设适当尺寸的外壳，可改变磁分界面与推力器所呈角度，从而控制推力器工作时电子进入放电通道的运动行为，达到降低电子损失、提升电子利用效率、实现推力器高效率放电的目的。

附图说明

图1为具体实施方式一中的导磁柱霍尔推力器剖视图；

图2为具体实施方式一中的导磁柱霍尔推力器俯视图；

图3为具体实施方式一中的三种配置的导磁柱霍尔推力器立体结构示意图，其中，a为现有的导磁柱霍尔推力器立体结构示意图，b为增加上侧外壳的导磁柱霍尔推力器立体结构示意图，c为增加下侧外壳的导磁柱霍尔推力器立体结构示意图；

图4为具体实施方式一中现有的导磁柱霍尔推力器磁场位形图；

图5为具体实施方式一中增加上侧外壳的导磁柱霍尔推力器磁场位形图；

图6为具体实施方式一中增加下侧外壳的导磁柱霍尔推力器磁场位形图；

图7为具体实施方式一中三种配置的导磁柱霍尔推力器磁分界面示意图；

图8为具体实施方式一中三种配置的导磁柱霍尔推力器磁极表面磁场强度示意图，其中，0为导磁柱霍尔推力器轴线；

图9为具体实施方式一中三种配置的导磁柱霍尔推力器通道中心磁场强度示意图，其中，0为导磁柱霍尔推力器通道出口。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述的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，该磁路结构设计方法是基于导磁柱霍尔推力器实现的；

所述导磁柱霍尔推力器包括内铁芯1、内磁极2、内励磁线圈3、内磁屏4、一体式陶瓷放电通道5、外磁屏6、外磁极7、导磁柱8、外励磁线圈10、阳极12和底板13；

内铁芯1为圆柱形，其内铁芯1竖直固定在底板13上，并且内铁芯1与底板13为一体结构；

内磁极2设置在内铁芯1的顶端，内励磁线圈3缠绕在内铁芯1的侧壁上，内磁屏4和外磁屏6依次由内向外设置在内励磁线圈3的外部；一体式陶瓷放电通道5设置在内磁屏4和外磁屏6之间；导磁柱8设置在外磁屏6的外部，并且导磁柱8的底端固定在底板13上，外磁极7设置在导磁柱8的顶端，外励磁线圈10缠绕在导磁柱8的侧壁上；

阳极12设置在一体式陶瓷放电通道5内，并且阳极12的一端依次穿过在一体式陶瓷放电通道5和底板13；

该磁路结构设计方法具体为：在所述导磁柱霍尔推力器上增加上侧外壳9或下侧外壳11；

通过改变上侧外壳9或下侧外壳11的位置、高度和厚度，实现调整磁分界面的形态；其中，增设上侧外壳9以增大磁分界面与推力器轴线的角度；增设下侧外壳11以减小磁分界面与推力器轴线的角度；

上侧外壳9间隔设置在外励磁线圈10上部的外侧，并且上侧外壳9的顶部与外磁极7的外边缘接触；

下侧外壳11间隔设置在外励磁线圈10下部的外侧，并且下侧外壳11的底部与底板13的外边缘接触。

本实施方式给出的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，通过在推力器外部不同位置增设适当尺寸的外壳结构(上侧外壳9和下侧外壳11)，可以灵活地调整磁分界面的形态，控制推力器工作时电子进入放电通道的运动行为，进而达到降低电子损失、提升电子利用效率、实现推力器高效率放电的目的。

现有的导磁柱霍尔推力器如图3中a图所示；在推力器外部上方增设上侧外壳9，如图3中b图所示，以增大磁分界面与推力器轴线的角度，上侧外壳9厚度为2mm，高度为30mm；在推力器外部增设下侧外壳11，如图3中c图所示，以减小磁分界面与推力器轴线的角度，下侧外壳11的厚度为2mm，高度为35mm。

具体原理如图1所示：内励磁线圈3产生的磁力线从内磁极2表面发出，在推力器左半部分呈逆时针，外励磁线圈10产生的磁力线从底板3表面发出，在推力器左半部分呈顺时针，顺时针、逆时针的磁场强度在某一分量上相互抵消，则二者磁力线会汇聚成磁分界面，即图中磁场分界线。此时，若在推力器外部上方增设上侧外壳9，则会减小磁分界面附近的顺时针磁力线的磁场强度，此时磁分界面与推力器所成角度变大。同理，若在推力器外部下方增设下侧外壳11，则会增大磁分界面附近的顺时针磁力线的磁场强度，此时磁分界面与推力器所成角度变小。

在图4中，其内线圈ni值(线圈匝数与线圈电流的乘积)为765，外线圈ni值为400，图中实线为磁分界面。

在图5中，其内线圈ni值为765，外线圈ni值为394，图中短虚线为磁分界面。

在图6中，其内线圈ni值为765，外线圈ni值为390，图中长虚线为磁分界面。

在图7中，由三种配置的磁分界面对比图，可以看出，上侧外壳9磁分界面与轴线所呈夹角大于初始推力器，下侧外壳11磁分界面与轴线所呈夹角小于初始推力器。

在图8中，由三种配置推力器磁极表面磁场强度，可以看出，通过外壳可以调整磁分界面附近磁场强度，使其下侧外壳磁场强度＞初始状态磁场强度＞上侧外壳磁场强度。

在图9中，由三种配置推力器通道中心线磁场强度，可以看出三种配置中心线磁场基本一致。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的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进一步限定，在本实施方式中，内铁芯1、内磁极2、内磁屏4、外磁屏6、外磁极7、导磁柱8、上侧外壳9和下侧外壳11分别采用DT4C纯铁制成。

在本实施方式中，通过上述设置保证结构的导磁性和耐高温性，同时保证结构的强度，有效保证导磁的稳定性，提升抗高温、抗粒子轰击能力。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的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进一步限定，在本实施方式中，一体式陶瓷放电通道5采用氮化硼和二氧化硅的混合物制成。

在本实施方式中，通过上述设置保证陶瓷管的硬度和致密性，有效提升抗高温、抗粒子轰击能力。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的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进一步限定，在本实施方式中，内励磁线圈3通过将耐高温铜线均匀缠绕在铝合金线圈骨架上制作而成，外励磁线圈10通过将耐高温铜线均匀缠绕在导磁柱8上制作而成。

在本实施方式中，通过上述设置保证结构的强度及耐高温性，通过给线圈供以稳态直流电流有效保证产生稳定的空间磁场。

Claims (4)

1.一种调节导磁柱霍尔推力器磁分界面形态的磁路设计方法，该磁路结构设计方法是基于导磁柱霍尔推力器实现的；

所述导磁柱霍尔推力器包括内铁芯(1)、内磁极(2)、内励磁线圈(3)、内磁屏(4)、一体式陶瓷放电通道(5)、外磁屏(6)、外磁极(7)、导磁柱(8)、外励磁线圈(10)、阳极(12)和底板(13)；

内铁芯(1)为圆柱形，其内铁芯(1)竖直固定在底板(13)上，并且内铁芯(1)与底板(13)为一体结构；

内磁极(2)设置在内铁芯(1)的顶端，内励磁线圈(3)缠绕在内铁芯(1)的侧壁上，内磁屏(4)和外磁屏(6)依次由内向外设置在内励磁线圈(3)的外部；一体式陶瓷放电通道(5)设置在内磁屏(4)和外磁屏(6)之间；导磁柱(8)设置在外磁屏(6)的外部，并且导磁柱(8)的底端固定在底板(13)上，外磁极(7)设置在导磁柱(8)的顶端，外励磁线圈(10)缠绕在导磁柱(8)的侧壁上；

阳极(12)设置在一体式陶瓷放电通道(5)内，并且阳极(12)的一端依次穿过在一体式陶瓷放电通道(5)和底板(13)；

其特征在于，该磁路结构设计方法具体为：在所述导磁柱霍尔推力器上增加上侧外壳(9)或下侧外壳(11)；

通过改变上侧外壳(9)或下侧外壳(11)的位置、高度和厚度，实现调整磁分界面的形态；其中，增设上侧外壳(9)以增大磁分界面与推力器轴线的角度；增设下侧外壳(11)以减小磁分界面与推力器轴线的角度；

上侧外壳(9)间隔设置在外励磁线圈(10)上部的外侧，并且上侧外壳(9)的顶部与外磁极(7)的外边缘接触；

下侧外壳(11)间隔设置在外励磁线圈(10)下部的外侧，并且下侧外壳(11)的底部与底板(13)的外边缘接触。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，内铁芯(1)、内磁极(2)、内磁屏(4)、外磁屏(6)、外磁极(7)、导磁柱(8)、上侧外壳(9)和下侧外壳(11)分别采用DT4C纯铁制成。

3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，一体式陶瓷放电通道(5)采用氮化硼和二氧化硅的混合物制成。

4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，内励磁线圈(3)通过将耐高温铜线均匀缠绕在铝合金线圈骨架上制作而成，外励磁线圈(10)通过将耐高温铜线均匀缠绕在导磁柱(8)上制作而成。

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