CN112017840B - 一种低功率霍尔推力器用磁屏及固定结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功率霍尔推力器用磁屏及固定结构，包括磁屏和磁屏安装支架，磁屏采用导磁材料，磁屏安装支架为不导磁奥氏体不锈钢材料。两个零件通过凸台相互配合，采用熔焊的方式实现稳定可靠的连接，同时通过磁屏安装支架上的翻边结构与推力器中的其他零件相连接。本发明通过将内外磁屏进行一体化设计的思路，实现了与较大功率霍尔推力器相似的磁路结构。同时陶瓷通道可以固定在内外磁屏一体化的结构上，弥补了小功率霍尔推力器中内线圈与陶瓷通道的轴向长度之差。

Description

一种低功率霍尔推力器用磁屏及固定结构

技术领域

本发明涉及一种低功率霍尔推力器用磁屏及固定结构，适用于霍尔推力器

背景技术

霍尔推进技术是目前航天器用电推进的主流技术方向，霍尔推力器主要包括空心阴极、放电室、磁极、磁线圈、阳极/气体分配器、推进剂输送管路和支撑结构；采用霍尔推进技术可以增加航天器有效载荷，降低发射成本，延长使用寿命，是未来提高商业卫星效率，增加竞争力的有效手段。

霍尔推力器由空心阴极、放电室、磁极(由前后磁极板，内外磁芯，内外磁屏等组成)、内磁线圈、外磁线圈、阳极/气体分配器、推进剂输送管路及支撑结构等组成。其工作原理为：阴极发射的部分电子进入放电室，在正交的径向磁场与轴向电场的共同作用下向阳极漂移，在漂移过程中与从阳极/气体分配器出来的中性推进剂原子碰撞，使得工质原子电离。由于存在强的径向磁场，在轴向电场的作用下沿轴向高速喷出，从而产生推力。与此同时，阴极发射出的另一部分电子与轴向喷出的离子中和，保持了推力器羽流的宏观电中性。，主要结构如图1所示。

霍尔推力器的磁路系统是其核心部件，磁路系统中包含外线圈组件1-1、外磁极1-2、内磁极1-3、导磁件1-4、内线圈1-5、附加线圈1-6、内磁屏1-7、外磁屏1-8。以上磁路系统可以保证霍尔推力器通道内的磁场具有如下特征：零磁场区和磁力线凸向阳极。这种磁场特征是目前高性能霍尔推力器所常采用的磁场位型。磁路系统和阳极/分配器1-10、陶瓷通道1-9共同组成了霍尔推力器的加速器组件。

在几百到几千瓦量级的霍尔推力器磁屏通常由两个零件组成，如图1中的内磁屏1-7和外磁屏1-8，内、外磁屏通常带有翻边结构，再通过螺接方式固定在加速器底板位置处。随着霍尔推力器朝着小功率方向的发展，推力器的尺寸也越来越小，在底板上布置两个磁屏不易实现。此外随着功率和尺寸的降低，推力器的内线圈1-5与陶瓷通道1-9的轴向长度之差会越来越大，需要额外增加结构以弥补这个长度差。鉴于此，有的小功率霍尔推力器上不再布置磁屏结构，这会导致通道中的磁场难以实现上述的特征。因此性能也就受到很大影响。

现有的小功率霍尔推力器上的一个磁屏实现的方案是将阳极选用导磁材料，这样阳极就会同时承担起磁屏的作用，这样就会节省一部分空间，但是存在的问题在于，由于阳极是位于陶瓷通道内部，是参与放电的重要部件，在推力器工作时电子会不断轰击阳极导致其温度升高至数百摄氏度，在如此高温情况下，导磁材料的磁性能会受到影响，容易引起磁场发生变化，进而导致性能发生变化。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种新的磁屏及固定方式的结构。通过将内外磁屏进行一体化设计的思路，实现了与较大功率霍尔推力器相似的磁路结构。同时陶瓷通道可以固定在内外磁屏一体化的结构上，弥补了小功率霍尔推力器中内线圈与陶瓷通道的轴向长度之差。

本发明的技术解决方案是：一种低功率霍尔推力器用磁屏及固定结构，包括磁屏，磁屏安装支架；磁屏沿轴向推入到磁屏安装支架，磁屏的凸台与磁屏安装支架的凸台相互配合实现配合，并将配合处采用熔焊方式实现稳定可靠连接。

所述磁屏为圆筒形槽状结构，包含有左端的一个环形凸台，和右端的一个环形槽；所述环形凸台定义为第一环形凸台，包含有两个圆柱面和一个端面，所述第一环形凸台的两个圆柱面同轴心设置，按照直径由大到小分别为第一圆柱面和第二圆柱面；所述端面为第一端面；所述环形槽包含有四个圆柱面和三个端面，所述四个圆柱面同轴心设置，按照直径由大到小分别为第三圆柱面、第四圆柱面、第五圆柱面和第六圆柱面，所述三个端面平行设置，从左到右分别为第二端面、第三端面和第四端面；所述环形槽的四个圆柱面在轴向上起始于第二端面，终止于第四端面；所述第四圆柱面、第五圆柱面和第三端面组成环形槽的内腔，所述内腔的底部由第二端面和第三端面组成，所述底部上均匀开有圆孔；所述第一环形凸台的第一端面与所述环形槽的三个端面平行设置，所述第一环形凸台的在轴向上的高度为L1。

所述圆孔的数量为3个或4个，所述圆孔的圆心位于同一个圆，所述圆与环形槽的四个圆柱面同轴心设置，所述圆的直径等于所述第四圆柱面直径和第五圆柱面直径之和的一半。

所述第一环形凸台的第一圆柱面与环形槽的第三圆柱面直径相等。

所述磁屏安装支架为圆筒形结构，所述圆筒形结构的左端包含有一个翻边结构和右端的一个环形凸台结构，所述环形凸台结构定义为第二环形凸台；所述翻边结构和第二环形凸台中间通过一个圆筒连接，所述圆筒包含两个圆柱面，所述圆筒的两个圆柱面同轴心设置，直径从大到小分别为第七圆柱面和第八圆柱面；所述翻边结构包含两个圆柱面和两个端面，所述翻边结构的两个圆柱面同轴心设置，所述翻边结构的两个圆柱面的其中之一为第八圆柱面，所述翻边结构的两个圆柱面中的另外一个圆柱面为本零件中直径最大的圆柱面，为第九圆柱面。所述翻边结构两个端面平行设置，述端面自左至右分别为第五端面和第六端面，所述翻边结构在轴向上始于第六端面，止于第五端面，所述翻边结构在周向上均匀布置有光孔或螺纹孔；所述第二环形凸台包含有两个圆柱面和一个端面，所述第二环形凸台的两个圆柱面同轴心设置，所述第二环形凸台的两个圆柱面的其中之一为第八圆柱面，所述第二环形凸台的两个圆柱面中的另外一个圆柱面为第十圆柱面，所述第十圆柱面的自轴向上始于第七端面，终于第八端面，所述第八端面也是所述凸台结构的终止端面；所述第二环形凸台在轴向上的高度为L2。

所述光孔或螺纹孔的数量为3个或4个。

所述第十圆柱面的直径小于第七圆柱面，所述第十圆柱面的直径大于第八圆柱面。

所述磁屏包含的第二圆柱面的直径与所述磁屏安装支架包含的第十圆柱面直径相等，所述磁屏包含的第一圆柱面与所述磁屏安装支架包含的第七圆柱面直径相等，所述磁屏包含的第一环形凸台的高度L1≥所述磁屏安装支架包含的第二环形凸台的高度L2。

磁屏的材料为DT4C或1J22软磁合金，磁屏安装支架材料为为不导磁的奥氏体不锈钢。

磁屏安装支架的中的圆筒包含多种结构形式，具体可采用不镂空结构或镂空槽结构，其中镂空槽结构为在周向上均布相同数量的镂空槽，镂空槽与镂空槽之间的肋的宽度＞1mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明通过内外磁屏一体化的结构方式，在小功率霍尔推力器实现了与大功率霍尔推力器相似的磁路结构，结构简单，有利于小功率霍尔推力器的轻量化设计。同时陶瓷通道可以固定在内外磁屏一体化的结构上，弥补了小功率霍尔推力器中内线圈与陶瓷通道的轴向长度之差

2、本发明的内外磁屏一体化结构的零件布置在通道外侧，并没有起到阳极作用，避免了现有技术方案中阳极采用导磁材料导致的温度过高，磁性能下降的问题。

3、本发明整体结构紧凑、通用便捷，与现有技术相比，所开发的推力器更加轻质，尤其适用于面向商业卫星的低功率、低成本的推力器的使用，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1为霍尔推力器结构图；

图2为本发明的三维图；

图3为本发明的磁屏剖面图；

图4为开有三个光孔的磁屏结构图；

图5为开有四个光孔的磁屏结构图

图6为本发明的磁屏固定支架剖面图；

图7为磁屏固定支架不镂空结构三维图；

图8为磁屏固定支架镂空槽结构三维图；

图9为本发明的剖面及焊缝图；

图10为典型的聚焦磁场结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图2所示，一种低功率霍尔推力器用磁屏及固定结构。包含磁屏1和磁屏安装支架2。磁屏1为导磁件，磁屏安装支架2为非导磁件。

磁屏的材料为DT4C或1J22软磁合金，磁屏安装支架材料为奥氏体不锈钢；磁屏1为圆筒形槽状结构，如图3所示，包含有左端的一个环形凸台，和右端的一个环形槽。所述环形凸台定义为第一环形凸台，包含有两个圆柱面和一个端面，所述第一环形凸台的两个圆柱面同轴心设置，按照直径由大到小分别为第一圆柱面和第二圆柱面。所述端面为第一端面；所述环形槽包含有四个圆柱面和三个端面，所述四个圆柱面同轴心设置，按照直径由大到小分别为第三圆柱面、第四圆柱面、第五圆柱面和第六圆柱面，所述三个端面平行设置，从左到右分别为第二端面、第三端面和第四端面。所述环形槽的四个圆柱面在轴向上起始于第二端面，终止于第四端面。所述第四圆柱面、第五圆柱面和第三端面组成环形槽的内腔，所述内腔的底部由第二端面和第三端面组成，所述底部上均匀开有圆孔，所述圆孔的数量为3或者4，如图4和图5所示，所述圆孔的圆心位于同一个圆，所述圆与环形槽的四个圆柱面同轴心设置，所述圆的直径等于所述第四圆柱面直径和第五圆柱面直径之和的一半；所述第一环形凸台的第一端面与所述环形槽的三个端面平行设置，所述第一环形凸台的第一圆柱面与环形槽的第三圆柱面直径相等。所述第一环形凸台的在轴向上的高度为L1；

磁屏安装支架2为圆筒形结构，如图6所示，所述圆筒形结构的左端包含有一个翻边结构和右端的一个环形凸台结构，所述环形凸台结构定义为第二环形凸台。所述翻边结构和第二环形凸台中间通过一个圆筒连接，所述圆筒包含两个圆柱面，所述圆筒的两个圆柱面同轴心设置，直径从大到小分别为第七圆柱面和第八圆柱面。所述翻边结构包含两个圆柱面和两个端面，所述翻边结构的两个圆柱面同轴心设置，所述翻边结构的两个圆柱面的其中之一为第八圆柱面，所述翻边结构的两个圆柱面中的另外一个圆柱面为本零件中直径最大的圆柱面，为第九圆柱面。所述翻边结构两个端面平行设置，述端面自左至右分别为第五端面和第六端面，所述翻边结构在轴向上始于第六端面，止于第五端面，所述翻边结构在周向上均匀布置有光孔或螺纹孔，光孔或螺纹孔的数量为3或者4。所述第二环形凸台包含有两个圆柱面和一个端面，所述第二环形凸台的两个圆柱面同轴心设置，所述第二环形凸台的两个圆柱面的其中之一为第八圆柱面，所述第二环形凸台的两个圆柱面中的另外一个圆柱面为第十圆柱面，所述第十圆柱面的自轴向上始于第七端面，终于第八端面，所述第八端面也是所述凸台结构的终止端面，所述第十圆柱面的直径小于第七圆柱面，所述第十圆柱面的直径大于第八圆柱面。所述第二环形凸台在轴向上的高度为L2；磁屏1包含的第二圆柱面的直径与所述磁屏安装支架2包含的第十圆柱面直径相等，所述磁屏1包含的第一圆柱面与所述磁屏安装支架2包含的第七圆柱面直径相等，所述磁屏1包含的第一环形凸台的高度L1≥所述磁屏安装支架定义2定义包含的第二环形凸台的高度L2；

磁屏安装支架2的中的圆筒包含多种结构形式，具体可采用不镂空的结构如图7所示，或镂空槽结构如图8所示，其中镂空槽结构为在周向上均布相同数量的镂空槽，镂空槽与镂空槽之间的肋的宽度＞1mm

在实际的操作过程中将磁屏定义1定义沿着轴向推入到磁屏安装支架2，使得磁屏1包含的第一端面与磁屏安装支架2的第七端面重合，重合位置在径向上采用熔焊的方式实现稳定可靠连接，焊缝如图9所示。

两个零件焊接完成后通过磁屏安装支架2上的光孔或螺纹孔实现与其他零件的安装。

本发明的工作原理是：

由磁屏1和磁屏安装支架2组成的结构，将内外磁屏设计在同一个零件上，且该零件位于通道外。磁屏1包含的两个圆柱面和一个平面能够将外部磁场屏蔽，实现通道中的零磁场分布和磁力线凸向阳极。两个零件通过熔焊的方式实现可靠连接后再通过螺接方式实现与其他零件的连接。采用该结构实现的磁场如图10所示，可以看出，虚线包围的磁场是典型的聚焦磁场结构。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种低功率霍尔推力器用磁屏，其特征在于，包括磁屏(1)，磁屏安装支架(2)；磁屏(1)沿轴向推入到磁屏安装支架(2)，磁屏(1)的凸台与磁屏安装支架(2)的凸台相互配合实现配合，并将配合处采用熔焊方式实现稳定可靠连接；

所述磁屏(1)为圆筒形槽状结构，包含有左端的一个环形凸台，和右端的一个环形槽；所述环形凸台命名为第一环形凸台，包含有两个圆柱面和一个端面，所述第一环形凸台的两个圆柱面同轴心设置，按照直径由大到小分别为第一圆柱面和第二圆柱面；所述端面为第一端面；所述环形槽包含有四个圆柱面和三个端面，所述四个圆柱面同轴心设置，按照直径由大到小分别为第三圆柱面、第四圆柱面、第五圆柱面和第六圆柱面，所述三个端面平行设置，从左到右分别为第二端面、第三端面和第四端面；所述环形槽的四个圆柱面在轴向上起始于第二端面，终止于第四端面；所述第四圆柱面、第五圆柱面和第三端面组成环形槽的内腔，所述内腔的底部由第二端面和第三端面组成，所述底部上均匀开有圆孔；所述第一环形凸台的第一端面与所述环形槽的三个端面平行设置，所述第一环形凸台的第一圆柱面与环形槽的第三圆柱面直径相等；所述第一环形凸台的在轴向上的高度为L1。

2.根据权利要求1所述的一种低功率霍尔推力器用磁屏，其特征在于，所述圆孔的数量为3个或4个，所述圆孔的圆心位于同一个圆，所述圆与环形槽的四个圆柱面同轴心设置，所述圆的直径等于所述第四圆柱面直径和第五圆柱面直径之和的一半。

3.根据权利要求2所述的一种低功率霍尔推力器用磁屏，其特征在于，所述第一环形凸台的第一圆柱面与环形槽的第三圆柱面直径相等。

4.根据权利要求2所述的一种低功率霍尔推力器用磁屏，其特征在于，所述磁屏安装支架(2)为圆筒形结构，所述圆筒形结构的左端包含有一个翻边结构和右端的一个环形凸台结构，所述环形凸台结构命名为第二环形凸台；所述翻边结构和第二环形凸台中间通过一个圆筒连接，所述圆筒包含两个圆柱面，所述圆筒的两个圆柱面同轴心设置，直径从大到小分别为第七圆柱面和第八圆柱面；所述翻边结构包含两个圆柱面和两个端面，所述翻边结构的两个圆柱面同轴心设置，所述翻边结构的两个圆柱面的其中之一为第八圆柱面，所述翻边结构的两个圆柱面中的另外一个圆柱面为本零件中直径最大的圆柱面，为第九圆柱面；所述翻边结构两个端面平行设置，所述端面自左至右分别为第五端面和第六端面，所述翻边结构在轴向上始于第六端面，止于第五端面，所述翻边结构在周向上均匀布置有光孔或螺纹孔；所述第二环形凸台包含有两个圆柱面和一个端面，所述第二环形凸台的两个圆柱面同轴心设置，所述第二环形凸台的两个圆柱面的其中之一为第八圆柱面，所述第二环形凸台的两个圆柱面中的另外一个圆柱面为第十圆柱面，所述第十圆柱面的自轴向上始于第七端面，终于第八端面，所述第八端面也是所述凸台结构的终止端面，所述第十圆柱面的直径小于第七圆柱面，所述第十圆柱面的直径大于第八圆柱面；所述第二环形凸台在轴向上的高度为L2。

5.根据权利要求4所述的一种低功率霍尔推力器用磁屏，其特征在于，所述光孔或螺纹孔的数量为3个或4个。

6.根据权利要求4所述的一种低功率霍尔推力器用磁屏，其特征在于，所述第十圆柱面的直径小于第七圆柱面，所述第十圆柱面的直径大于第八圆柱面。

7.根据权利要求4所述的一种低功率霍尔推力器用磁屏，其特征在于，所述磁屏(1)包含的第二圆柱面的直径与所述磁屏安装支架(2)包含的第十圆柱面直径相等，所述磁屏(1)包含的第一圆柱面与所述磁屏安装支架(2)包含的第七圆柱面直径相等，所述磁屏(1)包含的第一环形凸台的高度L1≥所述磁屏安装支架(2)包含的第二环形凸台的高度L2。

8.根据权利要求1所述的一种低功率霍尔推力器用磁屏，其特征在于，磁屏(1)的材料为DT4C或1J22软磁合金，磁屏安装支架(2)材料为不导磁的奥氏体不锈钢。

9.根据权利要求1所述的一种低功率霍尔推力器用磁屏，其特征在于，磁屏安装支架(2)的中的圆筒包含多种结构形式，具体采用不镂空结构或镂空槽结构，其中镂空槽结构为在周向上均布相同数量的镂空槽，镂空槽与镂空槽之间的肋的宽度＞1mm。

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