CN112696330B - 一种霍尔推力器的磁极结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种霍尔推力器的磁极结构，包括：宽包络外磁极部件、磁桥、宝塔型内磁极部件、上板和底板，多片所述宽包络型外磁极部件以所述宝塔型内磁极部件为中心对称布局在推力器外缘，合围形成半开放的外磁结构，所述磁桥位于所述宽包络型外磁极部件和所述宝塔型内磁极部件之间，所述底板紧贴所述宽包络型外磁极部件和所述宝塔型内磁极部件底部，所述上板紧贴所述宽包络型外磁极部件上部。由于外磁极在周向扩展，使磁力线从更宽区域导入上板、底板，磁力线分散在上板、底板表面，而不像分立圆磁柱的磁力线在上板、底板面上呈对角线集中分布的。因此，宽包络型外磁极具有更好的磁场分布均匀性。

Description

一种霍尔推力器的磁极结构

技术领域

本发明涉及磁极结构，具体地，涉及一种霍尔推力器的磁极结构。

背景技术

霍尔推力器已广泛应用于各类卫星、深空探测器等，成为高轨卫星平台的标准配置。目前应用的霍尔推力器主要采用两种典型的磁路结构：分立磁柱、环形外磁极。人们一直在研究从磁场进一步提升霍尔推力器性能的途径。

如专利文件CN104632565B公开的一种霍尔推力器磁路结构，涉及霍尔推力器技术领域。该磁路结构采用分立外磁极，利用磁屏圆周面、底座开孔来增加散热效果。其缺点是磁通面积减小带来磁导不充分，特别是当推力器需要有一定拓展能力时，将面临磁饱和风险，另外，也没有解决磁场分布均匀性、理想散热的问题。

霍尔推力器内、外磁极结构影响磁场构型的关键部件，由于磁极工作在推力器核心高温区域，热量是必须控制的重点因素，当工作温度超过0.78倍磁性材料的居里温度，材料的导磁能力急剧骤降，达到居里温度，导磁能力消失。采用宽包络型外磁极结构，在圆周方向延伸外磁极，引导磁场分布更加均匀分布，由于磁场对电子的约束，使放电通道内电子均匀分布、电子沿通道输运的壁面电导、电场分布和电离率沿周向更加均匀；同时半开放结构使推力器散热能力大幅改善，最终能达到提高霍尔推力器性能的目的。而内磁结构热量主要通过传导将热量传递给外磁极、上板、底板，再散发出去。内磁结构不采用开孔、挖槽等减小磁通的设计，使之仍保持足够磁通余量，从而确保在较高温度下仍不会发生磁饱和，影响推力器性能。内磁极结构采用宝塔型设计，通过陶瓷绝缘支撑磁桥，显著提升推力器抗力学冲击的能力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种霍尔推力器的磁极结构。

根据本发明提供的一种霍尔推力器的特殊磁极结构，其特征在于，包括：宽包络型外磁极部件、磁桥、宝塔型内磁极部件、上板和底板，多片所述宽包络型外磁极部件以所述宝塔型内磁极部件为中心对称布局在推力器外缘，合围形成半开放的外磁结构，所述磁桥位于所述宽包络型外磁极部件和所述宝塔型内磁极部件之间并与所述宽包络型外磁极部件和所述宝塔型内磁极部件磁路连接，所述底板紧贴所述宽包络型外磁极部件和所述宝塔型内磁极部件底部，所述上板紧贴所述宽包络型外磁极部件上部，所述上板中间有通孔，所述磁桥和所述宝塔型内磁极部件通过所述通孔与外部磁路连接；

—所述宝塔型内磁极部件由宝塔型内磁极、上内磁线圈以及下内磁线圈组成，所述宝塔型内磁极下部直径大于上部直径，所述上内磁线圈围绕所述宝塔型内磁极上部，所述下内磁线圈围绕所述宝塔型内磁极下部。

优选地，所述磁桥由内环、外环焊接而成，所述内环和所述外环之间形成空腔，所述内环和所述外环上均匀开小孔。

优选地，所述宽包络型外磁极部件由宽包络型外磁极和外磁线圈组成，所述外磁线圈围绕所述宽包络型外磁极。

优选地，所述宽包络型外磁极部件沿周向对应长度为d，n片长度为nd，圆周周长为L，使得0.5≤nd/L≤0.7。

优选地，多片所述宽包络型外磁极部件共同被一张金属网包围。

优选地，所述磁桥和所述下内磁线圈之间放置陶瓷片。

优选地，所述磁桥可由软磁材料制造。

优选地，所述磁桥工作温度处于所述软磁材料工作区，即小于0.78Tc。

优选地，所述宽包络型外磁极部件有多种形状，所述磁桥有多种形状。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、宽包络型外磁极使放电室周向磁场分布更加均匀。由于外磁极在周向扩展，使磁力线从更宽区域导入上板、底板，磁力线分散在上板、底板表面，而不像分立圆磁柱的磁力线在上板、底板面上呈对角线集中分布的。因此，宽包络型外磁极具有更好的磁场分布均匀性，使推力器放电通道内电离更加均匀，提高推力器性能。

2、宽包络型外磁极保证了磁场分布均匀性的同时，改善散热效果。霍尔推力器工作时，主要热源：首先，内部工作区生热，阳极和放电室区域温度最高，越往外部温度逐渐降低，主要依靠辐射和传导导出热量。由辐射而当单位面积辐射功率一定的情况下，散热热量和面积成正比，被阻挡的面积越小，辐射效果更好。相比环形磁极，宽包络型磁极形成良好的散热窗口，使热量能够通过窗口有效排放。其次，线圈生热，内外磁极的线圈通电流产生热量。宽包络型磁极增加周向宽度，有效加大了磁极散热面积，有利于磁线圈放热。宝塔型内磁结构在保持总安匝数不变的情况下，通过增加下部线圈匝数，有效降低励磁电流，减小推力器热负荷损失，最终提升推力器效率。良好的散热使磁桥的温度低于0.78Tc，不影响磁桥正常磁导。

3、宽包络型外磁极、宝塔型内磁极设计可以优化磁导流通。传统分立磁柱、环形外磁极，磁导流通面均较小，不利于磁导流通。本设计有效增加了磁导面，降低了磁阻损失，提高了磁导效果，有益于推力器获得更高的性能。

4、宝塔型内磁极上端细，下端粗，粗端作为承力底座支撑磁桥(阳极)，具有更好抗力学作用效果。

5、磁桥可同时作为磁路、放电腔道和正电极，大大减少了推力器的零件数量，从而使推力器更加轻便、小巧。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种霍尔推力器特殊磁极结构的立体示意图；

图2为一种霍尔推力器特殊磁极结构剖视示意图；

图3为磁桥内环喷气孔分布图；

图4为一种霍尔推力器特殊磁极结构的俯视图；

图5为磁桥的不同形状；

图6为一种霍尔推力器特殊磁极结构剖面二维平面展开图；

图7为宽包络型圆角菱形外磁极的剖面图；

图8为霍尔推力器特殊磁极结构的三维磁导流向图；

图9为不同形状的宽包络型外磁极图；

图10为带4片宽包络圆角菱形外磁极的霍尔推力器磁极结构外形图；

图11为霍尔推力器特殊磁极结构和传统磁路结构的径向磁感应强度对比图；

图12为霍尔推力器特殊磁极结构和传统磁路结构的周向磁场均匀性对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，一种霍尔推力器特殊磁极结构，包括：宽包络型外磁极部件1、磁桥2、宝塔型内磁极部件3、上板4、底板7；宽包络型外磁极部件1合围形成半开放的结构，在宽包络型外磁极部件1外面设置金属网12，用于屏蔽等离子体；出口内陶瓷环、出口外陶瓷环形成出口空间并安装在磁桥2的上部；宝塔型内磁部件3位于推力器中心轴线上，采取上细下粗的变截面结构，在宝塔型内磁极15上部缠绕上内磁线圈10，受磁桥空间限制，匝数较少；在其下部缠绕下内磁线圈11，可缠绕更多匝数。一方面，下部增粗使磁导面积增加，可弥补上部磁导的不足，优化磁导流通；另一方面，通过下部缠绕更多匝数，在安匝数不变的前提下，大幅降低励磁电流，降低推力器磁铁损耗，有效降低热载，从而提高推力器效率；同时，作为承力部件以支持磁桥2(阳极)，随着磁导面积增加，受力面也相应增加，使推力器具有更加良好的抗力学冲击能力。

磁桥由内环16、外环17组成，两环可根据需要，任意一环由软磁材料制成，也可同时由软磁材料制成，作为内磁极和外磁极之间的磁桥，磁路在磁桥和内、外磁极之间有漏磁空隙，最终形成闭环，在放电室通道内形成所需要的磁场，约束电子运动，加速离子喷出形成推力；内环16和外环17之间形成空腔，内环16上均匀分步气孔，气体由气管导入空腔，经缓冲均匀分配后再由小孔喷出进入磁桥2形成的放电通道；隔离绝缘陶瓷片13位于下内磁线圈11和磁桥2(正极)之间，起绝缘作用；磁桥作为放电通道，和放电工作区直接接触，通过合理热设计使其磁桥工作温度处于软磁材料工作区，即小于0.78Tc(Tc指居里温度)，不影响磁桥的正常磁导能力，使推力器能正常工作。

具体地如图7所示，相比传统霍尔推力器分立磁柱、环形磁极结构，本发明优选例提供的特殊磁极结构采用宽包络型外磁极8，延伸在推力器外围，使放电通道内磁场分布更加均匀，使电离均匀，有利于推力器取得更高效率。磁桥2由导磁材料制成，兼作磁屏，作为放电通道，相比于传统霍尔推力器，磁桥2宽度略大于出口陶瓷宽度，磁桥2深度较浅，形成陡峭的磁场构型，径向磁感应强度梯度更陡，有利于推力器提高加速性能，取得更高的比冲。

更具体地如图8至图10所示，宽包络型外磁极部件1是在宽包络型外磁极8外绕制外磁线圈9制成，若干个包络型外磁极部件均布在推力器外缘，并且固定在底板7上，由上板4压紧。宽包络型外磁极8沿周向对应长度为d，n片长度为nd，圆周周长为L，满足0.5≤nd/L≤0.7。宽包络型磁极8一方面具有更均匀的磁场分布，使气体工质在放电通道内均匀电离，提高推力器性能；另一方面，形成良好的散热窗口，使热量能够通过窗口有效排放。宽包络型外磁极8可以有不同的形状，如：圆角菱形、拱门形、三角形、平面形和梯形。

如图5所示，磁桥环可以采用不同形状：如双L形、倒角U形、圆弧U形、锥形等，以适应推力器内部的不同空间约束。

如图6所示，给出了霍尔推力器特殊磁极结构的磁导流向图，由图可见，磁路分成左半支路、右半支路，各自从相应的宽包络型外磁极1出发，流经磁桥2，并在出口形成漏磁，最后在中心宝塔型内磁极3汇合，流向底板7，再次分成左、右两支路，从两个宽包络型外磁极1又流回上板4。

如图11所示，霍尔推力器特殊磁极结构和传统磁路结构的径向磁感应强度对比由图可见，特殊磁极结构的磁场梯度更陡，达到41Gs/mm，传统磁路结构磁场梯度只有13Gs/mm。此外，和传统磁路结构相比，特殊磁极结构的最大径向磁感应强度从230Gs增加到270Gs，阳极径向磁感应强度从25Gs下降到5Gs，放电室出口位置从32.5mm移到15mm处，加速区长度从25mm压缩到3mm。这样的磁场构型使羽流发散角减小55％，从90°下降到40°，推力器比冲性能提高35％，效率提高20％。

如图12所示，特殊磁极结构具有更好的磁场分布均匀性，传统磁路磁场周向波动为8％，而特殊磁极结构的磁场周向波动下降一个数量级，只有4‰，磁场分布均匀性提高使推力器放电通道内电离更加均匀，提高推力器性能。此外，还大大减少磁场不均匀性对推力输出的影响，显著减小推力矢量偏心。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种霍尔推力器的磁极结构，其特征在于，包括：宽包络型外磁极部件（1）、磁桥（2）、宝塔型内磁极部件（3）、上板（4）和底板（7），多片所述宽包络型外磁极部件（1）以所述宝塔型内磁极部件（3）为中心对称布局在推力器外缘，合围形成半开放的外磁结构，所述磁桥（2）位于所述宽包络型外磁极部件（1）和所述宝塔型内磁极部件（3）之间并与所述宽包络型外磁极部件（1）和所述宝塔型内磁极部件（3）磁路连接，所述底板（7）紧贴所述宽包络型外磁极部件（1）和所述宝塔型内磁极部件（3）底部，所述上板（4）紧贴所述宽包络型外磁极部件（1）上部，所述上板（4）中间有通孔，所述磁桥（2）和所述宝塔型内磁极部件（3）通过所述通孔与外部磁路连接；

—所述宝塔型内磁极部件（3）由宝塔型内磁极（15）、上内磁线圈（10）以及下内磁线圈（11）组成，所述宝塔型内磁极（15）下部直径大于上部直径，所述上内磁线圈（10）围绕所述宝塔型内磁极（15）上部，所述下内磁线圈（11）围绕所述宝塔型内磁极（15）下部；

所述宽包络型外磁极部件（1）由宽包络型外磁极（8）和外磁线圈（9）组成，所述外磁线圈（9）围绕所述宽包络型外磁极（8），固定在底板7上，由上板4压紧；

所述宽包络型外磁极部件（1）沿周向对应长度为d，n片长度为nd，圆周周长为L，使得0.5£nd/L£0.7；

所述宽包络型外磁极部件（1）形成散热窗口，宽包络型外磁极（8）包括以下任一形状：圆角菱形、拱门形、三角形、平面形和梯形；

所述磁桥（2）和所述下内磁线圈（11）之间放置陶瓷片（13），所述磁桥（2）的上部安装出口内陶瓷环和出口外陶瓷环；

所述磁桥（2）由内环（16）、外环（17）焊接而成，所述内环（16）和所述外环（17）之间形成空腔，所述内环（16）上均匀开小孔，所述外环（17）外接气管（14）；气体由气管（14）导入空腔，经缓冲均匀分配后再由小孔喷出进入磁桥（2）形成的放电通道；陶瓷片（13）位于下内磁线圈（11）和磁桥（2）之间，起绝缘作用。

2.根据权利要求1所述一种霍尔推力器的磁极结构，其特征在于：多片所述宽包络型外磁极部件（1）共同被一张金属网（12）包围。

3.根据权利要求1所述一种霍尔推力器的磁极结构，其特征在于：所述磁桥（2）由软磁材料制造。

4.根据权利要求3所述一种霍尔推力器的磁极结构，其特征在于：所述磁桥（2）工作温度处于所述软磁材料工作区，即小于0.78Tc。

5.根据权利要求1所述一种霍尔推力器的磁极结构，其特征在于：所述宽包络型外磁极部件（1）有多种形状，所述磁桥（2）有多种形状。

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