CN112943572B - 一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构 - Google Patents

Abstract

一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构，涉及磁路设计技术领域，针对现有技术中加速区高能离子对放电通道壁面的溅射侵蚀使得霍尔推力器寿命低的问题，本发明所提出的磁路形成的磁场正梯度强磁场区位于通道外，且可以通过改变磁路结构实现不同后加载程度。可以大幅度改变通道内磁场强度分布，后加载程度可在0‑50％范围内连续可调节，可控制场强峰值位于通道出口内部或外部，进而延长了霍尔推力器的寿命。

Description

一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构

技术领域

本发明涉及磁路设计技术领域，具体为一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构。

背景技术

霍尔推力器是国际上应用最为广泛的一种空间电推进技术，利用电场和磁场共同作用将电能转换为工质动能的一种能量转换装置。具有结构简单、比冲高、效率高、工作寿命长等优势，适用于各类航天器的姿态控制、轨道修正、轨道转移、动力补偿、位置保持、重新定位、离轨处理、深空探测等任务，成为世界各国降低航天器总质量、提高平台有效载荷、延长在轨寿命的最有效手段之一。

随着近年来空间任务需求发生了巨大改变，如深空探测、南北保位等任务对电推进发动机的总冲、寿命等参数的要求急剧增加。而霍尔推力器工程应用的限制因素主要是其寿命问题，限制因素主要包括：加速区高能离子对放电通道壁面的溅射侵蚀、等离子体束流对磁路系统部件的溅射侵蚀、羽流中高能离子对阴极的轰击侵蚀、太空环境中推力器各部件材料因温度及辐射影响而老化。其中，最关键因素是加速区高能离子对放电通道壁面的溅射侵蚀。放电通道除了维持并参与霍尔推力器内等离子正常放电外，其还兼有保护霍尔推力器的磁路系统的功能。放电通道壁面被侵蚀后，加速区的高能离子直接轰击磁路结构，磁路结构被离子轰击而产生侵蚀，使得磁场分布偏离设计值，磁路系统持续遭到侵蚀，直到推力器的放电稳定性及性能进一步恶化甚至无法正常工作，这就标志着霍尔推力器的工作寿命彻底终结。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中加速区高能离子对放电通道壁面的溅射侵蚀使得霍尔推力器寿命低的问题，提出一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构，包括：内部磁路、外部磁路和底板7；

所述内部磁路包括内磁极1、内磁芯2、内磁屏3和内线圈8；

所述外部磁路包括外磁屏4、外磁极5、外磁壳6和外线圈9；

所述底板7、内磁极1、内磁芯2、内磁屏3、内线圈8、外磁屏4、外磁极5、外磁壳6和外线圈9为环形结构；

所述内磁芯2、内线圈8、内磁屏3、外磁屏4、外线圈9和外磁壳6依次远离轴线设置在底板7上，所述内线圈8、内磁屏3、外磁屏4和外线圈9之间设有间隔，所述内磁极1设置在内磁芯2和内线圈8上，所述外磁极5设置在外磁壳6和外线圈9上；

所述内磁极1、内磁屏3、外磁屏4和外磁极5远离底板7的一面为上端面，所述内磁极1、内磁屏3、外磁屏4和外磁极5靠近底板7的一面为下端面。

进一步的，所述内磁屏3上端面位于内磁极1上端面和内磁极1下端面之间。

进一步的，所述外磁屏4上端面位于外磁极5上端面和下端面之间。

进一步的，所述内磁极1远离轴线的一端与内磁屏3远离轴线的一端垂直于轴线的距离为内磁极特征尺寸d1；

所述内磁屏3径向厚度为内磁屏厚度b1；

所述内磁极特征尺寸d1大于内磁屏厚度b1。

进一步的，所述外磁屏4靠近轴线的一端与外磁极5靠近轴线的一端垂直于轴线的距离为外磁极特征尺寸d3；

所述外磁屏4径向厚度为外磁屏厚度b2；

所述外磁极特征尺寸d3大于或等于外磁屏厚度b2。

进一步的，所述内磁极1与内磁屏3之间磁阻、外磁屏4和外磁极5之间磁阻、内磁极1与外磁极5之间磁阻满足如下公式：

式中：L为磁路的长度，单位为m；A为磁路的截面积，单位为m²；μ为磁路材料的导磁率，单位为H/m。

进一步的，所述内磁屏3与外磁屏4之间为通道，所述通道中心处出口平面磁场强度与通道中心线上最大磁场强度之比与100％之差为后加载程度ΔB，所述ΔB表示为：

其中，B_exit为通道中心线上，通道上端面位置磁场强度，B_max为通道中心线上最大磁场强度。

进一步的，所述内磁屏厚度b1和外磁屏厚度b2为0.5mm到10mm。

进一步的，所述内磁屏厚度b1和外磁屏厚度b2为2.5mm。

进一步的，所述内磁屏厚度b1与外磁屏厚度b2根据磁路结构的饱和性确定。

本发明的有益效果是：

本申请为了延长霍尔推力器寿命，采用将正梯度强磁场区向通道外移动的方法，改变霍尔推力器的加速区与放电通道的相对位置，以减少高能离子对放电通道的轰击作用。也就是将正梯度强磁场区向通道外移动的磁场即后加载型磁场。

本发明所提出的磁路形成的磁场正梯度强磁场区位于通道外，且可以通过改变磁路结构实现不同后加载程度。可以大幅度改变通道内磁场强度分布，后加载程度可在0-50％范围内连续可调节，可控制场强峰值位于通道出口内部或外部，进而延长了霍尔推力器的寿命。

附图说明

图1为磁路部件特征参数示意图；

图2为磁场衡量指标示意图；

图3为磁阻构成示意图；

图4为左右对称的磁场位型示意图；

图5为通道中心线不同算例磁场强度分布图；

图6为通道中心线不同算例标幺后磁场强度分布图。

具体实施方式

需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构，包括：内部磁路、外部磁路和底板7；

所述内部磁路包括内磁极1、内磁芯2、内磁屏3和内线圈8；

所述外部磁路包括外磁屏4、外磁极5、外磁壳6和外线圈9；

所述底板7、内磁极1、内磁芯2、内磁屏3、内线圈8、外磁屏4、外磁极5、外磁壳6和外线圈9为环形结构；

所述内磁芯2、内线圈8、内磁屏3、外磁屏4、外线圈9和外磁壳6依次远离轴线设置在底板7上，所述内线圈8、内磁屏3、外磁屏4和外线圈9之间设有间隔，所述内磁极1设置在内磁芯2和内线圈8上，所述外磁极5设置在外磁壳6和外线圈9上；

所述内磁极1、内磁屏3、外磁屏4和外磁极5远离底板7的一面为上端面，所述内磁极1、内磁屏3、外磁屏4和外磁极5靠近底板7的一面为下端面。如图1所示。

霍尔推力器中的正梯度强磁场区的位置决定了电离区和加速区的位置，而传统霍尔推力器的正梯度强磁场区完全在放电通道内，最大磁场强度位于通道出口位置。在传统霍尔推力器设计理念中，通过在通道内的正梯度强磁场约束电子轴向传导，进而自洽建立电场，在通道内完成离子的加速过程。而离子在电场的径向分量作用下加速后，轰击放电通道，形成溅射侵蚀带。故侵蚀带位置的放电通道厚度便决定了传统霍尔推力器的寿命。

定义磁路部件的关键特征参数如下：

内磁极侧端面到内磁屏外侧距离为内磁极特征尺寸d1。

内磁极上端面与内磁屏上端面垂直于底板的距离为内磁屏特征尺寸d2；

内磁屏径向内侧半径和外侧半径之差为内磁屏厚度b1。

外磁极侧端面到外磁屏内侧距离为外磁极特征尺寸d3。

外磁极上端面与外磁屏上端面垂直于底板的距离为外磁屏特征尺寸d4；

外磁屏径向内侧半径和外侧半径之差为外磁屏厚度b2。

内线圈励磁电流和匝数的乘积为内励磁安匝数Nin。

外线圈励磁电流和匝数的乘积为外励磁安匝数Nout。

选定通道中心线上最大磁场强度及后加载度作为衡量磁场强度分布的指标，结合图2说明如下：

通道中心线上最大磁场强度为B_max。

选取通道中心处出口平面磁场强度与最大磁场强度之比与100％之差为后加载程度ΔB。

根据霍尔推力器空间磁场形成原理可以得到，决定正梯度磁场区磁场强度分布的核心因素是磁路系统的磁阻分布，即内磁屏与内磁极之间磁阻、外磁屏与外磁极之间磁阻、内磁极与外磁极之间磁阻。而磁阻Rm的大小满足公式：

式中：L——磁路的长度(m)；A——磁路的截面积(m²)；μ——磁路材料的导磁率(H/m)。由磁阻公式可知，某段磁路的材料一定，那么该段磁路的磁阻与其长度呈正比，而与其截面积呈反比。为了使得通道中心线上最大磁场强度位置由通道出口向通道外移动，需要减弱通道内磁场强度，即需要将内磁极与外磁极间的磁阻和磁极与磁屏间的磁阻之比增大，如图3。在不变化导磁材料的前提下，通过增大内磁极与外磁极间间距即增大d1+d3可以增大内外磁极之间磁阻；通过减少内磁屏与内磁极间距即减少d1+d2以及减少外磁屏与外磁极间距即减少d3+d4可以减少磁极与磁屏间磁阻，从而根据需要选择合适的方式达到增大内磁极与外磁极间的磁阻和磁极与磁屏间的磁阻之比的目的。

基于上述原理，提出如下能实现磁场后加载的磁路特征尺寸之间的关系。

1.内磁极特征尺寸d1大于内磁屏厚度b1；

2.内磁屏上端面轴向位置位于内磁极上端面和下端面之间。

3.外磁极特征尺寸d3大于或等于外磁屏厚度b2；

4.外磁屏上端面轴向位置位于外磁极上端面和下端面之间。

其中内磁屏厚度b1、外磁屏厚度b2根据磁路系统的饱和性确定。一般情况下，在保持磁路系统内磁场强度略低于材料磁饱和曲线拐点情况下，设计上选取b1、b2尽量小。

在此结构基础上，为了获得更大的后加载程度ΔB，优先减少内磁屏特征尺寸d2、外磁屏特征尺寸d4。在满足d1+d2与d3+d4同时减少的前提下，可以保持内磁极特征尺寸d1、外磁极特征尺寸d3小幅度增大或者维持不变，再根据磁场位型沿通道中心线左右对称情况调整内励磁安匝数Nin和外励磁安匝数Nout。

定义后加载型磁场的后加载程度如下：

在通道中心线上，正梯度磁场区相对于通道出口向外移动的程度，即通道外正梯度磁场强度占最大磁场强度的比例，可以用来衡量磁场外加载的程度。定义中，选取出口平面通道中心磁场强度与通道中心线上最大磁场强度之比与100％做差为后加载程度，其表示为：

在霍尔推力器的设计中，一般采用内磁极和外磁极等高或者外磁极比内磁极略低1-2个毫米的设计；在保证放电通道的内、外壁面上端面至少分别与内、外磁极上端面平齐，即放电通道完全“包裹”住磁路结构的前提下，优选放电通道内、外壁面上端面两者更靠外者为放电通道出口位置，进而将内外壁面高度统一。

B_exit为通道中心线上，通道上端面位置磁场强度，通道中心线上最大磁场强度为B_max，选取通道中心处出口平面磁场强度与最大磁场强度之比与100％之差为后加载程度ΔB。

以1.35kW的霍尔推力器磁路参数为基准，通道内径为70mm，通道外径为100mm，内磁屏外径为62mm，外磁屏内径为108mm。在内磁屏厚度b1为2.5mm实际应用时可以选取0.5mm到10mm、外磁屏厚度b2为2.5mm实际应用时可以选取0.5mm到10mm的情况下，为获得后加载型磁场，逐步减少内磁屏特征尺寸d2、外磁屏特征尺寸d4，不变或增大内磁极特征尺寸d1、外磁极特征尺寸d3，调节外励磁安匝数Nout使得磁场位型左右对称，如图4的磁场位型所示。

当内磁屏上端面恰好位于内磁极下端面位置且外磁屏上端面恰好位于外磁极下端面位置，刚好满足后加载磁场特征，即算例1，在此设计尺寸下，后加载程度ΔB为19.7％。当内磁屏上端面位于内磁极的上端面和下端面之间且外磁屏上端面位于外磁极的上端面和下端面之间，即算例2，在此设计尺寸下，后加载程度ΔB为30.1％。当内磁屏上端面恰好位于内磁极上端面位置且外磁屏上端面恰好位于外磁极上端面，为满足后加载磁场特征的极限尺寸，即算例3，在此设计尺寸下，后加载程度ΔB为50.5％。其具体参数如表1所示。

表1不同算例的磁路参数及磁场参数

算例	d1/mm	d2/mm	d3/mm	d4/mm	Nin/A	Nout/A	Bexit/G	Bmax/G	ΔB/％
										1	4.5	4	3.5	4	860	260	151	188	19.7
2	5.5	2.5	4	3	860	280	100	143	30.1
										3	6.5	0	4.5	0	860	220	50	101	50.5

算例1、2、3的磁场强度从188G降低到101G，后加载程度从19.7％增大到50.5％。其通道中心线不同算例磁场强度分布如图5所示，通道中心线不同算例标幺后磁场强度分布如图6所示。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构，其特征在于包括：内部磁路、外部磁路和底板(7)；

所述内部磁路包括内磁极(1)、内磁芯(2)、内磁屏(3)和内线圈(8)；

所述外部磁路包括外磁屏(4)、外磁极(5)、外磁壳(6)和外线圈(9)；

所述底板(7)、内磁极(1)、内磁芯(2)、内磁屏(3)、内线圈(8)、外磁屏(4)、外磁极(5)、外磁壳(6)和外线圈(9)为环形结构；

所述内磁芯(2)、内线圈(8)、内磁屏(3)、外磁屏(4)、外线圈(9)和外磁壳(6)依次远离轴线设置在底板(7)上，所述内线圈(8)、内磁屏(3)、外磁屏(4)和外线圈(9)之间设有间隔，所述内磁极(1)设置在内磁芯(2)和内线圈(8)上，所述外磁极(5)设置在外磁壳(6)和外线圈(9)上；

所述内磁极(1)、内磁屏(3)、外磁屏(4)和外磁极(5)远离底板(7)的一面为上端面，所述内磁极(1)、内磁屏(3)、外磁屏(4)和外磁极(5)靠近底板(7)的一面为下端面；

所述内磁屏(3)上端面位于内磁极(1)上端面和内磁极(1)下端面之间；

所述外磁屏(4)上端面位于外磁极(5)上端面和下端面之间；

所述内磁极(1)远离轴线的一端与内磁屏(3)远离轴线的一端垂直于轴线的距离为内磁极特征尺寸d₁；

所述内磁屏(3)径向厚度为内磁屏厚度b₁；

所述内磁极特征尺寸d₁大于内磁屏厚度b₁；

所述外磁屏(4)靠近轴线的一端与外磁极(5)靠近轴线的一端垂直于轴线的距离为外磁极特征尺寸d₃；

所述外磁屏(4)径向厚度为外磁屏厚度b₂；

所述外磁极特征尺寸d₃大于或等于外磁屏厚度b₂；

所述内磁极(1)与内磁屏(3)之间磁阻、外磁屏(4)和外磁极(5)之间磁阻、内磁极(1)与外磁极(5)之间磁阻满足如下公式：

式中：L为磁路的长度，单位为m；A为磁路的截面积，单位为m²；μ为磁路材料的导磁率，单位为H/m；

所述内磁屏(3)与外磁屏(4)之间为通道，所述通道中心处出口平面磁场强度与通道中心线上最大磁场强度之比与100％之差为后加载程度ΔB，所述ΔB表示为：

其中，B_exit为通道中心线上，通道上端面位置磁场强度，B_max为通道中心线上最大磁场强度；

所述内磁屏厚度b₁和外磁屏厚度b₂为0.5mm到10mm。

2.根据权利要求1所述的一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构，其特征在于所述内磁屏厚度b₁和外磁屏厚度b₂为2.5mm。

3.根据权利要求2所述的一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构，其特征在于所述内磁屏厚度b₁与外磁屏厚度b₂根据磁路结构的饱和性确定。

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