CN113374662A - 一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构 - Google Patents

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Abstract

一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，涉及霍尔推力器技术领域，针对现有技术中置阴极方案的霍尔推力器的阴极背景磁场强度影响发动机放电性能，导致降低了发动机的效率的问题，本申请采用中置励磁线圈的方式，改变中置阴极的背景磁场，以减少阴极发射的电子束跨越磁力线的阻力，从而降低耦合压降。本发申请所提出的磁路形成的中轴线磁场，可以通过调节中置线圈的励磁电流实现中轴线上最大磁场强度、阴极上端面处磁场强度、阴极上端面处磁场梯度的连续调节。其中阴极上端面处磁场强度在‑21％到21％范围内连续可调，阴极上端面处磁场梯度在‑28％到28％范围内连续可调，进而降低了背景磁场对中置阴极影响，进而解决了降低发动机效率的问题。

Description

一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构
技术领域
本发明涉及霍尔推力器技术领域，具体为一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构。
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，是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。
近年来随着霍尔推力器的技术积累，如冷阴极的产生、热防护技术的成熟等，使得中置阴极方案在霍尔推力器上被更普遍的应用。霍尔推力器采用中置阴极方案，具有结构紧凑、羽流发散角小等优势。阴极作为霍尔推力器的电子源，阴极相对放电通道的位置、阴极的摆放角度、阴极的背景磁场等因素均会影响霍尔推力器的放电情况及阴极的溅射侵蚀。传统的采用外置阴极的霍尔推力器，为了保证发动机的整体可靠性，往往采用阴极远离高能羽流区的方法延长阴极自身寿命。在这种远离羽流区的阴极布置方式下，阴极的背景磁场强度往往较低，一般小于50高斯。而采用中置阴极的布置方式下，阴极中轴线和推力器中轴线重合，故阴极的背景磁场强度较高，一般在150高斯以上。阴极产生的电子有两种去向：一是进入通道内，最终在阳极复合；二是进入羽流区与离子复合，使羽流呈中性；而中置阴极的背景磁场以轴向分量为主且磁场强度高，磁场强度的增强，增大了电子跨越磁力线的阻力，从而增大了耦合压降并在推力器中轴线形成明显亮柱，降低了发动机的效率。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中置阴极方案的霍尔推力器的阴极背景磁场强度影响发动机放电性能，导致降低了发动机的效率的问题，提出一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构。
本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，包括：原始磁路、中置附加磁路和阴极8，所述阴极8置于中心，所述中置附加磁路包括中置线圈架9和中置线圈10，所述中置线圈架9和中置线圈10为环形结构，所述中置线圈10设置在中置线圈架9内，
所述原始磁路包括底板7以及设置在底板7沿着远离中心轴线方向依次设置的内磁芯2、内线圈11、内磁屏3、外磁屏4、外线圈12和外磁壳6，所述内磁芯2和内线圈11上设有内磁极1，所述外线圈12和外磁壳6上设有外磁极5，所述内磁极1、内磁芯2、内磁屏3、外磁屏4、外磁极5、外磁壳6、底板7、内线圈11、外线圈12为环形结构，所述内线圈11和内磁屏3、内磁屏3和外磁屏4、外磁屏4和外线圈12之间设有间隙，所述中置线圈架9顶部与内磁极1顶部固定连接。
进一步的，所述阴极8远离底板7的一端端面与内磁极1远离底板7的一端端面平行。
进一步的，所述阴极8中心轴线上的磁场强度分布为阴极背景磁场。
进一步的，所述内线圈11励磁电流和匝数的乘积为内励磁安匝数Nin，所述内励磁安匝数Nin为600A-1200A。
进一步的，所述外线圈12励磁电流和匝数的乘积为外励磁安匝数Nout，所述外励磁安匝数Nout为200A-600A。
进一步的，所述中置线圈10励磁电流和匝数的乘积为中置励磁安匝数Nc，所述中置励磁安匝数Nc为-500A-500A。
进一步的，所述阴极8远离底板7的一端端面与中心轴线交点的磁场强度为Bexit，所述Bexit为154G-238G。
进一步的，所述阴极8远离底板7的一端端面与中心轴线交点的磁场强度梯度为Kexit，所述Kexit为11.5G/mm-20.8G/mm。
进一步的，所述阴极8中心轴线上最大磁场强度为Bmax，所述Bmax为286G-303G。
本发明的有益效果是：
本申请为了改善中置阴极霍尔推力器的放电性能，采用中置励磁线圈的方式，改变中置阴极的背景磁场，以减少阴极发射的电子束跨越磁力线的阻力，从而降低耦合压降。
本发申请所提出的磁路形成的中轴线磁场，可以通过调节中置线圈的励磁电流实现中轴线上最大磁场强度、阴极上端面处磁场强度、阴极上端面处磁场梯度的连续调节。其中阴极上端面处磁场强度在-21％到21％范围内连续可调，阴极上端面处磁场梯度在-28％到28％范围内连续可调，进而降低了背景磁场对中置阴极影响，进而解决了降低发动机效率的问题。
附图说明
图1为本申请的结构示意图；
图2为不同中置线圈励磁下的中轴线磁场强度分布图。
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中置阴极背景磁场的磁路结构，包括：原始磁路、中置附加磁路和阴极8，所述阴极8置于中心，所述中置附加磁路包括中置线圈架9和中置线圈10，所述中置线圈架9和中置线圈10为环形结构，所述中置线圈10设置在中置线圈架9内，
所述原始磁路包括底板7以及设置在底板7沿着远离中心轴线方向依次设置的内磁芯2、内线圈11、内磁屏3、外磁屏4、外线圈12和外磁壳6，所述内磁芯2和内线圈11上设有内磁极1，所述外线圈12和外磁壳6上设有外磁极5，所述内磁极1、内磁芯2、内磁屏3、外磁屏4、外磁极5、外磁壳6、底板7、内线圈11、外线圈12为环形结构，所述内线圈11和内磁屏3、内磁屏3和外磁屏4、外磁屏4和外线圈12之间设有间隙，所述中置线圈架9顶部与内磁极1顶部固定连接。
阴极作为霍尔推力器的电子源，其相对放电通道位置、摆放角度、所在磁场环境均会影响等离子体发动机的整体参数。将阴极中轴线上磁场强度分布作为背景磁场的参考依据。传统的采用外置阴极的霍尔推力器，阴极远离高能羽流区，阴极的背景磁场较低，一般小于50高斯；而在中置阴极的布置方式下，阴极中心轴线与推力器中心轴线重合，此时阴极的背景磁场为强磁场区域，一般高于150高斯。而中置阴极的背景强磁场区域，以轴向分量为主且磁场强度较高，电子跨越磁力线的阻力更大，导致了耦合压降更大，从而影响了发动机整体的性能参数。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述阴极8远离底板7的一端端面与内磁极1远离底板7的一端端面平行。如图1所示。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述阴极8中心轴线上的磁场强度分布为阴极背景磁场。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述内线圈11励磁电流和匝数的乘积为内励磁安匝数Nin，所述内励磁安匝数Nin为600A-1200A。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述外线圈12励磁电流和匝数的乘积为外励磁安匝数Nout，所述外励磁安匝数Nout为200A-600A。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述中置线圈10励磁电流和匝数的乘积为中置励磁安匝数Nc，所述中置励磁安匝数Nc为-500A-500A。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述阴极8远离底板7的一端端面与中心轴线交点的磁场强度为Bexit，所述Bexit为154G-238G。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述阴极8远离底板7的一端端面与中心轴线交点的磁场强度梯度为Kexit，所述Kexit为11.5G/mm-20.8G/mm。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述阴极8中心轴线上最大磁场强度为Bmax，所述Bmax为286G-303G。
根据环型电流形成空间磁场的比奥-萨法尔定律可知，传统的霍尔推力器的中心轴线上的磁场主要由内磁芯2和内线圈11形成；当采用中置线圈和内线圈同时励磁形成中心轴线上磁场相当于两者分别励磁形成的磁场的叠加，故当中置线圈和内线圈的安匝数同号时，中置线圈励磁相当于增强了原始中轴线磁场；反之，中置线圈和内线圈的安匝数反号时，中置线圈励磁相当于减弱了原始中轴线磁场。在此结构基础上，为了保证放电通道内的磁场与原有设计工况一致，可以适当调节内励磁安匝数Nin和外励磁安匝数Nout，保证磁场的一致性。
以5kW的霍尔推力器磁路参数为基准，内励磁安匝数Nin为1080A，外励磁安匝数Nout为440A，为调节霍尔推力器的中置阴极背景磁场，调节中置励磁安匝数Nc。保持内励磁安匝数Nin与外励磁安匝数Nout大小不变，为大幅度增强背景磁场大小，设置中置励磁安匝数Nc为400A，即算例1；为小幅度增强背景磁场大小，设置中置励磁安匝数Nc为200A，即算例2；设置中置励磁安匝数Nc为0，为原始背景磁场，即算例3；为小幅度减弱背景磁场大小，设置中置励磁安匝数Nc为-200A，即算例4；为大幅度减少背景磁场大小，设置中置励磁安匝数Nc为-400A，即算例5，其具体参数如表1所示。
对比算例1、2、3、4、5发现通过调节中置线圈励磁，可以实现中轴线最大磁场强度Bmax在286G到303G连续变化，中轴线与阴极上端面处磁场强度Bexit在154G到238G连续变化，中轴线与阴极上端面处磁场梯度Kexit在11.5G/mm到20.8G/mm连续变化，不同中置线圈励磁下的中轴线磁场强度分布如图2所示。
表1不同算例的磁路参数及磁场参数
算例 N<sub>c</sub>/A B<sub>exit</sub>/G B<sub>max</sub>/G K<sub>exit</sub>/(G/mm)
1 400 238 303 11.5
2 200 217 298 13.8
3 0 196 294 16.1
4 -200 175 290 18.4
5 -400 154 286 20.8
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 (9)

1.一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，其特征在于包括：原始磁路、中置附加磁路和阴极(8)，所述阴极(8)置于中心，所述中置附加磁路包括中置线圈架(9)和中置线圈(10)，所述中置线圈架(9)和中置线圈(10)为环形结构，所述中置线圈(10)设置在中置线圈架(9)内，
所述原始磁路包括底板(7)以及设置在底板(7)沿着远离中心轴线方向依次设置的内磁芯(2)、内线圈(11)、内磁屏(3)、外磁屏(4)、外线圈(12)和外磁壳(6)，所述内磁芯(2)和内线圈(11)上设有内磁极(1)，所述外线圈(12)和外磁壳(6)上设有外磁极(5)，所述内磁极(1)、内磁芯(2)、内磁屏(3)、外磁屏(4)、外磁极(5)、外磁壳(6)、底板(7)、内线圈(11)、外线圈(12)为环形结构，所述内线圈(11)和内磁屏(3)、内磁屏(3)和外磁屏(4)、外磁屏(4)和外线圈(12)之间设有间隙，所述中置线圈架(9)顶部与内磁极(1)顶部固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，其特征在于所述阴极(8)远离底板(7)的一端端面与内磁极(1)远离底板(7)的一端端面平行。
3.根据权利要求1所述的一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，其特征在于所述阴极(8)中心轴线上的磁场强度分布为阴极背景磁场。
4.根据权利要求1所述的一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，其特征在于所述内线圈(11)励磁电流和匝数的乘积为内励磁安匝数Nin，所述内励磁安匝数Nin为600A-1200A。
5.根据权利要求1所述的一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，其特征在于所述外线圈(12)励磁电流和匝数的乘积为外励磁安匝数Nout，所述外励磁安匝数Nout为200A-600A。
6.根据权利要求1所述的一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，其特征在于所述中置线圈(10)励磁电流和匝数的乘积为中置励磁安匝数Nc，所述中置励磁安匝数Nc为-500A-500A。
7.根据权利要求1所述的一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，其特征在于所述阴极(8)远离底板(7)的一端端面与中心轴线交点的磁场强度为Bexit，所述Bexit为154G-238G。
8.根据权利要求1所述的一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，其特征在于所述阴极(8)远离底板(7)的一端端面与中心轴线交点的磁场强度梯度为Kexit，所述Kexit为11.5G/mm-20.8G/mm。
9.根据权利要求1所述的一种改变中置阴极背景磁场的磁路结构，其特征在于所述阴极(8)中心轴线上最大磁场强度为Bmax，所述Bmax为286G-303G。
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