CN114658625B - 高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构及设计方法，所述结构包含内磁极、内铁芯、内线圈、内磁屏、底板、外壳、外线圈、外磁屏、外磁极、内永磁体和外永磁体，内永磁体固定在内磁极的上表面上，外永磁体固定在外磁极的上表面上；所述方法为组装磁路结构，内永磁体和外永磁体磁场沿推力器轴向，且方向相反，永磁体固定的磁力线方向可提供后加载磁场，采用永磁励磁形成一定后加载程度的主磁场，并采用线圈励磁形成后加载程度相同的调节磁场，实现通过线圈励磁调整通道内最大磁场强度。本发明可降低磁路内磁饱和程度，并增加后加载磁场霍尔推力器设计自由度。

Description

高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构及设计方法

技术领域

本发明涉及霍尔推力器，具体涉及高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构及设计方法。

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。它具有结构简单、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。

霍尔推力器中，励磁线圈通电产生磁场，磁极、磁屏之间存在一定空间，形成漏磁间隙，进而形成通道内磁场。霍尔推力器后加载程度为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：

式中，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。

后加载磁场霍尔推力器最大磁场强度在通道出口平面外，提高后加载程度，可使磁场整体外推，使推力器内的电离过程、加速过程外移，降低离子在放电通道上的轰击，进而延长推力器使用寿命。

然而，在传统的霍尔推力器中，磁场后加载程度由磁极、磁屏之间的漏磁间隙决定，若想提高后加载程度，必须提高磁屏的高度，减小二者之间的漏磁间隙，迫使磁力线集中分布于通道出口外侧。一方面，在相同的励磁电流下，通道内的磁场会降低，降低了励磁效率，增加了励磁损耗；另一方面，大量磁力线聚集在磁路内，导致磁路结构内磁饱和现象加剧。二者相互制约，对推力器的尺寸、磁场强度峰值产生极大的限制，导致霍尔推力器设计自由度降低。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构及设计方法，该磁路结构设置后加载程度相同的永磁励磁与线圈励磁，将二者结合以形成混合励磁，可降低磁路内磁饱和程度，并增加后加载磁场霍尔推力器设计自由度。

高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构包含内磁极、内铁芯、内线圈、内磁屏、底板、外壳、外线圈、外磁屏和外磁极，所述内铁芯、内磁屏、外磁屏和外壳为环形结构，均固定在底板上，所述内磁极和外磁极分别固定在内铁芯和外壳的上表面上，内永磁体、外永磁体固定在内磁极、外磁极外表面上；还包含内永磁体和外永磁体；内永磁体固定在内磁极的上表面上，外永磁体固定在外磁极的上表面上，内线圈布置在内铁芯与内磁屏之间，外线圈布置在外磁屏与外壳之间，所述内线圈和外线圈缠绕在线圈架上，线圈架固定在底板上。

高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构设计方法，所述方法为：

将内磁极、内铁芯、内线圈、内磁屏、外壳、外线圈、外磁屏和外磁极安装在底板上，将内永磁体固定在内磁极的上表面上，外永磁体固定在外磁极的上表面上；内永磁体和外永磁体的磁力线沿推力器轴向，且方向相反，永磁体固定的磁力线方向可提供后加载磁场，内外永磁体方向相反可形成对称的通道内磁场；采用永磁励磁形成一定后加载程度的主磁场，并采用线圈励磁形成后加载程度相同的调节磁场，实现通过线圈励磁调整通道内最大磁场强度。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明设计混合励磁的后加载霍尔推力器磁路结构，通过永磁体励磁减小励磁损耗，降低磁路内磁饱和程度，通过线圈励磁调整通道内最大磁场强度，由此可增加后加载磁场霍尔推力器设计自由度，如减小推力器磁路尺寸、减小推力器励磁线圈尺寸、增大磁场变化区间等。采用本发明的磁路设计，可拓宽后加载磁场霍尔推力器的工作区间，提高励磁效率，减小磁路结构的磁饱和限制，释放霍尔推力器设计自由度。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为磁路特征参数示意图；

图2为传统线圈励磁霍尔推力器磁场分布图；

图3为传统线圈励磁霍尔推力器磁感应强度分布图；

图4为传统永磁体励磁霍尔推力器磁场分布图；

图5为传统永磁体励磁霍尔推力器磁感应强度分布图；

图6为混合励磁与线圈励磁通道中心线后加载磁场强度对比图。

具体实施方式

参见图1所示,本实施方式的高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构包含内磁极2、内铁芯3、内线圈4、内磁屏5、底板6、外壳7、外线圈8、外磁屏9和外磁极10，所述内铁芯3、内磁屏5、外磁屏9和外壳7为环形结构，均固定在底板6上，所述内磁极2和外磁极10分别固定在内铁芯3和外壳7的上表面上，内永磁体1、外永磁体11固定在内磁极2、外磁极10外表面上；还包含内永磁体1和外永磁体11；内永磁体1固定在内磁极2的上表面上，外永磁体11固定在外磁极10的上表面上，内线圈4布置在内铁芯3与内磁屏5之间，外线圈8布置在外磁屏9与外壳7之间，所述内线圈4和外线圈8缠绕在线圈架上，线圈架固定在底板6上。

本发明设计混合励磁的后加载霍尔推力器磁路结构，通过永磁体励磁减小励磁损耗，降低磁路内磁饱和程度，通过线圈励磁调整通道内最大磁场强度，由此可增加后加载磁场霍尔推力器设计自由度，如减小推力器磁路尺寸、减小推力器励磁线圈尺寸、增大磁场变化区间等。

通常，内磁极2、内铁芯3、内磁屏5、底板6、外壳7、外磁屏9和外磁极10的材质分别为DT4C纯铁。在本实施例，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。

进一步地，内永磁体1和外永磁体11采用耐高温钐钴永磁体。本实施例中，通过上述设置保证励磁结构的高能量密度，同时保证结构的耐高温性，提升抗高温能力。

进一步地，内线圈4和外线圈8均为耐高温铜线，线圈架为铝合金线圈骨架。在本实施例中，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。

基于上述高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构，还提出一种高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构设计方法，

将内磁极2、内铁芯3、内线圈4、内磁屏5、外壳7、外线圈8、外磁屏9和外磁极10安装在底板6上，将内永磁体1固定在内磁极2的上表面上，外永磁体11固定在外磁极10的上表面上；内永磁体1和外永磁体11的磁力线沿推力器轴向，且方向相反，永磁体固定的磁力线方向可提供后加载磁场，内外永磁体方向相反可形成对称的通道内磁场；采用永磁体可降低励磁损失，且外部布置的永磁体并不会在励磁磁路内产生过高的磁饱和程度；

采用永磁励磁形成一定后加载程度的主磁场，并采用线圈励磁形成后加载程度相同的调节磁场，从而获得高强度的可调后加载磁场，实现通过线圈励磁调整通道内最大磁场强度。采用线圈励磁可增加调节自由度，控制通道内的最大磁场强度来使磁场适配不同的放电工况。

本实施方式的磁路结构设计方法通过混合励磁，采用永磁体形成一定程度的磁场强度，可降低励磁损失，且外部布置的永磁体并不会在励磁磁路内产生过高的磁饱和程度。再采用线圈励磁进行磁场强度的调节。如此，可提高固定后加载程度下的推力器中心线磁场强度，增加推力器设计自由度。

传统仅采用线圈励磁时，线圈通电，在磁路结构内产生磁通量。磁力线在磁路中产生，并在磁极与磁屏之间的漏磁，产生通道内磁场，如图2所示。此时磁路结构内磁感应强度较高，在通道中心线最大磁场强度为100Gs时，磁路内磁感应强度最大值达到1.27T，如图3所示。

传统采用永磁体励磁时，磁场由永磁体产生，大幅降低了励磁损耗。永磁体在磁路结构外侧，磁力线从内/外永磁体发出，一部分磁力线到达外/内永磁体，从而形成通道内磁场，如图4所示。此时磁路结构内并不会有太大的磁感应强度，在通道中心线最大磁场强度为100Gs时，磁路内磁感应强度最大值仅为0.53T，如图5所示。但永磁体励磁无法对磁场强度进行调节，不能在推力器放电时调整以适配不同放电工况。

本实施方式磁路结构设计方法设置后加载程度相同的永磁励磁与线圈励磁磁路，将二者结合以形成混合励磁下的高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构，后加载程度为22％时，采用永磁励磁形成主磁场的磁场强度为200Gs，本实施方式混合励磁下通道中心线最大磁场强度可达304Gs，而在相同磁饱和程度下，单独线圈励磁通道中心线最大磁场强度仅为174Gs，混合励磁可大幅提高推力器励磁性能，如图6所示。

基于本实施方式的上述设计思路，内线圈4和外线圈8通电，通过调节外磁屏9和/或内磁屏5的高度，使线圈励磁的后加载程度与永磁主磁场的后加载程度相同，形成混合励磁，通过线圈励磁调整通道内最大磁场强度。

可选地，内磁极2、内铁芯3、内磁屏5、底板6、外壳7、外磁屏9和外磁极10分别采用DT4C纯铁制成。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。

内永磁体1和外永磁体11均采用耐高温钐钴永磁体。通过上述设置保证励磁结构的高能量密度，同时保证结构的耐高温性，提升抗高温能力。

内线圈4和外线圈8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。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。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构，包含：内磁极(2)、内铁芯(3)、内线圈(4)、内磁屏(5)、底板(6)、外壳(7)、外线圈(8)、外磁屏(9)和外磁极(10)，所述内铁芯(3)、内磁屏(5)、外磁屏(9)和外壳(7)为环形结构，均固定在底板(6)上，所述内磁极(2)和外磁极(10)分别固定在内铁芯(3)和外壳(7)的上表面上，内永磁体(1)、外永磁体(11)固定在内磁极(2)、外磁极(10)外表面上；

其特征在于：还包含内永磁体(1)和外永磁体(11)；内永磁体(1)固定在内磁极(2)的上表面上，外永磁体(11)固定在外磁极(10)的上表面上，内线圈(4)布置在内铁芯(3)与内磁屏(5)之间，外线圈(8)布置在外磁屏(9)与外壳(7)之间，所述内线圈(4)和外线圈(8)缠绕在线圈架上，线圈架固定在底板(6)上。

2.根据权利要求1所述的高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构，其特征在于：内磁极(2)、内铁芯(3)、内磁屏(5)、底板(6)、外壳(7)、外磁屏(9)和外磁极(10)的材质分别为DT4C纯铁。

3.根据权利要求1或2所述的高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构，其特征在于：内永磁体(1)和外永磁体(15)均采用耐高温钐钴永磁体。

4.根据权利要求1所述的高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构，其特征在于：内线圈(4)和外线圈(8)均为耐高温铜线，线圈架为铝合金线圈骨架。

5.高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：所述方法为：

将内磁极(2)、内铁芯(3)、内线圈(4)、内磁屏(5)、外壳(7)、外线圈(8)、外磁屏(9)和外磁极(10)安装在底板(6)上，将内永磁体(1)固定在内磁极(2)的上表面上，外永磁体(11)固定在外磁极(10)的上表面上；内永磁体(1)和外永磁体(11)的磁力线沿推力器轴向，且方向相反，永磁体固定的磁力线方向可提供后加载磁场，内外永磁体方向相反可形成对称的通道内磁场；

采用永磁励磁形成一定后加载程度的主磁场，并采用线圈励磁形成后加载程度相同的调节磁场，实现通过线圈励磁调整通道内最大磁场强度。

6.根据权利要求5所述的高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：内线圈(4)和外线圈(8)通电，通过调节外磁屏(9)和/或内磁屏(5)的高度，使线圈励磁的后加载程度与永磁主磁场的后加载程度相同，形成混合励磁，通过线圈励磁调整通道内最大磁场强度。

7.根据权利要求5或6所述高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：在相同磁饱和程度下，后加载程度为22％时，通道中心线最大磁场强度为304Gs。

8.根据权利要求5所述高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：内磁极(2)、内铁芯(3)、内磁屏(5)、底板(6)、外壳(7)、外磁屏(9)和外磁极(10)分别采用DT4C纯铁制成。

9.根据权利要求5所述高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：内永磁体(1)和外永磁体(11)均采用耐高温钐钴永磁体。

10.根据权利要求5所述高励磁性能后加载磁场霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：内线圈(4)和外线圈(8)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。

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