CN114658626B - 可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构及设计方法 - Google Patents

可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构及设计方法 Download PDF

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Abstract

可变磁场后加载程度的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、底板、外壳、外磁极、内永磁体、长内线圈、长内磁屏、短内线圈、短内磁屏、长外线圈、长外磁屏、短外线圈、短外磁屏和外永磁体；内永磁体固定在内磁极的外表面上，外永磁体固定在外磁极的外表面上，所述长内线圈、短内线圈、长外线圈和短外线圈缠绕在线圈架上，并将线圈架固定在底板上。所述设计方法为在底板上设计高度不同的磁屏结构，布置内永磁体和外永磁体，使得内永磁铁和外永磁铁形成主磁场，然后通过调节长内线圈、长外线圈与短内线圈、短外线圈的电流大小及正负，实现连续调整推力器的后加载程度。本发明可实时改变后加载程度，以契合不同的放电工况。

Description

可变磁场后加载程度的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，具体涉及可变磁场后加载程度的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：
Figure GDA0003798394440000011
式中，Bexit为通道中心线上，通道上端面位置磁场强度；Bmax为通道中心线上最大磁场强度。
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，一旦推力器成型，后加载程度也随之固定(例如公开号CN112943572A，一种改变霍尔推力器磁场后加载程度的磁路结构，通过设计不同磁极、磁屏的相对尺寸来控制后加载程度，但是需预先知道后加载程度，再设计后加载程度下的磁路尺寸，设计完成后的推力器具备固定的后加载程度，即一旦推力器成型，后加载程度也随之固定)。对于宽范围霍尔推力器来说，磁场后加载程度的调节至关重要，通过调节磁场后加载程度，可以控制电离区、加速区的位置。当推力器工作于低流量工况时，减小磁场后加载程度，可使电离区内移，从而提高电离区的中性原子密度；当推力器工作于高流量工况时，增大磁场后加载程度，可使加速区外移，从而降低离子在放电通道上的轰击。在霍尔推力器变工况的过程中，控制磁场后加载程度，使之与电离区、加速区位置匹配，可优化推力器放电状态，达到霍尔推力器宽工作范围下高效率放电目的。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构及设计方法。以解决现有霍尔推力器在变工况过程中，后加载程度与工况之间的不匹配、推力器放电效率低的问题。
可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构，包含内磁极，内铁芯、底板、外壳和外磁极，所述内铁芯和外壳为中空环形体，所述内磁极和外磁极分别固定在内铁芯和外壳的外表面上；还包含内永磁体、长内线圈、长内磁屏、短内线圈、短内磁屏、长外线圈、长外磁屏、短外线圈、短外磁屏和外永磁体；所述长内磁屏、短内磁屏、短外磁屏、长外磁屏、内永磁体和外永磁体均为环形体，内铁芯、长内磁屏、短内磁屏、短外磁屏和长外磁屏由内向外依次同轴设置在底板上；内永磁体固定在内磁极的外表面上，外永磁体固定在外磁极的外表面上，长内线圈布置在内铁芯和长内磁屏之间，短内线圈布置在长内磁屏和短内磁屏之间，短外线圈布置在短外磁屏和长外磁屏之间，长外线圈布置在长外磁屏和外壳之间，所述长内线圈、短内线圈、长外线圈、短外线圈缠绕在线圈架上，并将线圈架固定在底板上。
可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构设计方法为：
首先，在底板上设计高度不同的磁屏结构，由内向外依次是长内磁屏、短内磁屏、短外磁屏和长外磁屏；长内磁屏和长外磁屏的高度相同，短内磁屏和短外磁屏的高度相同，并设置长内线圈、短内线圈、短外线圈和长外线圈；内磁极上布置内永磁铁，外磁极上布置外永磁体，使得内永磁铁和外永磁铁形成主磁场；然后通过调节长内线圈、长外线圈与短内线圈、短外线圈的电流大小及正负，控制磁力线通过长短磁屏的比例，形成不同程度辅助磁场，与主磁场相耦合，实现连续调整推力器的后加载程度。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明设计的永磁体、内外磁屏和内外线圈的磁路结构，内永磁体和外永磁体形成推力器主磁场，从而降低线圈励磁所需的磁场强度，减小励磁尺寸。本发明的磁路结构在推力器定型后，通过调节内外两个线圈的电流正负及大小，控制磁路内磁力线走向，进而可在推力器工作在实时改变后加载程度，以契合不同的放电工况。
本发明设计方法通过调节长内线圈、长外线圈和短内线圈、短外线圈的电流正负及大小的匹配关系，可控制磁力线通过长短磁屏的程度，从而连续调整推力器的后加载程度。在霍尔推力器变工况的过程中，控制磁场后加载程度，可实现与电离区、加速区位置匹配，可优化推力器放电状态，达到霍尔推力器宽工作范围下高效率放电目的。
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为本发明的可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构；
图2为通道中心线不同情况下磁场强度分布图；
图3为大后加载程度磁场仿真图；
图4为小后加载程度磁场仿真图。
具体实施方式
参见图1所示，可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构包含内磁极2，内铁芯3、底板8、外壳9和外磁极14，所述内铁芯3和外壳9为中空环形体，所述内磁极2和外磁极14分别固定在内铁芯3和外壳9的外表面上；
还包含内永磁体1、长内线圈4、长内磁屏5、短内线圈6、短内磁屏7、长外线圈10、长外磁屏11、短外线圈12、短外磁屏13和外永磁体15；所述长内磁屏5、短内磁屏7、短外磁屏13、长外磁屏11、内永磁体1和外永磁体15均为环形体，内铁芯3、长内磁屏5、短内磁屏7、短外磁屏13和长外磁屏11由内向外依次同轴设置在底板8上；内永磁体1固定在内磁极2的外表面上，外永磁体14固定在外磁极14的外表面上，长内线圈4布置在内铁芯3和长内磁屏5之间，短内线圈6布置在长内磁屏5和短内磁屏7之间，短外线圈 12布置在短外磁屏13和长外磁屏11之间，长外线圈10布置在长外磁屏11和外壳9之间，所述长内线圈4、短内线圈6、长外线圈10和短外线圈12缠绕在线圈架上，并将线圈架固定在底板8上。
本实施方式中，内外短磁屏的轴向高度小于长内外磁屏的轴向高度，长内磁屏5和长外磁屏11的轴向高度相同，短内磁屏7和短外磁屏13的轴向高度相同。
本实施方式的永磁体、内外磁屏和内外线圈构建的混合磁路结构，采用内外两个线圈和内外两个磁屏，增加了磁路部件，若采用单纯的线圈励磁，形成放电所需磁场强度需较多的励磁线圈匝数，会导致推力器尺寸过大。因此采用混合励磁的方式，采用内永磁体和外永磁体的永磁励磁形成主磁场，降低线圈励磁所需的磁场强度，减小推力器尺寸，采用双线圈形成调节磁场，进而调整推力器后加载程度。本实施方式在推力器定型后，通过调节内外两个线圈的电流正负及大小，控制磁路内磁力线走向，进而可在推力器工作在实时改变后加载程度，以契合不同的放电工况。
另外，本实施方式的内外磁屏位于通道之外，并与内外线圈配合使用，利用内外两个磁屏、内外两个线圈形成可变后加载程度的放电磁场，在霍尔推力器变工况的过程中，控制磁场后加载程度，使之与电离区、加速区位置匹配，可优化推力器放电状态，达到霍尔推力器宽工作范围下的高效率放电目的。
通常，长内磁屏5、短内磁屏7、长外磁屏11、短外磁屏13的材质均为DT4C纯铁。或者，内铁芯3、内磁极2、长内磁屏5、短内磁屏7、外磁极14、长外磁屏11、短外磁屏 13、外壳9和底板8的材质均为DT4C纯铁。如此设置，保证了磁路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15均采用耐高温钐钴永磁体。如此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。
所有线圈均为耐高温铜线，所有的线圈架为铝合金线圈骨架。励磁线圈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，并将线圈架固定在底板8上。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。
基于上述可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构，还提出一种可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构设计方法，该方法为：
首先，在底板8上设计高度不同的磁屏结构，由内向外依次是长内磁屏5、短内磁屏7、短外磁屏13和长外磁屏11；长内磁屏5和长外磁屏11的高度相同，短内磁屏7和短外磁屏13的高度相同，并设置长内线圈4、短内线圈6、短外线圈12和长外线圈10；内磁极2 上布置内永磁铁1，外磁极14上布置外永磁体15，使得内永磁铁1和外永磁铁15形成主磁场；
然后通过调节长内线圈4、长外线圈10与短内线圈6、短外线圈12的电流大小及正负，可控制磁力线通过长短磁屏的比例，形成不同程度辅助磁场，与主磁场相耦合，实现连续调整推力器的后加载程度。
本实施方式采用永磁励磁形成主磁场，设置两组高度不同的磁屏结构，并设置与之配套的两组励磁线圈形成调节磁场。内永磁体1和外永磁体15形成推力器主磁场，从而降低线圈励磁所需的磁场强度，减小励磁尺寸；
下面以1.35kW霍尔推力器，该推力器所需最大磁场强度为220Gs，永磁体产生170Gs 的磁场强度为例说明：
长内线圈4和长外线圈10同时通电，短内线圈6和短外线圈12不通电，漏磁区域在内磁极2与长内磁屏5，外磁极14与长外磁屏11之间，该漏磁区域在推力器出口一侧，磁力线主要通路在磁极与长磁屏之间，可形成大后加载程度辅助磁场，与主磁场相耦合，形成大后加载程度磁场。此时中心线磁场强度为图2中的磁场1，推力器磁场位形如图3所示。
短内线圈6和短外线圈12同时通电，长内线圈4和长外线圈10不通电，漏磁区域在内磁极2与短内磁屏7，外磁极14与短外磁屏13之间，磁力线主要通路在磁极与短磁屏之间，该漏磁区域在推力器内部一侧，可形成小后加载程度辅助磁场，与主磁场相耦合，形成小后加载程度磁场，此时中心线磁场强度为图2中的磁场2，推力器磁场位形如图4所示。
进一步来说，通过调节长内线圈4、长外线圈10与短内线圈6、短外线圈12的电流正负及大小匹配，可控制磁力线通过长短磁屏的比例，从而连续调整推力器的后加载程度。
例如：长内线圈4、长外线圈10、短内线圈6和短外线圈12均通电，给长内线圈4和长外线圈10负向电流，励磁线圈形成的辅助磁场减小，短内线圈6和短外线圈12正向电流，励磁线圈形成的辅助磁场增大，磁场整体向内移，获得更小外推程度的磁场。
如此设计，给长线圈反向电流，减小远场磁场，增大短线圈电流，提高近场磁场，可进一步减小磁场后加载程度，中心线磁场强度为图2中的磁场3；
例如：长内线圈4、长外线圈10、短内线圈6和短外线圈12均通电，给长内线圈4和长外线圈10正向电流，励磁线圈形成的辅助磁场增大，短内线圈6和短外线圈12负向电流，励磁线圈形成的辅助磁场减小，磁场整体向外移，获得更大外推程度的磁场。
如此设计，增大长线圈电流，给短线圈反向电流，可进一步增大磁场后加载程度，中心线磁场强度为图2中的磁场4。
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.可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构，包含内磁极(2)，内铁芯(3)、底板(8)、外壳(9)和外磁极(14)，所述内铁芯(3)和外壳(9)为中空环形体，所述内磁极(2)和外磁极(14)分别固定在内铁芯(3)和外壳(9)的外表面上；
其特征在于：还包含内永磁体(1)、长内线圈(4)、长内磁屏(5)、短内线圈(6)、短内磁屏(7)、长外线圈(10)、长外磁屏(11)、短外线圈(12)、短外磁屏(13)和外永磁体(15)；所述长内磁屏(5)、短内磁屏(7)、短外磁屏(13)、长外磁屏(11)、内永磁体(1)和外永磁体(15)均为环形体，内铁芯(3)、长内磁屏(5)、短内磁屏(7)、短外磁屏(13)和长外磁屏(11)由内向外依次同轴设置在底板(8)上；内永磁体(1)固定在内磁极(2)的外表面上，外永磁体(15)固定在外磁极(14)的外表面上，长内线圈(4)布置在内铁芯(3)和长内磁屏(5)之间，短内线圈(6)布置在长内磁屏(5)和短内磁屏(7)之间，短外线圈(12)布置在短外磁屏(13)和长外磁屏(11)之间，长外线圈(10)布置在长外磁屏(11)和外壳(9)之间，所述长内线圈(4)、短内线圈(6)、长外线圈(10)和短外线圈(12)缠绕在线圈架上，并将线圈架固定在底板(8)上。
2.根据权利要求1所述可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构，其特征在于：长内磁屏(5)、短内磁屏(7)、长外磁屏(11)、短外磁屏(13)的材质均为DT4C纯铁。
3.根据权利要求1所述可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构，其特征在于：内铁芯(3)、内磁极(2)、长内磁屏(5)、短内磁屏(7)、外磁极(14)、长外磁屏(11)、短外磁屏(13)、外壳(9)和底板(8)的材质均为DT4C纯铁。
4.根据权利要求1或2所述可变磁场后加载程度的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。
5.根据权利要求1所述可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构，其特征在于：所有线圈均为耐高温铜线，所有的线圈架为铝合金线圈骨架。
6.可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：所述方法为：
首先，在底板(8)上设计高度不同的磁屏结构，由内向外依次是长内磁屏(5)、短内磁屏(7)、短外磁屏(13)和长外磁屏(11)；长内磁屏(5)和长外磁屏(11)的高度相同，短内磁屏(7)和短外磁屏(13)的高度相同，并设置长内线圈(4)、短内线圈(6)、短外线圈(12)和长外线圈(10)；内磁极(2)上布置内永磁铁(1)，外磁极(14)上布置外永磁体(15)，使得内永磁铁(1)和外永磁铁(15)形成主磁场；
然后通过调节长内线圈(4)、长外线圈(10)与短内线圈(6)、短外线圈(12)的电流大小及正负，可控制磁力线通过长短磁屏的比例，形成不同程度辅助磁场，与主磁场相耦合，实现连续调整推力器的后加载程度。
7.根据权利要求6所述可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：长内线圈(4)和长外线圈(10)同时通电，短内线圈(6)和短外线圈(12)不通电，漏磁区域在内磁极(2)与长内磁屏(5)，外磁极(14)与长外磁屏(11)之间，该漏磁区域在推力器出口一侧，磁力线主要通路在磁极与长磁屏之间，可形成大后加载程度辅助磁场，与主磁场相耦合，形成大后加载程度磁场。
8.根据权利要求6所述可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：短内线圈(6)和短外线圈(12)同时通电，长内线圈(4)和长外线圈(10)不通电，漏磁区域在内磁极(2)与短内磁屏(7)，外磁极(14)与短外磁屏(13)之间，磁力线主要通路在磁极与短磁屏之间，该漏磁区域在推力器内部一侧，可形成小后加载程度辅助磁场，与主磁场相耦合，形成小后加载程度磁场。
9.根据权利要求6所述可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：长内线圈(4)、长外线圈(10)、短内线圈(6)和短外线圈(12)均通电，给长内线圈(4)和长外线圈(10)负向电流，励磁线圈形成的辅助磁场减小，短内线圈(6)和短外线圈(12)正向电流，励磁线圈形成的辅助磁场增大，磁场整体向内移，获得更小外推程度的磁场。
10.根据权利要求6所述可变磁场后加载程度的霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：长内线圈(4)、长外线圈(10)、短内线圈(6)和短外线圈(12)均通电，给长内线圈(4)和长外线圈(10)正向电流，励磁线圈形成的辅助磁场增大，短内线圈(6)和短外线圈(12)负向电流，励磁线圈形成的辅助磁场减小，磁场整体向外移，获得更大外推程度的磁场。
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