WO2021140667A1 - Power supply device and electrical propulsion system - Google Patents

Power supply device and electrical propulsion system Download PDF

Info

Publication number
WO2021140667A1
WO2021140667A1 PCT/JP2020/000746 JP2020000746W WO2021140667A1 WO 2021140667 A1 WO2021140667 A1 WO 2021140667A1 JP 2020000746 W JP2020000746 W JP 2020000746W WO 2021140667 A1 WO2021140667 A1 WO 2021140667A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power supply
anode
voltage
frequency
vibration
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/000746
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
民田 太一郎
聡士 小鹿
直嗣 山本
春貴 竹ヶ原
Original Assignee
三菱電機株式会社
国立大学法人九州大学
公立大学法人首都大学東京
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社, 国立大学法人九州大学, 公立大学法人首都大学東京 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to PCT/JP2020/000746 priority Critical patent/WO2021140667A1/en
Priority to JP2021569707A priority patent/JP7241924B2/en
Publication of WO2021140667A1 publication Critical patent/WO2021140667A1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03HPRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54Plasma accelerators

Definitions

  • the anode power supply 11 applies a voltage to the anode electrode 43 included in the Hall thruster 40 described later.
  • the external coil power supply 12 applies a voltage to the external coil 42 included in the Hall thruster 40 described later.
  • the internal coil power supply 13 applies a voltage to the internal coil 41 included in the Hall thruster 40 described later.
  • the heater power supply 14 supplies electric power to a heater for heating the inside of the hollow cathode 30.
  • the keeper power supply 15 supplies electric power to a keeper electrode provided on the electron emitting side of the hollow cathode 30.
  • the cathode side flow rate regulator 16 adjusts the amount of gas flowing into the hollow cathode 30.
  • the anode-side flow rate regulator 17 adjusts the amount of gas flowing into the Hall thruster 40.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

This power supply device (100) that supplies power to a Hall thruster (40) which is an electrical propulsion device having a channel (45) that accelerates ions and generates thrust, is provided with an anode power supply (11) that generates a voltage to be applied to an anode electrode (43) provided inside the channel, and a control unit (10) that controls the anode power supply. The control unit controls the anode power supply so that the voltage to be applied to the anode electrode becomes a voltage that is obtained by superposing an alternating current voltage, at a frequency at least 10 times the discharge fluctuation of an anode current that is the current flowing through the anode electrode, on a direct current voltage.

Description

電源装置および電気推進システムPower supply and electric propulsion system
 本発明は、人工衛星などに搭載される電気推進装置であるホールスラスタに電力を供給する電源装置および電気推進システムに関する。 The present invention relates to a power supply device and an electric propulsion system that supply electric power to a hall thruster, which is an electric propulsion device mounted on an artificial satellite or the like.
 ホールスラスタは、環状の放電空間であるチャネルの一方からガスを導入し、チャネル内でガスをイオン化して加速し、チャネルの他方に出力する。このイオンの出力の反作用によってホールスラスタの推力が得られる。チャネルには径方向に磁束が形成されており、この磁束によるホール効果のために、電子はチャネルの周方向にドリフトし、軸方向の動きが抑制される。これによって、イオンのみを効率的に加速することができる。 The Hall thruster introduces gas from one of the channels, which is an annular discharge space, ionizes the gas in the channel, accelerates it, and outputs it to the other of the channels. The thrust of the Hall thruster is obtained by the reaction of the output of this ion. A magnetic flux is formed in the channel in the radial direction, and due to the Hall effect due to this magnetic flux, electrons drift in the circumferential direction of the channel, and the movement in the axial direction is suppressed. This makes it possible to efficiently accelerate only the ions.
 ホールスラスタを安定に動作させる上での問題の一つとして、アノード電流の振動現象の発生が挙げられる。アノード電流の振動現象に関しては、いくつかの種類があり、数kHz~30kHzの周波数の振動は放電振動と呼ばれ、電源の設計および電磁適合性(EMC:Electro-Magnetic Compatibility)の観点から、および、ホールスラスタを搭載したシステムの安定性および信頼性への影響から、大きな問題となる。このため、この放電振動現象を抑制する制御方法が必要とされている。たとえば、特許文献1には、放電振動を抑制するための方法について記載されている。 One of the problems in operating the Hall thruster stably is the occurrence of the vibration phenomenon of the anode current. There are several types of anode current vibration phenomena, and vibrations with frequencies of several kHz to 30 kHz are called discharge vibrations, from the viewpoint of power supply design and electromagnetic compatibility (EMC), and , It becomes a big problem because of the influence on the stability and reliability of the system equipped with the Hall thruster. Therefore, a control method for suppressing this discharge vibration phenomenon is required. For example, Patent Document 1 describes a method for suppressing discharge vibration.
特開2007-177639号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-177639
 特許文献1でも述べられているように、放電振動は、アノード電圧、磁束密度およびガス流量がある決まった関係にあるときに生じる。また、放電振動は、アノード電圧Vaと、ガス流量Qと、コイル電流Icで決まる磁束密度Bとを適切に設定することである程度抑制が可能である。つまり、Va、QおよびIcの組み合わせで、放電振動が十分に少なくなる安定な領域が存在する。通常はこの安定な領域の内部でVa、QおよびIcを制御することで、放電振動の生じない安定な動作が可能になる。たとえば、VaおよびQをある値に設定した場合、Icを安定領域に設定することで、安定動作が可能になる。 As described in Patent Document 1, discharge vibration occurs when the anode voltage, the magnetic flux density, and the gas flow rate have a certain relationship. Further, the discharge vibration can be suppressed to some extent by appropriately setting the anode voltage Va, the gas flow rate Q, and the magnetic flux density B determined by the coil current Ic. That is, there is a stable region in which the discharge vibration is sufficiently reduced by the combination of Va, Q and Ic. Normally, by controlling Va, Q and Ic inside this stable region, stable operation without discharge vibration is possible. For example, when Va and Q are set to certain values, stable operation is possible by setting Ic in the stable region.
 しかしながら、この安定な領域はホールスラスタのチャネルの状態に強く依存するため、ホールスラスタを長時間動作させた場合、この安定な領域が変化してしまう。この経年的な変化は、一つにはホールスラスタのチャネルの磨耗に起因する。このため、ホールスラスタを長時間動作させてチャネルが経年的に変化した場合、同時に放電振動の生じない安定な動作領域も変化してしまい、制御ができなくなる、という問題があった。 However, since this stable region strongly depends on the state of the Hall thruster channel, this stable region changes when the Hall thruster is operated for a long time. This secular change is due in part to the wear of the Hall thruster channels. For this reason, when the Hall thruster is operated for a long time and the channel changes over time, the stable operating region in which discharge vibration does not occur also changes at the same time, and there is a problem that control becomes impossible.
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ホールスラスタの状態によらずアノード電流の放電振動を抑制して安定動作を実現することが可能な電源装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a power supply device capable of suppressing discharge vibration of the anode current and realizing stable operation regardless of the state of the Hall thruster.
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、イオンを加速させて推力を発生させる放電空間であるチャネルを有する電気推進装置に電力を供給する電源装置であって、チャネル内に設けられたアノード電極に印加する電圧を生成するアノード電源と、アノード電源を制御する制御部と、を備える。制御部は、アノード電極に印加される電圧が、アノード電極に流れる電流であるアノード電流の放電振動の10倍以上の周波数の交流電圧が直流電圧に重畳された電圧となるようにアノード電源を制御する。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the present invention is a power supply device for supplying power to an electric propulsion device having a channel which is a discharge space for accelerating ions to generate thrust, and in the channel. It is provided with an anode power supply that generates a voltage applied to the anode electrode provided in the above, and a control unit that controls the anode power supply. The control unit controls the anode power supply so that the voltage applied to the anode electrode is an AC voltage whose frequency is 10 times or more the discharge vibration of the anode current, which is the current flowing through the anode electrode, superimposed on the DC voltage. To do.
 本発明にかかる電源装置は、ホールスラスタの状態によらずアノード電流の放電振動を抑制して安定動作を実現することができる、という効果を奏する。 The power supply device according to the present invention has the effect of suppressing the discharge vibration of the anode current and realizing stable operation regardless of the state of the Hall thruster.
実施の形態1にかかる電源装置を適用して実現される電気推進システムの構成例を示す図The figure which shows the configuration example of the electric propulsion system realized by applying the power supply device which concerns on Embodiment 1. 実施の形態1にかかる電源装置の制御部を実現する処理回路の一例を示す図The figure which shows an example of the processing circuit which realizes the control part of the power supply device which concerns on Embodiment 1. 一般的なホールスラスタで発生するアノード電流の放電振動の一例を示す図The figure which shows an example of the discharge vibration of the anode current generated in a general Hall thruster. 実施の形態1にかかる電気推進システムの要部を示す図The figure which shows the main part of the electric propulsion system which concerns on Embodiment 1. 実施の形態1にかかる電源装置のアノード電源が出力するアノード電圧およびアノード電流の一例を示す図The figure which shows an example of the anode voltage and the anode current output by the anode power source of the power supply device which concerns on Embodiment 1. 図3に示すアノード電流の放電振動の波形を横軸を周波数として表した図The waveform of the discharge vibration of the anode current shown in FIG. 3 is shown with the horizontal axis as the frequency. 実施の形態1にかかる電源装置がアノード電流の放電振動を抑制する動作を説明するための第1の図FIG. 1 for explaining the operation of the power supply device according to the first embodiment suppressing the discharge vibration of the anode current. 実施の形態1にかかる電源装置がアノード電流の放電振動を抑制する動作を説明するための第2の図FIG. 2 for explaining the operation of the power supply device according to the first embodiment suppressing the discharge vibration of the anode current. 実施の形態2にかかる電気推進システムの要部を示す図The figure which shows the main part of the electric propulsion system which concerns on Embodiment 2. 実施の形態3にかかる電気推進システムの要部を示す図The figure which shows the main part of the electric propulsion system which concerns on Embodiment 3. 実施の形態4にかかる電気推進システムの要部を示す図The figure which shows the main part of the electric propulsion system which concerns on Embodiment 4. 実施の形態4にかかる電気推進システムを実現するアノード電源の一例を示す図The figure which shows an example of the anode power source which realizes the electric propulsion system which concerns on Embodiment 4. 実施の形態5にかかる電気推進システムを説明するための図The figure for demonstrating the electric propulsion system which concerns on Embodiment 5. 実施の形態5にかかる電気推進システムの要部を示す図The figure which shows the main part of the electric propulsion system which concerns on Embodiment 5. 実施の形態7にかかる電気推進システムの要部を示す図The figure which shows the main part of the electric propulsion system which concerns on Embodiment 7.
 以下に、本発明の実施の形態にかかる電源装置および電気推進システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, the power supply device and the electric propulsion system according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to this embodiment.
実施の形態1.
 図1は、実施の形態1にかかる電源装置を適用して実現される電気推進システムの構成例を示す図である。実施の形態1にかかる電気推進システム300は、ホローカソード30と、電気推進装置であるホールスラスタ40と、ホローカソード30およびホールスラスタ40に電力を供給する電源装置100と、を備える。図1では、ホールスラスタ40として一般的な、SPT(Stationary Plasma Thruster)型と呼ばれるマグネティックレイヤー型のホールスラスタの断面を示している。また、ホールスラスタ40へのガスの供給系を併せて示している。図1に示す電気推進システム300は人工衛星に搭載されるものとする。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an electric propulsion system realized by applying the power supply device according to the first embodiment. The electric propulsion system 300 according to the first embodiment includes a hollow cathode 30, an electric propulsion device, a Hall thruster 40, and a power supply device 100 that supplies electric power to the hollow cathode 30 and the Hall thruster 40. FIG. 1 shows a cross section of a magnetic layer type Hall thruster called an SPT (Stationary Plasma Thruster) type, which is common as a Hall thruster 40. Further, the gas supply system to the Hall thruster 40 is also shown. The electric propulsion system 300 shown in FIG. 1 shall be mounted on an artificial satellite.
 電源装置100について説明する。電源装置100は、制御部10と、アノード電源11と、外部コイル電源12と、内部コイル電源13と、ヒータ電源14と、キーパ電源15と、カソード側流量調整器16と、アノード側流量調整器17とを備える。 The power supply device 100 will be described. The power supply device 100 includes a control unit 10, an anode power supply 11, an external coil power supply 12, an internal coil power supply 13, a heater power supply 14, a keeper power supply 15, a cathode side flow rate regulator 16, and an anode side flow rate regulator. It is provided with 17.
 制御部10は、アノード電源11、外部コイル電源12、内部コイル電源13、ヒータ電源14、キーパ電源15、カソード側流量調整器16およびアノード側流量調整器17の動作を制御する。制御部10は、例えば、図2に示すプロセッサ201およびメモリ202からなる処理回路で実現される。図2に示す処理回路で制御部10を実現する場合、制御部10として動作するためのプログラムをメモリ202に予め格納しておき、このプログラムをプロセッサ201がメモリ202から読み出して実行することにより、制御部10が実現される。なお、プロセッサ201は、CPU(Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、DSP(Digital Signal Processor)ともいう)である。メモリ202は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリー、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(登録商標)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。 The control unit 10 controls the operations of the anode power supply 11, the external coil power supply 12, the internal coil power supply 13, the heater power supply 14, the keeper power supply 15, the cathode side flow rate regulator 16, and the anode side flow rate regulator 17. The control unit 10 is realized by, for example, a processing circuit including the processor 201 and the memory 202 shown in FIG. When the control unit 10 is realized by the processing circuit shown in FIG. 2, a program for operating as the control unit 10 is stored in the memory 202 in advance, and the processor 201 reads the program from the memory 202 and executes the program. The control unit 10 is realized. The processor 201 is a CPU (also referred to as a Central Processing Unit, a central processing unit, a processing unit, an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, or a DSP (Digital Signal Processor)). The memory 202 is non-volatile, for example, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EEPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM (registered trademark) (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), and the like. Alternatively, it is a volatile semiconductor memory.
 アノード電源11は、後述するホールスラスタ40が備えるアノード電極43に電圧を印加する。外部コイル電源12は、後述するホールスラスタ40が備える外部コイル42に電圧を印加する。内部コイル電源13は、後述するホールスラスタ40が備える内部コイル41に電圧を印加する。ヒータ電源14は、ホローカソード30内を加熱するためのヒータに電力を供給する。キーパ電源15は、ホローカソード30の電子の放出側に設けられたキーパ電極に電力を供給する。カソード側流量調整器16は、ホローカソード30へのガスの流入量を調整する。アノード側流量調整器17は、ホールスラスタ40へのガスの流入量を調整する。 The anode power supply 11 applies a voltage to the anode electrode 43 included in the Hall thruster 40 described later. The external coil power supply 12 applies a voltage to the external coil 42 included in the Hall thruster 40 described later. The internal coil power supply 13 applies a voltage to the internal coil 41 included in the Hall thruster 40 described later. The heater power supply 14 supplies electric power to a heater for heating the inside of the hollow cathode 30. The keeper power supply 15 supplies electric power to a keeper electrode provided on the electron emitting side of the hollow cathode 30. The cathode side flow rate regulator 16 adjusts the amount of gas flowing into the hollow cathode 30. The anode-side flow rate regulator 17 adjusts the amount of gas flowing into the Hall thruster 40.
 次に、ホールスラスタ40について説明する。ホールスラスタ40は、円環状の放電空間であるチャネル45を有する。ホールスラスタ40は、チャネル45の一方から、具体的には、アノード電極43が設けられた側から、ガスが供給され、このガスがチャネル45内でイオン化されて加速し、他方に出力されることで推力を得る。たとえば図1のホールスラスタ40にはXeガスが供給されている。 Next, the Hall thruster 40 will be described. The Hall thruster 40 has a channel 45 which is an annular discharge space. The Hall thruster 40 is supplied with gas from one of the channels 45, specifically from the side where the anode electrode 43 is provided, and this gas is ionized in the channel 45 to accelerate and output to the other. Get thrust with. For example, the Hall thruster 40 in FIG. 1 is supplied with Xe gas.
 チャネル45内でイオンを加速するために、陰極であるホローカソード30と、アノード電極43との間に電圧が印加される。これがアノード電圧Vaである。イオンを加速する際に流れる電流がアノード電流Iaである。イオンのみを効率的に加速するために、電子は磁場によるホール効果によってチャネル45内に閉じ込める。この磁場は、チャネル45の内部および外部に設けられた電磁石すなわち内部コイル41および外部コイル42によって形成される。また、この磁場は、チャネル45の出口付近に設けられたポールピース44によって、チャネル45の円環の半径方向にほぼ均一に印加されるように設計されている。また、ホールスラスタ40は、ポールピース44などを含んで形成される磁気回路によってチャネル45の出口付近の磁束密度Bが最も高くなるように設計されている。通常は電磁軟鉄によってポールピース44を含む磁気回路が構成される。 A voltage is applied between the hollow cathode 30 which is a cathode and the anode electrode 43 in order to accelerate the ions in the channel 45. This is the anode voltage Va. The current that flows when accelerating the ions is the anode current Ia. In order to efficiently accelerate only the ions, the electrons are confined in the channel 45 by the Hall effect of the magnetic field. This magnetic field is formed by electromagnets, namely the internal coil 41 and the external coil 42, provided inside and outside the channel 45. Further, this magnetic field is designed to be applied substantially uniformly in the radial direction of the annulus of the channel 45 by the pole piece 44 provided near the outlet of the channel 45. Further, the Hall thruster 40 is designed so that the magnetic flux density B near the outlet of the channel 45 is the highest by the magnetic circuit formed including the pole piece 44 and the like. Normally, a magnetic circuit including a pole piece 44 is constructed of electromagnetic soft iron.
 上記の電磁石は、内部だけ、あるいは外部だけ、あるいは一部が永久磁石で構成されている場合もある。一般には内部および外部の電磁石に流れる電流であるコイル電流Icを調整することによって磁束密度を変化させる。コイル電流Icは一般には定電流源によって駆動され、このコイル電流Icを制御することによってチャネル45内部に形成される磁束密度を制御する。 The above electromagnet may be composed of permanent magnets only inside, only outside, or partly. Generally, the magnetic flux density is changed by adjusting the coil current Ic, which is the current flowing through the internal and external electromagnets. The coil current Ic is generally driven by a constant current source, and by controlling the coil current Ic, the magnetic flux density formed inside the channel 45 is controlled.
 ホールスラスタ40はイオンだけを加速して噴射するものであるので、同時に電子を噴射して電気的中性を保つための電子源が必要である。図1に示すホローカソード30がこの電子源である。ホールスラスタ40のアノード電極43には、ホローカソード30に対して200~300V程度の正の電圧が印加される。このホローカソード30とアノード電極43との電位差によりホールスラスタ40のチャネル45内部に生じる電界によって、イオンが加速される。 Since the Hall thruster 40 accelerates and injects only ions, an electron source for injecting electrons at the same time to maintain electrical neutrality is required. The hollow cathode 30 shown in FIG. 1 is this electron source. A positive voltage of about 200 to 300 V is applied to the anode electrode 43 of the Hall thruster 40 with respect to the hollow cathode 30. Ions are accelerated by the electric field generated inside the channel 45 of the Hall thruster 40 due to the potential difference between the hollow cathode 30 and the anode electrode 43.
 通常は、アノード電極43にはDC(Direct Current)電圧が印加される。しかしながら、DC電圧を印加しているにもかかわらず、電流が激しく振動するという現象が発生する。これがいわゆる放電振動の現象である。図3はその様子を示したものである。図3は、一般的なホールスラスタで発生するアノード電流の放電振動の一例を示す図であり、放電振動が発生したときのアノード電圧とアノード電流の関係を示している。図3に示すように、放電振動では、アノード電圧は一定値であるがアノード電流が大きく変動している。電源のインピーダンスが十分に大きくない場合は電流の変動の影響を受けてアノード電圧が若干変動するが、通常その変動は十分小さくなるように設計される。 Normally, a DC (Direct Current) voltage is applied to the anode electrode 43. However, even though the DC voltage is applied, the phenomenon that the current vibrates violently occurs. This is the so-called discharge vibration phenomenon. FIG. 3 shows the situation. FIG. 3 is a diagram showing an example of the discharge vibration of the anode current generated in a general Hall thruster, and shows the relationship between the anode voltage and the anode current when the discharge vibration occurs. As shown in FIG. 3, in the discharge vibration, the anode voltage is a constant value, but the anode current fluctuates greatly. If the impedance of the power supply is not large enough, the anode voltage will fluctuate slightly due to the influence of current fluctuations, but the fluctuation is usually designed to be sufficiently small.
 この変動現象は理論的には詳細な説明が行われている。振動の原因はホールスラスタ内部のプラズマ密度の変動であり、非常に単純に言えば放電が点いたり消えたりしている。この振動の周波数はホールスラスタの放電に関するさまざまなパラメータに依存している。したがって、振動の周波数は、コイル電流、ガス流量などの運用条件、ホールスラスタの状態、経年劣化などによって変動しうるが、それほど極端に変動するわけではない。しかしながら、条件によってはこの振動の振幅が非常に大きくなり、電源の動作、EMC、ホールスラスタの寿命などに影響を与えることになる。 Theoretically, this fluctuation phenomenon has been explained in detail. The cause of the vibration is the fluctuation of the plasma density inside the Hall thruster, and very simply, the discharge is turned on and off. The frequency of this vibration depends on various parameters related to the Hall thruster discharge. Therefore, the frequency of vibration can fluctuate depending on operating conditions such as coil current and gas flow rate, Hall thruster state, and aging deterioration, but it does not fluctuate so much. However, depending on the conditions, the amplitude of this vibration becomes very large, which affects the operation of the power supply, the EMC, the life of the Hall thruster, and the like.
 図4は、実施の形態1にかかる電気推進システム300の要部を示す図である。図4では、図1に示す構成要素のうち、ホールスラスタ40、ホローカソード30およびアノード電源11だけを記載し、ほかの構成要素の記載は省略している。 FIG. 4 is a diagram showing a main part of the electric propulsion system 300 according to the first embodiment. In FIG. 4, among the components shown in FIG. 1, only the Hall thruster 40, the hollow cathode 30, and the anode power supply 11 are described, and the description of other components is omitted.
 ここで、図1に示す回路図では、アノード電源11をはじめとするいくつかの電源が構成要素として示されているが、その一次側の配線は省略されている。人工衛星の電気系統は、一般には衛星バスと呼ばれる直流系統につながっており、そこから受電している。電源装置100を構成する各電源も、一次側はこの衛星バスにつながっており、そこから電力を受電していることを付記しておく。 Here, in the circuit diagram shown in FIG. 1, some power supplies including the anode power supply 11 are shown as components, but the wiring on the primary side thereof is omitted. The electric system of an artificial satellite is connected to a DC system generally called a satellite bus, and receives power from there. It should be noted that each power source constituting the power supply device 100 is also connected to this satellite bus on the primary side and receives electric power from the satellite bus.
 図4に示す実施の形態1にかかるアノード電源11は、直流電源111と交流電源112とが直列に接続された構成である。このような電源構成で、交流電源112が、放電振動の周波数よりも十分に高い、たとえば10倍などの周波数の交流電圧を、直流電源111からの直流電圧に印加すると、電圧の出力波形として例えば図5のような波形が得られる。すなわち、アノード電源11は、図5に示すアノード電圧のような波形の電圧を出力する。図5は、実施の形態1にかかる電源装置100のアノード電源11が出力するアノード電圧およびアノード電流の一例を示す図である。 The anode power supply 11 according to the first embodiment shown in FIG. 4 has a configuration in which a DC power supply 111 and an AC power supply 112 are connected in series. With such a power supply configuration, when the AC power supply 112 applies an AC voltage having a frequency sufficiently higher than the frequency of discharge vibration, for example, 10 times, to the DC voltage from the DC power supply 111, the output waveform of the voltage is, for example. A waveform as shown in FIG. 5 can be obtained. That is, the anode power supply 11 outputs a voltage having a waveform similar to the anode voltage shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing an example of the anode voltage and the anode current output by the anode power supply 11 of the power supply device 100 according to the first embodiment.
 このような高周波交流を重畳した電圧波形でホールスラスタ40を駆動すると、図5のように、低周波の放電振動による電流変動の振幅が小さくなることを発明者は見出した。高周波交流を重畳していない図3と比較して、高周波交流を重畳すると、図5に示すように放電振動による低周波の電流変動の振幅が小さくなる。 The inventor has found that when the Hall thruster 40 is driven by a voltage waveform in which such high-frequency alternating current is superimposed, the amplitude of current fluctuation due to low-frequency discharge vibration becomes small as shown in FIG. Compared with FIG. 3 in which the high frequency alternating current is not superimposed, when the high frequency alternating current is superimposed, the amplitude of the low frequency current fluctuation due to the discharge vibration becomes smaller as shown in FIG.
 この現象のメカニズムは次の通りである。放電振動の周波数(数kHz~数十kHz)よりも高い周波数の振動を直流電圧に印加する事により、レイノルズ応力での電子の拡散が促進されるため、プラズマの粘性が増える。これによってプラズマの変動が抑制され、ホールスラスタ40固有の放電振動である数kHz~数十kHzの電流変動が抑制される。 The mechanism of this phenomenon is as follows. By applying a vibration having a frequency higher than the frequency of the discharge vibration (several kHz to several tens of kHz) to the DC voltage, the diffusion of electrons under the Reynolds stress is promoted, so that the viscosity of the plasma increases. As a result, the fluctuation of the plasma is suppressed, and the current fluctuation of several kHz to several tens of kHz, which is the discharge vibration peculiar to the Hall thruster 40, is suppressed.
 ホールスラスタ40の電流振動現象としては、その物理的なメカニズムによっていくつかの種類がある。まず、本実施の形態にかかる電源装置100が抑制しようとしている「放電振動」があり、ホールスラスタの形状や条件によるが、周波数は数kHz~数十kHzとされている。この現象はホールスラスタ内のプラズマ密度の変動によって生じる。 There are several types of current vibration phenomenon of the Hall thruster 40 depending on its physical mechanism. First, there is "discharge vibration" that the power supply device 100 according to the present embodiment is trying to suppress, and the frequency is set to several kHz to several tens of kHz depending on the shape and conditions of the Hall thruster. This phenomenon is caused by fluctuations in plasma density within the Hall thruster.
 次に、トランジェント振動と呼ばれる、100kHz~1MHzの振動がある。これはイオンがホールスラスタの加速領域を通過する時定数に起因すると言われている。また、電子ドリフト振動と呼ばれる現象が、1MHz~10MHzで発生する。これはホールスラスタの加速領域の円環の周方向の電子の不均一性に起因し、磁場およびガス密度の周方向の不均一性がその原因となっている。 Next, there is vibration of 100 kHz to 1 MHz called transient vibration. It is said that this is due to the time constant of the ions passing through the acceleration region of the Hall thruster. Further, a phenomenon called electron drift vibration occurs at 1 MHz to 10 MHz. This is due to the non-uniformity of electrons in the circumferential direction of the annulus in the acceleration region of the Hall thruster, which is due to the non-uniformity of the magnetic field and gas density in the circumferential direction.
 さらに高周波の領域では、電子サイクロトロン振動(1GHz付近)、および、ラングミュア振動(0.1GHz~10GHz)が存在する。これらはホールスラスタ40の動作で生じる振動ではなく、バルクのプラズマ自体に生じる振動現象である。 In the higher frequency region, there are electron cyclotron vibration (around 1 GHz) and Langmuir vibration (0.1 GHz to 10 GHz). These are not the vibrations generated by the operation of the Hall thruster 40, but the vibration phenomena generated in the bulk plasma itself.
 本実施の形態にかかる電源装置100は、放電振動を抑制するために、MHz領域以下の振動である、トランジェント振動および電子ドリフト振動を利用する。図3に示すアノード電流の放電振動の波形は、横軸を周波数として表すと、図6のようになる。図6より、3kHz~50kHzの放電振動領域、100kHz~300kHzのトランジェント振動領域、1MHz~2MHzの電子ドリフト振動領域に、ピークが存在しており、これらの領域で振動現象が現れていることがわかる。 The power supply device 100 according to the present embodiment uses transient vibration and electron drift vibration, which are vibrations in the MHz region or lower, in order to suppress discharge vibration. The waveform of the discharge vibration of the anode current shown in FIG. 3 is as shown in FIG. 6 when the horizontal axis is represented as a frequency. From FIG. 6, it can be seen that peaks exist in the discharge vibration region of 3 kHz to 50 kHz, the transient vibration region of 100 kHz to 300 kHz, and the electron drift vibration region of 1 MHz to 2 MHz, and the vibration phenomenon appears in these regions. ..
 この状態で、電源装置100は、たとえば図4に示す回路(アノード電源11)を適用して、電圧波形に高周波を重畳する。たとえば200kHzの交流を重畳したとすると、図7のように、200kHzに近い周波数で電流の振動が増加する。そして同時に、3kHz~50kHzに存在する放電振動の振動成分が減少する。これを時間領域で表したものが図5である。これは、200kHz付近のトランジェント振動に近い周波数を印加して振動を増大させ、トランジェント現象での電子拡散を促進するため、放電振動が抑制された、と考えることができる。なお、図7は、実施の形態1にかかる電源装置100がアノード電流の放電振動を抑制する動作を説明するための第1の図である。 In this state, the power supply device 100 applies, for example, the circuit (anode power supply 11) shown in FIG. 4 to superimpose a high frequency on the voltage waveform. For example, assuming that an alternating current of 200 kHz is superimposed, the vibration of the current increases at a frequency close to 200 kHz as shown in FIG. At the same time, the vibration component of the discharge vibration existing at 3 kHz to 50 kHz is reduced. FIG. 5 shows this in the time domain. It can be considered that this is because the discharge vibration is suppressed because the vibration is increased by applying a frequency close to the transient vibration in the vicinity of 200 kHz and the electron diffusion in the transient phenomenon is promoted. Note that FIG. 7 is a first diagram for explaining an operation in which the power supply device 100 according to the first embodiment suppresses the discharge vibration of the anode current.
 同じく、電子ドリフト振動の領域を利用して放電振動を抑制することもできる。図8は、電源装置100のアノード電源11がアノード電圧に1.3MHzの交流電圧を重畳した場合の波形の例を示す。この場合も図7に示す200kHz付近の交流電圧を重畳する場合と同様に、1MHz~2MHzの電子ドリフト振動が促進されて増大するかわりに、放電振動の強度が低下している。なお、図8は、実施の形態1にかかる電源装置100がアノード電流の放電振動を抑制する動作を説明するための第2の図である。 Similarly, the discharge vibration can be suppressed by using the region of the electron drift vibration. FIG. 8 shows an example of a waveform when the anode power supply 11 of the power supply device 100 superimposes an AC voltage of 1.3 MHz on the anode voltage. In this case as well, as in the case of superimposing the AC voltage around 200 kHz shown in FIG. 7, the intensity of the discharge vibration is reduced instead of being promoted and increased by the electron drift vibration of 1 MHz to 2 MHz. Note that FIG. 8 is a second diagram for explaining the operation of the power supply device 100 according to the first embodiment suppressing the discharge vibration of the anode current.
 このように、トランジェント振動あるいは電子ドリフト振動が発生する周波数帯の交流を電源電圧すなわち直流のアノード電圧に重畳することによって、全く異なる周波数領域である放電振動の電流振動強度を抑制することが可能になる。 In this way, by superimposing the alternating current in the frequency band where transient vibration or electron drift vibration occurs on the power supply voltage, that is, the anode voltage of direct current, it is possible to suppress the current vibration intensity of the discharge vibration in a completely different frequency region. Become.
 なお、文献「特開2013-222578号公報」には、直流電圧に交流電圧を重畳させた電圧をホールスラスタのアノード電極に印加する技術が記載されている。 Note that the document "Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-222578" describes a technique of applying a voltage obtained by superimposing an AC voltage on a DC voltage to an anode electrode of a Hall thruster.
 しかしながら、上記文献に記載の技術と本実施の形態にかかる電源装置100がアノード電圧を生成する技術は異なる。上記文献に記載の技術では、放電振動の周波数に近い周波数の交流電圧を直流電圧に重畳することで、放電振動の周波数を制御しようとするものである。その場合、その振動の強度が強くなるか弱くなるかは関与しない(一般には元の放電振動の周波数よりも高い周波数を重畳すると強度が低下し、低い周波数を重畳すると強度が増加する。)。一方、電源装置100がアノード電圧を生成する際に直流電圧に重畳する交流電圧の周波数は、上述したように放電振動の周波数とは異なる。すなわち、電源装置100は、放電振動の周波数とは全く異なる、別の物理メカニズムに基づいた振動領域の周波数を重畳することで、放電振動の強度を低下させる。 However, the technique described in the above document and the technique for generating the anode voltage by the power supply unit 100 according to the present embodiment are different. The technique described in the above document attempts to control the frequency of discharge vibration by superimposing an AC voltage having a frequency close to the frequency of discharge vibration on a DC voltage. In that case, it does not matter whether the intensity of the vibration becomes stronger or weaker (generally, superimposing a frequency higher than the frequency of the original discharge vibration lowers the intensity, and superimposing a lower frequency increases the intensity). On the other hand, the frequency of the AC voltage superimposed on the DC voltage when the power supply device 100 generates the anode voltage is different from the frequency of the discharge vibration as described above. That is, the power supply device 100 reduces the intensity of the discharge vibration by superimposing the frequency of the vibration region based on another physical mechanism, which is completely different from the frequency of the discharge vibration.
 全く異なる周波数と述べたが、図6に示すようにそれぞれの振動領域は、それらが基づいている物理現象から、ある程度その周波数領域が限定されている。たとえば、トランジェント振動はおおむね100kHz以上とされている。したがって、抑制したい放電振動の周波数の5倍以上、望ましくは10倍以上の周波数の交流電圧を重畳する必要があることがわかる。放電振動の電流波形は、たとえばオシロスコープなどを用いて時間軸で観測することで容易に観測できるが、トランジェント振動あるいは電子ドリフト振動の周波数は、周波数が高いため時間領域では観測しづらい。そのため、放電振動の周波数を制御の指標とすることは実用上有用である。 Although it was stated that the frequencies are completely different, as shown in FIG. 6, each vibration region is limited to some extent due to the physical phenomenon on which they are based. For example, transient vibration is generally set to 100 kHz or higher. Therefore, it can be seen that it is necessary to superimpose an AC voltage having a frequency of 5 times or more, preferably 10 times or more the frequency of the discharge vibration to be suppressed. The current waveform of discharge vibration can be easily observed by observing it on the time axis using an oscilloscope, for example, but it is difficult to observe the frequency of transient vibration or electron drift vibration in the time domain because of its high frequency. Therefore, it is practically useful to use the frequency of discharge vibration as a control index.
 一方、電流波形をたとえばスペクトラムアナライザで観測すると、図6のような特性が観測でき、トランジェント振動あるいは電子ドリフト振動の周波数もおおむね同定できる。図7あるいは図8のような動作を意図するのであれば、正確には、トランジェント振動あるいは電子ドリフト振動の周波数に合わせて交流波形を印加するのが適切である。トランジェント振動および電子ドリフト振動は、放電振動に比べると、明確にある周波数が現れるわけではなく、スペクトル幅が比較的広いので、それらの周波数の中心値に対して、概ね0.5倍~2倍の範囲の周波数を印加することで、本発明の目的とする効果が得られる。周波数の中心値に対して概ね0.5倍~2倍の範囲は、トランジェント振動または電子ドリフト振動が発生する周波数帯域に相当する。すなわち、トランジェント振動が現れる周波数の中心値に対して概ね0.5倍~2倍の範囲は、トランジェント振動が発生する周波数帯域に相当し、電子ドリフト振動が現れる周波数の中心値に対して概ね0.5倍~2倍の範囲は、電子ドリフト振動が発生する周波数帯域に相当する。 On the other hand, when the current waveform is observed with a spectrum analyzer, for example, the characteristics shown in FIG. 6 can be observed, and the frequencies of transient vibration or electron drift vibration can be roughly identified. If the operation as shown in FIG. 7 or 8 is intended, it is appropriate to apply the AC waveform in accordance with the frequency of the transient vibration or the electron drift vibration. Compared to discharge vibration, transient vibration and electron drift vibration do not have a clear frequency, and their spectral width is relatively wide, so they are approximately 0.5 to 2 times the center value of those frequencies. By applying a frequency in the range of, the effect desired by the present invention can be obtained. The range of approximately 0.5 to 2 times the center value of the frequency corresponds to the frequency band in which transient vibration or electron drift vibration occurs. That is, the range of about 0.5 to 2 times the center value of the frequency at which the transient vibration appears corresponds to the frequency band where the transient vibration occurs, and is approximately 0 with respect to the center value of the frequency at which the electron drift vibration appears. The range of .5 to 2 times corresponds to the frequency band in which electron drift vibration occurs.
 本実施の形態にかかる電気推進システム300では、ホールスラスタ40の放電振動の周波数が、ホールスラスタ40の経年変化または動作条件によって多少変動したとしても、アノード電源11が、放電振動の周波数とは全く別の周波数で駆動しているため、放電振動の抑制の効果には影響しない、という特徴がある。したがって、ホールスラスタ40の状態によらず、安定した効果が期待できる。 In the electric propulsion system 300 according to the present embodiment, even if the frequency of the discharge vibration of the Hall thruster 40 fluctuates slightly due to aging or operating conditions of the Hall thruster 40, the anode power supply 11 does not have the frequency of the discharge vibration at all. Since it is driven at a different frequency, it does not affect the effect of suppressing discharge vibration. Therefore, a stable effect can be expected regardless of the state of the Hall thruster 40.
 アノード電源11が直流電圧に重畳する交流電圧の波形は、正弦波、矩形波、三角波など、交流であれば何でも構わない。また、重畳する交流波形の振幅は、一般に直流電源よりも交流電源のほうが大きくかつ高コストなので、効果が得られる程度に重畳する交流電圧の振幅を小さくすることが望ましい。重畳する交流電圧の振幅は、おおむね直流電源の電圧値の1/5~1/100が適切であることがわかっている。振幅が大きすぎると交流電源が大きくなりすぎ、振幅が小さいと効果が生じない。 The waveform of the AC voltage that the anode power supply 11 superimposes on the DC voltage may be any AC such as a sine wave, a square wave, and a triangular wave. Further, since the amplitude of the superimposed AC waveform is generally larger and more expensive in the AC power supply than in the DC power supply, it is desirable to reduce the amplitude of the superimposed AC voltage to the extent that the effect can be obtained. It is known that the amplitude of the superimposed AC voltage is generally 1/5 to 1/100 of the voltage value of the DC power supply. If the amplitude is too large, the AC power supply becomes too large, and if the amplitude is too small, no effect is produced.
 なお、電源装置100のアノード電源11の動作は制御部10により制御される。すなわち、電源装置100の制御部10は、トランジェント振動の周波数または電子ドリフト振動の周波数に基づき決定される周波数の交流電圧が直流電圧に重畳されたアノード電圧を出力するようアノード電源11を制御する。 The operation of the anode power supply 11 of the power supply device 100 is controlled by the control unit 10. That is, the control unit 10 of the power supply device 100 controls the anode power supply 11 so that the AC voltage having a frequency determined based on the frequency of the transient vibration or the frequency of the electron drift vibration outputs the anode voltage superimposed on the DC voltage.
 以上説明したように、本実施の形態にかかる電気推進システム300において、電源装置100のアノード電源11は、直流電圧に交流電圧が重畳された電圧を生成し、この電圧をアノード電圧としてホールスラスタ40のアノード電極43に印加する。アノード電圧の生成に用いる交流電圧の周波数は、トランジェント振動の周波数または電子ドリフト振動の周波数に基づいて決定した周波数とする。具体的には、交流電圧の周波数は、トランジェント振動が発生する周波数帯に含まれる周波数、または、電子ドリフト振動が発生する周波数帯域に含まれる周波数とする。これにより、ホールスラスタ40の状態によらず、アノード電極43に流れるアノード電流の放電振動の振幅を抑制することができる。すなわち、ホールスラスタ40の安定動作を実現できる。 As described above, in the electric propulsion system 300 according to the present embodiment, the anode power supply 11 of the power supply device 100 generates a voltage in which an AC voltage is superimposed on a DC voltage, and the hole thruster 40 uses this voltage as an anode voltage. It is applied to the anode electrode 43 of. The frequency of the AC voltage used to generate the anode voltage shall be a frequency determined based on the frequency of transient vibration or the frequency of electron drift vibration. Specifically, the frequency of the AC voltage is a frequency included in the frequency band in which transient vibration occurs or a frequency included in the frequency band in which electron drift vibration occurs. As a result, the amplitude of the discharge vibration of the anode current flowing through the anode electrode 43 can be suppressed regardless of the state of the Hall thruster 40. That is, stable operation of the Hall thruster 40 can be realized.
実施の形態2.
 つぎに、実施の形態2について説明する。実施の形態2にかかる電気推進システムの構成は実施の形態1と同様である。本実施の形態では、実施の形態1と異なる部分を中心に説明を行う。以下の説明では、実施の形態2にかかる電気推進システムを電気推進システム300aと記載する。
Embodiment 2.
Next, the second embodiment will be described. The configuration of the electric propulsion system according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment. In the present embodiment, the description will be focused on the parts different from those in the first embodiment. In the following description, the electric propulsion system according to the second embodiment will be referred to as an electric propulsion system 300a.
 図9は、実施の形態2にかかる電気推進システム300aの要部を示す図である。図9は、図4のアノード電源11をアノード電源11aに置き換えたものであり、図4と同様に、電気推進システム300aの構成要素のうち、ホールスラスタ40、ホローカソード30およびアノード電源11aだけを記載し、その他の構成要素の記載は省略している。なお、その他の構成要素は実施の形態1にかかる電気推進システム300と同様である。 FIG. 9 is a diagram showing a main part of the electric propulsion system 300a according to the second embodiment. FIG. 9 shows that the anode power supply 11 of FIG. 4 is replaced with the anode power supply 11a, and similarly to FIG. 4, only the Hall thruster 40, the hollow cathode 30 and the anode power supply 11a are included in the components of the electric propulsion system 300a. It is described, and the description of other components is omitted. The other components are the same as those of the electric propulsion system 300 according to the first embodiment.
 図9に示すように、実施の形態2にかかるアノード電源11aは、直流電源111とトランス113の2次側が直接接続され、このトランス113の一次側に交流電源112が接続された構成である。実施の形態1で説明したように、交流電源112が出力する交流電圧の周波数は100kHz以上の高周波である。したがって、電源出力にトランス113を用いる場合、トランス113が比較的小型化でき、同時に交流電源112の出力が絶縁されるので、交流電源112の構成上有利である。周波数は100kHz以上であるので、トランス113のコアにはフェライトなど高周波特性に優れたものを用いる必要がある。 As shown in FIG. 9, the anode power supply 11a according to the second embodiment has a configuration in which the DC power supply 111 and the secondary side of the transformer 113 are directly connected, and the AC power supply 112 is connected to the primary side of the transformer 113. As described in the first embodiment, the frequency of the AC voltage output by the AC power supply 112 is a high frequency of 100 kHz or more. Therefore, when the transformer 113 is used for the power output, the transformer 113 can be relatively miniaturized, and at the same time, the output of the AC power supply 112 is insulated, which is advantageous in terms of the configuration of the AC power supply 112. Since the frequency is 100 kHz or higher, it is necessary to use a transformer 113 having excellent high frequency characteristics such as ferrite for the core.
 ここで、用いるトランス113の課題として、2次側にはDC電流にトランス113出力のAC電流が重畳されたものが流れるので、2次側の直流電流によってコアが飽和しやすい、という問題がある。トランス113の設計ではコアが飽和しないように設計する必要がある。あるいは、トランス113を空芯で構成するという方法がある。トランス113を空芯にすると、コアが飽和する心配がなく、周波数特性についても考慮する必要がない。一方で1次側と2次側の結合が悪くなる傾向があるので、電源設計上その点を考慮する必要がある。 Here, as a problem of the transformer 113 to be used, there is a problem that the core is likely to be saturated by the DC current on the secondary side because the DC current on which the AC current of the transformer 113 output is superimposed flows on the secondary side. .. In the design of the transformer 113, it is necessary to design so that the core is not saturated. Alternatively, there is a method in which the transformer 113 is configured with an air core. When the transformer 113 is an air core, there is no concern that the core will be saturated, and there is no need to consider frequency characteristics. On the other hand, the coupling between the primary side and the secondary side tends to be poor, and it is necessary to consider this point in the power supply design.
 以上説明したように、実施の形態2によれば、装置の小型化を実現できるという効果を奏する。 As described above, according to the second embodiment, there is an effect that the device can be miniaturized.
実施の形態3.
 つぎに、実施の形態3について説明する。実施の形態3にかかる電気推進システムの構成は実施の形態1と同様である。本実施の形態では、実施の形態1と異なる部分を中心に説明を行う。以下の説明では、実施の形態3にかかる電気推進システムを電気推進システム300bと記載する。
Embodiment 3.
Next, the third embodiment will be described. The configuration of the electric propulsion system according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment. In the present embodiment, the description will be focused on the parts different from those in the first embodiment. In the following description, the electric propulsion system according to the third embodiment will be referred to as an electric propulsion system 300b.
 実施の形態1の説明で使用した図4では、直流電源111と交流電源112とを直列に接続した構成のアノード電源11を示した。一方、近年の直流電源は効率の高いスイッチング方式を用いるものが主流であり、交流電源112としてスイッチング電源を適用することが考えられる。 In FIG. 4 used in the description of the first embodiment, the anode power supply 11 having a configuration in which the DC power supply 111 and the AC power supply 112 are connected in series is shown. On the other hand, most DC power supplies in recent years use a highly efficient switching method, and it is conceivable to apply a switching power supply as an AC power supply 112.
 図10は、実施の形態3にかかる電気推進システム300bの要部を示す図である。図10は、図4のアノード電源11をアノード電源11bに置き換えたものであり、図4などと同様に、電気推進システム300bの構成要素のうち、ホールスラスタ40、ホローカソード30およびアノード電源11bだけを記載し、その他の構成要素の記載は省略している。なお、その他の構成要素は実施の形態1にかかる電気推進システム300と同様である。 FIG. 10 is a diagram showing a main part of the electric propulsion system 300b according to the third embodiment. FIG. 10 shows that the anode power supply 11 of FIG. 4 is replaced with the anode power supply 11b, and similarly to FIG. 4 and the like, only the Hall thruster 40, the hollow cathode 30 and the anode power supply 11b are among the components of the electric propulsion system 300b. Is described, and the description of other components is omitted. The other components are the same as those of the electric propulsion system 300 according to the first embodiment.
 図10に示すように、実施の形態3にかかるアノード電源11bは、スイッチング電源を用いて実現される。スイッチング電源とは内部にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などのスイッチング素子を有し、スイッチング素子を高速でオン/オフさせることで電圧を変換したり、制御を行ったりするものである。図10に示すアノード電源11bは、スイッチング電源のもっとも単純な一例として、MOSFETをスイッチング素子とする降圧チョッパ回路114を備える。一般的に、スイッチング電源では、スイッチングによって生じた電圧および電流の変動を平滑化して負荷に影響を与えないようにし、同時に負荷の変動が電源に悪影響を与えないようにするため、出力側にフィルタが設けられる。そのため、図10に示すアノード電源11bもフィルタを備える。図10では最も単純なフィルタの例として、リアクトル(インダクタンス値:L)およびコンデンサ(コンデンサ容量:C)から構成されるLCフィルタであるフィルタ回路115を記載している。 As shown in FIG. 10, the anode power supply 11b according to the third embodiment is realized by using a switching power supply. A switching power supply has internal switching elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) and MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and by turning the switching elements on and off at high speed, voltage can be converted and controlled. It is something to go. The anode power supply 11b shown in FIG. 10 includes a step-down chopper circuit 114 having a MOSFET as a switching element as the simplest example of a switching power supply. Generally, in a switching power supply, the voltage and current fluctuations caused by switching are smoothed so as not to affect the load, and at the same time, the load fluctuations do not adversely affect the power supply, so a filter is applied to the output side. Is provided. Therefore, the anode power supply 11b shown in FIG. 10 also includes a filter. In FIG. 10, as an example of the simplest filter, a filter circuit 115, which is an LC filter composed of a reactor (inductance value: L) and a capacitor (capacitor capacity: C), is shown.
 図10に示すアノード電源11bについてさらに詳しく説明する。スイッチング電源は、スイッチング部分の直後では、電圧および電流が変動している。つまり電圧および電流の直流成分に交流成分が重畳されている。この交流成分をリップルと呼ぶ。このリップル成分を適切に平滑して、直流に近づけるためにフィルタが必要となる。 The anode power supply 11b shown in FIG. 10 will be described in more detail. The voltage and current of the switching power supply fluctuate immediately after the switching portion. That is, the AC component is superimposed on the DC component of the voltage and current. This AC component is called ripple. A filter is required to properly smooth this ripple component and bring it closer to direct current.
 いま、スイッチング電源の一次側の電圧がV0の場合に、これをたとえば図10に示すような降圧チョッパ回路114で出力電圧Vaに変換することを考える。Vaは出力電圧のDC成分つまり平均値である。スイッチングのデューティ比(duty ratio)をdとすると、下記の式(1)の関係がある。 Now, when the voltage on the primary side of the switching power supply is V0, consider converting this to the output voltage Va by the step-down chopper circuit 114 as shown in FIG. 10, for example. Va is the DC component of the output voltage, that is, the average value. Assuming that the switching duty ratio is d, there is a relationship of the following equation (1).
  Va=d×V0  …(1) Va = d x V0 ... (1)
 ここでスイッチング周波数をfswとする。一並列の降圧チョッパの場合はリップルの周波数もfswである。電源の出力に図10のようなフィルタ回路115が設けられている場合、出力に現れるリップルの振幅Vrは、下記の式(2)で表される。 Here, the switching frequency is fsw. In the case of a one-parallel step-down chopper, the ripple frequency is also fsw. When the output of the power supply is provided with the filter circuit 115 as shown in FIG. 10, the amplitude Vr of the ripple appearing in the output is represented by the following equation (2).
  Vr=V0/(ω2LC)
  ω=2×π×fsw      …(2)
Vr = V0 / (ω 2 LC)
ω = 2 × π × fsw… (2)
 上記の式(1)および式(2)から、出力電圧Vaに対するリップルの振幅Vrの割合つまり出力の変動率rは、下記の式(3)で表される。 From the above equations (1) and (2), the ratio of the ripple amplitude Vr to the output voltage Va, that is, the output volatility r is expressed by the following equation (3).
  r=Vr/Va=1/(ω2LC)/d
  fsw2×LC=1/(r×d×4π2)    …(3)
r = Vr / Va = 1 / (ω 2 LC) / d
fsw 2 × LC = 1 / (r × d × 4π 2 )… (3)
 たとえば、通常の電源設計においては、出力の変動率rは1%以下、望ましくは0.2%以下、等の性能が求められる。デューティ比dの値は電源の効率などの観点から、概ね0.5程度の値であることを考えると、r>0.2%の場合、「fsw2×LC>25」となる。このような値でフィルタ回路115を設計した場合、出力されるVaは変動の小さいDC波形となる。 For example, in a normal power supply design, performance such as an output volatility r of 1% or less, preferably 0.2% or less is required. Considering that the value of the duty ratio d is about 0.5 from the viewpoint of power supply efficiency and the like, when r> 0.2%, “fsw 2 × LC> 25” is obtained. When the filter circuit 115 is designed with such a value, the output Va becomes a DC waveform with little fluctuation.
 逆に、フィルタ回路115を適切に設計すれば、出力電圧Vaに適切に交流成分を重畳できることになる。実施の形態1で説明したように、アノード電源11bが出力する直流電圧に重畳すべき交流電圧の振幅は、直流電圧の1/5~1/100程度が効果的であることがわかっている。これに従って、r=0.2~0.01を用いると、「0.25<fsw2×LC<5」となる。つまり、この関係を満たすようにフィルタ回路115を設計すれば、アノード電源11bが出力する電圧に、スイッチング電源(降圧チョッパ回路114)のスイッチング周波数かつ所望の振幅のリップルが発生する。 On the contrary, if the filter circuit 115 is properly designed, the AC component can be appropriately superimposed on the output voltage Va. As described in the first embodiment, it is known that the amplitude of the AC voltage to be superimposed on the DC voltage output by the anode power supply 11b is effectively about 1/5 to 1/100 of the DC voltage. According to this, when r = 0.2 to 0.01 is used, “0.25 <fsw 2 × LC <5” is obtained. That is, if the filter circuit 115 is designed so as to satisfy this relationship, a ripple having a switching frequency of the switching power supply (step-down chopper circuit 114) and a desired amplitude is generated in the voltage output by the anode power supply 11b.
 さらに、降圧チョッパ回路114のスイッチングの周波数fswを、実施の形態1で述べた、トランジェント振動あるいは電子ドリフト振動の周波数に合わせることで、アノード電流の放電振動の振幅を抑制することが可能なアノード電源11bを実現することが可能になる。 Further, the anode power supply capable of suppressing the amplitude of the discharge vibration of the anode current by matching the switching frequency fsw of the step-down chopper circuit 114 with the frequency of the transient vibration or the electron drift vibration described in the first embodiment. It becomes possible to realize 11b.
 図10に示すアノード電源11bの構成は、通常の電源構成と大幅に異ならないだけでなく、フィルタ回路115を構成するリアクトルおよびコンデンサの値が上述のように通常要求されている値よりもかなり小さくなるため、フィルタ回路115を小型化でき、電源としてのメリットが非常に大きい。 The configuration of the anode power supply 11b shown in FIG. 10 is not significantly different from the normal power supply configuration, but also the values of the reactor and the capacitor constituting the filter circuit 115 are considerably smaller than the values normally required as described above. Therefore, the filter circuit 115 can be miniaturized, and the merit as a power source is very large.
実施の形態4.
 つぎに、実施の形態4について説明する。実施の形態4にかかる電気推進システムの構成は実施の形態1と同様である。本実施の形態では、実施の形態1と異なる部分を中心に説明を行う。以下の説明では、実施の形態4にかかる電気推進システムを電気推進システム300cと記載する。
Embodiment 4.
Next, the fourth embodiment will be described. The configuration of the electric propulsion system according to the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment. In the present embodiment, the description will be focused on the parts different from those in the first embodiment. In the following description, the electric propulsion system according to the fourth embodiment will be referred to as an electric propulsion system 300c.
 図11は、実施の形態4にかかる電気推進システム300cの要部を示す図である。図11は、図4のアノード電源11をアノード電源11cに置き換えたものであり、図4などと同様に、電気推進システム300cの構成要素のうち、ホールスラスタ40、ホローカソード30およびアノード電源11cだけを記載し、その他の構成要素の記載は省略している。なお、その他の構成要素は実施の形態1にかかる電気推進システム300と同様である。また、本実施の形態では、実施の形態3と同様にアノード電源11cをスイッチング電源で実現する。 FIG. 11 is a diagram showing a main part of the electric propulsion system 300c according to the fourth embodiment. FIG. 11 shows that the anode power supply 11 of FIG. 4 is replaced with the anode power supply 11c, and similarly to FIG. 4 and the like, only the Hall thruster 40, the hollow cathode 30 and the anode power supply 11c are among the components of the electric propulsion system 300c. Is described, and the description of other components is omitted. The other components are the same as those of the electric propulsion system 300 according to the first embodiment. Further, in the present embodiment, the anode power supply 11c is realized by the switching power supply as in the third embodiment.
 実施の形態3で説明したように、アノード電流の放電振動を抑制可能なアノード電源11cを実現する交流の周波数は100kHz以上である。近年半導体素子の性能が向上し、スイッチング電源のスイッチング周波数は高くなる傾向にあるが、それでも一般的には数十kHzである。そこで、本実施の形態では、図11に示す構成のスイッチング電源を適用してアノード電源11cを実現し、アノード電流の放電振動を抑制する。 As described in the third embodiment, the frequency of the alternating current that realizes the anode power supply 11c capable of suppressing the discharge vibration of the anode current is 100 kHz or more. In recent years, the performance of semiconductor elements has improved, and the switching frequency of switching power supplies has tended to increase, but it is still generally several tens of kHz. Therefore, in the present embodiment, the anode power supply 11c is realized by applying the switching power supply having the configuration shown in FIG. 11, and the discharge vibration of the anode current is suppressed.
 図11に示すアノード電源11cは、スイッチング周波数を実効的に倍にすることができる回路構成のスイッチング電源116を備える。図11に示すスイッチング電源116は、2つの降圧チョッパ回路が並列に接続された構成である。図11では、スイッチング電源116の駆動回路117と、駆動回路117で生成する駆動信号とを併せて記載している。スイッチング電源116の2つのMOSFET116Aおよび116Bは同じデューティ比で駆動されるが、その駆動信号の位相を図に示すように180度ずらす。すると、たとえばMOSFET116Aおよび116Bそれぞれのスイッチング周波数が50kHzだとしても、スイッチング電源116の出力で、フィルタ回路115に入力する部分での電源のリップルはその2倍の100kHzになる。このような回路構成を利用して、電源のスイッチング周波数を、放電振動の抑制で要求される交流電圧の周波数とすることができる。 The anode power supply 11c shown in FIG. 11 includes a switching power supply 116 having a circuit configuration capable of effectively doubling the switching frequency. The switching power supply 116 shown in FIG. 11 has a configuration in which two step-down chopper circuits are connected in parallel. In FIG. 11, the drive circuit 117 of the switching power supply 116 and the drive signal generated by the drive circuit 117 are shown together. The two MOSFETs 116A and 116B of the switching power supply 116 are driven with the same duty ratio, but the phases of the drive signals are shifted by 180 degrees as shown in the figure. Then, for example, even if the switching frequencies of the MOSFETs 116A and 116B are 50 kHz, the ripple of the power supply at the portion input to the filter circuit 115 at the output of the switching power supply 116 becomes 100 kHz, which is twice that. By utilizing such a circuit configuration, the switching frequency of the power supply can be set to the frequency of the AC voltage required for suppressing the discharge vibration.
 ここで、実施の形態3で示した各式においては、図11に示すアノード電源11cの回路構成の場合、fswとしてMOSFET116Aおよび116Bのスイッチング周波数の2倍の値を用いるべきであることがわかる。 Here, in each equation shown in the third embodiment, in the case of the circuit configuration of the anode power supply 11c shown in FIG. 11, it can be seen that a value twice the switching frequency of the MOSFETs 116A and 116B should be used as fsw.
 図10および図11では、アノード電源11bおよび11cを実現するスイッチング電源として降圧チョッパ回路を利用する例を示したが、スイッチング電源を降圧チョッパ回路に限定するものではない。スイッチングを内部で行っている電源回路であれば、他の方式でも同じ考え方で本発明にかかるアノード電源に適用できることは言うまでもない。 Although FIGS. 10 and 11 show an example of using a step-down chopper circuit as a switching power source for realizing the anode power supplies 11b and 11c, the switching power supply is not limited to the step-down chopper circuit. Needless to say, as long as the power supply circuit performs switching internally, other methods can be applied to the anode power supply according to the present invention in the same way.
 例えば、図12に示す構成のアノード電源11dとすることができる。図12に示すアノード電源11dはフルブリッジ型のインバータ18が出力する電圧を、トランス19を介して2次側で整流する構成である。これはトランスを用いた直流電源方式として広く用いられる回路構成である。出力には一般にリアクトルとコンデンサとによる平滑回路(LCフィルタ)が設けられる。このような回路構成でも、実施の形態3で述べたように、平滑回路の定数を適切に設定することによって出力電圧のリップルを制御することができる。特にこの回路構成の場合、出力されるリップルの周波数はインバータの周波数の倍であるので、図11に示したようなリップルの周波数を倍にする効果も得られる。さらにこの回路構成であればアノード電源11dは絶縁型となり電源の設計上のメリットが多い。 For example, the anode power supply 11d having the configuration shown in FIG. 12 can be used. The anode power supply 11d shown in FIG. 12 has a configuration in which the voltage output by the full-bridge type inverter 18 is rectified on the secondary side via the transformer 19. This is a circuit configuration widely used as a DC power supply system using a transformer. The output is generally provided with a smoothing circuit (LC filter) consisting of a reactor and a capacitor. Even in such a circuit configuration, as described in the third embodiment, the ripple of the output voltage can be controlled by appropriately setting the constant of the smoothing circuit. In particular, in the case of this circuit configuration, the output ripple frequency is twice the frequency of the inverter, so that the effect of doubling the ripple frequency as shown in FIG. 11 can also be obtained. Further, in this circuit configuration, the anode power supply 11d is an insulated type, and there are many merits in the design of the power supply.
実施の形態5.
 次に、実施の形態5について説明する。実施の形態5にかかる電気推進システムの構成は実施の形態1と同様である。以下の説明では、実施の形態5にかかる電気推進システムを電気推進システム300eと記載する。本実施の形態では、実施の形態1で説明した図4に示す電源構成あるいは実施の形態2で説明した図9に示す電源構成の具体例について説明する。
Embodiment 5.
Next, the fifth embodiment will be described. The configuration of the electric propulsion system according to the fifth embodiment is the same as that of the first embodiment. In the following description, the electric propulsion system according to the fifth embodiment will be referred to as an electric propulsion system 300e. In this embodiment, a specific example of the power supply configuration shown in FIG. 4 described in the first embodiment or the power supply configuration shown in FIG. 9 described in the second embodiment will be described.
 交流電源を具体的に記載すると、たとえばフルブリッジインバータによって交流を生成する図13のような構成のアノード電源11xが考えられる。図13には交流電力を発生するインバータに直流電力を供給する直流電力生成部20が示されている。図13のようにトランスを介してインバータを主回路に接続する場合はトランスで絶縁できるので、直流電力生成部20は、直流電源の直流電力生成部21と共通の電位で構成することが可能である。 Specifically describing the AC power supply, for example, an anode power supply 11x having a configuration as shown in FIG. 13 in which AC is generated by a full-bridge inverter can be considered. FIG. 13 shows a DC power generation unit 20 that supplies DC power to an inverter that generates AC power. When the inverter is connected to the main circuit via a transformer as shown in FIG. 13, the DC power generation unit 20 can be configured with the same potential as the DC power generation unit 21 of the DC power supply because it can be insulated by the transformer. is there.
 しかしながら、図13に示すアノード電源11xではトランスが必要となる。トランスが不要な図4のような構成にすることも可能であるが、この場合はインバータに電力を供給する、図13に示す直流電力生成部20に相当する電源の電位が浮いてしまうので、この部分に絶縁型の電源を用いる必要があり、回路的に煩雑になる。この問題を解決する構成を図14に示す。 However, the anode power supply 11x shown in FIG. 13 requires a transformer. It is possible to configure the configuration as shown in FIG. 4 which does not require a transformer, but in this case, the potential of the power supply corresponding to the DC power generator 20 shown in FIG. 13 that supplies power to the inverter floats. It is necessary to use an insulated power supply for this part, which complicates the circuit. A configuration for solving this problem is shown in FIG.
 図14は、実施の形態5にかかる電気推進システム300eの要部を示す図である。図14は、図4のアノード電源11をアノード電源11eに置き換えたものであり、図4などと同様に、電気推進システム300eの構成要素のうち、ホールスラスタ40、ホローカソード30およびアノード電源11eだけを記載し、その他の構成要素の記載は省略している。なお、その他の構成要素は実施の形態1にかかる電気推進システム300と同様である。 FIG. 14 is a diagram showing a main part of the electric propulsion system 300e according to the fifth embodiment. FIG. 14 shows that the anode power supply 11 of FIG. 4 is replaced with the anode power supply 11e, and similarly to FIG. 4 and the like, only the Hall thruster 40, the hollow cathode 30 and the anode power supply 11e are among the components of the electric propulsion system 300e. Is described, and the description of other components is omitted. The other components are the same as those of the electric propulsion system 300 according to the first embodiment.
 図14に示すアノード電源11eの交流電源23はフルブリッジのインバータで構成され、トランスを介さずに主回路に接続されている。インバータの入力にはコンデンサ231が設けられているものの、インバータに直流電力を供給する直流電源は設けられていない。つまり、この交流電源23には、制御回路233および駆動回路234を動作させるための制御電源以外からは電力が供給されていない。ただし、初期状態としてコンデンサ231を充電する何らかの手段は備えているものとする。なお、図14では、制御電源の記載を省略している。 The AC power supply 23 of the anode power supply 11e shown in FIG. 14 is composed of a full-bridge inverter and is connected to the main circuit without a transformer. Although a capacitor 231 is provided at the input of the inverter, a DC power supply for supplying DC power to the inverter is not provided. That is, power is not supplied to the AC power supply 23 from other than the control power supply for operating the control circuit 233 and the drive circuit 234. However, it is assumed that some means for charging the capacitor 231 is provided as an initial state. Note that in FIG. 14, the description of the control power supply is omitted.
 アノード電源11eでは、コンデンサ231が充電されている状態でインバータを動作させると、出力の電流によって、インバータが力行で動いたり、回生で動いたりする。力行で動く場合はコンデンサ231の電圧が減少し、回生で動く場合はコンデンサ231の電圧が増加する。インバータの動作で力行と回生とをうまく切り替えることによって、コンデンサ231の電圧を一定に維持することができる。具体的には図14に示すようにコンデンサ231の電圧を、電圧センサ232がモニタして制御回路233に入力する。そして、制御回路233が、コンデンサ231の電圧に従って駆動回路234を制御し、インバータの各スイッチング素子をスイッチングさせるデューティ比を変化させれば、コンデンサ231の電圧を安定させることができ、外部からの電力供給なしでも交流電源23を動作させることが可能になる。 In the anode power supply 11e, when the inverter is operated while the capacitor 231 is charged, the inverter moves by power running or regenerates depending on the output current. When moving by power running, the voltage of the capacitor 231 decreases, and when moving by regeneration, the voltage of the capacitor 231 increases. The voltage of the capacitor 231 can be kept constant by switching between power running and regeneration by the operation of the inverter. Specifically, as shown in FIG. 14, the voltage of the capacitor 231 is monitored by the voltage sensor 232 and input to the control circuit 233. Then, if the control circuit 233 controls the drive circuit 234 according to the voltage of the capacitor 231 and changes the duty ratio for switching each switching element of the inverter, the voltage of the capacitor 231 can be stabilized and the power from the outside can be stabilized. The AC power supply 23 can be operated without supply.
実施の形態6.
 次に、実施の形態6について説明する。実施の形態6にかかる電気推進システムの構成は実施の形態1と同様である。
Embodiment 6.
Next, the sixth embodiment will be described. The configuration of the electric propulsion system according to the sixth embodiment is the same as that of the first embodiment.
 すでに述べたように、アノード電圧に重畳する交流電圧の周波数はトランジェント振動あるいは電子ドリフト振動の周波数の近傍に合わせることが望ましい。しかしながら実際の装置で運用する場合、それらの振動現象の周波数を把握することは困難である。したがって、最適な周波数に調整する機構があれば望ましい。 As already mentioned, it is desirable to match the frequency of the AC voltage superimposed on the anode voltage to the vicinity of the frequency of transient vibration or electron drift vibration. However, when operating in an actual device, it is difficult to grasp the frequencies of those vibration phenomena. Therefore, it is desirable to have a mechanism for adjusting to the optimum frequency.
 図13はその一例を示したものである。図13に示すアノード電源11xの交流電源は、たとえばフルブリッジインバータで構成される。また、アノード電源11xの交流電源はトランスで出力と結合されており、直流電源の出力と直列に接続されている。インバータは駆動回路で駆動されるが、その駆動信号は制御回路から送られる。すなわち、制御回路はインバータを構成する各スイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、駆動回路は、制御回路が生成した駆動信号を、スイッチング素子のオンオフ制御に適したレベルの信号に変換してスイッチング素子に印加する。 FIG. 13 shows an example thereof. The AC power supply of the anode power supply 11x shown in FIG. 13 is composed of, for example, a full-bridge inverter. Further, the AC power supply of the anode power supply 11x is coupled to the output by a transformer, and is connected in series with the output of the DC power supply. The inverter is driven by a drive circuit, and the drive signal is sent from the control circuit. That is, the control circuit generates a drive signal for driving each switching element constituting the inverter, and the drive circuit converts the drive signal generated by the control circuit into a signal at a level suitable for on / off control of the switching element for switching. Apply to the element.
 アノード電源11xの出力には出力電流(アノード電流)を検出する電流検出部である電流センサ24が設けられており、アノード電流の検出結果を示す信号が制御回路へ送られる。制御回路は、電流センサ24が検出したアノード電流の波形を解析して、その放電振動の振幅を評価する。そのうえで、制御回路は、放電振動の振幅が抑制されるように、スイッチング素子のスイッチング周波数、すなわち、直流電源が出力する直流電圧に重畳する交流電圧の周波数を制御する。このように、アノード電流の波形を検出して交流電源の周波数をフィードバック制御することで、放電振動の振幅が十分に小さくなる最適な周波数で駆動することが可能になる。 The output of the anode power supply 11x is provided with a current sensor 24 which is a current detection unit for detecting the output current (anode current), and a signal indicating the detection result of the anode current is sent to the control circuit. The control circuit analyzes the waveform of the anode current detected by the current sensor 24 and evaluates the amplitude of the discharge vibration. Then, the control circuit controls the switching frequency of the switching element, that is, the frequency of the AC voltage superimposed on the DC voltage output by the DC power supply so that the amplitude of the discharge vibration is suppressed. In this way, by detecting the waveform of the anode current and controlling the frequency of the AC power supply by feedback control, it is possible to drive at an optimum frequency in which the amplitude of the discharge vibration becomes sufficiently small.
実施の形態7.
 次に、実施の形態7について説明する。実施の形態7にかかる電気推進システムの構成は実施の形態1と同様である。以下の説明では、実施の形態7にかかる電気推進システムを電気推進システム300fと記載する。
Embodiment 7.
Next, the seventh embodiment will be described. The configuration of the electric propulsion system according to the seventh embodiment is the same as that of the first embodiment. In the following description, the electric propulsion system according to the seventh embodiment will be referred to as an electric propulsion system 300f.
 本実施の形態では、アノード電流の放電振動の振幅を抑制することが可能なアノード電源を含むホールスラスタの制御方法について、ガス流量調整器およびコイル電源も含めた形で説明する。 In the present embodiment, a Hall thruster control method including an anode power supply capable of suppressing the amplitude of discharge vibration of the anode current will be described in a form including a gas flow rate regulator and a coil power supply.
 図15は、実施の形態7にかかる電気推進システム300fの要部を示す図である。図15は、図1に記載した電気推進システム300の構成要素のうち、本実施の形態の説明に必要な構成要素だけを抜き出したものであり、たとえばホローカソード30の電源などについては記載を省略している。なお、図15では、便宜上、外部コイル電源12と内部コイル電源13とをあわせて、コイル電源29と記載している。すなわち、コイル電源29は、図1に示す外部コイル電源12および内部コイル電源13としての機能を有する。 FIG. 15 is a diagram showing a main part of the electric propulsion system 300f according to the seventh embodiment. FIG. 15 is an extraction of only the components necessary for the description of the present embodiment from the components of the electric propulsion system 300 shown in FIG. 1, and the description of, for example, the power supply of the hollow cathode 30 is omitted. doing. In FIG. 15, for convenience, the external coil power supply 12 and the internal coil power supply 13 are collectively referred to as the coil power supply 29. That is, the coil power supply 29 has functions as the external coil power supply 12 and the internal coil power supply 13 shown in FIG.
 図15では、制御部10によって、アノード電源11fの直流電源111fおよび交流電源112fと、アノード側流量調整器17と、コイル電源29が制御されていることを示している。またアノード電源11fが出力するアノード電圧Vaおよびアノード電流Iaを電圧センサおよび電流センサがそれぞれ検出し、これらの検出値が制御部10に入力されることを示している。 FIG. 15 shows that the control unit 10 controls the DC power supply 111f and the AC power supply 112f of the anode power supply 11f, the anode side flow rate regulator 17, and the coil power supply 29. Further, it is shown that the voltage sensor and the current sensor each detect the anode voltage Va and the anode current Ia output by the anode power supply 11f, and these detected values are input to the control unit 10.
 つづいて、本実施の形態にかかる電気推進システム300fの動作を説明する。まず、制御部10は、外部からの指令値に従って、ホールスラスタ40へのガス流量Qと、アノード電圧Vaの平均値となる直流電源111fの出力電圧Vdcとを設定する。通常、これらの動作条件に対して、どのようにコイル電流Icを設定すればよいか、すなわち、どのようにホールスラスタ40に印加する磁場の強さを設定すればよいかを制御部10が把握している。制御部10は、動作条件に対応する値にコイル電流Icを設定する。その方法は、たとえば上記の特許文献1に示された方法でもよい。アノード電源11fが出力するアノード電圧Vaの平均値は直流電源111fの出力値Vdcとなるが、制御部10は、交流電源112fの出力電圧の振幅Vacおよびその周波数fを、まずは、予め定められた代表的な値に設定して交流電源112fの駆動を始める。 Next, the operation of the electric propulsion system 300f according to the present embodiment will be described. First, the control unit 10 sets the gas flow rate Q to the Hall thruster 40 and the output voltage Vdc of the DC power supply 111f which is the average value of the anode voltage Va according to the command value from the outside. Normally, the control unit 10 grasps how to set the coil current Ic for these operating conditions, that is, how to set the strength of the magnetic field applied to the Hall thruster 40. doing. The control unit 10 sets the coil current Ic to a value corresponding to the operating conditions. The method may be, for example, the method shown in Patent Document 1 described above. The average value of the anode voltage Va output by the anode power supply 11f is the output value Vdc of the DC power supply 111f, but the control unit 10 first determines the amplitude Vac of the output voltage of the AC power supply 112f and its frequency f. Set a typical value and start driving the AC power supply 112f.
 その状態で、制御部10は、ホールスラスタ40に流れるアノード電流Iaの波形を観測する。そして、制御部10は、Va×Iaの時間積分値を求めることでホールスラスタ40への投入電力を算出し、この投入電力が指令値に合うようにVdcあるいはQを制御する。あるいは、より簡単に、制御部10は、Vaの平均値とIaの平均値の積を求め、これが指令値に合うようにVdcあるいはQを制御する。 In that state, the control unit 10 observes the waveform of the anode current Ia flowing through the Hall thruster 40. Then, the control unit 10 calculates the input power to the Hall thruster 40 by obtaining the time integral value of Va × Ia, and controls Vdc or Q so that the input power matches the command value. Alternatively, more simply, the control unit 10 obtains the product of the average value of Va and the average value of Ia, and controls Vdc or Q so that this matches the command value.
 制御部10は、次に、Iaの放電振動の振幅を評価する。この振動を抑制する方法はいくつか考えられる。上記の実施の形態6で提案したものは、交流電源112fの周波数fを制御することである。もしその制御で十分に、つまり電源の性能として許容されるレベル以下に、Iaの振動の振幅が抑制できないのであれば、たとえば、交流電源112fの出力電圧の振幅Vacを調整することが考えられる。あるいは、交流電源112fの周波数fを大幅に変更して、トランジェント振動の周波数領域から電子ドリフト振動の周波数領域に変更し、Iaの振動の振幅の抑制を試みる、という方法がある。それでも電流振動の抑制が困難であれば、コイル電流Icを調整することが考えられる。 Next, the control unit 10 evaluates the amplitude of the discharge vibration of Ia. There are several possible ways to suppress this vibration. What is proposed in the sixth embodiment is to control the frequency f of the AC power supply 112f. If the control is sufficient, that is, the amplitude of the vibration of Ia cannot be suppressed below the level allowed for the performance of the power supply, it is conceivable to adjust the amplitude Vac of the output voltage of the AC power supply 112f, for example. Alternatively, there is a method in which the frequency f of the AC power supply 112f is significantly changed to change from the frequency domain of transient vibration to the frequency domain of electron drift vibration, and an attempt is made to suppress the vibration amplitude of Ia. If it is still difficult to suppress the current vibration, it is conceivable to adjust the coil current Ic.
 このように、ホールスラスタ40に電力を供給する電源装置100の全体をみていくつかの方法を組み合わせて用いることで、アノード電流の電流振動を抑制したり、駆動条件を最適に制御したりすることが可能になる。 In this way, by looking at the entire power supply device 100 that supplies power to the Hall thruster 40 and using a combination of several methods, it is possible to suppress the current vibration of the anode current and optimally control the drive conditions. Becomes possible.
 なお、実施の形態1~7では、ホローカソード30を備える電気推進システムについて説明したが、ホローカソード30の代わりに、文献「特開2015-145650号公報」などに記載のRF(Radio Frequency)カソードを適用してもよい。RFカソードは、電極の消耗が少なく信頼性が高いなど、多くのメリットを持つ。RFカソードとは、周波数が1MHz~100MHzの高周波交流電圧を出力するRF電源を用い、カソードの内部で誘導結合あるいは容量結合でプラズマを生成してこれを電子源とするものである。RFカソードを用いた場合、カソードにRF電源から高周波交流電圧を印加するが、その電圧がアノードと少なからず結合することがわかっている。したがって、RFカソードを用いれば、アノード電源として通常のDC電源を用いていても、アノード電圧に実質的に高周波を重畳させた効果を与えることになる。その周波数が、トランジェント振動あるいは電子ドリフト振動の周波数の近傍であれば、実施の形態1~7と同様に、アノード電流の放電振動の抑制効果が期待できる。具体的には、RF電源が出力する高周波交流電圧の周波数を、トランジェント振動が発生する周波数の範囲内、または、電子ドリフト振動が現れる周波数の範囲内となるようにすれば、アノード電流の放電振動の抑制効果が期待できる。 In the first to seventh embodiments, the electric propulsion system including the hollow cathode 30 has been described. However, instead of the hollow cathode 30, the RF (Radio Frequency) cathode described in Documents "Japanese Patent Laid-Open No. 2015-145650" and the like is described. May be applied. The RF cathode has many merits such as low electrode wear and high reliability. The RF cathode uses an RF power supply that outputs a high-frequency AC voltage having a frequency of 1 MHz to 100 MHz, generates plasma by inductive coupling or capacitive coupling inside the cathode, and uses this as an electron source. When an RF cathode is used, a high-frequency AC voltage is applied to the cathode from an RF power source, and it is known that the voltage is not a little coupled to the anode. Therefore, if the RF cathode is used, even if a normal DC power supply is used as the anode power supply, the effect of substantially superimposing a high frequency on the anode voltage can be obtained. If the frequency is close to the frequency of the transient vibration or the electron drift vibration, the effect of suppressing the discharge vibration of the anode current can be expected as in the first to seventh embodiments. Specifically, if the frequency of the high-frequency AC voltage output by the RF power supply is within the range of the frequency at which transient vibration occurs or the frequency at which electron drift vibration appears, the discharge vibration of the anode current Can be expected to have a suppressive effect.
 また、実施の形態1~7では、ホールスラスタ40がSPT型のホールスラスタの場合について説明を行ったが、TAL(Thruster with Anode Layer)型と呼ばれるアノードレイヤー型のホールスラスタであっても、電源装置100としては特に違いはない。すでに述べたように、TAL型のホールスラスタは、性能は高いものの、放電振動が強く不安定であるという問題がある。しかし、実施の形態1~7で説明したアノード電源11などの各アノード電源を用いれば、TAL型のホールスラスタの放電振動を適切に抑制し、安定に駆動することが可能になる。 Further, in the first to seventh embodiments, the case where the hall thruster 40 is an SPT type hall thruster has been described, but even if it is an anode layer type hall thruster called a TAL (Thruster with Anode Layer) type, a power supply is used. There is no particular difference as the device 100. As already mentioned, the TAL type Hall thruster has high performance, but has a problem that the discharge vibration is strong and unstable. However, if each anode power supply such as the anode power supply 11 described in the first to seventh embodiments is used, the discharge vibration of the TAL type Hall thruster can be appropriately suppressed and stably driven.
 以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configuration shown in the above-described embodiment shows an example of the content of the present invention, can be combined with another known technique, and is one of the configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.
 10 制御部、11,11a,11b,11c,11d,11e,11f,11x アノード電源、12 外部コイル電源、13 内部コイル電源、14 ヒータ電源、15 キーパ電源、16 カソード側流量調整器、17 アノード側流量調整器、18 インバータ、19,113 トランス、20,21 直流電力生成部、23,112,112f 交流電源、24 電流センサ、29 コイル電源、30 ホローカソード、40 ホールスラスタ、41 内部コイル、42 外部コイル、43 アノード電極、44 ポールピース、45 チャネル、100 電源装置、111,111f 直流電源、114 降圧チョッパ回路、115 フィルタ回路、116 スイッチング電源、116A,116B MOSFET、117,234 駆動回路、231 コンデンサ、232 電圧センサ、233 制御回路、300 電気推進システム。 10 Control unit, 11, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11x anode power supply, 12 external coil power supply, 13 internal coil power supply, 14 heater power supply, 15 keeper power supply, 16 cathode side flow regulator, 17 anode side Flow regulator, 18 inverter, 19,113 transformer, 20,21 DC power generator, 23,112,112f AC power supply, 24 current sensor, 29 coil power supply, 30 hollow cathode, 40 hole thruster, 41 internal coil, 42 external Coil, 43 anode electrode, 44 pole piece, 45 channel, 100 power supply, 111,111f DC power supply, 114 step-down chopper circuit, 115 filter circuit, 116 switching power supply, 116A, 116B MOSFET, 117,234 drive circuit, 231 condenser, 232 voltage sensor, 233 control circuit, 300 electric propulsion system.

Claims (8)

  1.  イオンを加速させて推力を発生させる放電空間であるチャネルを有する電気推進装置に電力を供給する電源装置であって、
     前記チャネル内に設けられたアノード電極に印加する電圧を生成するアノード電源と、
     前記アノード電源を制御する制御部と、
     を備え、
     前記制御部は、前記アノード電極に印加される電圧が、前記アノード電極に流れる電流であるアノード電流の放電振動の10倍以上の周波数の交流電圧が直流電圧に重畳された電圧となるように前記アノード電源を制御する、
     ことを特徴とする電源装置。
    A power supply that supplies electric power to an electric propulsion device that has a channel that is a discharge space that accelerates ions to generate thrust.
    An anode power supply that generates a voltage applied to the anode electrode provided in the channel, and an anode power supply.
    A control unit that controls the anode power supply and
    With
    The control unit said that the voltage applied to the anode electrode is a voltage obtained by superimposing an AC voltage having a frequency of 10 times or more the discharge vibration of the anode current, which is a current flowing through the anode electrode, on the DC voltage. Control the anode power supply,
    A power supply that is characterized by that.
  2.  イオンを加速させて推力を発生させる放電空間であるチャネルを有する電気推進装置に電力を供給する電源装置であって、
     前記チャネル内に設けられたアノード電極に印加する電圧を生成するアノード電源と、
     前記アノード電源を制御する制御部と、
     を備え、
     前記制御部は、前記アノード電極に印加される電圧が、前記アノード電流にトランジェント振動が発生する範囲の周波数の交流電圧が直流電圧に重畳された電圧となるように、または、前記アノード電流に電子ドリフト振動が発生する範囲の周波数の交流電圧が重畳された電圧となるように、前記アノード電源を制御する、
     ことを特徴とする電源装置。
    A power supply that supplies electric power to an electric propulsion device that has a channel that is a discharge space that accelerates ions to generate thrust.
    An anode power supply that generates a voltage applied to the anode electrode provided in the channel, and an anode power supply.
    A control unit that controls the anode power supply and
    With
    The control unit sets the voltage applied to the anode electrode to be a voltage obtained by superimposing an AC voltage having a frequency in the range in which transient vibration occurs in the anode current on the DC voltage, or an electron in the anode current. The anode power supply is controlled so that the AC voltage having a frequency in the range where drift vibration occurs is superimposed.
    A power supply that is characterized by that.
  3.  前記アノード電源は、直流電源および交流電源を備え、前記直流電源の出力と前記交流電源の出力とがトランスを介して直列に接続されている、
     ことを特徴とする請求項1または2に記載の電源装置。
    The anode power supply includes a DC power supply and an AC power supply, and the output of the DC power supply and the output of the AC power supply are connected in series via a transformer.
    The power supply device according to claim 1 or 2.
  4.  前記アノード電源は、
     スイッチング素子をオンオフさせて電力を変換するスイッチング電源と、
     前記スイッチング電源の交流電力の出力側に設けられた、リアクトルおよびコンデンサからなるフィルタ回路と、
     を備え、
     前記スイッチング素子をオンオフさせるスイッチング周波数をfsw、前記リアクトルのインダクタンスをL、前記コンデンサの容量をCとしたとき、
     前記fswは、前記放電振動の周波数の10倍以上であり、かつ、「fsw×fsw×L×C<5」を満足する、
     ことを特徴とする請求項1または2に記載の電源装置。
    The anode power supply is
    A switching power supply that converts power by turning the switching element on and off,
    A filter circuit composed of a reactor and a capacitor provided on the output side of the AC power of the switching power supply, and
    With
    When the switching frequency for turning the switching element on and off is fsw, the inductance of the reactor is L, and the capacitance of the capacitor is C.
    The fsw is 10 times or more the frequency of the discharge vibration and satisfies "fsw × fsw × L × C <5".
    The power supply device according to claim 1 or 2.
  5.  前記アノード電源は、
     前記アノード電流を検出する電流検出部と、
     スイッチング素子をオンオフさせて電力を変換するスイッチング電源と、
     を備え、
     前記スイッチング電源は、前記スイッチング素子をオンオフさせるスイッチング周波数を、前記アノード電流の放電振動の振幅に基づいて制御する、
     ことを特徴とする請求項1または2に記載の電源装置。
    The anode power supply is
    A current detector that detects the anode current and
    A switching power supply that converts power by turning the switching element on and off,
    With
    The switching power supply controls the switching frequency for turning the switching element on and off based on the amplitude of the discharge vibration of the anode current.
    The power supply device according to claim 1 or 2.
  6.  前記電気推進装置をアノードレイヤー型のホールスラスタとする、
     ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載の電源装置。
    The electric propulsion device is an anode layer type Hall thruster.
    The power supply device according to any one of claims 1 to 5, wherein the power supply device is characterized by the above.
  7.  請求項1から6のいずれか一つに記載の電源装置と、
     前記電源装置から電力の供給を受けて推力を発生させる電気推進装置と、
     を備えることを特徴とする電気推進システム。
    The power supply device according to any one of claims 1 to 6.
    An electric propulsion device that receives power from the power supply and generates thrust,
    An electric propulsion system characterized by being equipped with.
  8.  前記アノード電極に向けて電子を噴射する電子源として、高周波交流電圧が印加されるRFカソードを備え、
     前記高周波交流電圧の周波数を、前記アノード電流にトランジェント振動が発生する範囲の周波数、または、前記アノード電流に電子ドリフト振動が発生する範囲の周波数とする、
     ことを特徴とする請求項7に記載の電気推進システム。
    An RF cathode to which a high-frequency AC voltage is applied is provided as an electron source for injecting electrons toward the anode electrode.
    The frequency of the high-frequency AC voltage is defined as a frequency in a range in which transient vibration is generated in the anode current or a frequency in a range in which electron drift vibration is generated in the anode current.
    The electric propulsion system according to claim 7.
PCT/JP2020/000746 2020-01-10 2020-01-10 Power supply device and electrical propulsion system WO2021140667A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2020/000746 WO2021140667A1 (en) 2020-01-10 2020-01-10 Power supply device and electrical propulsion system
JP2021569707A JP7241924B2 (en) 2020-01-10 2020-01-10 Power supply and electric propulsion system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2020/000746 WO2021140667A1 (en) 2020-01-10 2020-01-10 Power supply device and electrical propulsion system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021140667A1 true WO2021140667A1 (en) 2021-07-15

Family

ID=76788508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/000746 WO2021140667A1 (en) 2020-01-10 2020-01-10 Power supply device and electrical propulsion system

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7241924B2 (en)
WO (1) WO2021140667A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114962198A (en) * 2022-04-14 2022-08-30 兰州空间技术物理研究所 Anode current-propellant flow closed-loop control method
US20230083683A1 (en) * 2020-01-10 2023-03-16 University Of Miami Ion booster for thrust generation
TWI826053B (en) * 2022-10-19 2023-12-11 國立成功大學 Alternating magnetic field linear hall thruster and alternating magnetic field linear hall propulsion method

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013222578A (en) * 2012-04-16 2013-10-28 Mitsubishi Electric Corp Power supply device
JP2015145650A (en) * 2014-02-04 2015-08-13 公立大学法人首都大学東京 Electric propulsion system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013222578A (en) * 2012-04-16 2013-10-28 Mitsubishi Electric Corp Power supply device
JP2015145650A (en) * 2014-02-04 2015-08-13 公立大学法人首都大学東京 Electric propulsion system

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230083683A1 (en) * 2020-01-10 2023-03-16 University Of Miami Ion booster for thrust generation
CN114962198A (en) * 2022-04-14 2022-08-30 兰州空间技术物理研究所 Anode current-propellant flow closed-loop control method
TWI826053B (en) * 2022-10-19 2023-12-11 國立成功大學 Alternating magnetic field linear hall thruster and alternating magnetic field linear hall propulsion method

Also Published As

Publication number Publication date
JP7241924B2 (en) 2023-03-17
JPWO2021140667A1 (en) 2021-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021140667A1 (en) Power supply device and electrical propulsion system
KR100753462B1 (en) Power supply unit for a gas discharge process
US9208992B2 (en) Method for controlling ion energy distribution
KR101170591B1 (en) Power supply and microwave generator using same
JP5174013B2 (en) Generator for spectroscopic analysis
JP5476294B2 (en) Power supply for high frequency heating equipment
JP2007288971A (en) Power converter, its control method, and air-conditioning machine
US10327322B2 (en) Radio-frequency power unit
JP5950715B2 (en) Power supply
JP5136892B2 (en) Voltage control device, power supply device, electron tube and high-frequency circuit system
EP3527499B1 (en) Hall thruster power supply device and method for controlling hall thruster power supply device
JPWO2021140667A5 (en)
JP2005312293A (en) Regulated power supply
JP2009303423A (en) Drive controller for step-up and step-down converter
JP2017192282A (en) Power source device
JP6341182B2 (en) Power supply
KR101531649B1 (en) A power apparatus for a gyrotron and a power supply method using this
KR100582716B1 (en) Pulse transformer of high-voltage power supply for driving traveling-wave tube
JP4341754B2 (en) High voltage power supply
JP2018164326A (en) Resonance inverter
JP3042777B1 (en) X-ray tube device
WO2021130812A1 (en) Power conversion apparatus
JPH09115454A (en) Power source device for driving magnetron
KR100970376B1 (en) The voltage output circuit of modulator
JP5306170B2 (en) Ion particle power supply

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20912236

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021569707

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20912236

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1