根据霍尔推力器中耦合振荡伴生的动态磁场确定线圈安匝变化百分率范围的方法技术

根据霍尔推力器中耦合振荡伴生的动态磁场确定线圈安匝变化百分率范围的方法，属于航天航空领域，本发明专利技术为解决由静态磁场来确定霍尔推力器的线圈安匝变化百分率范围是不准确的问题。本发明专利技术方法：步骤一、将霍尔推力器的二维对称模型导入FEMM中，建立磁路模型，步骤二、三个线圈模拟通入初始电流产生静态磁场，获取静态磁场零坐标位置；步骤三、以20％为步长，逐渐改变其中一个线圈通入的电流值，获取线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图；步骤四、根据动态磁场零坐标位置偏离静态磁场零坐标位置的距离应小于通道特征尺寸的2％～2.5％的规定，及步骤三实现确定外线圈安匝变化百分率的范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及确定霍尔推力器运行参数的方法，属于航天航空领域。
技术介绍
电推进装置以其高效率高比冲的优点取代化学推力器已经成为航天推进领域发展的一种趋势。霍尔推力器是电推进装置的一种，以其效率高、工作寿命长、功率密度高、t匕冲适中等优点成为卫星、探测器等航天飞行器的重要动力装置。霍尔推力器通过霍尔效应产生推力，磁场是产生霍尔效应的关键。因此，霍尔推力器必须设计出适当的磁场来提高电离率，增加等离子体密度，并有效地约束等离子体的行为。霍尔推力器的磁场通常是在静态磁路情况下设计的，利用适当的磁路结构和内线圈，外线圈以及附加线圈产生适当的出口区磁场强度、正梯度分布、凸向阳极的弯曲磁力线等优化的磁场位形。由霍尔推力器工作原理可知，霍尔漂移电流作为霍尔推力器中一个重要的基础物理过程是必然存在的，同时闭环霍尔漂移电流存在宽谱的振荡现象，根据法拉第电磁感应定律可知，周向的霍尔漂移电流振荡感应出沿轴向随时间变化磁场，时变的磁场引起沿周向绕制励磁线圈中感生出波动的感应电动势，从而引起励磁线圈电流的波动，励磁电流波动耦合到放电回路中，引起放电电流在励磁线圈固有频率处的振荡现象，励磁电流振荡和放电电流振荡相互耦合，达到动态平衡，这就是电磁耦合振荡。电磁耦合振荡使推力器磁场在放电过程中处于波动状态，导致推力器实际放电过程中，通道内的磁场形貌和强度并不是静态原则设计出的优化磁场位形。因此，由静态磁场确定的线圈安匝变化百分率范围是不准确的。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决由静态磁场来确定霍尔推力器的线圈安匝变化百分率范围是不准确的问题，提供了一种。本专利技术包括三个方案。第一个方案:，所述霍尔推力器的二维对称模型包括外线圈、内线圈、附加线圈、内磁极、阳极、底板，其具有对称轴线，线圈安匝变化百分率范围为外线圈的安匝变化百分率范围、内线圈的安匝变化百分率范围或附加线圈的安匝变化百分率范围；确定外线圈的安匝变化百分率范围方法包括以下步骤:步骤一、将霍尔推力器的二维对称模型导入电磁场有限元分析软件FEMM中，建立霍尔推力器的磁路模型，建立rz坐标系:以内磁极和底板的交点为原点坐标；以对称轴线为径向坐标z轴，以底板所在直线为轴向坐标r轴；步骤二、在电磁场有限元分析软件FEMM中，外线圈、内线圈和附加线圈模拟通入初始电流产生静态磁场，获取静态磁场零坐标位置OtlCrtl, z0)；步骤三、以20%为步长，逐渐改变外线圈通入的电流值，改变外线圈通入的电流值时会产生一个新的磁场，该磁场为线圈稱合振荡引起的动态磁场与静态磁场的合成磁场，记录每次外线圈通入的电流值与对应的合成磁场的零磁场坐标O (r, Z)；进而获取外线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图；其中:外线圈安匝为外线圈通入的电流乘以外线圈的匝数；外线圈安匝变化百分率指每次外线圈通入电流后的外线圈安匝相对于外线圈通入初始电流的变化百分率；零磁场位置变化百分率指每次外线圈通入电流后的磁场零磁场坐标0(r，z)相对于静态磁场零坐标位置OtlO^ Z0)的变化百分率，包括轴向位置变化百分率和径向位置变化百分率；步骤四、根据动态磁场零坐标位置0(r, z)偏尚静态磁场零坐标位置OtlCrtl, Ztl)的距离应小于通道特征尺寸的2%~2.5%的规定，及步骤三获取的外线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图，实现确定外线圈安匝变化百分率的范围。第二个方案:，所述霍尔推力器的二维对称模型包括外线圈、内线圈、附加线圈、内磁极、阳极、底板，其具有对称轴线，线圈安匝变化百分率范围为外线圈的安匝变化百分率范围、内线圈的安匝变化百分率范围或附加线圈的安 匝变化百分率范围；确定内线圈的安匝变化百分率范围方法包括以下步骤:步骤一、将霍尔推力器的二维对称模型导入电磁场有限元分析软件FEMM中，建立霍尔推力器的磁路模型，建立rz坐标系:以内磁极和底板的交点为原点坐标；以对称轴线为径向坐标z轴，以底板所在直线为轴向坐标r轴；步骤二、在电磁场有限元分析软件FEMM中，外线圈、内线圈和附加线圈模拟通入初始电流产生静态磁场，获取静态磁场零坐标位置OtlCrtl, z0)；步骤三、以20%为步长，逐渐改变内线圈通入的电流值，改变内线圈通入的电流值时会产生一个新的磁场，该磁场为线圈稱合振荡引起的动态磁场与静态磁场的合成磁场，记录每次内线圈通入的电流值与对应的合成磁场的零磁场坐标0(r, z)；进而获取内线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图；其中:内线圈安匝为内线圈通入的电流乘以内线圈的匝数；内线圈安匝变化百分率指每次内线圈通入电流后的内线圈安匝相对于内线圈通入初始电流的变化百分率；零磁场位置变化百分率指每次内线圈通入电流后的磁场零磁场坐标0(r，z)相对于静态磁场零坐标位置OtlO^ Z0)的变化百分率，包括轴向位置变化百分率和径向位置变化百分率；步骤四、根据动态磁场零坐标位置0(r, z)偏尚静态磁场零坐标位置OtlCrtl, Ztl)的距离应小于通道特征尺寸的2%~2.5%的规定，及步骤三获取的内线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图，实现确定内线圈安匝变化百分率的范围。第三个方案:，所述霍尔推力器的二维对称模型包括外线圈、内线圈、附加线圈、内磁极、阳极、底板，其具有对称轴线，线圈安匝变化百分率范围为外线圈的安匝变化百分率范围、内线圈的安匝变化百分率范围或附加线圈的安匝变化百分率范围；确定附加线圈的安匝变化百分率范围方法包括以下步骤:步骤一、将霍尔推力器的二维对称模型导入电磁场有限元分析软件FEMM中，建立霍尔推力器的磁路模型，建立rz坐标系:以内磁极和底板的交点为原点坐标；以对称轴线为径向坐标z轴，以底板所在直线为轴向坐标r轴；步骤二、在电磁场有限元分析软件FEMM中，外线圈、内线圈和附加线圈模拟通入初始电流产生静态磁场，获取静态磁场零坐标位置OtlCrtl, z0)；步骤三、以20%为步长，逐渐改变附加线圈通入的电流值，改变附加线圈通入的电流值时会产生一个新的磁场，该磁场为线圈稱合振荡引起的动态磁场与静态磁场的合成磁场，记录每次附加线圈通入的电流值与对应的合成磁场的零磁场坐标0(r, z)；进而获取附加线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图；其中:附加线圈安匝为附加线圈通入的电流乘以附加线圈的匝数；附加线圈安匝变化百分率指每次附加线圈通入电流后的外线圈安匝相对于附加线圈通入初始电流的变化百分率；零磁场位置变化百分率指每次附加线圈通入电流后的磁场零磁场坐标0(r，z)相对于静态磁场零坐标位置Otl0-(ι，ζ0)的变化百分率，包括轴向位置变化百分率和径向位置变化百分率； 步骤四、根据动态磁场零坐标位置0(r, ζ)偏尚静态磁场零坐标位置OtlCrtl, Ztl)的距离应小于通道特征尺寸的2%~2.5%的规定，及步骤三获取的附加线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图，实现确定附加线圈安匝变化百分率的范围。本专利技术的优点:本专利技术方法有效地分析振荡的励磁电流对通道内磁场设计的影响，克服静态磁场设计应用的局限性，合理的给出了考虑励磁/放电耦合振荡引起的动态磁场应对静态磁场的附加设计原则，给出准确的霍尔推力器的线圈安匝变化百分率范围。【附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
根据霍尔推力器中耦合振荡伴生的动态磁场确定线圈安匝变化百分率范围的方法，所述霍尔推力器的二维对称模型包括外线圈(1)、内线圈(2)、附加线圈(3)、内磁极(4)、阳极(5)、底板(7)，其具有对称轴线(6)，其特征在于，线圈安匝变化百分率范围为外线圈(1)的安匝变化百分率范围、内线圈(2)的安匝变化百分率范围或附加线圈(3)的安匝变化百分率范围；确定外线圈(1)的安匝变化百分率范围方法包括以下步骤：步骤一、将霍尔推力器的二维对称模型导入电磁场有限元分析软件FEMM中，建立霍尔推力器的磁路模型，建立rz坐标系：以内磁极(4)和底板(7)的交点为原点坐标；以对称轴线(6)为径向坐标z轴，以底板(7)所在直线为轴向坐标r轴；步骤二、在电磁场有限元分析软件FEMM中，外线圈(1)、内线圈(2)和附加线圈(3)模拟通入初始电流产生静态磁场，获取静态磁场零坐标位置O0(r0,z0)；步骤三、以20％为步长，逐渐改变外线圈(1)通入的电流值，改变外线圈(1)通入的电流值时会产生一个新的磁场，该磁场为线圈耦合振荡引起的动态磁场与静态磁场的合成磁场，记录每次外线圈(1)通入的电流值与对应的合成磁场的零磁场坐标O(r,z)；进而获取外线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图；其中：外线圈安匝为外线圈(1)通入的电流乘以外线圈(1)的匝数；外线圈安匝变化百分率指每次外线圈(1)通入电流后的外线圈安匝相对于外线圈(1)通入初始电流的变化百分率；零磁场位置变化百分率指每次外线圈(1)通入电流后的磁场零磁场坐标O(r,z)相对于静态磁场零坐标位置O0(r0,z0)的变化百分率，包括轴向位置变化百分率和径向位置变化百分率；步骤四、根据动态磁场零坐标位置O(r,z)偏离静态磁场零坐标位置O0(r0,z0)的距离应小于通道特征尺寸的2％～2.5％的规定，及步骤三获取的外线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图，实现确定外线圈安匝变化百分率的范围。...

【技术特征摘要】
1.根据霍尔推力器中耦合振荡伴生的动态磁场确定线圈安匝变化百分率范围的方法，所述霍尔推力器的二维对称模型包括外线圈(I)、内线圈⑵、附加线圈(3)、内磁极(4)、阳极(5)、底板(7)，其具有对称轴线(6)， 其特征在于，线圈安匝变化百分率范围为外线圈(I)的安匝变化百分率范围、内线圈(2)的安匝变化百分率范围或附加线圈(3)的安匝变化百分率范围； 确定外线圈(I)的安匝变化百分率范围方法包括以下步骤: 步骤一、将霍尔推力器的二维对称模型导入电磁场有限元分析软件FEMM中，建立霍尔推力器的磁路模型，建立rz坐标系:以内磁极(4)和底板(7)的交点为原点坐标；以对称轴线(6)为径向坐标z轴，以底板(7)所在直线为轴向坐标r轴； 步骤二、在电磁场有限元分析软件FEMM中，外线圈(I)、内线圈(2)和附加线圈(3)模拟通入初始电流产生静态磁场，获取静态磁场零坐标位置OtlO^ z0)； 步骤三、以20%为步长，逐渐改变外线圈(I)通入的电流值，改变外线圈(I)通入的电流值时会产生一个新的磁场，该磁场为线圈稱合振荡引起的动态磁场与静态磁场的合成磁场，记录每次外线圈(I)通入的电流值与对应的合成磁场的零磁场坐标0(r，z)； 进而获取外线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图； 其中:外线圈安匝为外线圈(I)通入的电流乘以外线圈(I)的匝数；外线圈安匝变化百分率指每次外线圈(I)通入电流后的外线圈安匝相对于外线圈(I)通入初始电流的变化百分率；零磁场位置变化百分率指每次外线圈(I)通入电流后的磁场零磁场坐标0(r，z)相对于静态磁场零坐标位置OtlO^ z0)的变化百分率，包括轴向位置变化百分率和径向位置变化百分率； 步骤四、根据动态磁场零坐标位置0(r，z)偏离静态磁场零坐标位置OtlO^ Ztl)的距离应小于通道特征尺寸的2%~2.5%的规定，及步骤三获取的外线圈安匝变化百分率与零磁场位置变化百分率对应曲线图，实现确定外线圈安匝变化百分率的范围。2.根据权利要求1所述根据霍尔推力器中耦合振荡伴生的动态磁场确定线圈安匝变化百分率范围的方法，其特征在于，改变外线圈(I)通入电流的范围为外线圈(I)通入初始电流的-60%~80%。3.根据霍尔推力器中耦合振荡伴生的动态磁场确定线圈安匝变化百分率范围的方法，所述霍尔推力器的二维对称模型包括外线圈(I)、内线圈⑵、附加线圈(3)、内磁极(4)、阳极(5)、底板(7)，其具有对称轴线(6)， 其特征在于，线圈安匝变化百分率范围为外线圈(I)的安匝变化百分率范围、内线圈(2)的安匝变化百分率范围或附加线圈(3)的安匝变化百分率范围； 确定内线圈(2)的安匝变化百分率范围方法包括以下步骤: 步骤一、将霍尔推力器的二维对称模型导入电磁场有限元分析软件FEMM中，建立霍尔推力器的磁路模 型，建立rz坐标系:以内磁极(4)和底板(7)的交点为原点坐标；以对称轴线(6)为径向坐标z轴，以底板(7)所在直线为轴向坐标r轴； 步骤二、在电磁场有限元分析软件FEMM中，外线圈(I)、内线圈(2)和附加线圈(3)模拟通入初始电流产生静态磁场，获取静态磁场零坐标位置OtlO^ z0)； 步骤三、以20%为步长，逐渐改变内线圈⑵通入的电流值，改变内线圈(2)通入的电流值时会产生一个新的磁场，该磁场为线圈稱合振荡引起的动态磁场与静态磁场的合成...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨子怡，魏立秋，韩亮，于达仁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23