一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构及设计方法技术

一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构及设计方法，所述磁屏为U型结构，内永磁铁和外永磁铁分别布置在支架上，外永磁铁的上表面还布置有外磁极B，内永磁铁和外永磁铁轴向充磁，外磁极B的上表面低于放电通道的出口端面，所述方法：根据放电通道内径和外径进行永磁磁路结构设计，在永磁磁路结构上增加软磁磁路结构，将永磁磁路结构与软磁磁路结构在轴向叠加排布，且将软磁磁路结构置于永磁磁路结构底部，软磁磁路结构和永磁磁路结构之间用不导磁的支架隔开，将永磁磁路与软磁磁路产生同向或者反向的磁通量，进而并联工作。本发明专利技术以永磁体为主磁源、线圈为辅助磁源的方式，实现了放电通道内部磁场强度及位形的连续实时宽范围可调节。围可调节。围可调节。

【技术实现步骤摘要】
一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构及设计方法


[0001]本专利技术涉及霍尔推力器，具体涉及一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构及设计方法。

技术介绍

[0002]霍尔推力器是一种先进的空间电推进装置，它具有结构简单、比冲高、效率高、寿命长、可靠性好等优势。其中磁场是霍尔推力器能够建立稳定电离加速场的必要条件，推力器的工作性能与磁场位形、强度、梯度的分布高度相关，因此自从霍尔推力器问世以来磁路设计一直是其设计过程中的关键技术，几代霍尔推力器技术的发展变革核心均源自于磁路的“进化”，可见磁路结构对霍尔推力器的重要性。传统霍尔推力器一般采用励磁线圈作为磁源(如图1所示)，通过磁屏磁极等结构在放电通道附近空间形成一定的磁场分布。线圈励磁的方式主要劣势在于励磁效率低下，需要额外的励磁功耗以保证推力器的正常工作且励磁线圈体积大重量较重，不利于整机的轻量化设计。霍尔推力器的放电通道径向尺寸一般与功率水平相关，在中等功率水平下(kW等级)霍尔推力器的结构尺寸足以给内部的励磁线圈腾出空间，而在低功率(200W以下)水平下内部磁芯的饱和以及线圈所占据的空间受限使得线圈的励磁方式劣势尽显，且当功率达到大功率水平(5KW及以上)时由于放电通道的尺寸增加宽度变大导致内外磁极之间的间隙变远，在放电通道内产生一定强度的磁场需要的励磁代价更大，进而内部磁路空间更多地被励磁线圈占据造成了径向尺寸的浪费，放电通道难以实现大高径比(放电通道宽度与内半径的比值，线圈励磁SPT
‑
100型霍尔推力器高径比仅为0.3)，不利于整机的轻量化设计。另一层面上，放电通道的高径比影响等离子体与边界的相互作用，增大高径比有利于降低等离子体在放电通道边界上产生的热能沉积进而提升效率，线圈作为磁源的励磁方式由于励磁线圈必然占据一定的内部径向尺寸，故而在高径比的设计自由度上受到很大的限制。相比较而言永磁体作为磁源能够充分地发挥其磁能积高、体积小的特点，在高径比设计上具有天然的优势，近年来钐钴永磁材料的快速发展也促进了其在电推进领域的应用，在霍尔推力器上经过了实验样机的验证(典型结构如图2所示)，很好地解决了霍尔推力器内部磁路尺寸受限矛盾，但同时固化的磁场又失去了灵活可调的特点。固化磁场对中低功率霍尔推力器来说影响相对较小，原因在于其可以直接额定功率点火，或者变工况点火过程中放电参数变化范围较小，故而励磁需求的变化有限，固化的磁场也能够实现稳定工作的状态直至其达到额定工作点；而对于大功率、高比冲霍尔推力器来说由于点火瞬间对放电电源的冲击太大容易造成电源损坏，故而只能采取低功率低电压启动并逐步提升至额定工况的策略，但是在这个变电压变电流工作的过程中由于参数变化范围大，励磁需求的变化也很剧烈，固化的磁场难以适应推力器的状态变化，容易出现异常熄火或者放电失稳进而导致零部件的烧蚀损坏等故障模式。此外霍尔推力器从冷态启动到零部件达到热稳态需要一定的时间，在这个过程中也需要磁场具有可调节性进而配合推力器实现稳定的放电过程，该问题在大功率、高比冲霍尔推力器上也更为突出。由此可见，永磁作为磁源形成的固化磁场由于完全失去了可调性在未来的应用场景(大功率、高比
冲霍尔推力器)中也会受到很大的限制，需要发展新型磁路来增加永磁体作为磁源的磁场可调节手段。
[0003]公开号CN107725296A公开一种磁感应强度可调的永磁霍尔推力器磁路结构，调整磁场过程中需要改变导磁材料与永磁体的配合关系，需要重新拆装推力器更换导磁零部件达到调节的目的，无法达到推力器工作过程中实时快速调节的目的，且其磁路本质上还是永磁磁路。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服现有技术不足，提供一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构及设计方法，该磁路结构以永磁体为主磁源、线圈为辅助磁源的方式，实现了放电通道内部磁场强度及位形的连续实时宽范围可调节。
[0005]一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构包含磁屏、内磁极、外磁极A、内线圈、外线圈和导磁罩；内磁极和外磁极A分别固定在内铁芯和外壳上，还包含内永磁铁、外永磁铁、外磁极B和支架；所述磁屏为U型结构，磁屏内布置有放电通道，支架布置在内磁极和外磁极A的上表面上，内永磁铁和外永磁铁分别布置在支架上，外永磁铁的上表面还布置有外磁极B，内永磁铁和外永磁铁轴向充磁，外磁极B的上表面低于放电通道的出口端面，内永磁铁的径向外径尺寸x1满足：(R1‑
w
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6)≤x1≤(R1‑
w
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2)，外永磁铁的径向内径尺寸x2满足：(R2+w+3)≤x2≤(R2+w+6)，外永磁铁的径向内径尺寸x1满足：(x1/3)＜x3＜x1，其中R1为放电通道的内径，R2为放电通道的外径，w为放电通道的最小壁厚，x1为内永磁铁的外侧面至中心轴线的距离，x2为外永磁铁内表面至中心轴线的距离。
[0006]一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构设计方法，所述设计方法结合的磁路结构包含软磁磁路结构和永磁磁路结构，所述软磁磁路结构包含磁屏、内磁极、外磁极A、内线圈、外线圈和导磁罩；所述永磁磁路结构包含内永磁铁、外永磁铁和外磁极B，所述磁屏为U形屏；所述方法为：首先，根据放电通道内径和外径进行永磁磁路结构设计，并确定结构尺寸，在永磁磁路结构上增加软磁磁路结构，并确定结构尺寸，将永磁磁路结构与软磁磁路结构在轴向叠加排布，且将软磁磁路结构置于永磁磁路结构底部，形成混合磁路结构，软磁磁路结构和永磁磁路结构之间用不导磁的支架隔开，然后将永磁磁路与软磁磁路产生同向或者反向的磁通量，进而并联工作实现磁场调节。
[0007]本专利技术相比现有技术的有益效果是：
[0008]本专利技术的适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构，以永磁铁作为主磁源，能够保持霍尔推力器向大高径比方向发展的设计自由度，同时辅以线圈作为辅助磁源，通过二者正、反向并联工作具备一定的磁场调节能力，有效改善了传统永磁励磁霍尔推力器磁场不具备可调性的缺点，使其在未来的大功率、高比冲等应用场景中具备更强的适应性，有效地解决了永磁和线圈分别励磁的技术矛盾，使得霍尔推力器能够在保持大高径比设计优势的基础上磁场又具备了宽范围可调的能力。
[0009]本专利技术的霍尔推力器磁路设计方法，根据放电通道内径和外径进行永磁磁路结构设计，在永磁磁路结构上增加软磁磁路结构，借助femm磁场仿真软件进行永磁磁路结构和软磁磁路结构关键尺寸确定，并通过femm磁场仿真软件进行仿真验证，实现了放电通道内部磁场强度及位形的连续可调节。
[0010]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步地说明：
附图说明
[0011]图1为传统线圈磁源霍尔推力器典型结构示意图；
[0012]图2为传统永磁磁源霍尔推力器典型结构示意图；
[0013]图3为本专利技术混合励磁霍尔推力器磁路结构及软磁磁路关键尺寸的示意图；
[0014]图4为本专利技术混合励磁霍尔推力器磁路结构中永磁磁路结构关键尺寸示意图；
[0015]图5为本专利技术混合励磁霍尔推力器磁路结构中永磁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构，包含磁屏(3)、内磁极(6)、外磁极A(7)、内线圈(8)、外线圈(9)和导磁罩(10)；内磁极(6)和外磁极A(7)分别固定在导磁罩(10)的内铁芯和外壳上，其特征在于：还包含内永磁铁(1)、外永磁铁(2)、外磁极B(4)和支架(5)；所述磁屏(3)为U型结构，磁屏(3)内布置有放电通道，支架(5)布置在内磁极(6)和外磁极A(7)的上表面上，内永磁铁(1)和外永磁铁(2)分别布置在支架(5)上，外永磁铁(2)的上表面还布置有外磁极B(4)，内永磁铁(1)和外永磁铁(2)轴向充磁，外磁极B(4)的上表面低于放电通道的出口端面，内永磁铁(1)的径向外径尺寸x1满足：(R1‑
w
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6)≤x1≤(R1‑
w
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2)，外永磁铁(2)的径向内径尺寸x2满足：(R2+w+3)≤x2≤(R2+w+6)，外永磁铁(2)的径向内径尺寸x1满足：(x1/3)＜x3＜x1，其中R1为放电通道的内径，R2为放电通道的外径，w为放电通道的最小壁厚，x1为内永磁铁(1)的外侧面至中心轴线的距离，x2为外永磁铁(2)内表面至中心轴线的距离。2.根据权利要求1所述一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构，其特征在于：磁屏(3)、内磁极(6)、外磁极A(7)、外磁极B(4)和导磁罩(10)均为导磁件，材料为DT4C纯铁。3.根据权利要求1所述一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构，其特征在于：所述支架(5)的材质为钛合金TC4。4.根据权利要求1所述一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构，其特征在于：外磁极B(4)的厚度h5范围为1
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3mm。5.一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构设计方法，所述设计方法结合的磁路结构包含软磁磁路结构和永磁磁路结构，所述软磁磁路结构包含磁屏(3)、内磁极(6)、外磁极A(7)、内线圈(8)、外线圈(9)和导磁罩(10)；其特征在于：所述永磁磁路结构包含内永磁铁(1)、外永磁铁(2)、磁屏(3)和外磁极B(4)，所述磁屏(3)为U形屏；所述方法为：首先，根据放电通道内径和外径进行永磁磁路结构设计，并确定结构尺寸，在永磁磁路结构上增加软磁磁路结构，并确定结构尺寸，将永磁磁路结构与软磁磁路结构在轴向叠加排布，且将软磁磁路结构置于永磁磁路结构底部，形成混合磁路结构，软磁磁路结构和永磁磁路结构之间用不导磁的支架(5)隔开，然后将永磁磁路与软磁磁路产生同向或者反向的磁通量，进而并联工作实现磁场调节。6.根据权利要求5所述一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构设计方法，其特征在于：确定永磁磁路结构尺寸的步骤为：(1)根据设计参数确定放电通道中心所需的磁场强度范围B0
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B2，在该范围内选取中位数B1作为永磁磁路产生的基底磁场强度设计值，在磁场仿真软件中反复迭代确定永磁磁路结构中永磁铁的径向尺寸，设定放电通道的最小壁面厚度为w，在满足放电通道内达到霍尔推力器工作需要的磁场强度条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鸿，刘星宇，钟超，丁永杰，魏立秋，于达仁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：