CN113133173B - 一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构 - Google Patents
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Abstract
一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，包含底板、内铁芯、磁极片、N组通道磁屏环和若干个导磁柱；内铁芯和N组通道磁屏环由内至外同心设置，在相邻两个通道磁屏环之间以及第N组通道磁屏环外侧分别沿周向均匀布置有多个导磁柱，形成等效导磁环，内铁芯、N组通道磁屏环和多个导磁柱均连接在底板上，内铁芯和导磁柱周侧面均缠绕有线圈，每组通道磁屏环为顶部开口的双环结构，通道磁屏环与底板垂直，内铁芯的顶部和每个导磁环的顶部连接有磁极片，其中内铁芯和布置在内铁芯顶部的磁极片均为中空结构；每个磁极片上的通孔与对应的导磁柱间隔排布。本发明可有效提升多环霍尔推力器磁路散热能力进而降低磁路温度，提升可靠性及放电稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种霍尔推力器，具体涉及一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构。
背景技术
霍尔推力器是一种利用正交电磁场电离并加速工质的推进装置，它具有结构简单、高比冲、高效率、长寿命、可靠性好等空间推进装置的先进特征。传统的霍尔推力器具有单环放电室，其功率等级普遍在kW量级，目前广泛应用于各类航天器的位置保持、姿态控制等任务，是技术成熟度最高的电推进装置。然而，随着“月球基地”、“登陆火星”等计划的提出，未来“地月”、“地火”货物运输及轨道转移等空间任务都需要大推力的动力装置，而传统的kW级霍尔推力器只能产生百mN级推力，与未来的空间飞行任务适配性略显不足，当下急需开展大功率大推力霍尔电推进技术研究。传统单环霍尔推力器在向大功率方向拓展的过程中需要增加内部非通流面积来提高磁场强度，进而约束电子，故其内部出现“空心化”的问题。进而产生推力密度、推重比降低等技术矛盾。因此，同心多环嵌套结构霍尔推力器被提出，其具有多个同轴的圆环形放电通道，空心阴极位于中轴线上，各个放电通道可共用阴极，最大限度地提高了霍尔推力器内部的空间利用率，同等功率水平下有效地降低了重量，提高了推力密度及推重比。然而，同心多环嵌套式霍尔推力器与传统单环霍尔推力器相比技术成熟度不足，具体表现为：其相邻的放电通道之间存在互相干扰，难以解耦；多通道共用一个阴极，进入外环的电子不足导致阴极耦合效果差，推力器效率降低；其多环超大功率模式工作下需要超大电流空心阴极来维持放电对配套空心阴极发射电流需求达到几百安培，但目前百安培量级超大电流空心阴极占用空间较大技术成熟度不足。此外磁路均为封闭腔室结构，存在产热严重、散热困难的问题，尤其相邻两个通道中间的磁路结构处于相邻两个放电通道的高温辐射环境中，散热难的问题尤为突出。而磁路结构温度过高会影响其导磁能力进而影响通道内的磁场以及推力器的正常放电过程，因此需要制定非封闭腔室结构的磁路设计方案，来增加多环霍尔推力器中间磁路的散热能力，从而提升多环霍尔推力器的可靠性及放电稳定性。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，该磁路结构可有效提升多环霍尔推力器磁路散热能力进而降低磁路温度，提升可靠性及放电稳定性，并降低其对超大电流空心阴极技术的依赖性，提高阴极耦合效果。
一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，包含底板、内铁芯、磁极片、N组通道磁屏环和若干个导磁柱，其中N≥2，且为整数；内铁芯和N组通道磁屏环由内至外同心设置，在相邻两个通道磁屏环之间以及第N组通道磁屏环外侧分别沿周向均匀布置有多个导磁柱，形成等效导磁环，内铁芯、N组通道磁屏环和多个导磁柱均连接在底板上，内铁芯和导磁柱周侧面均缠绕有线圈，每组通道磁屏环为顶部开口的双环结构，通道磁屏环与底板垂直，内铁芯的顶部和每个等效导磁环的顶部连接有磁极片，其中内铁芯和布置在内铁芯顶部的磁极片均为中空结构；当N＝2时，在第一个等效导磁环上布置的磁极片上均沿周向开设多个通孔，当N＞2时，在第一个等效导磁环至第N-1个等效导磁环上各自布置的磁极片上均沿周向开设多个通孔，每个磁极片上的通孔与对应的导磁柱间隔排布。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明的多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，在相应磁路中的磁极片上均沿周向开设多个镂空结构的通孔，在保证周向磁场均匀性以及轴向磁场强度分布的前提下散热能力明显增强，此外镂空结构为多阴极并联工作提供了可能性，通过中置阴极与中间磁路镂空位置设置的阴极并联的方式，可以改善传统整体线圈构型磁路多环霍尔推力器外环通道电子数量不足、耦合效果差的问题，用多个大电流空心阴极并联工作替代传统多环霍尔推力器单个中置超大电流空心阴极也可以解决目前超大电流空心阴极技术成熟度不足的矛盾。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明多环导磁柱霍尔推力器磁路结构立体示意图；
图2为去掉磁极片后的本发明双环导磁柱霍尔推力器磁路结构示意图；
图3为图1的剖视图；
图4为导磁柱的结构示意图；
图5为传统的双环线圈霍尔推力器内环磁场位形仿真结果图；
图6为本发明实施例中双环导磁柱霍尔推力器内环磁场位形仿真结果图；
图7为传统的双环线圈霍尔推力器外环磁场位形仿真结果图；
图8为本发明实施例中双环导磁柱霍尔推力器外环磁场位形仿真结果图；
图9为本发明实施例的双环导磁柱和传统整体线圈双环霍尔推力器通道中心磁场强度分布仿真结果对比图；
图10为本发明的双环导磁柱霍尔推力器出口平面磁场强度分布仿真结果；
图11为传统整体双环线圈霍尔推力器热仿真结果；
图12为本发明的双环导磁柱霍尔推力器热仿真结果。
具体实施方式
参见图1和图3所示，一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，包含底板6、内铁芯1、磁极片7、N组通道磁屏环16和若干个导磁柱12，其中N≥2，且为整数；
内铁芯1和N组通道磁屏环16由内至外同心设置，在相邻两个通道磁屏环之间以及第N组通道磁屏环16外侧分别沿周向均匀布置有多个导磁柱12，形成等效导磁环，内铁芯1、N组通道磁屏环16和多个导磁柱12均连接在底板6上，内铁芯1和导磁柱12周侧面均缠绕有线圈11，每组通道磁屏环16为顶部开口的双环结构，通道磁屏环16与底板6垂直，内铁芯1的顶部和每个导磁环的顶部连接有磁极片，其中内铁芯1和布置在内铁芯1顶部的磁极片7均为中空结构；当N＝2时，在第一个等效导磁环上布置的磁极片7上均沿周向开设多个通孔，当N＞2时，在第一个等效导磁环至第N-1个等效导磁环上各自布置的磁极片7上均沿周向开设多个通孔，每个磁极片7上的通孔与对应的导磁柱12间隔排布。内铁芯1和对应的磁极片7为中间空心结构，其空心部分可用于中置阴极的安装，磁极片7上的通孔7-1可用于散热或空心阴极13安装。
通孔与对应的导磁柱12间隔排布，有利于周向磁场分布的均匀性，将空心阴极13置于通孔7-1位置有利于阴极发射的电子在内外环放电通道中的分配，可有效改善单中置阴极多环霍尔推力器外环电子数量不足导致的耦合效果差、效率低的问题。
底板6上表面和磁极片7下表面开有用于安装导磁柱12的圆形凹槽。凹槽深度为1mm,凹槽的数量根据导磁柱12排布的环数和每环内的数量而定。
所述导磁柱12两端通过螺栓与底板6和磁极片7相连。内铁芯1与磁极片7通过螺栓连接。可在磁极片、底板的凹槽中心与导磁柱上下表面中心打螺纹孔，通过螺栓将导磁柱12与磁极片7连接为整体。
可选地，内铁芯1、底板6和N组通道磁屏环16一体制成。
每个所述通孔为扇形，每个磁极片7上的多个扇形通孔分布在同心环上。镂空通孔有利于中间磁路封闭腔室的散热，有效提升多环霍尔推力器中间磁路的主动散热能力，提升推力器的热稳定性。同心扇环状镂空通孔的尺寸可根据磁极片7与底板6的磁饱和程度进行选取，在保证结构件中最大磁场强度处于励磁材料的线性区范围内的前提下，可以尽量增加该镂空通孔的面积，以最大化多环导磁柱霍尔推力器的散热能力。
通常，内铁芯1、底板6、磁极片7、导磁柱12和通道磁屏环16均采用软磁材料电磁纯铁。通常，所述电磁纯铁为DT4C。导磁柱12上的线圈11采用耐高温绝缘皮的纯铜导线绕制而成。内铁芯1上固定线圈11的内线圈架10采用铝合金材料。内线圈架10不具备导磁能力，仅仅作为内线圈绕线的支撑结构，而导磁柱12同时兼具导磁功能与线圈绕线支架功能。
如图4所示，所述导磁柱12为截面呈工字型的同心回转体。导磁柱12的尺寸d1的选取应保证每个导磁柱12的内部最大磁场强度处于所采用的软磁材料DT4C的线性区，以保证该磁路结构不产生磁饱和现象，尺寸d2需根据绕线的层数进行调整。线圈绕线过程中应紧密地排绕在导磁柱12上，绕线完成后应保证导磁柱12上的缠绕的线圈11的外径小于导磁柱12上的翼缘直径d2。
下面以双环导磁柱霍尔推力器磁路结构为例说明：
本实施例以双环导磁柱霍尔推力器为例，给出了磁路结构以及相应的阴极布局方式，并通过Maxwell磁场仿真软件对导磁柱磁路结构与传统整体线圈磁路结构产生的磁场等效性及均匀性进行了验证；此外，利用ANSYS热分析模块对两种磁路结构推力器的温度场进行计算，验证了导磁柱式磁路结构散热能力的优异性。
如图1-图4所示，通道一内磁屏2和通道一外磁屏3构成第一个通道磁屏环16，通道二内磁屏4和通道二外磁屏5构成第二个通道磁屏环16，内线圈架10上绕有线圈11，内线圈架10固定在内铁芯1上，其中内铁芯1、内线圈架10上绕制的线圈11、内铁芯1上的磁极片7、底板6构成内磁路，在第一个通道磁屏环16和第二个通道磁屏环16之间的底板6上沿周向均布有四个导磁柱12，四个导磁柱12、导磁柱上缠绕的线圈11、磁极片7、底板6构成中间磁路，在第二通道磁屏环16外侧的底板6上沿周向均匀布置有八个导磁柱12，八个导磁柱12、导磁柱上缠绕的线圈11、磁极片7和底板6构成外磁路，其中磁屏与底板6垂直，底板6上具有用于安装导磁柱12的圆形凹槽，凹槽深度为1mm,其位置与磁极片7下表面周向均布的凹槽相同，中间磁路中磁极片7与底板6相对应位置凹槽为周向四个均布，外磁路中磁极片7与底板6相对应位置凹槽为周向八个均布。可在磁极片7与底板6的凹槽中心与导磁柱12上下表面中心打螺纹孔，通过螺栓连接为整体。
通道一内磁屏2、通道一外磁屏3通过底板6的连接构成U型凹槽结构，安装推力器其他部件构成放电通道一，同理，通道二内磁屏4、通道二外磁屏5通过底板6的连接构成的U型凹槽结构形成放电通道二。在每个放电通道底部底板6位置设置三个周向均布的圆形安装孔，为推力器阳极(气体分配器)结构提供安装空间。
为了验证该多环导磁柱霍尔推力器磁路结构与传统整体线圈磁路结构产生的磁场等效性及均匀性，利用Maxwell磁场仿真软件对两种磁路结构产生的磁场进行对比，其中两种磁路结构保持磁屏、磁极结构尺寸以及相对位置不变，仅仅把整体线圈结构变化为多个均匀分布的导磁柱。
如图5-图10所示，双环导磁柱霍尔推力器内、外通道磁场位形分别与传统整体线圈结构双环霍尔推力器内、外通道磁场位形呈现较好的一致性，且通道中心线上的轴向磁场强度分布偏差微乎其微。此外双环导磁柱霍尔推力器放电通道出口平面的磁场在周向均匀性也很好，由此可见导磁柱式磁路结构与传统整体线圈磁路结构产生的磁场具有等效性且均匀性较好，完全可以替代整体线圈结构磁路的励磁功能。
通过ANSYS进行热仿真分析，对比了相同功率、相同的热载荷条件下双环导磁柱磁路结构与线圈磁路结构温度，两种结构下的温度仿真结果如图11-图12所示。其中整体线圈磁路结构温度在324.51℃-477.4℃，导磁柱霍尔推力器磁路结构温度在242.88℃-409.51℃，导磁柱结构相比传统线圈结构温度下降70℃左右。由此可见，采用本实施方式的双环导磁柱霍尔推力器磁路结构可增强多环霍尔推力器中间磁路的主动散热能力，大幅降低多环霍尔推力器磁路结构稳态温度，提升推力器放电稳定性。此外，采用导磁柱结构使得中间磁路磁极与底板具有采取镂空结构的可能性，为多环霍尔推力器空心阴极位置的分布提供了更多的可能性。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (10)
1.一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：包含底板(6)、内铁芯(1)、磁极片(7)、N组通道磁屏环(16)和若干个导磁柱(12)，其中N≥2，且为整数；
内铁芯(1)和N组通道磁屏环(16)由内至外同心设置，在相邻两个通道磁屏环之间以及第N组通道磁屏环(16)外侧分别沿周向均匀布置有多个导磁柱(12)，形成等效导磁环，内铁芯(1)、N组通道磁屏环(16)和多个导磁柱(12)均连接在底板(6)上，内铁芯(1)和导磁柱(12)周侧面均缠绕有线圈(11)，每组通道磁屏环(16)为顶部开口的双环结构，通道磁屏环(16)与底板(6)垂直，内铁芯(1)的顶部和每个等效导磁环的顶部连接有磁极片，其中内铁芯(1)和布置在内铁芯(1)顶部的磁极片(7)均为中空结构；当N＝2时，在第一个等效导磁环上布置的磁极片(7)上均沿周向开设多个通孔(7-1)，当N＞2时，在第一个等效导磁环至第N-1个等效导磁环上各自布置的磁极片(7)上均沿周向开设多个通孔(7-1)，每个磁极片(7)上的通孔(7-1)与对应的导磁柱(12)间隔排布，所述中空结构位置的底板(6)上布置有空心阴极(13)，通孔(7-1)位置的底板(6)上布置有空心阴极(13)。
2.根据权利要求1所述一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：底板(6)上表面和磁极片(7)下表面开有用于安装导磁柱(12)的圆形凹槽。
3.根据权利要求1或2所述一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：所述导磁柱(12)两端通过螺栓与底板(6)和磁极片(7)相连。
4.根据权利要求1或2所述一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：内铁芯(1)与磁极片(7)通过螺栓连接。
5.根据权利要求1或2所述一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：内铁芯(1)、底板(6)和N组通道磁屏环(16)一体制成。
6.根据权利要求2所述一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：每个所述通孔为扇形，每个磁极片(7)上的多个扇形通孔分布在同心环上。
7.根据权利要求2所述一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：内铁芯(1)、底板(6)、磁极片(7)、导磁柱(12)和通道磁屏环(16)均采用软磁材料电磁纯铁，所述电磁纯铁为DT4C。
8.根据权利要求2所述一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：导磁柱(12)上的线圈(11)采用耐高温绝缘皮的纯铜导线绕制而成，导磁柱(12)上的缠绕的线圈(11)的外径小于导磁柱(12)上的翼缘直径(d2)。
9.根据权利要求2所述一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：内铁芯(1)上固定线圈(11)的线圈架采用铝合金材料。
10.根据权利要求2所述一种多环导磁柱霍尔推力器磁路结构，其特征在于：所述导磁柱(12)为截面呈工字型的同心回转体。
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2021
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