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

1.本发明涉及霍尔推力器，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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.一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：(r
1-w-6)≤x1≤(r
1-w-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。
6.一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。
7.本发明相比现有技术的有益效果是：
8.本发明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。
9.本发明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。
10.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
11.图1为传统线圈磁源霍尔推力器典型结构示意图；
12.图2为传统永磁磁源霍尔推力器典型结构示意图；
13.图3为本发明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；
14.图4为本发明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；
15.图5为本发明混合励磁霍尔推力器磁路结构中永磁单独工作磁场仿真结果图；
16.图6为本发明混合励磁霍尔推力器磁路结构中永磁与线圈同向并联磁场仿真结果图；
17.图7为本发明混合励磁霍尔推力器磁路结构中永磁与线圈反向并联磁场仿真结果图；
18.图8为本发明混合励磁霍尔推力器磁路结构中通道中心线磁场强度分布图；
19.其中1-内永磁铁；2-外永磁铁；3-磁屏；4-外磁极b；5-支架；6-内磁极；7-外磁极a；8-内线圈；9-外线圈；10-导磁罩。
具体实施方式
20.参见图3所示，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a7、内线圈8、外线圈9和导磁罩10；内磁极6和外磁极a7分别固定在导磁罩10的内铁芯和外壳上，还包含内永磁铁1、外永磁铁2、外磁极b4和支架5；
21.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a7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b4，内永磁铁1和外永磁铁2轴向充磁，外磁极b4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：(r
1-w-6)≤x1≤(r
1-w-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。r1、r2、w、x1、x2的单位相同，均为毫米。
22.本实施方式将传统永磁磁路(由内永磁铁1、外永磁铁2、外磁极b4和磁屏3组成)与软磁磁路(由磁屏3、内磁极6、外磁极a7、导磁罩10、内线圈8和外线圈9组成)在轴向叠加排布且软磁磁路位于永磁磁路底部，两者之间用不导磁的支架隔开，形成混合励磁霍尔推力器磁路结构，在混合励磁中，永磁磁路结构和软磁磁路结构二者可同向、反向并联工作以达到一定的磁场调节能力。
23.所述外磁极b4能够有效降低外环永磁铁附近推力器外部的磁场强度，有利于霍尔推力器与阴极的耦合放电。因此，外磁极b4的上表面低于放电通道的出口端面。外磁极b4的厚度h5的范围为1-3mm且上端面略低于放电通道出口1-3mm。
24.可选地，此时为了推力器通道内部能够达到霍尔推力器工作需要的典型磁场强度200-300gauss，因此设计了内永磁铁1的径向外径尺寸x1的范围以及x2的范围。
25.上述方案中，磁屏3在永磁磁路中起到“导磁桥”的作用，相当于缩小了磁极之间气
隙的距离。所述软磁磁路中的导磁件对永磁磁路产生附加“导磁桥”作用，进而与磁屏3相互作用共同主导基底磁场的分布。
26.进一步地，所述磁路结构中零件全部为同心回转体，其中磁屏3、内磁极6、外磁极a7、外磁极b4和导磁罩10均为导磁件，材料为dt4c纯铁；通过上述设置保证结构的导磁性和耐高温性，同时保证结构的强度，有效保证导磁的稳定性。所述支架5的材质为钛合金tc4。内线圈8和外线圈9为铜导线绕在内芯上制成。内永磁铁1和外永磁铁2均采用钐钴永磁材料。通过上述设置保证励磁结构的高能量密度，同时保证结构的耐高温性，提升抗高温能力。
27.基于上述混合励磁磁路结构的发明构思，提出一种适合大功率高比冲的霍尔推力器磁路结构设计方法；
28.该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a7、内线圈8、外线圈9和导磁罩10；
29.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b4，所述磁屏3为u形磁屏；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和/或者反向的磁通量，进而并联工作实现磁场调节。
30.本实施方式通过不同尺寸关系，构建混合磁路，通过软磁磁路(线圈)与永磁磁路(永磁铁)的正、反向并联工作具备一定的磁场调节能力，且可以在推力器工作过程中调节励磁线圈的电流快速连续调节磁场，本实施方式的混合磁路结合了永磁磁路励磁效率高且能够实现更大的高径比以及软磁磁路线圈调节范围大的优势，在尽量小的径向空间上获得更高的励磁效率以及磁场的调节性，各磁路能够发挥优势且不互相干扰，相比已有的拆装推力器调节导磁体的形状和尺寸，本实施方式调节线圈的电流大小及方向，调节磁场的方式更加便捷，且可以大范围连续实时调节。
31.进一步地，如图4所示，确定永磁磁路结构尺寸的步骤为：
32.(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-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(例如200-300gauss)条件下，内永磁铁1的径向尺寸需满足(r
1-w-6)≤x1≤(r
1-w-2)，其中r1为放电通道的内径，x1为内永磁铁1的外侧面至中心轴线的距离；
33.(2)确定外永磁铁2的径向尺寸x2及x3，其中(r2+w+3)≤x2≤(r2+w+6)，x3需要根据x1在仿真软件中迭代，x1/3＜x3＜x1；其中，r2为放电通道的外径，x2为外永磁铁2内表面至中心轴线的距离，x3为外永磁铁2的外表面至中心轴线的距离与内表面至中心轴线的距离的差；
34.(3)确定磁屏的高度，在仿真软件中迭代调整h3和h4，使得放电通道内部能够达到平衡对称的磁场位形，需同时满足h3＜h1/2，h4＜h2/2，0＜h
7-h6＜4mm；其中h3为磁屏3的内上端面与内永磁铁1的下表面距离，h1为内永磁铁1的厚度，h4为磁屏3的外上端面与外永磁
铁2的下表面的距离，h2为外永磁铁2的厚度，h6为磁屏3的内壁上端面至内底面的距离，h7为磁屏3的外壁上端面至内底面的距离；
35.(4)根据永磁磁路产生的基地磁场强度设计值b1在仿真中迭代调整内永磁铁1的轴向尺寸h1和外永磁铁2的轴向尺寸h2，使得通道中心磁场最大磁场强度能够达到该设计值，同时保证通道内磁场位形的对称性，应满足x1/2＜h1＜3x1/4，h2＜h1，2x3/3＜h2＜3x3/4。
36.如图3所示，在永磁磁路的基础上构建软磁磁路，形成混合磁路；
37.确定软磁磁路结构尺寸的原则和步骤为：
38.(1)在保证磁路未达到饱和的状态下，应满足2≤h8≤h9≤8，其中h8为内侧的支架5的高度，h9为外侧的支架5的高度；距离h8和h9需要根据具体磁路尺寸进行调整；
39.(2)将增设的软磁磁路对永磁磁路产生的基底磁场影响最小化，确定内永磁铁1和外永磁铁2的尺寸，应满足x6≤h8/2，x7≤h9/2，x6为内永磁铁1外侧面与磁屏3的内壁外侧面之间的距离，x7为外永磁铁2的内侧面与磁屏3的外壁外侧面之间的距离；
40.(3)确定内磁极6、外磁极a7的径向尺寸，根据磁饱和情况与磁场的可调节性需求仿真软件中反复迭代以实现预定的磁场设计目标，应满足x4/x8≥2，x5/x9≥2；x4为内磁极6的外侧面至中心轴线的距离，x5为外磁极a7的外侧面至中心轴线的距离与内侧面与中心轴线的距离的差，x8为内磁极6的外侧面与磁屏3的内壁外侧面之间的距离，x9为外磁极a7的内侧面与磁屏3的外壁外侧面之间的距离。上述永磁磁路结构尺寸和软磁磁路结构尺寸的单位相同，可均为毫米。
41.基于上述永磁磁路结构和软磁磁路结构的关键尺寸设计，在遵循以上设计原则的基础上小范围调整关键尺寸，保证永磁单独励磁及其与线圈同时正向及反向励磁的情况下通道内磁场位形及强度都能达到理想化状态。
42.上述结构的关键尺寸的确定可通过femm磁场仿真软件进行永磁磁路结构尺寸和软磁磁路结构尺寸确定，并仿真验证放电通道内部磁场强度及位形的连续可调节。在放电通道内磁场位形处于平衡对称的情况下放电通道中心最大磁场强度调节范围达到基底磁场强度的
±
10％。
43.实施例：下面以10kw级混合励磁霍尔推力器为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
44.国际上同等功率水平的线圈单独励磁霍尔推力器放电通道标准尺寸内直径150mm、外直径220mm，高径比约0.46径向包络尺寸高达380mm，本实施案例混合励磁霍尔推力器径向包络尺寸180mm，高径比达到1.27，径向空间可缩小50％以上，预计重量可降低70％以上，这是线圈单独励磁霍尔推力器无法实现的。
45.对本发明磁路进行仿真验证，结果分别如图5-图8所示。在放电通道内磁场位形处于平衡对称的情况下放电通道中心最大磁场强度调节范围达到194-260gauss，线圈不励磁时放电通道中心永磁铁产生的固有磁场强度约为230gauss可调节范围
±
10％。永磁单独励磁、永磁与线圈同向励磁、永磁与线圈反向励磁的情况下磁路内部最大磁场强度分别为1.2t、1.7t和0.68t，均处于材料的线性励磁区间未达到磁饱和，且反向励磁不受磁饱和程度限制，实际可继续增加反向励磁线圈电流进行更大范围的磁场调节。若不考虑磁场位形的平衡对称限制，即使在内部磁路达到(外部磁路远未达到)磁饱和状态仍然可通过增加外线圈电流对磁场进行调节，可实现调节范围能进一步拓宽。
46.由此可见，本发明适合大功率高比冲模式的霍尔推力器磁路兼具永磁磁源与线圈磁源二者的优势，能够在保持大高径比设计自由度的前提下实现磁场宽范围可调节，更易实现轻量化设计，是未来大功率、高比冲霍尔推力器的优选技术方案之一。
47.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。