一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天技術(shù)和低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]霍爾電推進作為一種先進的空間電推進技術(shù)，具有推力密度大、系統(tǒng)組成簡單、可靠性高、發(fā)射成本低等優(yōu)點，成為應(yīng)用最為廣泛的空間電推進裝置之一。影響霍爾推力器綜合性能的主要因素就是放電通道內(nèi)的磁場分布，而該磁場分布又取決于霍爾推力器的磁路組成。理想磁路結(jié)構(gòu)所形成放電通道內(nèi)的磁場應(yīng)具備徑向分量的軸向梯度足夠大。徑向分量最大值的位置合理，以減少離子對陶瓷環(huán)的腐蝕濺射。
[0003]如圖1所示，是現(xiàn)有技術(shù)的霍爾推力器磁路組成示意圖。包括外極靴、外陶瓷環(huán)、外鐵芯、導(dǎo)磁底座、內(nèi)極靴、磁屏、內(nèi)陶瓷環(huán)和內(nèi)磁鐵，其中磁屏包括外磁屏和內(nèi)磁屏，磁屏與導(dǎo)磁底座為一個整體，且內(nèi)外壁面均為實心。該磁路結(jié)構(gòu)存在的主要問題是:(I)散熱效果差，內(nèi)外磁屏之間的陽極產(chǎn)生的熱量不能很好地從磁屏壁面向周圍輻射出去，會帶來一些熱設(shè)計的困難。(2)磁場梯度低，內(nèi)外磁屏之間放電通道內(nèi)徑向磁場的軸向梯度較低，導(dǎo)致該通道內(nèi)工質(zhì)氣體的電離效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，能夠增加磁路的散熱，同時增加內(nèi)外屏之間放電通道徑向磁場的軸向梯度，提高電離效率。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
[0006]一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，包括外極靴、外陶瓷環(huán)、外磁鐵、導(dǎo)磁底座、內(nèi)極靴、磁屏、內(nèi)陶瓷環(huán)和內(nèi)磁鐵，其中磁屏包括外磁屏和內(nèi)磁屏，所述磁屏還包括固定在外磁屏和內(nèi)磁屏形成的空腔底部的磁屏底座，所述磁屏底座與所述導(dǎo)磁底座之間留有間隙；所述外磁屏、內(nèi)磁屏和磁屏底座上分別有多個開孔。
[0007]進一步的，所述外磁屏、內(nèi)磁屏和磁屏底座沿其各自的圓周面上均勻開有4個扇形孔。
[0008]較佳的，所述外磁屏和內(nèi)磁屏上的扇形孔互相對應(yīng)；所述磁屏底座上的扇形孔與所述外磁屏或內(nèi)磁屏的扇形孔之間的偏移角度e為45° ;
[0009]所述磁屏參數(shù)如下:
[0010]所述外磁屏的外徑g = 156mm，外磁屏內(nèi)徑h = 153mm，內(nèi)磁屏內(nèi)徑L = 104mm,內(nèi)磁屏外徑m = 107mm。
[0011]磁屏高度c = 43mm,內(nèi)磁屏和外磁屏的扇形孔高度d = 31mm ;外磁屏與磁屏底座中分隔兩相鄰扇形孔的肋骨寬度f = 5mm,內(nèi)磁屏與磁屏底座中分隔兩相鄰扇形孔的肋骨寬度u = 5mmο
[0012]所述磁屏選用電工純鐵DT4C加工而成。
[0013]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0014](I)本發(fā)明的霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，通過在外磁屏、內(nèi)磁屏和磁屏底座上開孔，以及在磁屏底座和導(dǎo)磁底座之間留有間隙，提高了霍爾推力器放電通道的散熱效率，可以降低霍爾推力器熱設(shè)計的難度；
[0015](2)本發(fā)明的霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，通過對磁屏參數(shù)，尤其是扇形孔尺寸的優(yōu)化，提高了放電通道內(nèi)的磁場梯度，從而提高了電子利用率和電離效率；同時，通過對扇形孔面積的優(yōu)化，使磁場徑向分量的最大值超出磁屏上端，將離子對陶瓷內(nèi)、外環(huán)的腐蝕濺射效應(yīng)降到最低，從而最大程度地提高了霍爾推力器的壽命。
【附圖說明】
[0016]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的霍爾推力器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的霍爾推力器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的霍爾推力器的磁屏側(cè)視圖。
[0018]圖4為本發(fā)明的霍爾推力器的磁屏俯視圖。
[0019]圖5為無磁屏、實心磁屏、空心磁屏三種磁路結(jié)構(gòu)的磁場分布示意圖。
[0020]其中，1-外極靴，3-外磁鐵，4-導(dǎo)磁底座，5-內(nèi)極靴，6-磁屏，61-外磁屏，62-內(nèi)磁屏，63-磁屏底座，9-內(nèi)磁鐵。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0022]本發(fā)明的一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，如圖2-4所示，包括外極靴1、外陶瓷環(huán)、外鐵芯3、導(dǎo)磁底座4、內(nèi)極靴5、磁屏6、內(nèi)陶瓷環(huán)和內(nèi)磁鐵9，其中磁屏6包括外磁屏61和內(nèi)磁屏62，以及固定在外磁屏61和內(nèi)磁屏62形成的空腔底部的磁屏底座63，磁屏底座63與導(dǎo)磁底座4之間留有間隙；外磁屏61、內(nèi)磁屏62和磁屏底座63上分別有多個開孔。
[0023]通過開孔，可以提高通道內(nèi)的散熱效率，即內(nèi)外磁屏61之間通道內(nèi)產(chǎn)生的熱量可以通過開孔輻射出去，可以大大降低推力器熱設(shè)計的難度。
[0024]為了最大程度提高散熱效果，同時考慮到對內(nèi)、外磁屏61的結(jié)構(gòu)強度，本發(fā)明中外磁屏61、內(nèi)磁屏62和磁屏底座63沿其各自的圓周面上均勾開有4個扇形孔。
[0025]本發(fā)明通過將磁屏6與導(dǎo)磁底座4分離，并使其與導(dǎo)磁底座4保持一定的距離。對本發(fā)明的霍爾推力器磁路進行測試，分離后磁屏6下端處(靠近導(dǎo)磁底座4的一端)磁場強度與分離前導(dǎo)磁底座4處的磁場強度基本相近，分離后磁屏6上端處磁場強度與分離前基本相同，因此，本發(fā)明的磁路結(jié)構(gòu)保持了原有磁路性能。由于內(nèi)磁屏62和外磁屏61之間放電通道長度較分離前明顯縮短(即縮短了磁屏底座63與導(dǎo)磁底座4之間的距離)，所以使得內(nèi)外磁屏61之間通道內(nèi)的磁場梯度得到顯著的提高。而磁場梯度的提高可以提高通道內(nèi)的電離效率，最終可以提高霍爾推力器的綜合性能。
[0026]進一步的，如果對開孔面積進行優(yōu)化，可以調(diào)整磁場徑向分量最大值的位置，使得離子對陶瓷環(huán)的腐蝕濺射效應(yīng)降到最低，從而最大程度地提高霍爾推力器的壽命。
[0027]霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)確定后，利用有限元軟件通過對靜磁場結(jié)構(gòu)優(yōu)化最終確定磁屏的最優(yōu)參數(shù):
[0028]I)分別對無磁屏、實心磁屏和本發(fā)明的磁屏三種磁路結(jié)構(gòu)進行靜磁場分析，所得磁場徑向分量的軸向分布如附圖5所示，圖中橫坐標表示磁屏6中心線高度，方向如圖2的箭頭所示，起點為磁屏底座63。經(jīng)過對三種磁路設(shè)計結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)實心磁屏的磁場梯度最大，但是0.6Brmax-Brmax之間的區(qū)域即等離子體產(chǎn)生和加速的區(qū)域基本位于推力器引出平面的下游，使得離子的加速和聚焦性能變差。而且在相同磁勢激勵下，Brmax的值最小，比本發(fā)明的磁屏磁路設(shè)計小30%。無磁屏磁路設(shè)計和空心磁屏磁路設(shè)計的磁場梯度相近，但是空心磁屏磁路設(shè)計的0.6Brmax-Brmax之間的位置既可以使產(chǎn)生的離子被很好地加速，又使Brmax的位置略位于推力器引出平面下游，可以減少對陶瓷的腐蝕，延長推力器的壽命。(注:Brmax為磁場徑向分量的軸向最大值，0.6Brmax為Brmax的0.6倍)
[0029]2)根據(jù)以上工作可以確定最佳的磁路設(shè)計應(yīng)該是采用空心磁屏的磁路結(jié)構(gòu)，同時發(fā)現(xiàn):放電通道內(nèi)0.6Brmax-Brmax之間的距離可以縮小到2mm，而現(xiàn)有技術(shù)霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)下放電通道內(nèi)0.6Brmax-Brmax之間的距離最小為4mm至5mm之間，可見本發(fā)明可以顯著提高放電通道內(nèi)等離子產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)即0.6Brmax-Brmax之間的磁場梯度。
[0030]3)根據(jù)如下磁場設(shè)計準則對空心磁屏的參數(shù)進行優(yōu)化:本發(fā)明的磁屏6底面附近磁場強度最小，以降低等離子體的殼層電壓，減少加速電壓損失；內(nèi)、外磁屏之間通道內(nèi)磁場徑向分量的軸向梯度最大；磁場徑向分量的最大值略超出磁屏上端。得到本發(fā)明的磁屏的最佳結(jié)構(gòu)尺寸一高度尺寸:c = 43mm, d = 31mm ;角度e = 45度，寬度f = 5mm，u = 5mm ；直徑尺寸 g = 156mm, h = 153mm, L = 104mm, m = 107mmo
[0031]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，包括外極靴(1)、外陶瓷環(huán)、外磁鐵(3)、導(dǎo)磁底座(4)、內(nèi)極靴(5)、磁屏(6)、內(nèi)陶瓷環(huán)和內(nèi)磁鐵(9)，其中磁屏(6)包括外磁屏(61)和內(nèi)磁屏(62)，其特征在于，所述磁屏(6)還包括固定在外磁屏(61)和內(nèi)磁屏(62)形成的空腔底部的磁屏底座(63)，所述磁屏底座(63)與所述導(dǎo)磁底座⑷之間留有間隙；所述外磁屏(61)、內(nèi)磁屏(62)和磁屏底座(63)上分別有多個開孔。
2.如權(quán)利要求1所述的一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外磁屏(61)、內(nèi)磁屏(62)和磁屏底座(63)沿其各自的圓周面上均勾開有4個扇形孔。
3.如權(quán)利要求1所述的一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外磁屏(61)和內(nèi)磁屏(62)上的扇形孔互相對應(yīng)；所述磁屏底座(63)上的扇形孔與所述外磁屏(61)或內(nèi)磁屏(62)的扇形孔之間的偏移角度e為45° ； 所述磁屏(6)參數(shù)如下: 所述外磁屏(61)的外徑g = 156mm，外磁屏(61)內(nèi)徑h= 153mm，內(nèi)磁屏(62)內(nèi)徑L=104mm,內(nèi)磁屏(62)外徑 m = 107mm。 磁屏高度c = 43mm,內(nèi)磁屏(62)和外磁屏(61)的扇形孔高度d = 31mm ;外磁屏(61)與磁屏底座(63)中分隔兩相鄰扇形孔的肋骨寬度f = 5mm,內(nèi)磁屏(62)與磁屏底座(63)中分隔兩相鄰扇形孔的肋骨寬度u = 5mm。
4.如權(quán)利要求2所述的一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述磁屏(6)選用電工純鐵DT4C加工而成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種霍爾推力器磁路結(jié)構(gòu)，通過在外磁屏、內(nèi)磁屏和磁屏底座上開孔，以及在磁屏底座和導(dǎo)磁底座之間留有間隙，提高了霍爾推力器放電通道的散熱效率，可以降低霍爾推力器熱設(shè)計的難度；通過對磁屏參數(shù)，尤其是扇形孔尺寸的優(yōu)化，提高了放電通道內(nèi)的磁場梯度，從而提高了電子利用率和電離效率；同時，通過對扇形孔面積的優(yōu)化，使磁場徑向分量的最大值超出磁屏上端，將離子對陶瓷內(nèi)、外環(huán)的腐蝕濺射效應(yīng)降到最低，從而最大程度地提高了霍爾推力器的壽命。
【IPC分類】F03H1-00
【公開號】CN104632565
【申請?zhí)枴緾N201410817589
【發(fā)明人】楊樂, 郭寧, 賈艷輝, 陳娟娟
【申請人】蘭州空間技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月22日