毕业设计论文--由单独励磁转换为自励磁时进行了初步的探索

毕业设计论文--由单独励磁转换为自励磁时进行了初步的探索内容摘要：

的广泛关注和研究，在电推进研究领域国际上一些学者和机构也开始从动态和耦合的角度研究霍尔推力器的磁场问题，方向直指自励模式霍尔推力器应用的基础理论研究。 斯坦福大学的 Cappelli研究了他励模式霍尔推力器周向霍尔电流引起的动态磁场的非接触测量方法，指出感应磁场的存在使推力器静态磁场的峰值分布向阳极移动并且影响通道内电子的反常输运。 密西根大学的 Galimore通过高速往复探针和数值模拟结合的方法研究了霍尔推力器放电对静态磁场的影响。 这些研究为励磁模式霍尔推力器的理论研究工作的进一步开展提供的研究方法和思哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计论文 7 路，但研究仍然停留在他励模式下磁场动态问题范畴内。 哈尔滨工业大学等离子推进技术实验室 2020年在国际上报道了 他励模式下励磁回路与放电回路由于电磁感应形成耦合振荡的现象 ，探索了 动态磁场与等离子体相互作用的 研究思路。 此后，狄更斯大学的 Hans教授验证了这一结果，并随后开始研究励磁与放电的耦合问题。 这些研究成果为今后探讨自励模式霍尔推力器中励磁与放电的相互影响开拓了 思路，为自励模式霍尔推力器的理论研究奠定了基础。 本文主要研究内容 本文主要的结构是对自励磁模式下的霍尔推力器尽心设计，主要包括从单独励磁的模式下转换到自励磁模式，需要安匝数的等效以及等效完成后，一般是内线圈的匝数会变得很多，由于内线圈受空间的限制，所以就涉及到怎样解决内线圈空间的问题，可操作性比较强的主要是将磁芯打薄，再打薄后磁芯变细，因此需要计算磁芯工作时的应力问题、热问题、漏磁问题等一系列问题，而在本文的第三章主要介绍了自励磁模式下的霍尔推力器工作区域的研究，通过第二章的研究发现，在当前 ATON发动机上有些工况是不能进行转换成自励磁模式的，因此，我们在此对 ATON发动机找到了一个能转换为自励磁模式的区域，然后针对某个工况点在自励磁模式下与单独立此模式下进行了研究与对比，在最后一章里，我们主要是通过实验在自励磁模式下的放电回路中并入一些电子元件，如电阻、电容，观察对发动机振荡的影响，以此来进一步提高发动机的性能，使其工作更趋于稳定。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计论文 8 第 2 章 自励磁霍尔推力器设计 引言 在实际航天应用中， 霍尔推力器 稳态工作时只需一个电源，但在启动时，需要另一个电源来预热阴极和为启动器充电。 此时阴级加热器 向阴极提供稳定电流；启动器充电后，启动器在阴极和启动器电极之间产生一个高压脉冲，在电极间形成放电。 放电后，主放电室被激化，产生等离子体，此时启动器和加热电源关毕。 但在地面实验室研究阶段， ATON一共需要 5个电源，阴极加热电源，放电电源和 3个励磁电源 (因为 ATON有 3个励磁线圈 )。 那么为了适应实际航天应用的需要，必然要求把 3个励磁线圈与主放电回路串联起来工作，并只用一个电源供电。 这样电源个数减少了，优势是明显的，不但可以提高由推进系统供电系统的可靠性，还可以提高卫星的有效载荷率。 目前的 ATON是无法 串联工作 的，不同的工况下，励磁电流与放电电流的匹配是能否实现自励磁需要研究的问题，如何解决磁场强度和放电电流的关系是需要首先评估的。 因此，必须采取措施，解 决磁场强度强度不够的问题。 可以说，如果能够实现发动机串联工作 ，是 ATON由实验室研究阶段迈向实际航天应用的第一步尝试。 目前，世界上关于此类涉及直接航天应用的详细技术问题鲜有披露，当前并没有查阅到 ATON串联工作的相关文献， 因此本文主要对 ATON进行自励磁模式下转换进行了模拟与实验尝试。 实验系统与软件介绍 实验系统的介绍 本文中的实验均采用 ATON霍尔推力器，其结构图如图 21所示除磁场测量试验外，全部实 验均在真空罐中进行。 圆柱形真空罐直径 ，长 4m，配备有两个油扩散泵和三个机械泵，见 图 22。 工作状态下真空罐内压力为 3 103Pa左右。 推力器使用氙 气 做推进工质，阳极流量 3mg/s，阴极流量 ，推力器主放电电压 300V。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计论文 9 1加速通道； 2阳极； 3缓冲区； 4气体分配器； 5励磁线圈 图 21 典型的 ATON 发动机结构图 图 22 实验用真空罐 FEMM 软件的介绍 此次 设计磁场分布的计算采用的软件是 FEMM（ Finite Element Mehtod Magics），版本。 FEMM是一款用于计算给定磁路系统下磁场位形的有限元分析软件，专门用于电磁方面的二维平面或轴对称模型的分析。 其主要应用于静电分析；线性、非线性静磁分析；瞬态、谐波磁场分析。 FEMM简单易学、求解速度快、计算精度高，是一个面向 PC的采用交互式环境的免费软件，使得较复杂的问题采用普通的计算机就可以求解。 计算过程中，我们对推力器按 1:1建模，略去不导磁部分。 入界面如图 23所示，左侧和上方的工具栏用于定义材料属哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计论文 10 性、加载情况等，右侧的窗口显示用户定义的模型和求解结果，用户可采用输入坐标或直接采用鼠标的方式建模。 图 23 输入界面 输出界面如图 24 所示，输出即可采用图线形式也可将数据导出形成 TXT文档。 图 24 输出界面 在完成仿真后还可以通过 以下程序进行计算通道中心各处的磁场强度： handle=openfile(,w) i=1 j=1 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计论文 11 for x=0,8, do for y=60,90, do i=i+1 Are,Aim,B1re,B1im,B2re,B2im,Sig,E,H1re,H1im,H2re,H2im,Jere,Jeim,Jsre,Jsim,Mu1re,Mu1im, Mu2re,Mu2im,Pe,Ph=mo_getpointvalues(x,y) B1re1=B1re*10000 B2re1=B2re*10000 B=sqrt(B1re1^2+B2re1^2) write(handle,i, ,j, ,B1re1, ,B2re1, ,\n) end j=j+1 end closefile(handle) 可以通过修改 x， y 的坐标算出模型内各点的坐标。 在以后的模拟时磁芯存在磁饱和的问题，所以应该将通常用的普通材料 Q235 换为高饱和磁感应强度的软磁材料 1J22，在计算时将 Q235,、 1J22 两种材料作对比，而 FEMM 软件材料库中所用材料名均为美国的钢铁牌号，因此要查到它们自相对应的牌号， Q235的磁安特性曲线（ BH 曲线）已给定，所以只需查找 1J22 的牌号即可，经查找1J22 所对应的牌号为 50КФ(俄罗斯 )、 Permendur(英国 )、 Supermendur(美国 )、 HiperCo50(美国 )。 高斯计的使用与介绍 ATON 通道内的磁场测量能指导磁场设计，是磁场设计中必不可少的辅助手段。 ATON 通道内的磁场位形 归结为两个方面： (1)磁场强度沿通道轴向的分布； (2)磁力线形貌。 针对磁场强度沿轴向的分布，可以采用高斯计来测量。 本测量实验采用的是 Lakeshore 公司的 421 型高斯计，如 25 所示。 421 型高斯计有 RS232C 串行接口，可通过计算机显示测量结果，并对测量结果进行处理，此外，还具有最大值保持、自动滤掉地磁场影响、超过量程自动报警等功能。 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计论文 12 图 25 421 型高斯计 高斯计需要配 合霍尔探头使用， 421 型高斯计附带的探头分为轴向探头 (axial probe，型号 MNA1904VH)和径向探头 (transverse probe，型号 MNT4E04VH)两种，分别见 图 26 和 图 27， 轴向探头用于测量轴向磁场强度，径向探头用于测量径向磁场强度。 2 . 5 LA+ BDL a k e S h o r eC a b l e l e n g t h6 . 6 f e e t0 . 3 6 d i a m e t e r177。 0 . 0 3 0 图 26 轴向探头 2 . 5 LA+ BTL a k e S h o r eC a b l e l e n g t h6 . 6 f e e t0 . 3 6 d i a m e t e r177。 0 . 0 3 0 W 图 27 径向探头 其使用步骤大致如下： (1)将探头“调零”，消除地磁场的影响； (2)固定探头，确定基准点； (3)确定探头测量起点和终点； (4)选择量程，进行测量； (5)拆卸探头。 自励磁霍尔推力器磁场等效 在实验室条件下，霍尔推力器的励磁方式都是单独励磁，因为可以通过增加励磁线圈的电流来增强磁场强度，但是在航天领域中要进行自励磁的转换，即将三个线圈的串联到放电回路中去，这样就可以少携带三个电源，大大减少了霍尔推力器的本身的重量，而且研究发现在自励磁模式下，发动机的低频振哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计论文 13 荡相对于单独励磁模式被很好的抑制了，但是，一般情况下线圈的电流被 调的很大以此增加通道内磁场的强度，其内磁芯如图 28所示，由于附加线圈所绕线圈匝数比较少，所以在转化为励磁磁模式时，所增加的线圈匝数在附加线圈 可以绕下，但是内磁芯往往在单独励磁模式下电流就已经很大，所以通过安匝等效 N1I1=N2I2公式，发现当初始电流 I1很大时，由于足在转化为自励磁时，励磁电流就是回路中的放电电流，一般情况下励磁电流 Im大于放电电流 Id，所以当转换为自励磁模式时，线圈匝数必定增多，才能保证他们的安匝数相等。 对于内磁芯来说，空间有限因此可以尝试通过打薄内磁芯来增加其内部空间。 图 28 ATON 发动机的内磁芯 内磁芯打薄 给定一个发动机稳定的工况为 N1=105， N2=110， N3=40， I1=， I2=，I3=0，放电电流 Id=（下标为 1 表示外线圈，下标为 2 表示内线圈，下标为3 表示附加线圈），由安匝等效可以算出当转换为自励磁模式时，回路中放电电流即励磁电流 Id=Im=， N1=110， N2=273， N3=0，内磁芯的外径为 D=34mm，内径为 d=14mm，内线圈的磁芯长度 L=23，导线直径 d1=1mm导线之间的裕度为 10%，如 图 29 所示 可先设轴向可 绕 X 匝线圈，所以有方程 21。  1 1 1 0 % 1 2 3XX      (21) 可解之得： 21X (22) 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计论文 14 图 29 ATON 发动机磁芯示意图 由此可知轴向可并排绕 21 匝线圈，由此可设当磁芯半径为 r 时，总共可绕N 咋线圈，可得如下公式： 1. 1 17 .5 21 21 1 *1 .1 17 .521 21Nr N ZNNrZ          (23) 由上式可计算出当内磁芯所绕匝数为 273圈时，磁芯的最终半径变为 ，因此内磁芯需要打薄 ， 图 210是打薄到半径为 FEMM软件的模拟情况。 图 210 Q235 半 径为 时磁场分布 由 图 210可以看出在使用 Q235作磁芯材料时，磁芯内最大磁感应强度可达 Q235的最大磁感应强度为 ，所以当磁芯打薄到半径为 出现严重的磁饱和现象，故此时 Q235已不可取，因此必须换一种饱和磁感应强度更大的材料，航天领域中，一般用高饱和磁感应强度的软磁合金材料 1J22，D d L 哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计论文 15 如图 211是用 FEMM软件对 1J22材料的磁场仿真模拟，磁场中的最大磁感应强度为 ， 1J22材料的最大饱和磁感应强度为 ，因此还没有磁饱和， 居里点也很高 980℃ ，而发动机工作室最高点的温度在 800℃ 左右，没有超过居里点，因此温度对材料磁性的影响可以忽略不计。 图 211 1J22 半径为 时磁场分布 打薄后的应力问 题 如图 212所示， 鉴于磁芯从半径为 7mm打薄到 ，在设计 加工中考 虑到 图 212 1J22 材料半斤为 3mm 的磁芯 加 工精度问题将其打薄到 3mm，下面对其进行计算， 图中， a=3， b=2， c=2，d=3， A=23， B=16， C=40，加速度 a=14m/s2，最大直径 d=34mm，由于右端是通过螺纹固定在发动机上，所以，图中 D 点所受应力最大，所以校核时只需校核 D 点即可， a a b c d A B C D。