【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 本身的重量，而且研究發(fā)現(xiàn)在自勵(lì)磁模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)的低頻振蕩相對(duì)于單獨(dú)勵(lì)磁模式被很好的抑制了，但是，一般情況下線圈的電流被調(diào)的很大以此增加通道內(nèi)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，其內(nèi)磁芯如圖28所示，由于附加線圈所繞線圈匝數(shù)比較少，所以在轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁磁模式時(shí)，所增加的線圈匝數(shù)在附加線圈可以繞下，但是內(nèi)磁芯往往在單獨(dú)勵(lì)磁模式下電流就已經(jīng)很大，所以通過安匝等效N1I1=N2I2公式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始電流I1很大時(shí)，由于足在轉(zhuǎn)化為自勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電流就是回路中的放電電流，一般情況下勵(lì)磁電流Im大于放電電流Id，所以當(dāng)轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式時(shí)，線圈匝數(shù)必定增多，才能保證他們的安匝數(shù)相等。對(duì)于內(nèi)磁芯來說，空間有限因此可以嘗試通過打薄內(nèi)磁芯來增加其內(nèi)部空間。圖28 ATON發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)磁芯 內(nèi)磁芯打薄給定一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定的工況為N1=105，N2=110，N3=40，I1=，I2=，I3=0，放電電流Id=（下標(biāo)為1表示外線圈，下標(biāo)為2表示內(nèi)線圈，下標(biāo)為3表示附加線圈），由安匝等效可以算出當(dāng)轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式時(shí)，回路中放電電流即勵(lì)磁電流Id=Im=，N1=110，N2=273，N3=0，內(nèi)磁芯的外徑為D=34mm，內(nèi)徑為d=14mm，內(nèi)線圈的磁芯長度L=23，導(dǎo)線直徑d1=1mm導(dǎo)線之間的裕度為10%，如圖29所示可先設(shè)軸向可繞X匝線圈，所以有方程21。 (21) 可解之得： (22)DdL 圖29 ATON發(fā)動(dòng)機(jī)磁芯示意圖由此可知軸向可并排繞21匝線圈，由此可設(shè)當(dāng)磁芯半徑為r時(shí)，總共可繞N咋線圈，可得如下公式： (23)由上式可計(jì)算出當(dāng)內(nèi)磁芯所繞匝數(shù)為273圈時(shí)，。 圖210 由圖210可以看出在使用Q235作磁芯材料時(shí)，，故此時(shí)Q235已不可取，因此必須換一種飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度更大的材料，航天領(lǐng)域中，一般用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的軟磁合金材料1J22，如圖211是用FEMM軟件對(duì)1J22材料的磁場(chǎng)仿真模擬，，因此還沒有磁飽和，居里點(diǎn)也很高980℃，而發(fā)動(dòng)機(jī)工作室最高點(diǎn)的溫度在800℃左右，沒有超過居里點(diǎn)，因此溫度對(duì)材料磁性的影響可以忽略不計(jì)。圖211 打薄后的應(yīng)力問題如圖212所示，在設(shè)計(jì)加工中考慮到aabcdABCD圖212 1J22材料半斤為3mm的磁芯加工精度問題將其打薄到3mm，下面對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，圖中，a=3，b=2，c=2，d=3，A=23，B=16，C=40，加速度a=14m/s2，最大直徑d=34mm，由于右端是通過螺紋固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上，所以，圖中D點(diǎn)所受應(yīng)力最大，所以校核時(shí)只需校核D點(diǎn)即可，(1) 求擋板的質(zhì)量mt (24)(2) 求所繞線圈的質(zhì)量按給定的那個(gè)工況N2=273匝計(jì)算，軸向并排可繞21匝，所以總共可繞13圈，以第7圈為中心，線圈總體積VN (25) 可求出： (26) (27)(3) 中心軸的質(zhì)量m2 (28)可求得： (29)(4) 最大彎矩點(diǎn)D點(diǎn)處所受的力矩為 (210) (5) D點(diǎn)處最大彎曲正應(yīng)力 (211)由上可得，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，內(nèi)磁芯不會(huì)有斷裂的危險(xiǎn)。 打薄后對(duì)磁場(chǎng)的影響（一） 對(duì)于打薄位置的分析要想繞更多的線圈，打薄是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，但是其內(nèi)徑有三段，如圖213所示，包括內(nèi)線圈處內(nèi)徑、附加線圈處內(nèi)徑、剩余部分內(nèi)徑共三段，圖214圖21圖216分別表示只打薄內(nèi)線附加線圈處內(nèi)徑內(nèi)線圈處內(nèi)徑剩余部分內(nèi)徑圖213 ATON發(fā)動(dòng)機(jī)磁芯的示意圖圈處內(nèi)徑、打薄內(nèi)線圈處內(nèi)徑與附加線圈處內(nèi)徑、全部內(nèi)徑都打薄后對(duì)通道中心處的磁場(chǎng)仿真模擬情況：圖214只打薄磁芯內(nèi)線圈處的磁場(chǎng)分布圖215打薄內(nèi)線圈處內(nèi)徑與附加線圈處內(nèi)徑的磁場(chǎng)分布圖216 全部內(nèi)徑都打薄的磁場(chǎng)分布由以上分析看出，若只打薄內(nèi)線圈處內(nèi)徑，則“零磁場(chǎng)”消失，而通過圖214與圖215對(duì)比可以看出全部打薄時(shí)“零磁場(chǎng)”區(qū)域更大，更明顯，因此磁芯采用全部打薄的方式。（二） 關(guān)于漏磁的分析磁芯打薄后必然存在漏磁的影響，如圖216所示為打薄不同厚度時(shí)的中心通道處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過圖216可以看出，當(dāng)磁芯半徑打薄到3mm時(shí)，而發(fā)動(dòng)機(jī)通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率有著很大的影響，不足以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)高效率的狀態(tài)下，于是我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是，很遺憾，實(shí)驗(yàn)時(shí)，限流現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)動(dòng)機(jī)工作很不穩(wěn)定，于是我們想到了主要原因是由于通道中心最大磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)不到預(yù)想的強(qiáng)度，出于科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊幻?，我們用高斯?jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的通道中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，圖217和218，分別表示用1J22材料加工的磁芯半徑分別為3mm和7mm時(shí)，線圈內(nèi)分別通一下電流：①I1=，I2=，I3=0A②I1=，I2=35A，I3=0A③I1=6A，I2=，I3=0A圖217 發(fā)動(dòng)機(jī)通道中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖218中線圈的匝數(shù)為N1=105，N2=270，N3=137。圖219線圈的匝數(shù)為N1=105，N2=172，N3=81。由圖218與219對(duì)比可以看出，當(dāng)磁芯的半徑為3mm時(shí)，其通道內(nèi)的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度都不超過200G，而磁芯半徑為7mm時(shí)，推力器通道中心最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為340G，417G，490G，因此可以看出，當(dāng)磁芯打薄是漏磁現(xiàn)象明顯，圖219縱坐標(biāo)表示磁芯半徑為7mm時(shí)通道中心最大磁感應(yīng)強(qiáng)度與打薄后通道中心最大磁感應(yīng)強(qiáng)度之差，橫坐標(biāo)表示磁芯打薄的厚度，由曲線擬合出其公式為： （212）由圖220可以看出磁芯如若打薄，漏磁現(xiàn)象會(huì)非常的明顯，因此經(jīng)以上研圖218 高斯計(jì)所測(cè)得的通道中心磁感應(yīng)強(qiáng)度圖219高斯計(jì)所測(cè)得的通道中心磁感應(yīng)強(qiáng)度究發(fā)現(xiàn)，在ATON霍爾推力器上要想實(shí)現(xiàn)自勵(lì)磁模式的轉(zhuǎn)換，并不是僅限于將磁芯打薄然后解決磁飽和問題就可以了，由于漏磁現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)通道中心處的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度嚴(yán)重不足，是發(fā)動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定工作在一個(gè)高效率的模式下，因此不能一昧的去打薄磁芯去解決內(nèi)線圈的空間問題。圖220 磁芯打薄對(duì)漏磁的影響 磁芯變粗后的分析前面一直在分析磁芯打薄的問題，但是通過分析可以看出，打薄后雖然可以多繞更多的線圈，但是多繞出的線圈不足以抵消漏磁，通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度下降仍然很嚴(yán)重，那么我們又有了一種新的思路，會(huì)不會(huì)在原有磁芯半徑7mm的基礎(chǔ)上增大磁芯直徑，會(huì)不會(huì)使通道中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大呢？如圖221可以看出磁芯半徑為7mm時(shí)通道中心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度依舊為最大，所圖221 磁芯變厚對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響以，讓磁芯變粗減少漏磁的這種美好的想法就走不通了。但是，在此我們想到了，原來發(fā)動(dòng)機(jī)型譜化的設(shè)計(jì)磁芯的內(nèi)徑也是有一定根據(jù)的，太細(xì)就會(huì)導(dǎo)致漏磁現(xiàn)象嚴(yán)重，而太粗就會(huì)使所繞的線圈匝數(shù)變少導(dǎo)致通道中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度變小，因此漏磁與所繞線圈匝數(shù)之間有一個(gè)優(yōu)化點(diǎn)，而不是人們所認(rèn)為的只是簡(jiǎn)單的與引進(jìn)的磁芯進(jìn)行同比例縮放就行了，由此可以推廣到別的型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在做型譜化的設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)以及軟件模擬等方法找出這個(gè)優(yōu)化點(diǎn)，由此以前那個(gè)簡(jiǎn)單縮放的時(shí)代可以逐漸的邁向理論的時(shí)代，但是這個(gè)過程人們進(jìn)一步的探索，但是我們堅(jiān)信我們肯定會(huì)克服各種困難的。 本章小結(jié)通過本章的分析可知，傳統(tǒng)的觀念中，ATON發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型要想轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?lì)磁模式受空間限制，因此我們想到了將磁芯打薄，于是我們將材料換為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度更高的軟磁材料1J22（），但是事情沒有按照我們想象的去發(fā)展，將磁芯打薄到我們想要的厚度時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很棘手的新問題——漏磁問題，經(jīng)過分析后，目前這個(gè)問題很難解決，所以在ATON發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型上有些工況是不能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的（轉(zhuǎn)換后線圈匝數(shù)增多的工況），在第三章中我們將對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的劃分。第3章 自勵(lì)磁霍爾推力器工作特性區(qū)域的研究在第二章中我們就研究了從單獨(dú)勵(lì)磁到自勵(lì)磁的轉(zhuǎn)換，鑒于漏磁現(xiàn)象的影響，在ATON發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型上有些工況是不能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的，因此我們要找出這個(gè)可以轉(zhuǎn)換的區(qū)域，以方便以后進(jìn)一步更好的研究，本章主要是通過大量的實(shí)驗(yàn)找出一些工況點(diǎn)，再根據(jù)這些工況點(diǎn)尋找規(guī)律，力求將這個(gè)可以轉(zhuǎn)換的區(qū)域確定出來，然后在研究不同放電工況下的自勵(lì)磁性能和穩(wěn)定性，以更好的了解發(fā)動(dòng)機(jī)在自勵(lì)磁模式下的工作狀況，為以后在實(shí)際航天應(yīng)用中做一個(gè)鋪墊。 霍爾推力器推力的測(cè)試方法推力器推力測(cè)量主要有兩種方法，一是位移測(cè)量法（displacement type mesurement），二是載荷單元法（load cells）。但由于SPT推力器推力較?。?00mN），載荷單元不夠精確，所以一般采用位移測(cè)量法[15]。如圖31所示：圖31 推力器的推力測(cè)量裝置采用鐘擺測(cè)量原理，推力器安裝于懸浮的推力臺(tái)上，測(cè)量過程中，用渦流式氣敏元件（靈敏性高，線性化好）探測(cè)推力器的位移，用砝碼和偏置尖底設(shè)備進(jìn)行推力校準(zhǔn)。其公式如下： (31)其中：T表示推力器的推力，表示光標(biāo)的初始位置，表示發(fā)動(dòng)機(jī)工作后光標(biāo)的位置，表示用砝碼校核時(shí)光標(biāo)的位置，為砝碼的質(zhì)量，=。測(cè)得推力后可根據(jù)以下公式計(jì)算出工質(zhì)的平均噴出速度、比沖和效率[16]。工質(zhì)的平均噴出速度： （－推力） (32)比沖： （－重力加速度） (33)效率： (34)（－系統(tǒng)消耗的總能量，其中包括陰極放電和產(chǎn)生磁場(chǎng)所消耗的部分） 自勵(lì)磁霍爾推力器工作區(qū)域研究對(duì)于自勵(lì)磁霍爾推力器工作區(qū)域的研究，主要是通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)出一些工況點(diǎn)，然后利用matlab軟件對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做出二維坐標(biāo)圖，通過觀察和一些相應(yīng)的理論分析，總結(jié)出一些規(guī)律，找出在ATON發(fā)動(dòng)機(jī)上可以轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁的一個(gè)大致的規(guī)律和區(qū)域。 實(shí)驗(yàn)的方法與測(cè)量結(jié)果（一）實(shí)驗(yàn)方法本實(shí)驗(yàn)是對(duì)原ATON霍爾推力器更換了內(nèi)磁芯下進(jìn)行的，其他推力器上的部件均為改變。線圈經(jīng)過重新繞制，外線圈，內(nèi)線圈，附加線圈匝數(shù)分別為105匝，172匝，81匝。為了保證推力器工作在設(shè)計(jì)功率范圍內(nèi)，在低電壓300V時(shí)，陽極流量選為4mg/s、放電電壓為400V時(shí)，、3mg/s、在高電壓500時(shí)，，實(shí)驗(yàn)用工質(zhì)為氙氣。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磁安特性曲線上各個(gè)工況點(diǎn)的分析，找出ATON發(fā)動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁的區(qū)域。（二） 實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果針對(duì)于ATON發(fā)動(dòng)機(jī)能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的區(qū)域的劃分，我們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，利用matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過分析找出其中的一些規(guī)律，附表一是放電電壓為300V時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)工況點(diǎn)的性能值，由于磁安特性曲線是反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要曲線，因此我們先根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)將放電電壓為300V時(shí)的曲線作出來，由此來觀察在伏安特性曲線上可以轉(zhuǎn)為自勵(lì)磁模式的區(qū)域，圖32是放電電壓為300V時(shí)所作的磁安特性曲線，圖中帶‘’的點(diǎn)是說明能轉(zhuǎn)化為自勵(lì)磁的工況點(diǎn)，未標(biāo)注的點(diǎn)是不能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁模式的點(diǎn)，我們?cè)儆^察放電電壓為400V時(shí)ATON發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)情況，附表二是發(fā)動(dòng)機(jī)在放電電壓在400V時(shí)的實(shí)驗(yàn)情況，據(jù)此我們首先做出其磁安特性曲線如圖33所示，而對(duì)于放電電壓為500V時(shí)，由于放電電壓很大，且磁安特性曲線的右側(cè)上升的比較緩慢，因此在增大勵(lì)磁電流時(shí)，回路中的放電電流增加的不明顯，為了更好的分辨開磁安特性曲線右邊的點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)我們加大了勵(lì)磁電流，但是非常不幸運(yùn)，內(nèi)線圈被燒斷了，因此放電電流為500V時(shí)我們只測(cè)了一組數(shù)據(jù)如附表三所示，同樣我們做出其磁安特性曲線，并用‘’標(biāo)記能轉(zhuǎn)換為自勵(lì)磁的點(diǎn)，如圖34所示，通過本次實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)根本不是想象到的那樣，本來一天的實(shí)驗(yàn)往往會(huì)做好幾天，在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣或者那樣的問題，而且有的