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Title:
HALL-EFFECT MOTOR IN WHICH THE TEMPERATURE OF THE CATHODE-HEATING DEVICE IS CONTROLLED
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/135271
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a Hall-effect motor (1) comprising: a discharge channel (50), the downstream end (52) of which is open; a cathode (100) located outside the discharge channel (50); an injection system (30) capable of injecting gas atoms into the discharge channel (50), said injection system (30) being located at the upstream end of the discharge channel (50) and also forming an anode; and a heating device (60) capable of heating the cathode (100). The motor (1) also includes a means (70) for measuring the temperature (Td) of the heating device (60), and a circuit (80) for controlling said temperature (Td) such that the heating device (60) heats the cathode as long as the temperature (Td) of the device is below a threshold temperature (Ts) at or above which the motor can start, and the heating device stops heating shortly after the threshold temperature (Ts) has been reached.

Inventors:
MARCHANDISE FREDERIC (FR)
OBERG MICHAEL (FR)
CORNU NICOLAS (FR)
Application Number:
PCT/FR2011/050980
Publication Date:
November 03, 2011
Filing Date:
April 29, 2011
Export Citation:
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Assignee:
SNECMA (FR)
MARCHANDISE FREDERIC (FR)
OBERG MICHAEL (FR)
CORNU NICOLAS (FR)
International Classes:
F03H1/00; G05D23/24; H01J1/22
Foreign References:
US20090058305A12009-03-05
US5646476A1997-07-08
US20030193295A12003-10-16
GB1573679A1980-08-28
Other References:
TIGHE W G ET AL: "Performance Evaluation and Life Test of the XIPS HollowCathode Heater", AIAA 2005-4066, 41ST AIAA/ASME/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE AND EXHIBIT JULY 2005, AMERICAN INSTITUTE OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS; USA, 10 July 2007 (2007-07-10), pages 1 - 11, XP008132035
TIGHE W G ET AL: "Hollow cathode ignition and life model", AIAA 2005-3666, 41ST AIAA/ASME/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE AND EXHIBIT - 41ST AIAA/ASME/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE AND EXHIBIT 2005 AMERICAN INSTITUTE OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS, USA, July 2005 (2005-07-01), XP007916889
POLK J ET AL: "Emitter Temperature Distributions in the NSTAR Discharge Hollow Cathode", AIAA-2005-4398, 41TH AIAA/ASME/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE & EXHIBIT : [10 20050101; 20050710 - 20050713 AMERICAN INSTITUTE OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS, US, 1 January 2005 (2005-01-01), pages 1 - 2, XP008131888, ISBN: 978-1-56347-764-5
TIGHE W ET AL: "Hollow Cathode Ignition Studies and Model Development", THE 29TH INTERNATIONAL ELECTRIC PROPULSION CONFERENCE, PRINCETON UNIVERSITY,, 31 October 2005 (2005-10-31), pages 1 - 11, XP007916828
Attorney, Agent or Firm:
CARDY, Sophie et al. (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

Moteur à effet Hall (1) comportant un canal de décharge (50) dont l'extrémité aval (52) est ouverte, une cathode (100) située à l'extérieur dudit canal de décharge (50), un système d'injection (30) apte à injecter des atomes de gaz dans ledit canal de décharge (50), ce système d'injection (30) étant situé à l'extrémité amont dudit canal de décharge (50) et formant également anode, et un dispositif de chauffage (60) apte à chauffer ladite cathode (100), ledit moteur (1) étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de mesure (70) de la température Td dudit dispositif de chauffage (60), et un circuit de régulation (80) de ladite température Td de telle sorte que ledit dispositif de chauffage (60) chauffe tant que sa température Td est inférieure à une température seuil Ts à partir de laquelle le démarrage dudit moteur est susceptible de se produire, et cesse de chauffer peu de temps après que ladite température seuil Ts est atteinte.

Moteur à effet Hall (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite température seuil Ts est fonction d'une intensité critique de courant de décharge Icd émis par ladite cathode (100) qui correspond au démarrage dudit moteur.

Moteur à effet Hall (1) selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la température Td dudit dispositif de chauffage (60) est déterminée grâce à la mesure de la résistivité électrique de ce dispositif de chauffage (60).

Procédé de régulation d'un moteur à effet Hall (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :

(a) On chauffe ladite cathode (100) à l'aide du dispositif de

chauffage (60) et on mesure simultanément la température Td dudit dispositif de chauffage (60),

(b) On continue ce chauffage de ladite cathode (100) tant que température Td est inférieure à une température seuil Ts à partir de laquelle le démarrage dudit moteur est susceptible de se produire, (c) On cesse ce chauffage peu de temps après que ladite température seuil Ts est atteinte.

Procédé de régulation d'un moteur à effet Hall (1) selon la

revendication 4, caractérisé en ce que ladite température seuil Ts est fonction d'une intensité critique de courant de décharge ICd émis par ladite cathode (100) qui correspond au démarrage dudit moteur. Procédé de régulation d'un moteur à effet Hall (1) selon la

revendication 5, caractérisé en ce que, après que ladite température de seuil Ts est atteinte par ledit dispositif de chauffage (60), lorsque l'intensité du courant de décharge émis par ladite cathode (100) est inférieure à ladite intensité critique de courant de décharge Icd et la pression Pg dudit gaz dans ledit canal de décharge (50) est inférieure à une pression critique Pc, on continue à chauffer ladite cathode (100) et à injecter du gaz dans ledit canal de décharge (50).

Procédé de régulation d'un moteur à effet Hall (1) selon la

revendication 5, caractérisé en ce que, après que ladite température de seuil Ts est atteinte par ledit dispositif de chauffage (60), lorsque l'intensité du courant de décharge émis par ladite cathode (100) est inférieure à ladite intensité critique de courant de décharge ICd et la pression Pg dudit gaz dans ledit canal de décharge (50) est supérieure à une pression critique Pc, au moins un puise de tension est envoyé sur ladite cathode (100) jusqu'à ce que l'intensité du courant de décharge devienne égale à ladite intensité critique de courant de décharge Icci de façon à permettre le démarrage dudit moteur.

Description:
MOTEUR A EFFET HALL AVEC REGULATION DE LA TEMPERATURE DU DISPOSITIF DE CHAUFFAGE DE LA CATHODE

La présente invention concerne un moteur à effet Hall comportant un canal de décharge dont l'extrémité aval est ouverte, une cathode située à l'extérieur du canal de décharge, un système d'injection situé à l'extrémité amont du canal de décharge, ce système d'injection étant situé à l'extrémité amont du canal de décharge et formant également anode, et un dispositif de chauffage apte à chauffer la cathode.

Un moteur à effet Hall est un moteur utilisé par exemple dans le domaine de la propulsion spatiale, car il permet de propulser des objets dans le vide spatial en utilisant une masse de combustible plus faible que dans le cas de moteurs thermiques, et présente une durée de vie importante, de plusieurs milliers d'heures.

Le moteur à effet Hall étant connu, sa structure et son principe de fonctionnement sont rappelés ci-après brièvement.

La figure 2 montre un moteur à effet Hall 1 en perspective et en coupe partielle. Autour d'un noyau central 10 s'étendant selon un axe longitudinal A, est situé un bobinage magnétique central 12. Une paroi interne 20, de forme annulaire, entoure le bobinage magnétique central 12 et le noyau central 10. Cette paroi interne 20 est entourée par une paroi externe 40, de forme annulaire, de telle sorte que ces deux parois délimitent un canal annulaire s'étendant selon l'axe A, appelé canal de décharge 50.

Dans la description qui suit, le terme "interne" désigne une partie plus proche de l'axe A, et le terme "externe" une partie plus éloignée de l'axe A.

L'extrémité amont du canal de décharge 50 est fermée par un système d'injection 30 qui injecte des atomes de gaz dans ce canal de décharge 50, et qui constitue également une anode. L'extrémité aval 52 du canal de décharge 50 est ouverte.

Plusieurs bobinages magnétiques périphériques 14 sont situés sur le pourtour de la paroi externe 40. Le bobinage magnétique central 12 et les bobinages magnétiques périphériques 14 servent à générer un champ magnétique radial B dont l'intensité est maximale vers l'extrémité aval 52 du canal de décharge 50. Une cathode creuse 100 se situe à l'extérieur de la paroi externe 40, et il est établit une différence de potentiel entre la cathode 100 et l'anode (système d'injection 30). Cette cathode creuse 100 est positionnée de telle sorte qu'elle éjecte des électrons au voisinage de l'extrémité aval 52 du canal de décharge 50.

Ces électrons se dirigent, dans le canal de décharge 50, vers le système d'injection 30 sous l'influence du champ électrique généré par la différence de potentiel entre la cathode 100 et l'anode, mais ils se retrouvent en partie piégés par le champ magnétique B au voisinage de l'ouverture aval 52 du canal de décharge 50.

Les électrons sont ainsi amenés à décrire des trajectoires circonférentielles dans le canal de décharge 50, au niveau de son ouverture aval 52. Ces électrons ionisent alors via des chocs les atomes de gaz neutre (en général du xénon Xe) circulant de l'amont vers l'aval dans le canal de décharge 50, créant ainsi des ions. De plus, ces électrons créent un champ électrique E axial, qui accélère ces ions depuis l'anode (système d'injection 30 au fond du canal 80) vers l'ouverture aval 52, de telle sorte que ces ions sont éjectés à grande vitesse du canal de décharge 50 par son extrémité aval 52, ce qui engendre la propulsion du moteur.

Le démarrage du moteur nécessite le préchauffage de la cathode 100 par un dispositif de chauffage 60 jusqu'à une température seuil qui permet l'émission par la cathode de la quantité d'électrons nécessaire à établissement dans le canal de décharge 50 d'un courant de décharge critique I cc j suffisant pour ioniser les atomes du gaz neutre dans le canal de décharge. L'établissement de ce courant de décharge I C d entraîne le démarrage du moteur.

En général, l'atteinte de cette température seuil est suffisante pour l'établissement de ce courant de décharge ï j.

Dans certaines conditions de fonctionnement défavorables, il faut, pour établir ce courant de décharge I cd , envoyer un ou plusieurs puises de tension sur la cathode une fois la température seuil atteinte.

En pratique, la température seuil dépend des conditions extérieures au moteur, notamment la température extérieure au moteur (qui peut par exemple varier entre -50°C et +70°C). Afin d'assurer un démarrage du moteur dans toutes les conditions, on choisit une durée de préchauffage fixe suffisamment longue pour que la température seuil la plus élevée, correspondant aux conditions extérieures les plus défavorables, soit atteinte.

Ainsi, dans la majorité des cas, qui correspondent à des conditions favorables ou peu défavorables, la durée de préchauffage est trop longue. Il en résulte une surchauffe inutile de la cathode jusqu'à des températures trop élevées, et donc un endommagement de celle-ci, et une réduction de la durée de vie du moteur.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

L'invention vise à proposer un moteur à effet Hall dans lequel la durée de préchauffage est optimisée de telle sorte qu'il ne se produise pas de surchauffe inutile de la cathode lors du démarrage du moteur, et ce dans n'importe quelle condition de fonctionnement de ce moteur.

Ce but est atteint grâce au fait que le moteur à effet Hall comprend en outre un moyen de mesure de la température T d du dispositif de chauffage, et un circuit de régulation de cette température T d de telle sorte que le dispositif de chauffage chauffe tant que sa température T d est inférieure à une température seuil T s à partir de laquelle le démarrage du moteur est susceptible de se produire, et cesse de chauffer peu après que la température seuil T s est atteinte.

Grâce à ces dispositions, la cathode n'est pas chauffée longtemps au- delà d'une température seuil T S/ qui correspond à une température à laquelle le moteur est apte à démarrer. Dans chaque situation de fonctionnement du moteur, la cathode n'est donc chauffée que le temps nécessaire au démarrage du moteur. Il en résulte une minimisation de l'endommagement de la cathode, et une prolongation de la durée de vie du moteur à effet Hall.

L'invention concerne également un procédé de régulation d'un moteur à effet Hall comportant un canal de décharge dont l'extrémité aval est ouverte, une cathode située à l'extérieur du canal de décharge, un système d'injection apte à injecter des atomes de gaz dans le canal de décharge, ce système d'injection étant situé à l'extrémité amont du canal de décharge et formant également anode, et un dispositif de chauffage apte à chauffer la cathode.

Selon l'invention, ce procédé comprend les étapes suivantes : (a) On chauffe la cathode à l'aide du dispositif de chauffage et on mesure simultanément la température T d du dispositif de chauffage,

(b) On continue ce chauffage de la cathode tant que température T d est inférieure à une température seuil T s à partir de laquelle le démarrage du moteur est susceptible de se produire,

(c) On cesse ce chauffage peu après que la température seuil T s est atteinte.

L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 est un diagramme illustrant la séquence des étapes du procédé selon l'invention,

- la figure 2 est une vue en coupe en en perspective d'un moteur à effet Hall selon l'invention, illustrant sa structure générale.

Le fonctionnement général d'un moteur à effet Hall a été décrit ci- dessus, en référence à la figure 2.

De plus, dans le moteur à effet Hall selon l'invention, le fonctionnement du moteur est optimisé de façon à ne chauffer la cathode 100 que le temps nécessaire au démarrage du moteur, comme expliqué ci-dessous.

Ainsi, le moteur à effet Hall comprend un moyen de mesure 70 de la température T d du dispositif de chauffage 60, et un circuit de régulation 80 de la température T d du dispositif de chauffage 60.

On explique ci-dessous comment fonctionne ce circuit de régulation

80.

La figure 1 montre un diagramme qui illustre un exemple d'une séquence des étapes du démarrage du moteur à effet Hall, ces étapes comprenant les étapes du démarrage d'un moteur à effet Hall selon l'invention. La séquence des étapes est simplifiée et ne n'illustre pas les possibles mécanismes de sécurité destinés par exemple à identifier les modes fonctionnement erronés lors de démarrage du moteur, et à le stopper si nécessaire. Un rectangle l 1 indique une action, un losange O indique un test, un ovale CD indique un état. En sortie d'un test, une flèche dirigée vers le bas indique que le test a été satisfait, une flèche dirigée vers la gauche indique que le test n'a pas été satisfait.

Les étapes du démarrage sont référencées comme suit :

L Etape SI : Allumage du chauffage de la cathode.

: Etape S2 : Ouverture de la vanne d'injection amont du gaz.

□ Etape S3 ; La température seuil T s est-elle atteinte ?

c: Etape S4 : Ouverture de la vanne d'injection aval du gaz dans le canal de décharge.

□ Etape S5 : Le courant critique de décharge I C d est-il atteint ? G Etape S6-1 ; Auto-allumage du moteur.

c Etape S7 : Arrêt du chauffage de la cathode,

c Etape S6-2 : La pression du gaz dans le canal de décharge est- elle supérieure à la pression critique P c ?

c Etape S6-3 ; Envoi d'un puise de tension sur la cathode.

n Etape S6-4 : Le courant critique de décharge I Cd est-il atteint ? c Etape S7 : Arrêt ou réduction du chauffage de la cathode.

Initialement, on allume le dispositif de chauffage 60 de façon à commencer le chauffage de la cathode 100 (étape SI = étape (a)). On ouvre alors une vanne d'injection amont du gaz (étape S2) de façon à amener le gaz dans une enceinte (non-représentée), prêt à être injecté dans le canal de décharge 50.

Durant la phase de chauffage du dispositif de chauffage 60, la température de la cathode 100 est mesurée en continu ou à intervalles réguliers de façon à détecter le moment où cette température atteint la température seuil T s (étape S3).

En pratique, on ne mesure pas directement la température de la cathode. On mesure la température T d du dispositif de chauffage 60 qui chauffe la cathode, et on compare cette température avec la température seuil T s , sachant que les températures du dispositif de chauffage 60 et de la cathode 100 sont sensiblement égales. Par exemple, le dispositif de chauffage 60 est intégré à l'intérieur de la cathode 100, comme représenté sur la figure 2.

Ce dispositif de chauffage peut également entourer la cathode 100. La température T d du dispositif de chauffage 60 est déterminée grâce à un moyen de mesure 70. Par exemple, on mesure la résistivité électrique du dispositif de chauffage 60. Le moyen de mesure 70 est alors un moyen de mesure de la résistivité électrique. Dans le cas où le dispositif de chauffage 60 comprend un élément chauffant qui chauffe la cathode 100, on mesure la résistivité électrique de cet élément chauffant.

D'autres moyens de mesure sont possibles, par exemple un thermocouple, qui mesure la température du dispositif de chauffage.

Lorsque la température seuil T s est atteinte (étape (b)), une vanne d'injection aval située entre l'enceinte contenant le gaz et le canal de décharge 50 est ouverte de façon à injecter le gaz dans le canal de décharge 50 (étape S4).

Dans certains cas, cette vanne d'injection aval est remplacée par un restricteur qui permet un passage automatique du gaz depuis cette enceinte dans le canal de décharge avec un débit restreint, ce débit étant fonction de la pression dans l'enceinte. Dans ce cas, étant donné que la gamme de montée en température T d du dispositif de chauffage 60 est connue, on ouvre la vanne d'injection amont à un temps calculé de telle sorte que lorsque la température du dispositif de chauffage 60 atteint la température seuil T s , le débit de gaz au travers du restricteur soit suffisant pour que le moteur soit susceptible de démarrer.

La température seuil T s est la température que doit normalement atteindre la cathode 100 pour que le moteur à effet Hall soit susceptible de démarrer. En effet, dans des conditions favorables de fonctionnement du moteur, lorsque cette température seuil T s est atteinte, l'intensité du courant de décharge (flux d'électrons) émis par ladite cathode 100 est alors égale ou supérieure à l'intensité critique de courant de décharge I cd à laquelle les atomes du gaz neutre injectés dans le canal de décharge 50 sont ionisés (étape S5), ce qui entraine le démarrage automatique du moteur (auto allumage du moteur - Étape S6-1). Ce premier mode de démarrage est illustré sur la figure 1.

La température seuil T s est donc une fonction de cette intensité critique de courant de décharge l .

La température seuil T s dépend du matériau constituant la cathode. En effet, le démarrage du moteur se produit lorsqu'une intensité critique de courant de décharge l cd , c'est-à-dire un flux d'électrons, est émise par la cathode. Or la densité d'électrons émise par unité de surface de la cathode sous une tension électrique donnée est fonction du matériau constituant la cathode, et de la géométrie de cette cathode. Dans des conditions favorables de fonctionnement, et pour une cathode en héxaborure de lanthane (LaB 6 ) la température seuil T s est, pour certaines géométries, environ de 1700 °C.

Dans le cas d'une cathode constituée d'oxydes de baryum imprégnant une matrice en tungstène, la température seuil T s est de l'ordre de 1300°C.

Dans certaines conditions défavorables, l'intensité du courant de décharge émis par la cathode 100 n'atteint pas l'intensité critique de courant de décharge I C d lorsque la température de la cathode 100 passe au dessus de la température seuil T s . Afin d'amorcer le démarrage du moteur, il est alors nécessaire d'envoyer sur la cathode 100 un puise de tension (étape S6-3) afin d'extraire plus d'électrons de la cathode 100, et d'atteindre une intensité de courant de décharge au moins égale à l'intensité critique de courant de décharge I C d (étape S6-4), auquel cas le moteur démarre automatiquement (étape S6-1). Si cette intensité n'est pas atteinte après un premier puise de tension, un deuxième, et si nécessaire davantage de puises de tension sont envoyés jusqu'à ce que cette intensité soit atteinte.

Cependant, un tel envoi de puises n'est efficace que si la pression P g du gaz dans le canal de décharge 50 est supérieure à une pression critique P c (étape S6-2). Dans le cadre du moteur à effet Hall, la pression P g de gaz dans le canal de décharge est liée, de façon connue, à la pression de gaz dans l'enceinte qui est située immédiatement en amont et qui débouche dans le canal de décharge 50 (voir ci-dessus). C'est cette pression de gaz dans l'enceinte qui est directement mesurée.

Les puises de tension ne sont donc envoyés sur la cathode 100 (étape S6-3) que lorsque cette condition supplémentaire portant sur la pression du gaz dans le canal de décharge 50 est satisfaite. Tant que la pression P g du gaz dans le canal de décharge 50 reste inférieure à la pression critique P c , on continue à chauffer la cathode 100 et à injecter du gaz dans le canal de décharge 50.

On sort de cet état soit parce que le courant critique de décharge I cd est finalement atteint auquel cas il se produit un autoallumage du moteur (étape S6-1), soit parce que la pression P g du gaz dans le canal de décharge 50 devient supérieure à la pression critique P c auquel cas on commence à envoyer un puise de tension sur la cathode (étape S6-2). Ce second mode de démarrage est illustré en figure 1.

Dans tous les cas (premier mode et second mode), dès que le moteur a démarré, ce qui se produit peu de temps après la température seuil T s atteinte par la cathode 100, le chauffage de la cathode 100 est interrompu ou réduite (étape S7 = étape (c)). Ainsi, on ne chauffe pas inutilement la cathode 100, et on prolonge donc sa durée de vie. Par exemple, le moteur démarre quelques dizaines de secondes après la température seuil T s atteinte.

Ainsi, on cesse de chauffer la cathode 100 quelques secondes à quelques dizaines de secondes (par exemple entre 5 secondes et 300 secondes, et de préférence entre 5 secondes et 60 secondes) après que la température seuil T s est atteinte.

Dans un cas particulier du second cas, on peut être amené à poursuivre le chauffage de la cathode 100 jusqu'à plusieurs minutes après le démarrage du moteur 1. En effet, on se trouve alors dans le cas où le moteur a démarré sans que le courant de décharge ait atteint son intensité critique I cc i, et où la pression de gaz en amont est faible car on est en train d'utiliser les dernières réserves de gaz. On poursuit alors le chauffage de la cathode 100 jusqu'à plusieurs minutes après le démarrage du moteur 1 en augmentant la pression de gaz afin d'utiliser de façon efficace ces dernières réserves de gaz.

Le diagramme de la figure 1 n'est qu'un exemple du fonctionnement d'un moteur à effet Hall selon l'invention. Des variations de la séquence de démarrage sont possibles en fonction du type de moteur, sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention.