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Title:
MAGNETIC CIRCUIT FOR CREATING A MAGNETIC FIELD IN A MAIN ANNULAR IONISATION AND ACCELERATION CHANNEL OF A HALL-EFFECT PLASMA THRUSTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/233909
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a magnetic circuit for creating a magnetic field in a main annular ionisation and acceleration channel (1) of a Hall-effect plasma thruster, having an open upper end for emitting ions and a closed lower end, comprising: - outer magnets comprising an annular lower outer magnet (5), and an annular upper outer magnet (6) arranged above the lower outer magnet (5); - inner magnets comprising a lower inner magnet (7) that is cylindrical in shape, having a lower part with a smaller diameter than an upper part, arranged below the upper outer magnet (6), and an annular upper inner magnet (8) arranged above the lower inner magnet (7); - the outer magnets (5, 6) having the same pole (N, S) on their respective upper face and the same opposite pole (S, N) on their lower face; - the inner magnets (7, 8) having the opposite pole orientation to the outer magnets (5, 6); and - the outer magnets (5, 6) and the inner magnets (7, 8) being arranged above the closed lower end of the annular channel (1).

Inventors:
RTIMI, Youness (FR)
MESSINE, Frédéric (FR)
Application Number:
PCT/EP2021/063128
Publication Date:
November 25, 2021
Filing Date:
May 18, 2021
Export Citation:
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Assignee:
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE (FR)
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (FR)
International Classes:
F03H1/00; H01F7/02
Attorney, Agent or Firm:
MARKS & CLERK FRANCE (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans un canal annulaire principal (1) d'ionisation et d'accélération de propulseur plasmique à effet Hall à un seul étage, présentant une extrémité supérieure ouverte d'émission d'ions et une extrémité inférieure fermée, comprenant : une base magnétique (2) ; un premier support (3) destiné à recevoir des aimants externes disposés à l'extérieur de la paroi externe (1e) du canal annulaire (1) ; un deuxième support (4) destiné à recevoir des aimants internes disposés à l'extérieur de la paroi interne (1i) du canal annulaire (1) ; les aimants externes comprenant un aimant (5) externe inférieur annulaire, et un aimant (6) externe supérieur annulaire disposé au-dessus de l'aimant (5) externe inférieur ; les aimants internes comprenant un aimant (7) interne inférieur, de forme cylindrique ayant une partie inférieure de diamètre inférieur au diamètre d'une partie supérieure, disposé en-dessous de l'aimant (6) externe supérieur, et un aimant (8) interne supérieur annulaire disposé au-dessus de l'aimant (7) interne inférieur ; les aimants externes (5, 6) ayant un même pôle (N, S) sur leur face supérieure respective et un même pôle opposé (S, N) sur leur face inférieure ; les aimants internes (7, 8) ayant une orientation de leurs pôles inverse de celle des aimants externes (5, 6) ; et les aimants externes (5, 6) et les aimants internes (7, 8) étant disposés au- dessus de l'extrémité inférieure fermée du canal annulaire (1).

2. Circuit magnétique selon la revendication 1 , dans lequel l'aimant (5) externe inférieur est de section deux fois plus grande que la section de l'aimant (6) externe supérieur.

3. Circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'aimant (5) externe inférieur est de diamètre moyen compris entre 6 mm et 7 mm.

4. Circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'aimant (5) externe inférieur est de hauteur double de la hauteur de l'aimant (6) externe supérieur. 5. Circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la largeur de l'aimant (6) externe supérieur est égale à la largeur de l'aimant (5) externe inférieur.

6. Circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'aimant (7) interne inférieur est de hauteur double de la hauteur de l'aimant (5) externe inférieur.

7. Circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur de la partie inférieure de l'aimant (7) interne inférieur est 1 ,5 fois plus grande que la hauteur de la partie supérieure de l'aimant (7) interne inférieur.

8. Circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre extérieur de l'aimant (8) interne supérieur est double du diamètre de la partie supérieure de l'aimant (7) interne inférieur.

9. Circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre intérieur de l'aimant (6) interne supérieur est compris entre 1,2 et 1 ,3 fois le diamètre de la partie supérieure de l'aimant (5) interne inférieur.

10. Circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les premier et deuxième supports (3, 4) sont en cuivre.

11. Circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes, comprenant un aimant supplémentaire (9) annulaire disposé à l'extérieur de la paroi externe (1e) du canal annulaire (1) en dessous de l'aimant (5) externe inférieur.

12. Circuit magnétique selon la revendication 11 , comprenant un troisième support (10) destiné à recevoir l'aimant supplémentaire (9).

13. Circuit magnétique selon la revendication 11 ou 12, dans lequel l'aimant supplémentaire (9) est de diamètre interne constant et de diamètre externe comprenant une première partie inférieure ayant un premier diamètre, une deuxième partie médiane ayant un deuxième diamètre supérieur au premier diamètre, et une troisième partie supérieure ayant un troisième diamètre compris entre les premier et deuxième diamètres.

14. Propulseur plasmique à effet Hall comprenant un circuit magnétique selon l'une des revendications précédentes.

Description:
DESCRIPTION

Circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération de propulseur plasmique à effet Hall

L’invention porte sur un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération de propulseur plasmique à effet Hall.

Les propulseurs à effet Hall d'acronyme PEH ou propulseurs ioniques, utilisent un champ électrique pour accélérer les ions et nécessitent un champ magnétique généré classiquement par des bobines pour générer le champ magnétique permettant de piéger les électrons qui servent à ioniser un gaz. Ces ions sont alors accélérés et produisent une poussée.

Le champ magnétique a pour rôle de former une zone de très forte concentration électronique (il emprisonne les électrons générés par la cathode) pour permettre aux atomes neutres du gaz de s’ioniser. Le champ électrique a pour rôle d’accélérer les ions vers l’extérieur du canal. Cette accélération génère la poussée. Le champ magnétique joue un rôle crucial et sa forme impacte sur les performances propulsives et sur l’érosion du propulseur.

Comme illustré sur la figure 1 , les composants principaux d’un propulseur à effet Hall sont : le circuit magnétique, le canal plasma, l’anode (placée au fond du canal plasma avec injecteur du gaz) et la cathode (placée à l’extérieur du canal plasma).

Il est connu, comme illustré sur la figure 2 ou décrit par exemple dans le document US 2015/0128560 A1 , des propulseurs à effet Hall dont le circuit magnétique comprend des bobines ou solénoïdes ou "self" en langue anglaise, permettant de créer le champ magnétique nécessaire.

La figure 3 représente schématiquement la topologie des lignes de champ d'un propulseur de la figure 2.

Les études sur la topologie d'une bobine sont empiriques et se font par tâtonnements progressifs, avec quelques outils mathématiques suffisants pour garantir une performance satisfaisante. Mais les besoins d’aujourd’hui nécessitent des moteurs avec une durée de vie plus longue.

Pour ce faire, le champ magnétique doit avoir des lignes de champs très spécifiques car les ions ne doivent pas percuter les parois, et ainsi éviter l’érosion des céramiques. Pour ce faire, le champ magnétique doit répondre à un critère de plus que les deux critères classiques. Ce critère s'appelle le critère de blindage magnétique et consiste en ce qu'aux bords du canal (contre les parois céramiques), la composante radiale Br du champ doit être la plus faible possible. Les deux autres critères de champ dits classiques consistent à avoir la composante Bz du champ magnétique nulle le long de l'axe longitudinal du circuit magnétique et que l'amplitude de la composante radiale Br du champ B doit suivre une courbe gaussienne, comme représenté sur les figures 2 et 3. Les contraintes sur le champ sont donc les suivantes : dans le plan de sortie, la composante axiale Bz du champ magnétique selon l'axe longitudinal du circuit magnétique doit être nulle, et sur les bords supérieurs du canal annulaire, la composante radiale Br du champ magnétique doit être la plus faible possible: il faut donc jouer sur l’intensité du courant dans les bobines, sur sa forme et sur la forme du circuit magnétique.

Compte tenu d'une part des contraintes thermiques et de compacité imposées par la nature des bobines et d'autre part des exigences croissantes sur la cartographie du champ magnétique considéré comme optimal pour la propulsion, l'utilisation des bobines devient très limitante en termes de performances et ceci est d'autant plus vrai pour les propulseurs à effet Hall de faible puissances. Les bobines étant consommatrices d'énergie, l'autonomie d'un tel circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération de propulseur plasmique à effet Hall est limitée.

Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités, et notamment d'améliorer l'autonomie d'un tel circuit magnétique.

Aussi, il est proposé, selon un aspect de l'invention, un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération de propulseur plasmique à effet Hall à un seul étage, présentant une extrémité supérieure ouverte d'émission d'ions et une extrémité inférieure fermée, comprenant :

- une base magnétique ;

- un premier support destiné à recevoir des aimants externes disposés à l'extérieur de la paroi externe du canal annulaire ;

- un deuxième support destiné à recevoir des aimants internes disposés à l'extérieur de la paroi interne du canal annulaire ; - les aimants externes comprenant un aimant externe inférieur annulaire, et un aimant externe supérieur annulaire disposé au-dessus de l'aimant externe inférieur ;

- les aimants internes comprenant un aimant interne inférieur, de forme cylindrique ayant une partie inférieure de diamètre inférieur au diamètre d'une partie supérieure, disposé en-dessous de l'aimant externe supérieur, et un aimant interne supérieur annulaire disposé au-dessus de l'aimant interne inférieur ;

- les aimants externes ayant un même pôle sur leur face supérieure respective et un même pôle opposé sur leur face inférieure ;

- les aimants internes ayant une orientation de leurs pôles inverse de celle des aimants externes ;

- les aimants externes et les aimants internes étant disposés au-dessus du fond fermé du canal annulaire.

Ainsi, l'utilisation d'aimants à la place de bobines augmente sensiblement l'autonomie du propulseur plasmique à effet Hall. L'utilisation d'aimants permet d'atteindre les niveaux de champ souhaités (intensité du champ magnétique) tout en étant compact et sans imposer de contraintes thermiques. En outre, la disposition particulière des aimants offre une plus grande flexibilité, de sorte que le critère de blindage magnétique peut être rempli en plus des critères classiques, car tous ces critères sont de nature contradictoire et donc particulièrement difficiles à remplir tous ensemble, surtout pour un petit moteur de faible puissance.

En outre, ce blindage magnétique améliore l’efficacité et la durée de vie d’un propulseur à effet Hall en réduisant l’érosion des parois du canal. En satisfaisant tous les critères avec la disposition des aimants illustrée sur la figure 4, on obtient un propulseur de faible puissance avec des performances plus importantes et une durée de vie plus longue.

Cette topologie de champ se traduit par des lignes de champs très spécifiques qui évitent que les ions ne viennent percuter les parois du canal et érodent le propulseur. Les lignes de champ sont profondes et dans le plan de sortie, la composante axiale Bz est nulle et sur les bords de la céramique, la composante radiale Br est faible, comme illustré sur la figure 3.

Selon un mode de réalisation, l'aimant externe inférieur est de section deux fois plus grande que la section de l'aimant externe supérieur. L’aimant externe supérieur est plus proche du plan de sortie et du canal céramique que l’aimant extérieur inférieur.

L’aimant externe inférieur participe à l’augmentation du niveau du champ au plan de sortie, et l’aimant externe supérieur permet de dévier les lignes de champs avec un effet de rebouclage, créant ainsi un champ magnétique de composante radiale faible à proximité des parois céramiques.

Dans un mode de réalisation, l'aimant externe inférieur est de diamètre moyen compris entre 6 mm et 7 mm.

Selon un mode de réalisation, l'aimant externe inférieur est de hauteur double de la hauteur de l'aimant externe supérieur.

Dans un mode de réalisation, la largeur de l'aimant externe supérieur est égale à la largeur de l'aimant externe inférieur.

Selon un mode de réalisation, l'aimant interne inférieur est de hauteur double de la hauteur de l'aimant externe inférieur.

L’aimant interne inférieur participe à l’augmentation du niveau du champ au plan de sortie, et l’aimant interne supérieur permet de dévier les lignes de champs avec un effet de rebouclage, créant ainsi un champ magnétique de composante radiale faible à proximité des parois céramiques.

Dans un mode de réalisation, la hauteur de la partie inférieure de l'aimant interne inférieur est 1 ,5 fois plus grande que la hauteur de la partie supérieure de l'aimant interne inférieur.

Selon un mode de réalisation, le diamètre extérieur de l'aimant interne supérieur est double du diamètre de la partie supérieure de l'aimant interne inférieur.

L’aimant interne supérieur est plus proche du plan de sortie et du canal céramique que l’aimant interne inférieur.

Etant proche du plan de sortie et du canal céramique, l’aimant interne supérieur, par effet de rebouclage de champ magnétique, fait réduire la composante radiale du champ et créé ainsi l’effet blindage magnétique du coté intérieur du canal plasma. Dans un mode de réalisation, le diamètre intérieur de l'aimant interne supérieur est compris entre 1 ,2 et 1 ,3 fois le diamètre de la partie supérieure de l'aimant (5) interne inférieur.

Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième supports sont en cuivre. Dans un mode de réalisation, le circuit magnétique comprend un aimant supplémentaire annulaire disposé à l'extérieur de la paroi externe du canal annulaire en dessous de l'aimant externe inférieur.

Selon un mode de réalisation, le circuit magnétique comprend un troisième support destiné à recevoir l'aimant supplémentaire.

Dans un mode de réalisation, l'aimant supplémentaire est de diamètre interne constant et de diamètre externe comprenant une première partie inférieure ayant un premier diamètre, une deuxième partie médiane ayant un deuxième diamètre supérieur au premier diamètre, et une troisième partie supérieure ayant un troisième diamètre compris entre les premier et deuxième diamètres.

Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un propulseur plasmique à effet Hall comprenant un circuit magnétique tel que précédemment décrit.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels les figures :

La figure 1 illustre schématiquement les composants principaux d’un propulseur à effet Hall, selon l'état de l'art ;

La figure 2 illustre schématiquement un propulseur à effet hall dont le circuit magnétique comprend des bobines, selon l'état de l'art ;

La figure 3 illustre schématiquement les lignes de champ magnétique d'un propulseur à effet hall de la figure 2, selon l'état de l'art ;

La figure 4 illustre schématiquement un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération de propulseur plasmique à effet Hall, selon un aspect de l'invention ;

La figure 5 illustre schématiquement une vue éclatée du circuit magnétique de la figure 3, selon un aspect de l'invention ;

La figure 6 illustre schématiquement magnétique de création d'un champ magnétique dans un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération de propulseur plasmique à effet Hall, selon un autre aspect de l'invention ; et La figure 7 illustre schématiquement les lignes de champ magnétique d'un propulseur à effet hall, selon un aspect de l'invention.

Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires. Les figures 4 et 5 représentent une coupe partielle un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération de propulseur plasmique à effet Hall, selon un aspect de l'invention.

Le circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans un canal annulaire principal 1 d'ionisation et d'accélération de propulseur plasmique à effet Hall, présentant une extrémité supérieure ouverte d'émission d'ions.

Le circuit magnétique comprend une base magnétique 2, un premier support 3 destiné à recevoir des aimants externes disposés à l'extérieur de la paroi externe 1e du canal annulaire 1 , présentant une extrémité supérieure ouverte et une extrémité inférieure fermée, et un deuxième support 4 destiné à recevoir des aimants internes disposés à l'extérieur de la paroi interne 1 i du canal annulaire 1.

Les aimants externes comprennent un aimant 5 externe inférieur annulaire, et un aimant 6 externe supérieur annulaire disposé au-dessus de l'aimant 5 externe inférieur.

Les aimants internes comprenant un aimant 7 interne inférieur, de forme cylindrique ayant une partie inférieure de diamètre inférieur au diamètre d'une partie supérieure, disposé en-dessous de l'aimant 6 externe supérieur, et un aimant 8 interne supérieur annulaire disposé au-dessus de l'aimant 7 interne inférieur.

Les aimants externes 5, 6 ont un même pôle (par exemple N, S) sur leur face supérieure respective et un même pôle opposé (dans cet exemple S, N) sur leur face inférieure, et les aimants internes 7, 8 ont une orientation de leurs pôles inverse de celle des aimants externes 5, 6.

Les aimants externes 5, 6 et les aimants internes 7, 8 sont disposés au-dessus de l'extrémité inférieure fermée du canal annulaire 1.

Les aimants permanents empêchent les lignes de champ magnétique de se croiser avec les parois du canal de décharge 1 dans la zone d'accélération tout en les autorisant à suivre les parois en direction de l'anode.

L'aimant 5 externe inférieur peut être de section deux fois plus grande que la section de l'aimant 6 externe supérieur, et son diamètre moyen compris entre 6 mm et 7 mm. L'aimant 5 externe inférieur est de hauteur double de la hauteur de l'aimant externe supérieur.

La largeur de l'aimant 6 externe supérieur peut être égale à la largeur de l'aimant 5 externe inférieur. L'aimant 7 interne inférieur peut être de hauteur double de la hauteur de l'aimant 5 externe inférieur.

La hauteur de la partie inférieure de l'aimant 7 interne inférieur peut être 1 ,5 fois plus grande que la hauteur de la partie supérieure de l'aimant 7 interne inférieur. Le diamètre extérieur de l'aimant 8 interne supérieur peut être double du diamètre de la partie supérieure de l'aimant 7 interne inférieur.

Le diamètre intérieur de l'aimant 6 interne supérieur peut être compris entre 1 ,2 et 1 ,3 fois le diamètre de la partie supérieure de l'aimant 5 interne inférieur.

Les premier et deuxième supports 3, 4 peut être en cuivre. Comme illustré sur la figure 6, un aimant supplémentaire 9 annulaire peut être disposé à l'extérieur de la paroi externe 1e du canal annulaire 1 en dessous de l'aimant 5 externe inférieur, et un troisième support 10 peut être destiné à recevoir l'aimant supplémentaire 9.

L'aimant supplémentaire 9 peut être de diamètre interne constant et de diamètre externe comprenant une première partie inférieure ayant un premier diamètre, une deuxième partie médiane ayant un deuxième diamètre supérieur au premier diamètre, et une troisième partie supérieure ayant un troisième diamètre compris entre les premier et deuxième diamètres.

La figure 7 illustre schématiquement les lignes de champ magnétique d'un propulseur à effet hall, selon un aspect de l'invention.

La présente invention permet donc d'avoir des propulseurs à plasma à effet Hall comprenant un circuit magnétique tel que précédemment décrit.