Riassunto analitico
SOMMARIO
La propulsione ad effetto Hall ha guadagnato negli ultimi anni un ruolo importante nel campo delle applicazioni spaziali, grazie all’intenso lavoro di sviluppo condotto nell’arco di tre decenni soprattutto nell’ex Unione Sovietica, e più recentemente negli Stati Uniti ed in Europa.
Il presente lavoro riguarda l’ottimizzazione del circuito magnetico di un motore ad effetto Hall da 5 kW di cui esiste un prototipo funzionante presso il Centrospazio. Il circuito magnetico è responsabile del campo magnetico indotto nel canale di scarica. Per il corretto funzionamento del motore particolare importanza riveste la topografia del campo magnetico lungo il canale.
Nella prima parte della tesi sono stati analizzati i requisiti che devono caratterizzare il circuito magnetico ed i materiali che lo costituiscono al fine di ottenere circuiti più conduttivi a parità di massa.
Successivamente è stata analizzata una soluzione nota effettuando le simulazioni magnetiche con il FEMM, un codice di calcolo magnetostatico validato per confronto con i dati sperimentali della soluzione conosciuta. Sono state studiate geometrie differenti, soluzioni costruttive con minore massa e sono state individuate ulteriori condizioni da soddisfare necessarie a realizzare circuiti magnetici capaci di generare una topografia magnetica rispondente alle specifiche.
Infine è stato modificato il circuito magnetico del dispositivo di interesse con una geometria ed un verso di percorrenza dei flussi negli elementi tali da ottenere la desiderata topografia magnetica. Lungo il canale di accelerazione all’interno al motore è stato aumentato il gradiente radiale di induzione magnetica mantenendo bassa la componente assiale. La soluzione ideata ha minore massa ed è stato diminuito il flusso indotto nel circuito, a parità di campo magnetico generato nell’intraferro, eliminando il rischio di saturazione di alcune parti che erano risultate critiche.
ABSTRACT
In recent years Hall-effect thrusters have gained an important role in space applications, following the intensive developmental work conducted over three decades mainly in the former Soviet Union, and more recently in the USA and Europe.
This work deals with the optimization of the magnetic circuit of a 5 kW Hall-effect thruster prototype developed at Centrospazio. The magnetic circuit plays a fundamental role in the magnetic induction configuration in the discharge channel. For the proper functioning of the thruster the magnetic topography within the channel it is of paramount importance.
The requirements that magnetic circuits and their materials must possess in order to achieve more conductive circuits for a given mass have been analyzed in the first part of this thesis.
Subsequently, a known solution was analyzed and a numerical simulation study was carried out by means of the magnetostatic code FEMM, thus validating its results through comparison with experimental data from the known solution. Different geometries were studied, and lower mass solutions were worked out, with proper consideration of all additional conditions necessary to obtain magnetic circuits capable to generate a magnetic topography in compliance with the specifications.
Finally, the magnetic circuit geometry was modified so as to provide a magnetic flux pattern suitable to deliver the desired magnetic topography. The axial gradient of the radial magnetic induction along the acceleration channel inside the thruster has been increased whilst keeping the axial component at a low level. The solution obtained has a lower mass and the induced flux in the circuit has also been lowered at constant magnetic field in the air-gap, thus reducing the risks of saturation of some components which had been identified to be critical.
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