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JP5558376B2 - Power supply - Google Patents
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Description

本発明は、イオン加速を行うための放電機器であるイオン加速装置に用いる電源装置であって、特に人工衛星などに搭載される電気推進装置であるホールスラスタに適用される電源装置に関する。   The present invention relates to a power supply device used in an ion accelerator that is a discharge device for performing ion acceleration, and more particularly to a power supply device applied to a hall thruster that is an electric propulsion device mounted on an artificial satellite or the like.

イオン加速を行うための放電機器であるイオン加速装置、特に人工衛星などに搭載される電気推進装置には、電磁加速型のホールスラスタや静電加速型のイオンスラスタなどがある。例えばホールスラスタは、環状の放電空間の一方からガスを導入し、放電空間内でガスをイオン化して加速し、このイオンを放電空間の他方に出力する。このイオンの出力の反作用によってホールスラスタの推力が得られる。環状の放電空間には径方向に磁束が形成されており、この磁束によるホール効果のために、電子は環状の放電空間の周方向にドリフトし、軸方向の動きが抑制される。これによって、イオンのみを効率的に加速することができる。   As an ion acceleration device which is a discharge device for performing ion acceleration, particularly an electric propulsion device mounted on an artificial satellite or the like, there are an electromagnetic acceleration type Hall thruster and an electrostatic acceleration type ion thruster. For example, the Hall thruster introduces gas from one of the annular discharge spaces, ionizes the gas in the discharge space, accelerates it, and outputs the ions to the other discharge space. The thrust of the Hall thruster is obtained by the reaction of the ion output. Magnetic flux is formed in the annular discharge space in the radial direction, and due to the Hall effect by this magnetic flux, electrons drift in the circumferential direction of the annular discharge space, and axial movement is suppressed. Thereby, only ions can be accelerated efficiently.

ホールスラスタを安定に動作させる上での問題の一つとして、放電振動現象の発生が挙げられる。放電振動現象に関しては、いくつかの種類の振動現象がある。それらの振動現象の内、10kHz前後の周波数でアノード電流の電流波形が振動するという放電振動と呼ばれる現象がある。この放電振動は、ホールスラスタを搭載したシステムの安定性、信頼性および耐久性に重大な影響を及ぼす。そのため、この放電振動現象を抑制する制御方法が必要で、従来、放電振動を抑制するための制御方法が提示されている(例えば、下記の特許文献1参照)。   One of the problems in stably operating the Hall thruster is the occurrence of a discharge oscillation phenomenon. There are several types of vibration phenomena related to the discharge vibration phenomenon. Among these vibration phenomena, there is a phenomenon called discharge vibration in which the current waveform of the anode current vibrates at a frequency of about 10 kHz. This discharge vibration has a significant effect on the stability, reliability and durability of a system equipped with a Hall thruster. Therefore, a control method for suppressing the discharge vibration phenomenon is necessary, and conventionally, a control method for suppressing the discharge vibration has been proposed (for example, see Patent Document 1 below).

この特許文献1でも述べられているように、放電振動はアノード電圧Va、磁束密度B、ガス流量Qがある決まった関係にあるときに生じる。このため、放電振動は動作条件が変化した場合、例えばホールスラスタの点火立ち上げ時などで特に問題となる。すなわち、ホールスラスタの点火立ち上げ時には、アノード電圧Vaの上昇に伴って、放電振動が発生する動作条件の領域を過渡的に通過し、その結果、放電振動によって例えば電源の保護が働いて正常な立ち上げができない場合がある。   As described in Patent Document 1, discharge oscillation occurs when the anode voltage Va, the magnetic flux density B, and the gas flow rate Q are in a certain relationship. For this reason, the discharge vibration becomes a problem particularly when the operating condition changes, for example, when the ignition of the Hall thruster is started. That is, when the ignition of the Hall thruster is started, as the anode voltage Va rises, it passes transiently through the region of the operating condition where the discharge vibration occurs, and as a result, for example, the protection of the power source works due to the discharge vibration. Startup may not be possible.

これを避けるために、点火立ち上げ時にアノード電圧とコイル電流を同時に制御して安定に点火するという方法が提案されている(例えば下記の特許文献1および非特許文献1参照)。例えば、非特許文献1によれば、この点火立ち上げ方法に従うと、放電振動が抑制できることに加えて、点火の瞬間の磁束密度を比較的弱くすることでパルス的な電流の発生を防止できるなどの効果が得られるとしている。   In order to avoid this, a method has been proposed in which the anode voltage and the coil current are simultaneously controlled at the start of ignition to stably ignite (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 below). For example, according to Non-Patent Document 1, according to this ignition start-up method, in addition to suppressing discharge oscillation, it is possible to prevent generation of pulsed current by making the magnetic flux density at the moment of ignition relatively weak. The effect is said to be obtained.

特開2007−177639号公報JP 2007-177639 A

T.Tamida,H.Osuga,T.Nakagawa,T.Ozaki,I.Suga,K.Matsui.“Oscillation−Free Operation of Hall Thruster by the Synchronous Control of Power Conditioners”,Trans.JSASS Space Tech.Japan,Vol.7,No.ists26(2009),pp.47−52.T.A. Tamida, H .; Osuga, T .; Nakagawa, T .; Ozaki, I .; Suga, K .; Matsui. “Oscillation-Free Operation of Hall Through by the Synchronous Control of Power Conditioners”, Trans. JSAS Space Tech. Japan, Vol. 7, no. iss26 (2009), pp. 47-52.

このように、点火立ち上げ時にコイル電流の過渡的な制御によって放電振動を抑制してホールスラスタの動作を安定化する上で重要になるのは、放電空間に必要な磁束密度が正確に印加されることである。   As described above, it is important to stabilize the operation of the Hall thruster by suppressing the discharge oscillation by the transient control of the coil current at the start of ignition, and the magnetic flux density necessary for the discharge space is accurately applied. Is Rukoto.

この磁束密度は、通常、磁場生成用の電磁石のコイルに流すコイル電流の値を制御して調整するが、その際のコイル電流と実際に形成される磁束密度との間には、正確にはヒステリシス特性がある。そのため、点火立ち上げ時などにコイル電流を過渡的に変化させた際に、正確な磁束密度を得るためには、このヒステリシスの特性を十分把握して行わなければならない。   This magnetic flux density is usually adjusted by controlling the value of the coil current that flows through the coil of the electromagnet for generating the magnetic field. However, there is an exact difference between the coil current at that time and the magnetic flux density actually formed. Has hysteresis characteristics. Therefore, in order to obtain an accurate magnetic flux density when the coil current is changed transiently at the time of ignition start-up, this hysteresis characteristic must be sufficiently grasped.

電磁石を磁束飽和に至らない十分に電流値、磁束密度の低い領域で使用する場合は、電磁石のヒステリシス特性は大きな問題にならない。しかしながら、装置の小型化のため、電磁石のコアを小型軽量化した場合、コアの飽和磁束近くまで使用する可能性があり、このような場合はヒステリシス特性のために生じる磁束密度がそれまでの電流値の履歴に依存する。   When the electromagnet is used in a region where the current value and the magnetic flux density are sufficiently low so as not to reach the magnetic flux saturation, the hysteresis characteristic of the electromagnet does not become a big problem. However, if the electromagnet core is reduced in size and weight to reduce the size of the device, it may be used up to the saturation flux of the core. In such a case, the magnetic flux density generated due to the hysteresis characteristic is Depends on value history.

ここで特に問題となるのは、装置を一旦停止してコイル電流をゼロにした後、再び点火立ち上げを行う場合である。すなわち、コイル電流をゼロにしても、コアが残留磁場によってある程度の磁束密度を保持している可能性がある。その場合には、再度の点火立ち上げ時において、想定されるよりも強い磁束密度が印加され、その結果、放電振動が発生する動作条件の領域を過渡的に通過することとなり、安定な点火立ち上げができなくなる可能性がある。   Here, a particular problem arises when the ignition is started again after the apparatus is temporarily stopped to reduce the coil current to zero. That is, even if the coil current is set to zero, the core may have a certain magnetic flux density due to the residual magnetic field. In that case, when the ignition is started again, a magnetic flux density stronger than expected is applied, and as a result, it passes transiently through the region of the operating condition where the discharge oscillation occurs, and the stable ignition start-up is performed. There is a possibility that it cannot be raised.

先の特許文献1および非特許文献1に記載の従来技術では、このような電磁石のコアの残留磁場の影響について十分に考慮されていない。そのため、ホールスラスタを一旦停止してコイル電流をゼロにした後に再び点火立ち上げを行うといったことが繰り返されるような場合には、安定な点火立ち上げができなくなる恐れがある。このことは、上述のホールスラスタに限らず、電磁石を用いる他の種類のスラスタについても同様に言えることである。   In the prior art described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 described above, the influence of the residual magnetic field of the core of the electromagnet is not sufficiently considered. For this reason, in a case where the ignition start-up is repeated after the Hall thruster is temporarily stopped and the coil current is made zero, there is a possibility that stable ignition start-up cannot be performed. This is not limited to the Hall thruster described above, but can be similarly applied to other types of thrusters using electromagnets.

本発明は、スラスタを一旦停止してコイル電流をゼロにした後に再び点火立ち上げを行うような場合にも、電磁石の残留磁場の影響を可及的に低減し、常に安定した点火立ち上げを行うことが可能な電源装置を提供することを目的とする。   The present invention reduces the influence of the residual magnetic field of the electromagnet as much as possible even when the ignition is started again after the thruster is temporarily stopped and the coil current is reduced to zero. An object of the present invention is to provide a power supply device that can be used.

本発明は、アノード電極とガス流量系と磁場生成用コイルとを有するイオン加速装置を駆動制御する電源装置において、上記アノード電極に電圧を印加して磁場に垂直な方向に電界を生成するアノード電源、上記磁場生成用コイルに対して正負両方向に電流を流せるように構成されたコイル電源、並びに上記アノード電源および上記コイル電源を制御する制御手段を有し、上記制御手段は、上記コイル電源を制御して電流の向きを切替え可能であって、上記イオン加速装置の点火立ち上げを行う際には、これに先立って上記磁場生成用コイルに対して磁場生成動作時に流れる電流の向きと逆方向に一時的に残留磁場低減用の電流を流す制御を行うものである。 The present invention relates to a power supply device for driving and controlling an ion accelerator having an anode electrode, a gas flow rate system, and a magnetic field generating coil, and an anode power supply for generating an electric field in a direction perpendicular to the magnetic field by applying a voltage to the anode electrode. has a coil power source configured is arranged to supply a current to the positive and negative both directions, as well as a control means for controlling the anode power supply and the coil power source to said magnetic field generating coil, the control means controls the coil power supply The direction of the current can be switched, and when starting the ignition of the ion accelerator, prior to this, the direction of the current flowing in the magnetic field generating operation is opposite to the direction of the current flowing to the magnetic field generating coil. Control for flowing a current for reducing the residual magnetic field temporarily is performed.

本発明によれば、スラスタの点火立ち上げの際、それに先立って、磁場生成用コイルに対して一時的に逆方向に電流を流すことにより電磁石に残った残留磁場を低減するので、残留磁場の影響が十分に除かれ、常に安定した点火立ち上げを行うことが可能となる。   According to the present invention, prior to the start-up of the thruster ignition, the residual magnetic field remaining in the electromagnet is reduced by temporarily flowing a current in the reverse direction to the magnetic field generating coil. The influence is sufficiently removed, and stable ignition start-up can always be performed.

本発明の実施の形態1におけるホールスラスタおよびその電源装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the Hall thruster and its power supply device in Embodiment 1 of this invention. 電磁石を構成するコアの残留磁場のヒステリシス特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the hysteresis characteristic of the residual magnetic field of the core which comprises an electromagnet. 図1の電源装置において、残留磁場の影響を低減するためのコイル電源を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing a coil power supply for reducing the influence of a residual magnetic field in the power supply device of FIG. 1. 本発明において、残留磁場の影響を低減するための動作原理を示す説明図である。In this invention, it is explanatory drawing which shows the operation principle for reducing the influence of a residual magnetic field. 図3のコイル電源の変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the modification of the coil power supply of FIG. 本発明の実施の形態2におけるホールスラスタの電源装置において、残留磁場の影響を低減するためのコイル電源を示す構成図である。It is a block diagram which shows the coil power supply for reducing the influence of a residual magnetic field in the power supply apparatus of the Hall thruster in Embodiment 2 of this invention. 図6のコイル電源の変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the modification of the coil power supply of FIG. 本発明の実施の形態3におけるホールスラスタの電源装置において、残留磁場の影響を低減するためのコイル電源を示す構成図である。It is a block diagram which shows the coil power supply for reducing the influence of a residual magnetic field in the power supply apparatus of the Hall thruster in Embodiment 3 of this invention. 図8の構成において、残留磁場の影響を低減するためにコイルに流す交流電流の波形図である。FIG. 9 is a waveform diagram of an alternating current that flows through a coil in order to reduce the influence of a residual magnetic field in the configuration of FIG. 8. 図8の構成においてコアの残留磁場が次第に低減される様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that the residual magnetic field of a core is reduced gradually in the structure of FIG. 本発明の実施の形態4におけるホールスラスタの電源装置において、電磁石に流すコイル電流と、これに伴う放電空間の磁束密度の変化との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the coil current sent through an electromagnet, and the change of the magnetic flux density of the discharge space accompanying this in the power supply apparatus of the Hall thruster in Embodiment 4 of this invention.

実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1におけるホールスラスタおよびその電源装置を示す構成図である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a Hall thruster and its power supply apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.

ホールスラスタ1は、磁場生成用コイルとして互いに同心状に配置された内部コイル11と外部コイル12、内部コイル11と外部コイル12の間に配置された円環状のアノード電極14、円環状のイオン加速領域を形成する内部リング15と外部リング16、内部リング15と外部リング16の解放端側に設けられた磁束密度調整用のポールピース17、およびガス流量系を構成するためのガス流量調節器18を有する。そして、内部リング15と外部リング16の間に囲まれた空間にイオン加速領域となる円環状のチャネル19が形成され、また、内部コイル11と外部コイル12はコア10に巻装されて電磁石が構成されている。さらに、このホールスラスタ1に対しては電子を供給してイオンを加速するための陰極であるホローカソード3が設けられている。   The Hall thruster 1 includes an inner coil 11 and an outer coil 12 arranged concentrically as magnetic field generating coils, an annular anode electrode 14 arranged between the inner coil 11 and the outer coil 12, and an annular ion acceleration. The inner ring 15 and the outer ring 16 forming the region, the pole piece 17 for adjusting the magnetic flux density provided on the open end side of the inner ring 15 and the outer ring 16, and the gas flow rate regulator 18 for configuring the gas flow rate system Have An annular channel 19 serving as an ion acceleration region is formed in a space surrounded by the inner ring 15 and the outer ring 16, and the inner coil 11 and the outer coil 12 are wound around the core 10 so that the electromagnet It is configured. Further, the hole thruster 1 is provided with a hollow cathode 3 which is a cathode for supplying electrons to accelerate ions.

そして、チャネル19の底面側からガスが供給されてチャネル19内でガスがイオン化され、ホローカソード3とアノード電極14との間に印加された電圧によってイオンが加速され、チャネル19の解放端側にイオンビームとして噴射されることで推力を得る。その場合の印加電圧がアノード電圧Va、そのときに流れる電流がアノード電流Iaである。   Then, gas is supplied from the bottom surface side of the channel 19, and the gas is ionized in the channel 19, and the ions are accelerated by the voltage applied between the hollow cathode 3 and the anode electrode 14, and the channel 19 is moved to the open end side. Thrust is obtained by being ejected as an ion beam. In this case, the applied voltage is the anode voltage Va, and the current flowing at that time is the anode current Ia.

その際、イオンのみを効率的に加速するために、内部コイル11と外部コイル12を備えた電磁石によって形成された磁場によるホール効果で、電子は円環状のチャネル19内に閉じ込められる。また、ポールピース17によって、円環の半径方向にほぼ均一に磁場が印加されるように、また、ポールピース17などの磁気回路の設計によってチャネル19の出射端付近の磁束密度Bが最も高くなるようにそれぞれ設計されている。また、内部コイル11と外部コイル12に流れる電流を調整することで磁束密度を変化させる。   At that time, in order to efficiently accelerate only ions, electrons are confined in the annular channel 19 by the Hall effect due to the magnetic field formed by the electromagnet including the internal coil 11 and the external coil 12. Further, the magnetic flux density B in the vicinity of the exit end of the channel 19 is maximized so that the magnetic field is applied almost uniformly in the radial direction of the ring by the pole piece 17 and the magnetic circuit such as the pole piece 17 is designed. Each is designed as such. Further, the magnetic flux density is changed by adjusting the current flowing through the internal coil 11 and the external coil 12.

電源装置2は、ホールスラスタ1およびホローカソード3を駆動制御するものであり、アノード電極14に所定の電圧を印加するためのアノード電源21、内部コイル11に所定の電流を流すための内部コイル電源22、外部コイル12に所定の電流を流すための外部コイル電源23、ガス流量調節器18によるガス流量を制御するガス流量制御装置25、ホローカソード3に供給するガス流量を制御するガス流量制御装置31、ホローカソード3を加熱するヒータ電源26、ホローカソード3に所定の電圧を印加して電子の流れを安定化するためのキーパ電源27、およびこれらの動作を制御する制御手段としての制御回路28を備えている。   The power supply device 2 drives and controls the Hall thruster 1 and the hollow cathode 3, and includes an anode power source 21 for applying a predetermined voltage to the anode electrode 14, and an internal coil power source for flowing a predetermined current through the internal coil 11. 22, an external coil power source 23 for supplying a predetermined current to the external coil 12, a gas flow rate control device 25 for controlling the gas flow rate by the gas flow rate regulator 18, and a gas flow rate control device for controlling the gas flow rate supplied to the hollow cathode 3 31, a heater power supply 26 for heating the hollow cathode 3, a keeper power supply 27 for stabilizing a flow of electrons by applying a predetermined voltage to the hollow cathode 3, and a control circuit 28 as a control means for controlling these operations It has.

次に、電磁石を構成するために内部コイル11および外部コイル12が巻装されたコア10のヒステリシス特性について、図2を用いて説明する。   Next, the hysteresis characteristics of the core 10 around which the internal coil 11 and the external coil 12 are wound to constitute an electromagnet will be described with reference to FIG.

まず、内部コイル11,外部コイル12に電流が流れておらず、コア10の残留磁場も存在しない状態が(1)である。この状態から各コイル11,12に電流を少し流すと、(2)のように磁束密度が形成される。(1)と(2)の間はほぼ線形に電流に対して磁束密度が大きくなる。通常はこのような線形の領域で用いる。   First, (1) is a state in which no current flows through the internal coil 11 and the external coil 12 and there is no residual magnetic field of the core 10. When a small amount of current is passed through the coils 11 and 12 from this state, a magnetic flux density is formed as shown in (2). Between (1) and (2), the magnetic flux density increases with respect to the current approximately linearly. Usually, it is used in such a linear region.

しかしながら、コア10の小型軽量化を行ってこのような線形の領域を超えて電流を流し、できるだけ強い磁束密度を得ようとした場合(図の(3)の状態)、コア10が飽和し始め、電流を流しても磁束密度が線形に増加しない領域になる。そして、(3)の状態で装置を一旦停止してコイル電流がゼロになったとする。その場合、磁束密度はコア10のヒステリシス特性のためにゼロつまり(1)の状態には戻らず、電流を流していないのにある程度の磁束が残った(5)の状態となる。これが残留磁場である。残留磁場の値はどこまで電流を流したかなど、過去の履歴やコア10の種類に依存する。(5)の状態から次にホールスラスタ1の点火立ち上げを再度行うために各コイル11,12に電流を流すと、(2)の領域を通過せずに(4)の状態のように、(5)の残留磁場がオフセットされた状態で磁束が増加してしまう。その結果、放電振動が発生する動作条件の領域を過渡的に通過することとなり、安定な点火立ち上げができなくなる。   However, when the core 10 is reduced in size and weight and current is passed through such a linear region to obtain as strong a magnetic flux density as possible (state (3) in the figure), the core 10 begins to saturate. The magnetic flux density does not increase linearly even when a current is passed. Then, assume that the apparatus is temporarily stopped in the state of (3) and the coil current becomes zero. In that case, the magnetic flux density does not return to zero, that is, the state of (1) due to the hysteresis characteristic of the core 10, and is in a state of (5) in which a certain amount of magnetic flux remains even though no current is passed. This is the residual magnetic field. The value of the residual magnetic field depends on the past history and the type of the core 10, such as how far the current has flowed. When a current is passed through the coils 11 and 12 in order to restart the ignition of the Hall thruster 1 from the state (5), the state does not pass through the region (2), as in the state (4). The magnetic flux increases with the residual magnetic field of (5) offset. As a result, the operating condition region where the discharge oscillation occurs is passed transiently, and stable ignition startup cannot be performed.

図3には、このような残留磁場がオフセットされた状態になるのを解消して、安定な点火立ち上げを行うためのコイル電源の構成を示す。なお、この実施の形態1では内部コイル11に対して内部コイル電源22が、また外部コイル12に対して外部コイル電源23がそれぞれ個別に設けられているが、各コイル11,12やその各電源22,23の基本的な構成は両者同じなので、ここでは、説明の便宜上、磁場生成用の各コイル11,12を区別せずに単にコイル5と、また各コイル電源22,23を区別せずに単にコイル電源6と総称する。   FIG. 3 shows a configuration of a coil power supply for eliminating such a residual magnetic field from being offset and performing stable ignition startup. In the first embodiment, the internal coil power supply 22 is provided for the internal coil 11 and the external coil power supply 23 is provided for the external coil 12, respectively. Since the basic configurations of 22 and 23 are the same, here, for convenience of explanation, the coils 11 and 12 for magnetic field generation are not distinguished, and the coil 5 and the coil power supplies 22 and 23 are not distinguished. Are simply referred to as a coil power source 6.

図3において、コイル電源6は、コイル5に対して一方向(正方向)に直流の電流Icを流す第1の電流源61と、コイル5に対して第1の電流源61とは逆方向(負方向)に直流の電流Icを流す第2の電流源62とを備える。そして、両電流源61,62が互いに並列に接続されるとともに、各電流源61,62に対して、各電流源61,62を選択するための選択スイッチ71,72が個別に接続されている。そして、制御回路28は、このコイル電源6の選択スイッチ71,72をオン/オフ制御してコイル5に流れる電流Icの向きを切替える。   In FIG. 3, the coil power source 6 includes a first current source 61 that passes a direct current Ic in one direction (forward direction) with respect to the coil 5, and a direction opposite to the first current source 61 with respect to the coil 5. And a second current source 62 for flowing a direct current Ic in the negative direction. Both current sources 61 and 62 are connected in parallel to each other, and selection switches 71 and 72 for selecting each current source 61 and 62 are individually connected to each current source 61 and 62. . Then, the control circuit 28 switches on / off the selection switches 71 and 72 of the coil power source 6 to switch the direction of the current Ic flowing through the coil 5.

すなわち、ホールスラスタ1を駆動する場合、コイル5に通電して磁場生成を行う必要があるため、制御回路28は、この磁場生成動作時に一方の選択スイッチ71をオン、他方の選択スイッチ72をオフにして、第1の電流源61からコイル5に一方向(正方向)の電流Icが流れるようにする。   That is, when driving the Hall thruster 1, it is necessary to energize the coil 5 to generate a magnetic field, so that the control circuit 28 turns on one selection switch 71 and turns off the other selection switch 72 during this magnetic field generation operation. Thus, the current Ic in one direction (positive direction) flows from the first current source 61 to the coil 5.

次に、ホールスラスタ1の駆動を停止して電流Icをゼロにすると、磁束密度はコア10のヒステリシス特性のためにゼロの状態には戻らず、図4に示すように、電流Icを流していないのにもかかわらず、ある程度の磁束が残った(5)の状態となり、残留磁場が存在する。   Next, when the drive of the Hall thruster 1 is stopped and the current Ic is set to zero, the magnetic flux density does not return to the zero state due to the hysteresis characteristic of the core 10, and the current Ic flows as shown in FIG. Despite the absence, some magnetic flux remains (5) and there is a residual magnetic field.

そこで、制御回路28は、ホールスラスタ1を再度点火立ち上げする際には、これに先立ち、一時的に一方の選択スイッチ71をオフ、他方の選択スイッチ72をオンにして、第2の電流源62からコイル5に対して磁場生成動作時とは逆方向(負方向)に直流の電流Icを一時的に流す。図4では、(5)の状態から負方向に電流Icを流すことによって、一旦(6)の状態にしている。ここから、次に電流Icを小さくしていくと(7)の状態となる。(7)の状態は、残留磁場が完全にゼロである(1)の状態と同一ではないが、(5)の状態と比較するとコア10の残留磁場は十分に小さくなっている。   Therefore, the control circuit 28 temporarily turns off one of the selection switches 71 and turns on the other selection switch 72 before the ignition of the Hall thruster 1 again, so that the second current source A direct current Ic is temporarily supplied from 62 to the coil 5 in the opposite direction (negative direction) to the magnetic field generating operation. In FIG. 4, the state (6) is temporarily set by flowing the current Ic in the negative direction from the state (5). From this point, when the current Ic is decreased, the state (7) is obtained. The state (7) is not the same as the state (1) in which the residual magnetic field is completely zero, but the residual magnetic field of the core 10 is sufficiently small as compared with the state (5).

そして、ホールスラスタ1を点火立ち上げするため、再度、一方の選択スイッチ71をオン、他方の選択スイッチ72をオフにして、第1の電流源61からコイル5に対して一方向(正方向)に直流の電流Icを流すと、(8)の状態を経過し、点火立ち上げ時に適した弱い磁場を実現することができる。   In order to ignite the Hall thruster 1, one selection switch 71 is turned on again, the other selection switch 72 is turned off again, and one direction (positive direction) from the first current source 61 to the coil 5 is established. When a DC current Ic is passed through the state, the state (8) elapses, and a weak magnetic field suitable for ignition start-up can be realized.

なお、図3に示した構成では第1の電流源61と第2の電流源62は、共にコイル5に対して同じ大きさの電流Icが流れるように電流容量を設定しているが、残留磁場を十分小さくするという目的を達成するだけであれば、この構成に限らず、例えば図5に示すように、第1の電流源61の電流容量よりも、第2の電流源62の電流容量を小さくして、残留磁場低減時にはコイル5に対して逆方向(負方向)に小さな電流Icが流れるようにしてもよい。   In the configuration shown in FIG. 3, both the first current source 61 and the second current source 62 are set to have a current capacity so that the same current Ic flows through the coil 5, but the residual current As long as the purpose of sufficiently reducing the magnetic field is achieved, the present invention is not limited to this configuration. For example, the current capacity of the second current source 62 is larger than the current capacity of the first current source 61 as shown in FIG. And a small current Ic may flow in the reverse direction (negative direction) with respect to the coil 5 when the residual magnetic field is reduced.

以上のように、この実施の形態1では、ホールスラスタ1を一旦停止して磁場生成用コイルに流す電流をゼロにした後、再び点火立ち上げを行う際には、それに先立って磁場生成用のコイルに対して一時的に逆方向に電流を流すことにより、電磁石のコアに残った残留磁場を十分に低減することができる。これにより、残留磁場の影響が除かれて常に安定した点火立ち上げを行うことが可能となる。   As described above, in the first embodiment, when the ignition is started again after the Hall thruster 1 is temporarily stopped and the current flowing through the magnetic field generating coil is made zero, the magnetic field generating prior to that is performed. The residual magnetic field remaining in the core of the electromagnet can be sufficiently reduced by flowing a current in the reverse direction temporarily to the coil. As a result, it is possible to always perform stable ignition startup without the influence of the residual magnetic field.

実施の形態2.
図6は本発明の実施の形態2におけるホールスラスタの電源装置のコイル電源の部分を示す構成図であり、図3および図5に示した実施の形態1と対応する構成部分には同一の符号を付す。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 6 is a block diagram showing a coil power supply portion of the Hall thruster power supply device according to the second embodiment of the present invention. Components corresponding to those in the first embodiment shown in FIG. 3 and FIG. Is attached.

上記の実施の形態1では、コイル電源6として、コイル5に対して流れる電流の向きが互いに逆になる第1、第2の電流源61,62を設けてこれらの各電流源61,62を選択するようにした。一方、この実施の形態2では、コイル5に対して電流を流す単一の電流源61と、磁場生成動作時と残留磁場低減時とでコイル5に流れる電流の向きが互いに逆になるように電流方向を切り替える切替スイッチ73とを備えている。そして、制御回路28は、ホールスラスタ1を再度点火立ち上げする際には、これに先立ち、切替スイッチ73の接続を切替えて電流源61からコイル5に対して磁場生成動作時とは逆方向に直流の電流Icを一時的に流すことで残留磁場を低減する。   In the first embodiment, the coil power source 6 is provided with the first and second current sources 61 and 62 in which the directions of the currents flowing to the coil 5 are opposite to each other, It was made to choose. On the other hand, in the second embodiment, the single current source 61 that supplies current to the coil 5 and the direction of the current that flows through the coil 5 during the magnetic field generation operation and when the residual magnetic field is reduced are opposite to each other. And a selector switch 73 for switching the current direction. When the ignition circuit of the hall thruster 1 is ignited again, the control circuit 28 switches the connection of the changeover switch 73 and reverses the magnetic field generation operation from the current source 61 to the coil 5 prior to this. The residual magnetic field is reduced by passing a direct current Ic temporarily.

なお、図6に示したような切替スイッチ73を設ける代わりに、例えば図7に示すように、単一の電流源61とコイル5との間にフルブリッジ構成のインバータ74を設け、制御回路28でコイル5に流れる電流の向きを切替えるようにしても同様な作用効果を奏することができる。   Instead of providing the changeover switch 73 as shown in FIG. 6, for example, as shown in FIG. 7, a full bridge inverter 74 is provided between the single current source 61 and the coil 5, and the control circuit 28. Thus, even if the direction of the current flowing through the coil 5 is switched, the same effect can be obtained.

また、この実施の形態2では、コイル5に流れる電流を一旦ゼロにした後、電流の向きを切替えることを想定しているので、回生経路は特に記載していないが、実際にはコイル5に電流が流れている間に切り替えを行う可能性があるので、回生用の還流ダイオードなどを設けることが好ましい。   In the second embodiment, since it is assumed that the current flowing through the coil 5 is once reduced to zero and then the direction of the current is switched, the regenerative path is not particularly described. Since there is a possibility of switching while the current is flowing, it is preferable to provide a regenerative reflux diode or the like.

実施の形態3.
図8は本発明の実施の形態3におけるホールスラスタの電源装置のコイル電源の部分を示す構成図であり、図3および図5に示した実施の形態1と対応する構成部分には同一の符号を付す。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a coil power supply portion of the Hall thruster power supply device according to the third embodiment of the present invention. Components corresponding to those in the first embodiment shown in FIG. 3 and FIG. Is attached.

上記の実施の形態1では、コイル5に流れる電流の向きが互いに逆になる第1、第2の電流源61,62を設けて各電流源61,62を選択するようにした。一方、この実施の形態3では、残留磁場低減時にコイル5に対して交流電流を印加して徐々に電流の値を小さくすることで確実に消磁を行うようにしたものである。   In the first embodiment, the first and second current sources 61 and 62 in which the directions of the currents flowing through the coil 5 are opposite to each other are provided, and the current sources 61 and 62 are selected. On the other hand, in the third embodiment, demagnetization is reliably performed by applying an alternating current to the coil 5 when the residual magnetic field is reduced and gradually reducing the value of the current.

すなわち、この実施の形態3のコイル電源6は、コイル5に対して直流の電流を一方向に流す第3の電流源63と、コイル5に対して正負両方向、すなわち交流電流を流す第4の電流源64とを備える。そして、両電流源63,64が互いに並列に接続されるとともに、各電流源63,64に対して、各電流源63,64を選択するための選択スイッチ73,74が個別に接続されている。   That is, the coil power supply 6 according to the third embodiment includes a third current source 63 that sends a direct current to the coil 5 in one direction, and a fourth current that passes a positive and negative direction to the coil 5, that is, an alternating current. A current source 64. Both current sources 63 and 64 are connected in parallel to each other, and selection switches 73 and 74 for selecting each current source 63 and 64 are individually connected to each current source 63 and 64. .

そして、制御回路28は、ホールスラスタ1を駆動するにはコイル5に通電して磁場生成を行う必要がある。そのため、この磁場生成動作時には一方の選択スイッチ73をオン、他方の選択スイッチ74をオフにして第3の電流源63からコイル5に対して一方向(正方向)の電流Icが流れるようにする。   The control circuit 28 needs to generate a magnetic field by energizing the coil 5 in order to drive the Hall thruster 1. Therefore, during this magnetic field generation operation, one selection switch 73 is turned on and the other selection switch 74 is turned off so that the current Ic in one direction (positive direction) flows from the third current source 63 to the coil 5. .

一方、ホールスラスタ1を再度点火立ち上げする際には、これに先立って、一方の選択スイッチ73をオフ、他方の選択スイッチ74をオンにして、第4の電流源64からコイル5に対して交流電流を印加して徐々に電流値を小さくすることで確実に残留磁場の消磁を行う。   On the other hand, when the Hall thruster 1 is ignited again, prior to this, one selection switch 73 is turned off and the other selection switch 74 is turned on so that the fourth current source 64 applies to the coil 5. The residual magnetic field is surely demagnetized by applying an alternating current and gradually reducing the current value.

図9は残留磁場を低減するために、第4の電流源64からコイル5に対して流す交流電流を示す波形図である。図9のように、交流電流を徐々にその振幅が小さくなるように流すと、図10に示すように、(5)の状態の残留磁場が交流電流の一周期ごとに小さくなり、最後にはほぼ完全に消磁されて(1)の状態に戻っている。
なお、このような動作は、図8に示した回路構成のものでも可能であるが、これに限らず、例えば図7に示したインバータ74を設けた回路でも可能である。
FIG. 9 is a waveform diagram showing an alternating current that flows from the fourth current source 64 to the coil 5 in order to reduce the residual magnetic field. As shown in FIG. 9, when the alternating current is made to gradually decrease in amplitude, as shown in FIG. 10, the residual magnetic field in the state of (5) becomes smaller every cycle of the alternating current, and finally, The magnet is almost completely demagnetized and returns to the state (1).
Such an operation is possible with the circuit configuration shown in FIG. 8, but is not limited to this, and for example, a circuit provided with the inverter 74 shown in FIG. 7 is also possible.

実施の形態4.
上記の各実施の形態1〜3では、ホールスラスタ1を点火立ち上げする際、これに先立って残留磁場を低減するようにしている。一方、この実施の形態4では、磁場の残留成分をある程度予測し、ホールスラスタ1の点火立ち上げを行うたびに、あるいは一定動作期間ごとにホールスラスタ1の磁束の向きが交互に切替わるようにして残留磁場の影響を低減するようにしたものである。
Embodiment 4 FIG.
In the above first to third embodiments, when the Hall thruster 1 is ignited, the residual magnetic field is reduced prior to this. On the other hand, in the fourth embodiment, the residual component of the magnetic field is predicted to some extent, and the direction of the magnetic flux of the Hall thruster 1 is alternately switched every time the ignition start-up of the Hall thruster 1 is performed or every certain operation period. Thus, the influence of the residual magnetic field is reduced.

前述のように、磁束の向きは電子の回転方向にかかわるだけであり、ホールスラスタ1の性能には影響しない。すなわち、ホールスラスタ1のチャネル19の内側から外側に磁束を印加しても、外側から内側に磁束を印加しても性能に影響しないので、例えばホールスラスタ1が停止して再度点火立ち上げを行うたびに、磁束の向きを切り替えるようにする。この場合、飽和に近いところ(図2の(3)の状態)までコイル5に電流Icを流すと、図11に示すようなヒステリシス特性が現れる。この特性を予測して、必要な大きさと向きの磁束密度が印加されるように制御する。   As described above, the direction of the magnetic flux only affects the direction of rotation of the electrons, and does not affect the performance of the Hall thruster 1. That is, even if the magnetic flux is applied from the inside to the outside of the channel 19 of the Hall thruster 1 or the magnetic flux is applied from the outside to the inside, the performance is not affected. For example, the Hall thruster 1 is stopped and ignition is started again. Each time, the direction of the magnetic flux is switched. In this case, when the current Ic is passed through the coil 5 until it is close to saturation (state (3) in FIG. 2), a hysteresis characteristic as shown in FIG. 11 appears. This characteristic is predicted, and control is performed so that a magnetic flux density having a required size and direction is applied.

例えば、図11において、前回のホールスラスタ1の点火立ち上げの際に、コイル5に流す電流をIc1から出発して(3)の飽和に近い状態まで流し、ホールスラスタ1を停止するときにはIc2まで電流を流す。次回のホールスラスタ1の点火立ち上げの際には、コイル5に流す電流をIc2から出発して(6)の飽和に近い状態まで流し、ホールスラスタ1を停止するときにはIc1まで電流を流す。   For example, in FIG. 11, when the Hall thruster 1 is ignited last time, the current flowing through the coil 5 starts from Ic1 and flows to a state close to saturation in (3). Apply current. At the next ignition start-up of the Hall thruster 1, the current flowing through the coil 5 starts from Ic2 and flows to a state close to the saturation of (6), and when the Hall thruster 1 is stopped, the current flows to Ic1.

これを実施するためには、コイル5に流れる電流Icの大きさを制御するとともに、その電流Icの大きさに応じて電流の向きを切り替えればよい。したがって、具体的なコイル電源6としては、前述の図3、図5〜図7のいずれかの構成を採用し、制御回路28によって、電流源61,62から供給される電流Icの大きさを制御するとともに、その電流Icの大きさに応じて電流の向きを切替える制御を行う。   In order to implement this, the magnitude of the current Ic flowing through the coil 5 is controlled, and the direction of the current may be switched according to the magnitude of the current Ic. Accordingly, the specific coil power supply 6 employs any of the configurations shown in FIGS. 3 and 5 to 7 described above, and the magnitude of the current Ic supplied from the current sources 61 and 62 by the control circuit 28 is set. In addition to the control, control is performed to switch the direction of the current according to the magnitude of the current Ic.

このように、磁束の向きを切り替えるようにすれば、同時にトルクを制御することが可能になる。すなわち、磁場の向きは、電子が円周方向にどちらの方向に回転するかを決めているが、これがホールスラスタ1の円周方向のトルクに影響する。この場合、一定方向にのみ磁場をかけていると、円周方向のトルクが蓄積されることになる。これに対して、一定動作期間ごとに磁場の向きを入れ替えるような操作を行えば、このようなトルクをキャンセルすることができるし、あるいは積極的にトルクを与えることもできる。宇宙空間においてトルク制御は非常に重要な課題であり、本発明のように磁場の向きを切り替えることによってトルク制御ができるので、極めて有用である。   Thus, if the direction of the magnetic flux is switched, the torque can be controlled simultaneously. That is, the direction of the magnetic field determines which direction the electrons rotate in the circumferential direction, but this affects the circumferential torque of the Hall thruster 1. In this case, if a magnetic field is applied only in a certain direction, torque in the circumferential direction is accumulated. On the other hand, if an operation for switching the direction of the magnetic field is performed every certain operation period, such torque can be canceled or torque can be positively applied. Torque control is a very important issue in outer space and is extremely useful because torque control can be performed by switching the direction of the magnetic field as in the present invention.

本発明は、特に、ホールスラスタの起動時の不安定現象、磁場の制御方法を解決するためのものであり、ホールスラスタに適用することが有効である。したがって、上記の全ての実施の形態1〜4において、イオン加速装置として、ホールスラスタという人工衛星の推進装置について述べている。   The present invention is particularly intended to solve the unstable phenomenon at the start of the Hall thruster and the magnetic field control method, and is effective when applied to the Hall thruster. Accordingly, in all of the above-described first to fourth embodiments, an artificial satellite propulsion device called a Hall thruster is described as the ion accelerator.

しかしながら、本発明はホールスラスタと同様の装置をイオン源装置として用いる場合などに適用してもよい。また、本発明は、円環状のイオン源装置だけではなく、電圧によってイオンを加速し、磁場によって電子の動きを制限しようとするような一般的な電気推進装置やイオン加速装置、たとえばイオンスラスタなどにも適用が可能である。   However, the present invention may be applied to a case where a device similar to a Hall thruster is used as an ion source device. The present invention is not limited to an annular ion source device, but is a general electric propulsion device or ion acceleration device that accelerates ions by a voltage and restricts the movement of electrons by a magnetic field, such as an ion thruster. It can also be applied to.

1 ホールスラスタ、11 内部コイル、12 外部コイル、14 アノード電極、
2 電源装置、21 アノード電源、22 内部コイル電源(磁場生成用コイル)、
23 外部コイル電源(磁場生成用コイル)、28 制御回路(制御手段)、
5 磁場生成用のコイル、6 コイル電源、61 第1の電流源、62 第2の電流源、
63 第3の電流源、64 第4の電流源、71,72 選択スイッチ、
73 切替スイッチ、74 インバータ。
1 Hall thruster, 11 internal coil, 12 external coil, 14 anode electrode,
2 power supply devices, 21 anode power supply, 22 internal coil power supply (magnetic field generating coil),
23 external coil power supply (magnetic field generating coil), 28 control circuit (control means),
5 coil for generating magnetic field, 6 coil power supply, 61 first current source, 62 second current source,
63 third current source, 64 fourth current source, 71, 72 selection switch,
73 changeover switch, 74 inverter.

Claims (7)

アノード電極とガス流量系と磁場生成用コイルとを有するイオン加速装置を駆動制御する電源装置であって、
上記アノード電極に電圧を印加して磁場に垂直な方向に電界を生成するアノード電源、上記磁場生成用コイルに対して正負両方向に電流を流せるように構成されたコイル電源、並びに上記アノード電源および上記コイル電源を制御する制御手段を有し、
上記制御手段は、上記コイル電源を制御して電流の向きを切替え可能であって、上記イオン加速装置の点火立ち上げを行う際には、これに先立って上記磁場生成用コイルに対して磁場生成動作時に流れる電流の向きと逆方向に一時的に残留磁場低減用の電流を流す制御を行うものである電源装置。
A power supply device for driving and controlling an ion accelerator having an anode electrode, a gas flow rate system, and a magnetic field generating coil,
An anode power source that generates an electric field in a direction perpendicular to a magnetic field by applying a voltage to the anode electrode, a coil power source configured to allow current to flow in both positive and negative directions with respect to the magnetic field generating coil, and the anode power source and the above Having control means for controlling the coil power supply;
The control means is capable of switching the direction of current by controlling the coil power supply, and when performing ignition start-up of the ion accelerator, prior to this, magnetic field generation is performed for the magnetic field generation coil. A power supply device that performs control to temporarily flow a current for reducing a residual magnetic field in a direction opposite to a direction of a current flowing during operation.
上記コイル電源は、上記磁場生成用コイルに対して一方向に電流を流す第1の電流源と、上記磁場生成用コイルに対して上記第1の電流源とは逆方向に電流を流す第2の電流源と、上記磁場生成動作時には上記第1の電流源を、残留磁場低減時には上記第2の電流源をそれぞれ選択する選択スイッチと、から構成されている請求項1に記載の電源装置。 The coil power source includes a first current source that causes a current to flow in one direction to the magnetic field generating coil, and a second current that causes a current to flow in the opposite direction to the first current source to the magnetic field generating coil. a current source, said first current source when the magnetic field generation operation, the power supply device according to claim 1, at the time of residual magnetic field reduction is constituted the second current source from a selection switch for selecting respectively, . 上記第1の電流源の電流容量よりも上記第2の電流源の電流容量が小さく設定されている請求項2に記載の電源装置。 The power supply device according to claim 2, wherein a current capacity of the second current source is set smaller than a current capacity of the first current source. 上記コイル電源は、上記磁場生成用コイルに対して電流を流す単一の電流源と、上記磁場生成動作時と残留磁場低減時とで上記磁場生成用コイルに流れる電流の向きが互いに逆になるように電流方向を切り替える切替スイッチ、またはインバータとから構成されている請求項1に記載の電源装置。 The coil power supply has a single current source for supplying a current to the magnetic field generating coil and the directions of the currents flowing in the magnetic field generating coil during the magnetic field generating operation and when the residual magnetic field is reduced. The power supply device according to claim 1, comprising a changeover switch for switching a current direction or an inverter. 上記コイル電源は、上記磁場生成用コイルに対して一方向に電流を流す第3の電流源と、
上記磁場生成用コイルに対して正負両方向に電流を流す第4の電流源と、上記磁場生成動作時には上記第3の電流源を、残留磁場低減時には上記第4の電流源をそれぞれ選択する選択スイッチと、から構成されている請求項1に記載の電源装置。
The coil power supply includes a third current source that allows a current to flow in one direction with respect to the magnetic field generating coil;
A fourth current source supplying a current to both positive and negative directions with respect to the magnetic field generating coils, selected when the magnetic field generation operation of the third current source, at the time of residual magnetic field reduces to select the fourth current source, respectively The power supply device according to claim 1, comprising a switch.
アノード電極とガス流量系と磁場生成用コイルとを有するイオン加速装置を駆動制御する電源装置であって、
上記アノード電極に電圧を印加して磁場に垂直な方向に電界を生成するアノード電源、上記磁場生成用コイルに対して正負両方向に電流を流せるように構成されたコイル電源、並びに上記アノード電源および上記コイル電源を制御する制御手段を有し、
上記制御手段は、上記コイル電源を制御して電流の向きを切替え可能であって、上記イオン加速装置の点火立ち上げを行うたびに、または一定動作期間ごとに、上記磁場生成用コイルに対して流れる電流の向きが交互に逆になるように制御する電源装置。
A power supply device for driving and controlling an ion accelerator having an anode electrode, a gas flow rate system, and a magnetic field generating coil,
An anode power source that generates an electric field in a direction perpendicular to a magnetic field by applying a voltage to the anode electrode, a coil power source configured to allow current to flow in both positive and negative directions with respect to the magnetic field generating coil, and the anode power source and the above Having control means for controlling the coil power supply;
The control means is capable of switching the direction of current by controlling the coil power supply, and is applied to the magnetic field generating coil each time the ion accelerator is ignited or at a certain operation period. A power supply device that controls the direction of the flowing current to be alternately reversed.
上記イオン加速装置は、ホール効果を用いたイオン加速装置である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電源装置。 The ion accelerating device includes a power supply device according to any one of claims 1 to 6 which is an ion accelerator using a Hall effect.
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