CN101552575A - 使用磁致伸缩动力元件的线性致动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性致动器，包括设置在外壳中的大致上呈圆柱形的磁致伸缩元件。承转器与外壳和磁致伸缩元件的外部协作地相接合，以使得磁致伸缩元件的松弛部分摩擦地保持在承转器中。致动器杆功能性地连接到磁致伸缩元件的一个纵向端。偏置装置设置在外壳与承转器之间，以使承转器维持横向压缩。致动器包括布置成在磁致伸缩元件中感应蠕动的磁体。

Description

使用磁致伸缩动力元件的线性致动器

技术领域

本发明基本上涉及线性致动器领域。更确切地，本发明涉及利用磁致伸缩元件来产生线性运动的线性致动器。

背景技术

线性致动器在与钻穿地球地表的钻井有关的装置中有广泛的应用。例如，这种致动器在本领域中已知用来操作井下安全阀或其他阀。这种致动器在本领域中也已知用来打开和关闭测井装置上的推靠臂(back up arms)或推靠板(pad)，或者致动特定钻井设备(比如旋转可控定向钻探系统)中的转向装置。

不考虑特定的用途，与井筒装置有关地被使用的线性致动器一般有两种类型。一种类型包括驱动螺杆或蜗轮的电机。螺杆或蜗轮连接到球状螺母。螺杆的旋转转变成球状螺母的线性运动。参见，例如，授予Walton的美国专利No.6898994。

广泛使用的另一种类型的致动器是液压的。通常，电机驱动液压泵，来自泵(其可存储在蓄液器或类似的储液器中)的压力选择性地施加到设置在汽缸中的活塞的一侧或另一侧。作用在活塞上的加压的液压流体的力使活塞沿着汽缸移动。参见，例如，授予Thorp的美国专利No.5673763并且目前属于本发明的受让人。

电线性驱动器在本领域是已知的。参见，例如授予Weber的美国专利No.6100609。许多电线性致动器基于类似于上面提及的电机/滚珠丝杠组合的原理操作。通常这种电机和减速齿轮的组合对于致动器产生操作井筒装置所需的力是必要的。在缺少减速齿轮时本领域已知的直线电机通常不能产生这种力。

最近，磁致伸缩元件已经用来制造线性致动器。参见，例如，Won-JongKim等的“Extended-Range Linear Magnetostrictive Motor with Double-SidedThree-Phase Stator”，IEEE Transactions on Industry Application vol.38，no.3(五月/六月2002)。在前公开中所述的致动器对于动力产生元件使用磁致伸缩材料，比如一种以商标ETREMA TERFENOL-D售出的材料，其为Edge Technologies，Inc.，Ames，IA的注册商标。磁致伸缩元件为设置在两个紧密配合的电枢(armature)之间的矩形厚片。电枢受到由多相交流电产生的磁场的影响，从而磁场以类似于电感应电机的方式“移动”。磁场交替地致使部分磁致伸缩元件的磁致伸缩和其随之产生的正交于磁致伸缩的延长产生，而磁致伸缩元件的其他部分保持紧密地夹持在电枢以内。固定电枢与磁致伸缩元件的未压缩部分之间的摩擦提供了对抗载荷移动磁致伸缩元件的延长部分所需的反作用力，使得载荷移动。通过使磁场沿着电枢“移动”，磁致伸缩元件经历蠕动或“尺蠖”状的运动，从而使载荷移动。

因为其形状的原因，在前的线性致动器已经难以适用于井筒装置。

在Bryon D.J.Snodgrass的Precision moves with magnetostriction，MachineDesign.com(2004年11月18日)中披露了使用磁致伸缩材料的另一种类型的线性致动器。在前的致动器不具有任何用于补偿移动元件的热膨胀或磨损的机制。

仍然需要适于与井筒装置结合使用的改进的线性致动器。

发明内容

本发明的一个方面是线性致动器。根据本发明的该方面的线性致动器包括设置在外壳中的基本上圆柱形的磁致伸缩元件。承转器(retainer)协作地与外壳和磁致伸缩元件的外部相接合，从而磁致伸缩元件的松弛部分摩擦地保持在承转器中。致动器杆摩擦地连接到磁致伸缩元件的一个纵向端。偏置装置设置在外壳与承转器之间，以使承转器保持横向压缩。致动器包括布置成感应磁致伸缩元件中的蠕动的磁体。

根据本发明另一方面的用于操作井筒装置的方法包括：向包围基本上圆柱形的磁致伸缩元件的承转器施加径向向内的偏置力，以保持承转器与磁致伸缩元件的松弛部分之间的摩擦接触。磁场被施加到磁致伸缩元件，以使得磁致伸缩元件中发生蠕动。在磁致伸缩元件的纵向端处的蠕动然后转移到井筒装置的操作元件。

通过以下说明和所附的权利要求，本发明的其他方面和优点将显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的一个示例性线性致动器的剖开图。

图2是图1所示示例性致动器的横截面图。

图3表示用来操作图1所示致动器的电源的一个例子。

图4表示使用根据本发明的致动器的钢缆输送的地层流体测试仪器的例子。

图5表示使用根据本发明的致动器的钢缆输送的地层密度测量仪器的例子。

图6表示使用根据本发明的致动器的完井阀(completion valve)的例子。

图7表示能够把根据本发明的致动器用作转向装置的旋转可控定向钻井仪器的例子。

具体实施方式

根据本发明的线性致动器的一个例子以剖开图形式表示在图1中。致动器10可设置在基本上圆柱形的外壳16内，该外壳比如可以由高强度的、优选地非磁性金属或金属合金制成，比如蒙乃尔镍铜锰铁合金(monel)、钛或以商标INCONEL出售的合金，该商标为Huntington Alloys Corp.，Huntington，WV的注册商标。外壳16可包括锥形的内孔18，其协作地接合对应锥形楔14的外表面，该楔置于磁致伸缩元件承转器12的外部。楔14将在下面进一步说明。外壳16在其纵向端基本上敞开，以使得致动器10的各种内部构件能够插入和操作。多个磁体可设置在外壳16的外表面上。磁体可以是线圈40，线圈这样绕成以便当加电时在外壳16内产生基本上纵向极化的移动磁场。用来给线圈40供电的电源将参考图3进一步说明。

磁致伸缩元件承转器12(为方便起见以下简称“承转器”)也可以由高强度的、非磁性材料制成，诸如蒙乃尔镍铜锰铁合金、钛或以上提到的INCONEL牌的合金，并基本上置于外壳16内部，如图1所示。如上所述，承转器12可包括多个周向隔开的、在承转器12的至少一部分外表面上侧向向外延伸的锥形楔14。当承转器12纵向推入外壳16中时，楔14通过协作地接合锥形内孔18而被横向地向内压迫。可通过协作地接合在承转器12的一个纵向端处的凸缘20与承转器螺母22之间的弹簧24或类似的偏置装置向承转器12提供纵向力，该承转器螺母22可与外壳16的一个纵向端的内表面螺纹接合(参见图1中的26)。通过弹簧24抵靠凸缘20施加的力迫使承转器12纵向进入外壳16，从而锥形孔18抵靠着楔14施加横向压缩力。承转器12可包括在楔14的内表面之间纵向延伸的槽(参见图2中的14A)，以使得楔14的横向压缩更自由地转移到承转器12的内部。

磁致伸缩元件28可置于承转器12内部，如图1所示。磁致伸缩元件28可以是基本上环形圆柱体的形状，使得致动器杆或管34能够通过它。磁致伸缩元件28可以由本领域已知的材料制成，如Terfenol-D和本文背景技术中提到的以商标ETREMA TERFENOL-D出售的材料。Terfenol-D优选作为磁致伸缩元件28的材料，因为其相对于所施加的磁场的大小具有高度的磁致伸缩，且能通过其磁致伸缩产生一定量的力。Terfenol-D材料还具有大约380摄氏度的居里(curie)温度，从而对于典型井筒中存在的温度相对不敏感。不过，磁致伸缩元件28的确切成分不是对本发明范围的限制。

磁致伸缩元件28在其松弛状态(不受磁场影响)下的外径选择为提供在承转器12内部中的紧摩擦配合。磁致伸缩元件28的一个纵向端与螺纹接合在致动器杆或管34的一部分上的承转器螺母30协作地相接合。磁致伸缩元件28的另一纵向端与止推垫圈33的一侧相接触，在止推垫圈的另一侧上与盘簧32或类似的偏置装置的一端相接触。弹簧32在其另一端与致动器杆或管34的外部上的推力面36相接触。承转器螺母30、弹簧32和推力面36的组合在磁致伸缩元件28沿着承转器12的内部移动时保持磁致伸缩元件28被压缩，以纵向驱动致动器杆或管34。通过置于外壳16内部且处于致动器杆或管34的表面的外部的轴颈轴承38或类似的线性轴承，致动器杆或管34可被强制在外壳16内部纵向移动。

在致动器10的操作中，选择性地流过线圈40的电流致使磁致伸缩元件28的一部分产生足够的横向压缩(在磁致伸缩作用下)，以便能够在承转器12内部纵向移动，且该同一部分经受纵向延长。磁致伸缩元件28的松弛部分保持摩擦地固定在承转器12的内表面以内。由于通过线圈40的电流被选择性地改变，因此磁致伸缩元件28的被横向压缩和纵向延长的部分被选择性地改变，从而整个磁致伸缩元件28关于承转器12以蠕动或“尺蠖”运动形式纵向平移。因为磁致伸缩元件28最终纵向固定在承转器螺母30和推力面36之间，所以磁致伸缩元件28的纵向平移会致使致动器杆或管34相应地纵向平移。尽管没有表示在图1中，但意在通过线性致动器操作的任何装置都可以功能性地连接到致动器管34的一端。

在前的例子包括所谓致动器杆或管34。如果是管的形式，且可以参考图6说明，致动器杆或管34可包括基本上敞开的通道或孔34A。在这种实施方式中，致动器10可用来例如操作井筒阀(wellbore valve)，比如井下安全阀，其中生产管或类似的管道可通过致动器10。在这种实施方式中，致动器10可以设置在井筒(其可以是有套管的)与生产油管外部之间的环形空间中，参见，例如授予McCalvin等并归属本发明受让人的美国专利No.6513594，作为一种类型的阀的例子。另一种类型的井筒阀可在以下参考图6说明。应该清楚地理解，本发明的应用不限于与井筒阀一起使用，也不是致动器的致动元件必须为图1所示的管的形式。另一些例子可使用可通过磁致伸缩元件28被纵向移动的实心杆或类似装置，其清楚地保留在本发明范围以内。

致动器的横截面表示在图2中，以举例说明楔14与锥形内孔18的协同布置。通过刀片和锥形内孔18的协同布置可以提供的特别的优点在于，由于承转器12和/或磁致伸缩元件28受到井筒中的磨损、热膨胀和/或加工公差的影响，可在磁致伸缩元件28与承转器12之间保持足量的摩擦，以使得在对抗连接到致动器管(图1中的34)的载荷而施加力的同时，磁致伸缩元件28能够发生上述平移运动。

给线圈40供电的一个例子如图3所示。多相交变电流源42，其可以是三相源，可如图所示地连接到线圈40，以使得纵向“行进”的磁场可施加到磁致伸缩元件(图1中的28)上。如另一个例子，线圈可具有三相电枢换向。每一相由串联连接的几个线圈组成以形成许多磁极。极距优选地为磁致伸缩元件(图1中的28)的长度的一半。在前面例子中的任一个中，致动器管(图1中的34)的运动速度可以通过选择交变电流频率来控制。

可在铠装电缆43的端部处运送到井筒41中的地层流体测试仪器44的一个例子如图4所示。流体测试仪器44可以是接合由封隔器密封元件(集中表示为45)密封的探针的一种类型，所述封隔器密封元件抵靠在井筒41的壁上。这样，探针密封地与地层接合。在这种仪器中，本领域已知将仪器外壳压靠在井筒壁的一侧，以有助于封隔器密封元件与地层的密封接合。在图4所示的例子中，两个如关于图1-3所述的线致动器10可包括在仪器44中并布置成横断于仪器44的纵轴延伸。当延伸时，致动器管34接合井筒的壁，以迫使仪器44与井筒41的相反侧相接触。在这种实施方式中，致动器管34可包括设置在其接触端的管鞋或推靠板34A，以限制由致动器管34引起的井筒壁的压痕。地层测试仪器的一个例子在授予Whitten并属于本发明的受让人的美国专利No.3952588中有所说明。

地层密度测量仪器46的一个例子如图5所示。密度仪器46通常包括具有伽马辐射源和伽马辐射探测器(在这里没有单独示出)的“垫板”(skid)48，用于与井筒的壁相接合。如上所述的致动器10可具有连接到枢轴延伸的推靠臂(back up arm)50的致动器管34。通常致动器10将沿着仪器46的纵向轴线布置，从而致动器管34从那开始的延伸将横向地展开推靠臂50。参见，例如授予Chappelat等并属于本发明的受让人的美国专利No.5528029，用于说明可使用根据本发明的致动器的合适推靠臂连杆。

图6表示完井阀(completion valve)的一个例子，其可与根据本发明的致动器一起使用。井筒可具有套管60或类似的其中灌水泥的管。在选择的地层中，套管60可包括射孔58，以提供从其外面的地层到套管60内部的液压连通。生产油管54可延伸穿过套管60的内部，并可在一个或多个环形密封装置(“封隔器”)55之间限定密封的环形空间。油管54本身可以包括在封隔器之间的射孔56，从而油管射孔56的暴露能够使流体进入套管60和油管54。油管射孔56可利用滑动套阀选择性地暴露或封闭。在本例中，致动器10可以操作性地连接到滑动套阀52，从而致动器管34的延伸可驱动套阀52移动以覆盖油管射孔56，从而阻止流体从套管60通过油管射孔56进入。致动器管34的收回将打开滑动套阀52。

可使用根据本发明的致动器的旋转可控定向钻探仪器表示在图7中。本例中的仪器71是所谓的“推动钻头(push the bit)”仪器，但根据本发明的致动器的应用不限于推动钻头仪器。仪器71包括驱动轴72，其包括构造成螺纹连接到钻柱(未示出)的上螺纹连接部78。驱动轴72与钻柱(未示出)一起旋转以使置于仪器71下端处的钻头76旋转。通常，驱动轴72会包括内螺纹连接(“箱形端”)，以螺纹连接到钻头76或近钻头钻具(未示出)。驱动轴72设置在可旋转地设置在驱动轴72外部周围的外壳70中。外壳包括设置在围绕外壳70的周向间隔位置处的多个致动器10，所述多个致动器10布置成各致动器杆34从外壳70的中心侧向向外延伸。每一个致动器杆34可由推靠板34B覆盖以保护杆34不受损害。每一个致动器10连接到方向感测和致动器控制电路系统80。系统80包括确定外壳70的测地学方向并选择性地使一些致动器10延伸以致使仪器71施加横向力的传感器。横向力选择为致使仪器的纵轴沿着选择的轨迹定向(从而沿着这种轨迹指引井筒的方向)。在本发明之前本领域已知的旋转可控定向钻井仪器通常采用液压致动器，以执行以上示例性仪器中与致动器10相同或类似的功能。

井筒装置的在前的例子不意味着穷举，而仅仅是可以与根据本发明的致动器一起使用的各种类型的井筒装置的有限的代表。

根据本发明制成的线性致动器在井筒仪器和控制方面可具有许多应用。这种致动器可通过较小的主动元件产生基本的操作力，能够构造成以许多不同的几何形态操作，并且避免了使用与电机/球状螺母和液压线性致动器相关联的大量驱动部分。

尽管已经关于有限数量的实施例说明了本发明，但本领域技术人员受益于本说明书将理解能够设计不脱离如本文所公开的本发明范围的其他实施例。因此，本发明的范围应当仅仅通过所附的权利要求来限定。

Claims (23)

1.一种线性致动器，包括：

置于外壳中的大致呈圆柱形的磁致伸缩元件；

承转器，所述承转器与磁致伸缩元件的外部协作地相接合，以使得磁致伸缩元件的松弛部分摩擦地保持在承转器中；

致动器杆，所述致动器杆功能性地连接到磁致伸缩元件的一个纵向端；

偏置装置，所述偏置装置设置在外壳与承转器之间，以使承转器保持横向压缩；以及

布置成在磁致伸缩元件中感应蠕动的磁体。

2.根据权利要求1的致动器，其中所述致动器杆包括沿着其纵向的通道。

3.根据权利要求1的致动器，其中所述磁体包括纵向地缠绕在外壳周围的多个线圈，所述线圈连接到电流源。

4.根据权利要求3的致动器，其中电流是多相交变电流。

5.根据权利要求4的致动器，其中交变电流的频率是可选择的。

6.根据权利要求1的致动器，其中所述偏置装置包括多个周向间隔开的楔，所述楔与外壳中的锥形内孔协作地相接合。

7.根据权利要求6的致动器，还包括纵向偏置装置，所述纵向偏置装置与外壳和承转器协作地相接合、以将承转器压入外壳中从而压缩楔。

8.根据权利要求1的致动器，还包括致动器杆的外部上的推力面，和接近致动器杆的纵向端的锁紧螺母，磁致伸缩元件设置在推力面与锁紧螺母之间以便保持纵向压缩。

9.根据权利要求1的致动器，其中外壳、承转器和致动器杆由非磁性材料制成。

10.根据权利要求1的致动器，其中致动器杆连接到井筒阀的操作元件。

11.根据权利要求1的致动器，其中致动器杆操作性地连接到测井仪 器上的可直线伸出的推靠板。

12.根据权利要求1的致动器，其中致动器杆操作性地连接到测井仪器上的可枢转伸出的推靠臂。

13.根据权利要求1的致动器，其中致动器形成旋转可控定向钻井仪器的转向元件。

14.根据权利要求1的致动器，其中磁致伸缩元件包括Terfenol-D。

15.一种用于操作井筒装置的方法，包括如下步骤：

向围绕大致呈圆柱形的磁致伸缩元件的承转器施加径向向内的偏置力，以保持承转器与磁致伸缩元件的松弛部分之间的摩擦接触；

向磁致伸缩元件施加磁场，以使得磁致伸缩元件中发生蠕动；以及

使磁致伸缩元件的纵向端处的蠕动转移到井筒装置的操作元件。

16.根据权利要求15的方法，其中施加磁场的步骤包括施加电流至纵向缠绕在承转器外部的多个线圈。

17.根据权利要求16的方法，其中电流包括多相交变电流。

18.根据权利要求15的方法，其中施加径向向内的偏置力的步骤包括在外壳中纵向偏置承转器，承转器和外壳具有协作表面，所述表面布置成响应于外壳中的纵向偏置而径向压缩承转器。

19.根据权利要求15的方法，其中操作元件包括地层测试仪器上的推靠板。

20.根据权利要求15的方法，其中操作元件包括密度测量仪器上的推靠臂。

21.根据权利要求15的方法，其中操作元件包括旋转可控定向钻井仪器上的转向元件。

22.根据权利要求15的方法，其中操作元件包括井筒套阀。

23.根据权利要求15的方法，还包括使井筒管纵向地通过磁致伸缩元件通过。

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