CN101645617B - 一种滑环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑环，用于完成两个旋转件之间的电能传输和/或信号传输。该滑环包括发射电路、第一滑环组件、第二滑环组件以及接收电路，其中：发射电路安装在第一相对旋转件上，将电能和/或信号处理之后通过安装在第一相对旋转件上的第一滑环组件以及安装在第二相对旋转件上的第二滑环组件发送给接收电路，其中该第一滑环组件和第二滑环组件非直接接触。与现有技术相比，本发明的非接触滑环通过电磁感应原理，在两个非接触的具有相对旋转运动的部件之间实现了电能和/或信号的传输。

Description

一种滑环

技术领域

本发明涉及一种传输装置，具体地说，是涉及一种滑环。

背景技术

在石油钻井作业中，随钻测量、随钻测井及旋转导向工具等已经广泛应用于石油勘探开发等作业中。现有的用于两个旋转件之间的电能和/或信号的传输一般采用接触式滑环来进行。

由于两个相对旋转部件之间有泥浆等流体通过，所以需要设计旋转动密封的结构。在高温、高压、振动及冲击等恶劣条件下，这种旋转动密封非常容易泄漏，从而在滑环之间形成短路等故障，造成仪器电路的损坏。此外，这种接触式滑环工作时容易产生电火花现象，磨损非常快，工作寿命受到限制，而且接触式滑环结构复杂，可靠性低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于需要提供一种滑环，用于完成两个旋转件之间的电能传输。

为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种滑环，用于完成第一相对旋转件和第二相对旋转件之间的电能传输，所述第一相对旋转件和第二相对旋转件之间通过轴承形成一环形空间，其特征在于，该滑环包括电能发射电路、第一滑环组件、第二滑环组件以及电能接收电路，其中：

所述电能发射电路，安装在所述第一相对旋转件上，用于通过逆变处理将输入电流变换为高频交流电，将所述高频交流电激励于所述第一滑环组件上；

所述第一滑环组件，位于所述环形空间中，安装在所述第一相对旋转件上，连接所述电能发射电路，在所述高频交流电的激励作用下产生电能逆变信号；

所述第二滑环组件，位于所述环形空间中，与所述第一滑环组件非接触地相对设置在所述第二相对旋转件上，电磁耦合于所述第一滑环组件，用于在所述电能逆变信号作用下产生感应电能；

电能接收电路，安装在所述第二相对旋转件上，与所述第二滑环组件相连，用于对所述感应电能进行还原，获得所述电能。

优选地，所述滑环进一步包括信号发射电路及信号接收电路，其中：

所述信号发射电路，与所述第一滑环组件相连，用于对待传输信号进行频移键控(FSK)编码处理，得到FSK编码信号发送给所述第一滑环组件；

所述第一滑环组件通过无线传输方式将所述FSK编码信号发送给所述第二滑环组件；

所述第二滑环组件将所述FSK编码信号发送给所述信号接收电路；

所述信号接收电路，与所述第二滑环组件相连，用于对所述FSK编码信号进行还原处理，得到FSK模拟信号。

优选地，所述第一相对旋转件为旋转部件，所述第二相对旋转件为非旋转部件。

优选地，所述第一滑环组件包括发射磁芯、发射线圈以及第一支撑骨架，其中：

所述发射磁芯，安装在所述第一支撑骨架上；

所述发射线圈，缠绕在所述发射磁芯的外周，用于在所述高频交流电的激励下产生所述电能逆变信号；

所述第一支撑骨架，安装在所述第一相对旋转件上，与所述第一相对旋转件保持相对静止。

优选地，所述发射线圈，进一步用于将FSK编码信号无线传输给所述第二滑环组件。

优选地，所述发射线圈为一个线圈，所述发射线圈对所述FSK编码信号及电能逆变信号合成得到合成信号，无线传输给所述第二滑环组件；

或者

所述发射线圈为两个线圈，分别为电能发射线圈及信号发射线圈，所述电能发射线圈用于在所述高频交流电的激励下产生所述电能逆变信号；所述信号发射线圈用于将所述FSK编码信号无线传输给所述第二滑环组件。

优选地，所述第二滑环组件包括接收磁芯、接收线圈以及第二支撑骨架，其中：

所述接收磁芯，安装在所述第二支撑骨架上；

所述接收线圈，缠绕在所述接收磁芯的外周，用于在所述发射线圈的激励下产生感应电能，将所述感应电能发送给所述电能接收电路；

第二支撑骨架，安装在所述第二相对旋转件上，与所述第二相对旋转件保持相对静止。

优选地，所述接收线圈，进一步用于接收无线传输的FSK编码信号。

优选地，所述接收线圈为一个线圈，所述接收线圈接收到合成信号后进行滤波，得到FSK模拟信号和感应电能；

或者

所述接收线圈为两个线圈，分别为电能接收线圈及信号接收线圈，所述电能接收线圈用于在所述发射线圈的激励下产生感应电能，将所述感应电能发送给所述电能接收电路；所述信号接收线圈用于接收所述FSK编码信号。

本发明所要解决的另一技术问题，在于需要提供一种滑环，用于完成两个旋转件之间的信号传输。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种滑环，用于完成第一相对旋转件和第二相对旋转件之间的信号传输，所述第一相对旋转件和第二相对旋转件之间通过轴承形成一环形空间，其特征在于，该滑环包括信号发射电路、第一滑环组件、第二滑环组件以及信号接收电路，其中：

所述信号发射电路，安装在所述第一相对旋转件上，用于对所述信号进行频移键控(FSK)编码处理，得到FSK编码信号发送给所述第一滑环组件；

所述第一滑环组件，位于所述环形空间中，安装在所述第一相对旋转件上，连接所述信号发射电路，通过无线传输方式将所述FSK编码信号发送给所述第二滑环组件；

所述第二滑环组件，位于所述环形空间中，与所述第一滑环组件非接触地相对设置在所述第二相对旋转件上，电磁耦合于所述第一滑环组件，用于接收所述FSK编码信号；

所述信号接收电路，安装在所述第二相对旋转件上，与所述第二滑环组件相连，用于对所述FSK编码信号进行还原，获得FSK模拟信号。

优选地，所述第一相对旋转件为旋转部件，所述第二相对旋转件为非旋转部件。

优选地，所述第一滑环组件包括发射磁芯、发射线圈以及第一支撑骨架，其中：

所述发射磁芯，安装在所述第一支撑骨架上；

所述发射线圈，缠绕在所述发射磁芯的外周，用于将所述FSK编码信号无线传输给所述第二滑环组件；

所述第一支撑骨架，安装在所述第一相对旋转件上，与所述第一相对旋转件保持相对静止。

优选地，所述第二滑环组件包括接收磁芯、接收线圈以及第二支撑骨架，其中：

所述接收磁芯，安装在所述第二支撑骨架上；

所述接收线圈，缠绕在所述接收磁芯的外周，用于接收所述FSK编码信号并发送给所述信号接收电路；

第二支撑骨架，安装在所述第二相对旋转件上，与所述第二相对旋转件保持相对静止。

与现有技术相比，本发明的非接触滑环，通过电磁感应原理，在两个非接触的具有相对旋转运动的部件之间实现了电能和/或信号的传输。本发明应用实例中的电能发射线圈和电能接收线圈以及信号发射线圈和信号接收线圈，分别由多组漆包线绞合而成，具有良好的绝缘性能，并具有耐高温、耐高压以及防水的特点。本发明非接触式滑环之间没有接触，因此不需要设计旋转动密封，结构简单，降低了成本且利于维护；相对旋转的两个线圈之间(电能发射线圈与电能接收线圈之间，和/或信号发射线圈与信号接收线圈之间)没有相对摩擦，所以没有磨损，工作寿命大大提高。

附图说明

图1是本发明滑环第一实施例的组成示意图；

图2是图1所示第一实施例应用实例的组成示意图；

图3是本发明滑环第二实施例的组成示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

图1是本发明井下工具的滑环实施例的组成示意图，其中该井下工具包括第一相对旋转件11和第二相对旋转件12。该第一相对旋转件11和第二相对旋转件12具有相同的轴线，二者围绕该轴线能够产生相对旋转。如图1所示，该第二相对旋转件12通过第一轴承15和第二轴承16安装在该第一相对旋转件11上，该第一相对旋转件11和第二相对旋转件12通过该第一轴承15和第二轴承16保持相对位置关系，并形成相对旋转运动。该第一相对旋转件11和第二相对旋转件12由第一轴承15和第二轴承16支撑，形成一环形空间。

如图1所示，该滑环实施例主要包括第一滑环组件20、第二滑环组件30、电能发射电路25以及电能接收电路35，其中：

电能发射电路25，安装在所述第一相对旋转件11上，用于通过逆变处理将输入电流变换为高频交流电，将该高频交流电激励于该第一滑环组件20上(也即该高频交流电为第一滑环组件20的激励)；

第一滑环组件20，位于该第一相对旋转件11和第二相对旋转件12所形成的该环形空间中，固定安装在第一相对旋转件11上，连接该电能发射电路25，在该电能发射电路25的高频交流电的激励作用下，产生高频的电能逆变信号(该电能逆变信号为一交变磁场信号)；

第二滑环组件30，位于该第一相对旋转件11和第二相对旋转件12所形成的该环形空间中，与该第一滑环组件20非接触地相对设置，固定安装在第二相对旋转件12上，连接该电能接收电路35，电磁耦合于该第一滑环组件20，用于在第一滑环组件20所产生的电能逆变信号作用下，根据电磁感应原理产生感应电能；

电能接收电路35，安装在该第二相对旋转件12上，与该第二滑环组件30相连，用于对该第二滑环组件30产生的感应电能进行还原处理，具体地包括整流、斩波控制以及稳压等处理，获得原始的电能，然后输出到外部。

在图1所示的实施例中，第一相对旋转件11为相对于该工具其余部分可以旋转的旋转部件，该第二相对旋转件12为相对于该工具其余部分不可旋转的非旋转部件。在该第一相对旋转件11与该第二相对旋转件12形成旋转的相对运动时，第一滑环组件20和第二滑环组件30也形成了相对的旋转运动，此时即可借助于电磁感应原理，实现电能的传输。

图2是本发明井下工具中滑环应用实例的组成示意图，重点说明图1所示实施例中第一滑环组件20和第二滑环组件30的组成，其余部分请参考图1所示实施例。结合图1所示的实施例，图2所示的应用实例中，上述第一滑环组件20包括发射磁芯(图中未示出)、电能发射线圈21以及第一支撑骨架22，其中：

发射磁芯，安装在所述第一支撑骨架上；

电能发射线圈21，由多股漆包线绞合而成，线圈紧密缠绕在该发射磁芯的外周，并通过抗高温的粘结剂粘结在该第一支撑骨架22上，用于在电能发射电路25的激励下，根据高频交流电产生电能逆变信号，使得第二滑环组件30中产生相应频率的感应电能；

第一支撑骨架22，安装在该第一相对旋转件11上，与该第一相对旋转件11保持相对静止。

结合图1所示的实施例，图2所示的应用实例中，上述第二滑环组件30包括接收磁芯(图中未示出)、电能接收线圈31以及第二支撑骨架32，其中：

接收磁芯，安装在所述第二支撑骨架上；

电能接收线圈31，由多股漆包线绞合而成，线圈紧密缠绕在接收磁芯的外周，并通过抗高温的粘结剂粘结在该第二支撑骨架32上，用于根据电磁感应原理，在第一滑环组件20中电能发射线圈21的激励下产生相应频率的感应电能，将该感应电能传输给电能接收电路35；电能接收电路35对该感应电能进行整流、斩波控制以及稳压滤波等处理，获得稳定的电能输出到外部负载；

第二支撑骨架32，安装在该第二相对旋转件12上，与该第二相对旋转件12保持相对静止。

图3是本发明滑第二实施例的组成示意图。如图3所示，该第二实施例的空间结构与图1所示第一实施例相同，主要的区别在于其中的信号发射电路55代替图1所示的电能发射电路25，信号接收电路65代替图1所示电能接收电路35，其余组成部分及连接关系不变。在图3所示的该第二实施例中，

信号发射电路55，安装在所述第一相对旋转件11上，用于对待传输信号进行频移键控(Frequency-shift keying，FSK)编码处理，得到高频的FSK编码信号发送给第一滑环组件20；

第一滑环组件20，连接该信号发射电路55，通过无线传输的方式将该FSK编码信号发送给第二滑环组件30；

第二滑环组件30，连接该电能接收电路35，用于接收该FSK编码信号；

信号接收电路65，连接该第二滑环组件30，用于对该第二滑环组件30接收的FSK编码信号进行解调还原处理，得到FSK模拟信号后输出到外部设备；

图3所示的第二实施例中，第一滑环组件20中，缠绕在发射磁芯外周上的是信号发射线圈，在第二滑环组件30中，缠绕在接收磁芯外周上的是信号接收线圈。该信号发射线圈与信号接收线圈，其缠绕方式分别与电能发射线圈21及电能接收线圈3 1相同，此处不再赘述。信号首先经过信号发射电路55的变换和调制处理，得到FSK编码信号后，对该FSK编码信号进行功率放大，发送给信号发射线圈，由该信号发射线圈把该FSK编码信号无线传输给信号接收线圈；信号接收线圈把该FSK编码信号传输给信号接收电路65，经过信号接收电路65的功率放大和解调还原，获得原始信号并传输给外部的其它部件。

在本发明的其他实施例中，可以同时在发射磁芯外周上缠绕两个线圈，分别为电能发射线圈21及信号发射线圈，并在接收磁芯外周上缠绕两个线圈，分别为电能接收线圈3 1及信号接收线圈，这样电能发射线圈21及电能接收线圈31构成一组线圈用于传输电能，信号发射线圈及信号接收线圈构成另一组线圈用于传输信号；也可以在发射磁芯外周上缠绕一个线圈，在接收磁芯外周上缠绕另一线圈，这两个线圈构成一组线圈，这一组线圈既用于电能传输又用于信号传输。此时，第一相对旋转件11上安装有电能发射电路25和信号发射电路55，第二相对旋转件12上安装有电能接收电路35和信号接收电路65。

在发射线圈为一个线圈时，FSK编码信号耦合到电能逆变信号上，得到合成信号后传输给该发射线圈，其中FSK编码信号的频率远大于该电能逆变信号的频率。

在接收线圈为一个线圈时，该接收线圈对接收到的合成信号进行滤波处理，得到FSK模拟信号和感应电能，对其中的感应电能经过整流、斩波控制、稳压滤波等处理后变成稳定电压提供给负载，对其中的FSK模拟信号进行解调后发送给后续的仪器等设备。

根据前述内容可知，电能发射线圈21和电能接收线圈31，以及信号发射线圈和信号接收线圈，可以是一组漆包线绞合并绕制而成，也可以是两组漆包线绞合并绕制而成。由一组漆包线绞合并绕制而成时，电能的单向传输(从电能发射线圈到电能接收线圈)，和信号的单向(从电能发射线圈到电能接收线圈)或双向(电能发射线圈与电能接收线圈之间)传输均通过该一组漆包线完成；由两组漆包线绞合并绕制而成时，电能传输通过其中一组漆包线完成，信号传输的单向或双向通过另一组漆包线完成。需要说明的是，信号的双向传输并不能同时实现，在某一时刻只能进行某一个方向的单向传输。

图1所示的第一实施例、图2所示的应用实例以及图3所示的第二实施例，在第一相对旋转件11和第二相对旋转件12之间不需要密封，可以充有泥浆、水或其它钻井液的介质。除此之外，该介质也可以含有空气等等，当然，也可以是泥浆、水以及空气等的混合物。

本发明提供的用于井下的非接触式滑环，实现了井下工具中两个相对旋转部件之间电能及信号的传输，能够替代传统的接触式滑环。两个旋转部件之间的工作介质可以为泥浆、水、空气或者其他钻井液介质。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种滑环，用于完成第一相对旋转件和第二相对旋转件之间的电能传输，所述第一相对旋转件和第二相对旋转件之间通过轴承形成一环形空间，其特征在于，该滑环包括电能发射电路、第一滑环组件、第二滑环组件以及电能接收电路，其中：

所述电能发射电路，安装在所述第一相对旋转件上，用于通过逆变处理将输入电流变换为高频交流电，将所述高频交流电激励于所述第一滑环组件上；

所述第一滑环组件，位于所述环形空间中，安装在所述第一相对旋转件上，连接所述电能发射电路，在所述高频交流电的激励作用下产生电能逆变信号；

所述第二滑环组件，位于所述环形空间中，与所述第一滑环组件非接触地相对设置在所述第二相对旋转件上，电磁耦合于所述第一滑环组件，用于在所述电能逆变信号作用下产生感应电能；

电能接收电路，安装在所述第二相对旋转件上，与所述第二滑环组件相连，用于对所述感应电能进行还原，获得所述电能；

其中，石油钻井作业过程中的流体从所述环形空间中通过。

2.如权利要求1所述的滑环，其特征在于，所述滑环进一步包括信号发射电路及信号接收电路，其中：

所述信号发射电路，与所述第一滑环组件相连，用于对待传输信号进行频移键控FSK编码处理，得到FSK编码信号发送给所述第一滑环组件；

所述第一滑环组件通过无线传输方式将所述FSK编码信号发送给所述第二滑环组件；

所述第二滑环组件将所述FSK编码信号发送给所述信号接收电路；

所述信号接收电路，与所述第二滑环组件相连，用于对所述FSK编码信号进行还原处理，得到FSK模拟信号。

3.如权利要求1或2所述的滑环，其特征在于：

所述第一相对旋转件为旋转部件，所述第二相对旋转件为非旋转部件。

4.如权利要求1所述的滑环，其特征在于，所述第一滑环组件包括发射磁芯、发射线圈以及第一支撑骨架，其中：

所述发射磁芯，安装在所述第一支撑骨架上；

所述发射线圈，缠绕在所述发射磁芯的外周，用于在所述高频交流电的激励下产生所述电能逆变信号；

所述第一支撑骨架，安装在所述第一相对旋转件上，与所述第一相对旋转件保持相对静止。

5.如权利要求4所述的滑环，其特征在于：

所述发射线圈，进一步用于将FSK编码信号无线传输给所述第二滑环组件。

6.如权利要求5所述的滑环，其特征在于：

所述发射线圈为一个线圈，所述发射线圈对所述FSK编码信号及电能逆变信号合成得到合成信号，无线传输给所述第二滑环组件；

或者

所述发射线圈为两个线圈，分别为电能发射线圈及信号发射线圈，所述电能发射线圈用于在所述高频交流电的激励下产生所述电能逆变信号；所述信号发射线圈用于将所述FSK编码信号无线传输给所述第二滑环组件。

7.如权利要求4所述的滑环，其特征在于，所述第二滑环组件包括接收磁芯、接收线圈以及第二支撑骨架，其中：

所述接收磁芯，安装在所述第二支撑骨架上；

所述接收线圈，缠绕在所述接收磁芯的外周，用于在所述发射线圈的激励下产生感应电能，将所述感应电能发送给所述电能接收电路；

第二支撑骨架，安装在所述第二相对旋转件上，与所述第二相对旋转件保持相对静止。

8.如权利要求7所述的滑环，其特征在于：

所述接收线圈，进一步用于接收无线传输的FSK编码信号。

9.如权利要求8所述的滑环，其特征在于：

所述接收线圈为一个线圈，所述接收线圈接收到合成信号后进行滤波，得到FSK模拟信号和感应电能；

或者

所述接收线圈为两个线圈，分别为电能接收线圈及信号接收线圈，所述电能接收线圈用于在所述发射线圈的激励下产生感应电能，将所述感应电能发送给所述电能接收电路；所述信号接收线圈用于接收所述FSK编码信号。

10.一种滑环，用于完成第一相对旋转件和第二相对旋转件之间的信号传输，所述第一相对旋转件和第二相对旋转件之间通过轴承形成一环形空间，其特征在于，该滑环包括信号发射电路、第一滑环组件、第二滑环组件以及信号接收电路，其中：

所述信号发射电路，安装在所述第一相对旋转件上，用于对所述信号进行频移键控FSK编码处理，得到FSK编码信号发送给所述第一滑环组件；

所述第一滑环组件，位于所述环形空间中，安装在所述第一相对旋转件上，连接所述信号发射电路，通过无线传输方式将所述FSK编码信号发送给所述第二滑环组件；

所述第二滑环组件，位于所述环形空间中，与所述第一滑环组件非接触地相对设置在所述第二相对旋转件上，电磁耦合于所述第一滑环组件，用于接收所述FSK编码信号；

所述信号接收电路，安装在所述第二相对旋转件上，与所述第二滑环组件相连，用于对所述FSK编码信号进行还原，获得FSK模拟信号；

其中，石油钻井作业过程中的流体从所述环形空间中通过。

11.如权利要求10所述的滑环，其特征在于：

所述第一相对旋转件为旋转部件，所述第二相对旋转件为非旋转部件。

12.如权利要求10所述的滑环，其特征在于，所述第一滑环组件包括发射磁芯、发射线圈以及第一支撑骨架，其中：

所述发射磁芯，安装在所述第一支撑骨架上；

所述发射线圈，缠绕在所述发射磁芯的外周，用于将所述FSK编码信号无线传输给所述第二滑环组件；

所述第一支撑骨架，安装在所述第一相对旋转件上，与所述第一相对旋转件保持相对静止。

13.如权利要求12所述的滑环，其特征在于，所述第二滑环组件包括接收磁芯、接收线圈以及第二支撑骨架，其中：

所述接收磁芯，安装在所述第二支撑骨架上；

所述接收线圈，缠绕在所述接收磁芯的外周，用于接收所述FSK编码信号并发送给所述信号接收电路；

第二支撑骨架，安装在所述第二相对旋转件上，与所述第二相对旋转件保持相对静止。

Images