CN106351580B - 一种模块化电能及信号耦合传递装置及旋转导向钻井工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化电能及信号耦合传递装置，该装置通过在初级支架上端安装初级接线盘，在次级支架下端安装有次级接线盘，并初级支架与次级支架上下两端分别安装有上轴承和下轴承。这样初级支架及固定安装其上的零部件与次级支架及固定安装其上的零部件相对位置固定，且可以绕轴心相对转动，从而保证了安装和使用过程中初级电能线圈和初级信号线圈与次级电能线圈和次级信号线圈之间的相对位置固定不变，实现了电能与信号耦合传递装置的模块化。同时本发明公开了一种旋转导向钻井工具，该钻井工具通过应用模块化电能及信号耦合传递装置，不仅安装简单方便，而且，内外耦合线圈相对转动灵活，提高了传递效率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及石油、天然气勘探开发领域，具体地说是一种模块化电能及信号耦合传递装置及应用该传递装置的旋转导向钻井工具。
背景技术
旋转导向钻井系统中需要在两个相对旋转的驱动轴与外套之间传递电能与信号。目前为了解决这一问题大多采用电磁耦合的方式，即初级线圈与次级线圈电磁耦合使电能和信号依次传递。现有技术中的解决方案一般是，首先将初级线圈和次级线圈分别固定于驱动轴和外套上，或者通过安装支架分别固定在驱动轴和外套上，然后将套有初级线圈的驱动轴与套有次级线圈的外套安装在一起，通过调整驱动轴与外套的相对位置来调整初级线圈和次级线圈的相对位置，最后锁定各零部件之间的相对位置。
由于电能及信号的耦合传递是利用电磁感应原理进行工作的，因此，初级线圈和次级线圈的相对位置，即轴向和径向位置，对电能传递效率及信号传递强度具有很大的影响。而在实际工作中由于驱动轴与外套的相对转动，使初级线圈和次级线圈之间的相对位置很容易发生变化，因此传递效率低下，甚至不能满足电能、信号传递的要求，严重影响使用效果。另外在实际安装中，初级线圈和次级线圈之间的间隙调整本身就非常复杂，影响工作的效率。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种模块化电能及信号耦合传递装置及旋转导向钻井工具，该装置通过将整个电能及信号传递装置整合成一个完整的模块，不仅方便了安装，而且提高了传输的效率和准确性。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种模块化电能及信号耦合传递装置，包括初级支架和套于初级支架外部的次级支架，所述初级支架的上端固定设置有初级接线盘，所述次级支架的下端固定设置有次级接线盘；
所述的初级支架的外侧设置有开口向外的环状初级U型槽，所述的初级U型槽内设置有截面呈E型的初级软磁体，且所述的初级软磁体的开口向外；
所述初级软磁体的外侧套有初级护套，且所述的初级护套和截面呈E型的初级软磁体共同形成了呈环形的初级上空腔和初级下空腔，所述的初级上空腔内缠绕有初级电能线圈，所述的初级下空腔内缠绕有初级信号线圈；
所述的初级电能线圈和初级信号线圈分别通过导线与设置于所述初级接线盘上的初级插座相连；
所述的次级支架的内侧设置有开口向内的环状次级U型槽，所述的次级U型槽内设置有截面呈E型的次级软磁体，且所述的次级软磁体的开口向内；
所述次级软磁体的内侧设置有次级护套，且所述的次级护套和截面呈E型的次级软磁体共同形成了呈环形的次级上空腔和次级下空腔，所述的次级上空腔内缠绕有次级电能线圈，所述的次级下空腔内缠绕有次级信号线圈；
所述的次级电能线圈和次级信号线圈分别通过导线与设置于所述次级接线盘上的次级插座相连；
所述的初级支架和次级支架之间分别设置有上轴承和下轴承。
进一步地，所述的初级护套的上端抵靠在所述上轴承内圈的下端面上，所述初级护套的下端抵靠在所述下轴承内圈的上端面上，所述次级护套的上端抵靠在所述上轴承外圈的下端面上，所述次级护套的下端抵靠在所述下轴承外圈的上端面上，所述上轴承内圈的上端面和下轴承内圈的下端面分别通过设置于所述初级支架上的轴用弹性挡圈进行轴向定位，所述上轴承外圈的上端面和下轴承外圈的下端面分别通过设置于所述次级支架上的孔用弹性挡圈进行轴向定位。
进一步地，所述的次级软磁体包括三个第一次级软磁体，且相邻的第一次级软磁体之间同轴设置有若干个第二次级软磁体，其中所述的第一次级软磁体的外径与所述第二次级软磁体的外径相等，所述第一次级软磁体的内径小于所述第二次级软磁体的内径；
所述的初级软磁体包括三个第一初级软磁体，且相邻的第一初级软磁体之间同轴设置有若干个第二初级软磁体，其中所述的第一初级软磁体的内径与所述第二初级软磁体的内径相等，所述第一初级软磁体的外径大于所述第二初级软磁体的外径。
进一步地，所述的第一次级软磁体、第二次级软磁体、第一初级软磁体和第二初级软磁体均由两个半圆环状的软磁体组成。
进一步地，所述的初级支架和次级支架均采用高强度无磁金属材料制作而成。
进一步地，所述的初级护套和次级护套均由无磁非金属材料制作而成。
一种旋转导向钻井工具，包括外套和驱动轴心，所述外套的上端设置有沿轴线方向的座孔，且在所述座孔内所述的外套与旋转轴心共同形成了环形的空腔，所述的环形空腔内设置有电能及信号耦合传递装置；
所述电能及信号耦合传递装置为上述的任意一种模块化电能及信号耦合传递装置；
所述次级接线盘抵靠在位于所述座孔下端面上的次级接线座上，且所述的次级接线座上设置有与所述的次级插座相配合的次级插头，所述的次级插头通过导线与位于所述外套内的次级电路模块相连；
所述次级支架的上端抵靠在固定设置于所述外套上端的挡环上，所述的挡环与驱动轴心之间设置有推力轴承；
所述的初级支架的下端抵靠在设置于所述驱动轴心上的锁紧螺母上；
所述初级支架的上端抵靠在设置于所述驱动轴心上的初级接线座上，且所述的初级接线座上设置有与所述的初级插座相配合的初级插头，所述的初级插头通过导线与位于所述驱动轴心内的初级电路模块相连。
进一步地，所述的初级接线座与驱动轴心之间设置有碟簧。
本发明的有益效果是：
1、通过将整个电能及信号传递装置整合成一个完整的模块，实际应用中整体安装，简单方便。
2、初级支架和次级支架之间通过轴承连接，不仅保证了初级线圈和次级线圈之间的轴向相对位置，而且确保了初级线圈和次级线圈之间的径向相对位置，使耦合线圈之间的间隙小且均匀，内外耦合线圈相对转动灵活，提高了传递效率和可靠性。
3、通过电能线圈和信号线圈分别传递电能和信号，保证了电能传递的高效性和信号传递的准确性。
4、通过将初级软磁体和次级软磁体设计成E型，且开口相对布置，将耦合线圈完全的包裹在软磁体内，最大限度的减少了漏磁的现象，保证了电能传输的效率和信号传输的准确性。
5、初级软磁体和次级软磁体均采用分体式结构，降低了加工难度，及加工成本。
附图说明
图1为一种应用模块化电能及信号耦合传递装置的旋转导向钻井工具的结构示意图；
图2为图1中A部分的放大结构示意图；
图3为图1中B部分的放大结构示意图；
图4为图1中C部分的放大结构示意图；
图5为图1中D部分的放大结构示意图；
图6为模块化电能及信号耦合传递装置的结构示意图；
图7为次级软磁体的结构示意图；
图8为初级软磁体的结构示意图。
图中：1-驱动轴心，11-锁紧螺母，2-外套，3-碟簧，4-初级接线座，41-初级插头，5-次级接线座，51-次级插头，6-导线，7-推力轴承，8-挡环，911-初级支架，912-初级软磁体，9121-第一初级软磁体，9122-第二初级软磁体，913-初级电能线圈，914-初级信号线圈，915-初级护套，916-初级接线盘，9161-初级插座，921-次级支架，922-次级软磁体，9221-第一次级软磁体，9222-第二次级软磁体，923-次级电能线圈，924-次级信号线圈，925-次级护套，926-次级接线盘，9261-次级插座，93-上轴承，94-下轴承。
具体实施方式
如图6所示，一种模块化电能及信号耦合传递装置包括呈两端开口的圆筒状的初级支架911和次级支架921，所述的次级支架921套于所述初级支架911的外部。所述初级支架911的上端固定设置有初级接线盘916，所述次级支架921的下端固定设置有次级接线盘926。
所述的初级支架911的外侧设置有开口向外(以远离轴线的一侧为外侧，下同)的环状初级U型槽，所述的初级U型槽内设置有截面呈E型的初级软磁体912，且所述的初级软磁体912的开口向外。所述初级软磁体912的外侧套有初级护套915，且所述的初级护套915和截面呈E型的初级软磁体912共同形成了呈环形的初级上空腔和初级下空腔，所述的初级上空腔内缠绕有初级电能线圈913，所述的初级下空腔内缠绕有初级信号线圈914，所述的初级电能线圈913和初级信号线圈914分别通过导线6与设置于所述初级接线盘916上的初级插座9161相连。这样，所述的初级接线盘916、初级软磁体912、初级电能线圈913、初级信号线圈914、初级护套915和初级支架911共同形成初级支架911总成。
所述的次级支架921的内侧设置有开口向内(以远离轴线的一侧为外侧，下同)的环状次级U型槽，所述的次级U型槽内设置有截面呈E型的次级软磁体922，且所述的次级软磁体922的开口向内。所述次级软磁体922的内侧设置有次级护套925，且所述的次级护套925和截面呈E型的次级软磁体922共同形成了呈环形的次级上空腔和次级下空腔，所述的次级上空腔内缠绕有次级电能线圈923，所述的次级下空腔内缠绕有次级信号线圈924，所述的次级电能线圈923和次级信号线圈924分别通过导线6与设置于所述次级接线盘926上的次级插座9261相连。这样，所述的次级接线盘926、次级软磁体922、次级电能线圈923、次级信号线圈924、次级护套925和次级支架921共同形成次级支架921总成。
所述的初级支架911和次级支架921之间分别设置有上轴承93和下轴承94，如图3和图5所示，所述的初级护套915的上端抵靠在所述上轴承93内圈的下端面上，所述初级护套915的下端抵靠在所述下轴承94内圈的上端面上，所述次级护套925的上端抵靠在所述上轴承93外圈的下端面上，所述次级护套925的下端抵靠在所述下轴承94外圈的上端面上。所述上轴承93内圈的上端面和下轴承94内圈的下端面分别通过设置于所述初级支架911上的轴用弹性挡圈进行轴向定位，所述上轴承93外圈的上端面和下轴承94外圈的下端面分别通过设置于所述次级支架921上的孔用弹性挡圈进行轴向定位。这样，初级支架911和次级支架921之间通过轴承连接，不仅保证了初级线圈和次级线圈之间的轴向相对位置，而且确保了初级线圈和次级线圈之间的径向相对位置，使耦合线圈之间的间隙小且均匀，内外耦合线圈相对转动灵活，提高了传递效率和可靠性。
安装时，首先分别将初级接线盘916、初级软磁体912、初级电能线圈913、初级信号线圈914和初级护套915固定安装在初级支架911上，形成初级支架911总成。然后分别将次级接线盘926、次级软磁体922、次级电能线圈923、次级信号线圈924和次级护套925固定安装于次级支架921上，形成次级支架921总成。然后将初级支架911总成和次级支架921总成利用上轴承93和下轴承94同轴安装到一起，使其成为各部件位置固定且能相对转动的电能及信号耦合传递模块。
进一步地，由于制造初级软磁体912和次级软磁体922的材料为铁氧体，该材料硬而脆，若所述的初级软磁体912和次级软磁体922采用一体式结构，那么在加工的过程中，由于初级软磁体912和次级软磁体922的截面结构比较复杂，非常容易发生断裂，次品率高。为此如图7所示，所述的次级软磁体922采用分体式结构，即包括三个第一次级软磁体9221，且相邻的第一次级软磁体9221之间同轴设置有若干个第二次级软磁体9222，其中所述的第一次级软磁体9221的外径与所述第二次级软磁体9222的外径相等，所述第一次级软磁体9221的内径小于所述第二次级软磁体9222的内径。如图8所示，所述的初级软磁体912采用分体式结构，即包括三个第一初级软磁体9121，且相邻的第一初级软磁体9121之间同轴设置有若干个第二初级软磁体9122，其中所述的第一初级软磁体9121的内径与所述第二初级软磁体9122的内径相等，所述第一初级软磁体9121的外径大于所述第二初级软磁体9122的外径。
进一步地，为了方便安装，所述的第一次级软磁体9221、第二次级软磁体9222、第一初级软磁体9121和第二初级软磁体9122均由两个半圆环状的软磁体组成。
进一步地，所述的初级支架911和次级支架921均采用高强度无磁金属材料制作而成。
进一步地，所述的初级护套915和次级护套925均由无磁非金属材料制作而成。
如图1所示，一种应用模块化电能及信号耦合传递装置的旋转导向钻井工具包括外套2，所述外套2的内部沿轴线方向设置有台阶孔，且所述台阶孔从上往下直径逐渐减小，为了方便描述，现将台阶孔中直径最大的一段定义为座孔。所述的台阶孔内同轴设置有旋转轴心，且在座孔内所述的外套2与旋转轴心共同形成了环形的空腔，所述的环形空腔内设置有电能及信号耦合传递装置。其中所述次级接线盘926抵靠在位于所述座孔下端面上的次级接线座5上，且所述的次级接线座5上设置有与所述的次级插座9261相配合的次级插头51，所述的次级插头51通过导线6与位于所述外套2内的次级电路模块相连；所述次级支架921的上端抵靠在固定设置于所述外套2上端的挡环8上，所述的挡环8与驱动轴心1之间设置有推力轴承7。所述的驱动轴心1上位于所述座孔的下端设置有锁紧螺母11，所述的初级支架911的下端地靠在所述的锁紧螺母11上；所述驱动轴心1上位于所述座孔的上端设置有初级接线座4，所述初级支架911的上端抵靠在所述的初级接线座4上，且所述的初级接线座4上设置有与所述的初级插座9161相配合的初级插头41，所述的初级插头41通过导线6与位于所述驱动轴心1内的初级电路模块相连。
进一步地，为了使所述的初级插头41与初级插座9161，以及次级插头51和次级插座9261能够可靠接触，所述的初级接线座4与驱动轴心1之间设置有碟簧3。
安装时，首先将电能及信号耦合传递装置整体固定安装进外套2的座孔内，使外套2座孔内已经安装好的次级接线座5与次级支架921下端的次级接线盘926对合，安装在次级接线座5上的次级插头51与安装在次级接线盘926上的次级插座9261自然插合，实现电信号的稳定传递形成外套2总成。然后在驱动轴心1依次安装碟簧3和初级接线座4，并将位于初级接线座4上的初级插头41和驱动轴心1内的初级电路模块之间通过导线6连接起来，形成驱动轴心1总成。然后将外套2总成与驱动轴心1总成套合安装，最后安装钻头，完成全部安装。
工作时，驱动轴心1带动初级支架911总成和钻头一起旋转，外套2及固定安装其上的次级支架921总成相对驱动轴心1转动，但轴向位置不变。电能和指令信号通过初级电路模块调制解调后，经由导线6传递到初级电能线圈913和初级信号线圈914，经过线圈的耦合作用次级电能线圈923和次级信号线圈924接收到电能和指令信号，并利用导线6传递给次级电路模块，次级电路模块对电能信号进行调制解调整流，得到需要的电能信号，对指令信号进行编译处理得到可识别执行的指令信号。同时反馈信号通过次级电路模块调制解调，经由次级导线6传递到次级信号线圈924，通过耦合作用初级信号线圈914接收到反馈信号，并经由导线6传递给初级电路模块，经过初级电路模块的编译处理，继续向上传递。
Claims (8)
1.一种模块化电能及信号耦合传递装置，其特征在于：包括初级支架和套于初级支架外部的次级支架，所述初级支架的上端固定设置有初级接线盘，所述次级支架的下端固定设置有次级接线盘；
所述的初级支架的外侧设置有开口向外的环状初级U型槽，所述的初级U型槽内设置有截面呈E型的初级软磁体，且所述的初级软磁体的开口向外；
所述初级软磁体的外侧套有初级护套，且所述的初级护套和截面呈E型的初级软磁体共同形成了呈环形的初级上空腔和初级下空腔，所述的初级上空腔内缠绕有初级电能线圈，所述的初级下空腔内缠绕有初级信号线圈；
所述的初级电能线圈和初级信号线圈分别通过导线与设置于所述初级接线盘上的初级插座相连；
所述的次级支架的内侧设置有开口向内的环状次级U型槽，所述的次级U型槽内设置有截面呈E型的次级软磁体，且所述的次级软磁体的开口向内；
所述次级软磁体的内侧设置有次级护套，且所述的次级护套和截面呈E型的次级软磁体共同形成了呈环形的次级上空腔和次级下空腔，所述的次级上空腔内缠绕有次级电能线圈，所述的次级下空腔内缠绕有次级信号线圈；
所述的次级电能线圈和次级信号线圈分别通过导线与设置于所述次级接线盘上的次级插座相连；
所述的初级支架和次级支架之间分别设置有上轴承和下轴承。
2.根据权利要求1所述的一种模块化电能及信号耦合传递装置，其特征在于：所述的初级护套的上端抵靠在所述上轴承内圈的下端面上，所述初级护套的下端抵靠在所述下轴承内圈的上端面上，所述次级护套的上端抵靠在所述上轴承外圈的下端面上，所述次级护套的下端抵靠在所述下轴承外圈的上端面上，所述上轴承内圈的上端面和下轴承内圈的下端面分别通过设置于所述初级支架上的轴用弹性挡圈进行轴向定位，所述上轴承外圈的上端面和下轴承外圈的下端面分别通过设置于所述次级支架上的孔用弹性挡圈进行轴向定位。
3.根据权利要求1所述的一种模块化电能及信号耦合传递装置，其特征在于：所述的次级软磁体包括三个第一次级软磁体，且相邻的第一次级软磁体之间同轴设置有若干个第二次级软磁体，其中所述的第一次级软磁体的外径与所述第二次级软磁体的外径相等，所述第一次级软磁体的内径小于所述第二次级软磁体的内径；
所述的初级软磁体包括三个第一初级软磁体，且相邻的第一初级软磁体之间同轴设置有若干个第二初级软磁体，其中所述的第一初级软磁体的内径与所述第二初级软磁体的内径相等，所述第一初级软磁体的外径大于所述第二初级软磁体的外径。
4.根据权利要求3所述的一种模块化电能及信号耦合传递装置，其特征在于：所述的第一次级软磁体、第二次级软磁体、第一初级软磁体和第二初级软磁体均由两个半圆环状的软磁体组成。
5.根据权利要求1所述的一种模块化电能及信号耦合传递装置，其特征在于：所述的初级支架和次级支架均采用高强度无磁金属材料制作而成。
6.根据权利要求1所述的一种模块化电能及信号耦合传递装置，其特征在于：所述的初级护套和次级护套均由无磁非金属材料制作而成。
7.一种旋转导向钻井工具，包括外套和驱动轴心，其特征在于：所述外套的上端设置有沿轴线方向的座孔，且在所述座孔内所述的外套与旋转轴心共同形成了环形的空腔，所述的环形空腔内设置有电能及信号耦合传递装置；
所述电能及信号耦合传递装置为权利要求1至6中所述的任意一种模块化电能及信号耦合传递装置；
所述次级接线盘抵靠在位于所述座孔下端面上的次级接线座上，且所述的次级接线座上设置有与所述的次级插座相配合的次级插头，所述的次级插头通过导线与位于所述外套内的次级电路模块相连；
所述次级支架的上端抵靠在固定设置于所述外套上端的挡环上，所述的挡环与驱动轴心之间设置有推力轴承；
所述的初级支架的下端抵靠在设置于所述驱动轴心上的锁紧螺母上；
所述初级支架的上端抵靠在设置于所述驱动轴心上的初级接线座上，且所述的初级接线座上设置有与所述的初级插座相配合的初级插头，所述的初级插头通过导线与位于所述驱动轴心内的初级电路模块相连。
8.根据权利要求7所述的一种旋转导向钻井工具，其特征在于：所述的初级接线座与驱动轴心之间设置有碟簧。
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