CN107546860A - 一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置 - Google Patents

Abstract

本发明的属于一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，它包括内磁钢组件和外磁钢组件。内磁钢组件结构部分包括内磁钢、内磁条，外磁钢组件包括外磁钢、外磁条。初级磁芯的线圈部分可以分为n(n≥2)部分，两侧边缘的磁芯是中间磁芯的一半，外磁钢组件采用线圈外绕方式，线圈与磁芯都位于结构件外围。本发明的优点是：减少漏磁，易于加工和安装，振动级别较大的恶略环境不易损坏，增加旋转导向工具的可靠性。两侧边缘的磁芯是中间磁芯的一半，这种结构会使初级磁芯和次级磁芯的磁阻为现有非接触电能传输装置的1/N，磁路长度为现有非接触电能传输装置的1/N，磁机构上下部分漏出去的磁场互相抵消，减小非接触电能传输过程中对外部干扰噪声。

Description

一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置

技术领域

本发明属于一种电能发射和电能拾取装置，具体涉及一种非接触的高效率低噪声电能传输装置，它主要用于石油钻井仪器的旋转导向工具。

背景技术

钻井是油气等地下资源开采工程中必不可少的一个环节，其目的是建立一条地下油藏与地面之间的一个传输通道。由于地下油藏储存的不规则性与可预测性差，以及地下地质环境的复杂性，使得钻井过程异常困难。为了更高效地建立这条传输通道，水平井、多分支井、大位移井、三维井的井身设计越来越多，多种复杂的工程施工工艺技术得以应用，旋转导向钻井技术是其中最先进的钻井施工工艺技术之一。

旋转导向工具供电采用泥浆发电机发电，这样的供电系统决定了旋转导向工具的旋转主轴和非旋转部分之间电能的传递，通过滑环连接方式实现旋转主轴与非旋转套的电能的传输，但这种连接方式可靠性不高，不易工程化实现，因此采用非接触式电磁感应原理实现电能的传输。井下结构要求比较苛刻，且环境复杂，存在较大的设计难度。钻井过程中高温、高压、强振动冲击及泥浆的存在，非接触电能传输效率，电磁噪声和整体的可靠性等方面的问题较为突出。

非接触电能传输是基于电磁感应理论的功率变换技术，其发展方向是大功率，高效率，低噪声，电路都采用通用的技术，在发展过程中面临着诸多挑战，比较突出的问题是如何提高电能传输的效率。为了减小垂直钻井系统非接触电能传输系统变压器的尺寸，功率逆变电路采取高频运行，但是过高的开关损耗势将不容忽视。为了降低开关损耗和高频运行，谐振软开关技术已经得到了发展。这些技术采用正弦方式处理电力，开关器件能够实现软换流，使得开关损耗与噪声大为降低。

美国专利US 6540032公开了一种井下钻具中静止部件与旋转部件之间非接触电能传输的方法和装置，虽然该专利提出的变压器原理结构可行，但是该方案公开的是整个石油仪器的结构件，没有按照非接触电能传输松耦合变压器的方式来展开叙述，而且整个装置体积较大，不利于抗井下强烈振动和冲击。

中国专利CN105186705A公开了一种高效率的电能发射端，非接触电能传输装置和电能传输方法，利用电感和由电感和电容构成的软开关电路来调节所述直流交流电压变换器的输出等效阻抗，使得输出等效阻抗保持为感性阻抗，可以让直流-交流电压变换器中的开关器件在导通前电压下降为零，实现零电压导通。该方法只对非接触直流-交流变换器的电路实现软开关，但是该方法没有对非接触电能传输中的内磁钢组件和外磁钢组件之间的耦合参数和结构进行考虑。

中国专利CN1033121173公开了一种用于垂直钻井系统的非接触电能传输系统，该方案只是根据其电路对应的单端反激式变换器的功率变压器，所述初级磁芯和次级磁芯均为E形磁芯，所述初级绕组和次级绕组分别在各自磁芯的两个窗口上反向绕制。此方案的磁芯和磁芯之间是根据电机的结构来简单模仿，这样的结构会导致磁场的泄露，并且增加非接触电能传输过程中的磁损耗，并且产生的漏磁会干扰其他处理电路。该方法只是采用其特殊的单端反激电路对应的特殊非接触变压器结构，没有考虑到次级磁芯在拾取过程中对初级磁芯产生相应的互感导致的初级磁芯的损耗，以及磁芯结构、线圈和磁芯之间的关系均未涉及。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置及方法，它能够客服上述现有非接触变压器存在的电磁辐射大，传输效率地，耦合系数低的缺点。

本发明是这样实现的，一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，它包括内磁钢组件和外磁钢组件，其中内磁钢组件用于电能的发射，外磁钢组件用于电能的拾取，所述的内磁钢组件和外磁钢组件之间留有气隙且内、外磁钢组件是旋转的，其中，内磁钢组件包括内磁芯和线圈，内磁芯由内磁条粘接而成，外磁钢组件包括外磁条和线圈。

内磁钢线圈为内磁条的凹槽部分，其中线圈中的匝间间距是边缘磁芯的一半，线圈的绕线第一部分为顺时针，然后第二部分逆时针，第n-1部分是逆时针，第n部分是顺时针。

所述的凹槽部分可以分为n(n≥2)部分，两端磁芯的凸起部分是中间磁芯的凸起部分(n-1)的一半，其中内磁条的个数为m。

内磁钢的内磁条的个数m和磁条的长度l存在以下关系m×l＝360；

外磁钢的磁条包含凹槽部分和凸起部分，所述的凹槽部分可以分为n(n≥2)部分，磁芯的凸起部分是中间磁芯的凸起部分n+1(n≥2)部分。

所述的外磁钢组件采用线圈外绕方式，线圈与磁芯都位于结构件外侧面上。

外磁钢的线圈为磁条的凹槽部分，其中线圈中的匝间间距是边缘磁芯的一半。

所述的外磁钢线圈全部采用顺时针方向绕指。

所述的外磁钢的外磁条的个数m和磁条的长度l存在以下关系m×l＝360。

本发明的优点是，(1)本发明的非接触电能传输装置及方法的变压器为结构上相互分离和电气上是相互隔离，通过分别对现有的非接触电能传输装置的变压器的磁芯结构和绕线方式进行改进，使内磁钢和外磁钢之间磁阻减小为原来的1/n，磁路长度减小为原来的1/n，进一步使电能发射端和接受端的磁场损耗大幅度降低，提高了本发明中非接触电能传输装置的传输效率；(2)本发明通过增加线圈的匝间距离，使分布电容参数降低，比现有的已公开的非接触电能传输装置的电磁感应强度增强，间接的增大了非接触电能传输装置的功率容量；(3)通过对次级线圈产生感应电流后，次级线圈相应的也会和初级线圈产生相应的感应电动势，通过对初级线圈的绕线第一部分为顺时针，然后第二部分逆时针，依次类推，第n-1部分是逆时针，第n部分是顺时针。这种绕线相邻线圈之间为反向，次级线圈的感应电流对初级线圈产生的感应电流，初级线圈不接受，这样减少了磁损耗；(4)本发明从非接触的内磁钢和外磁钢的结构考虑到实际的工程化要求，对内磁钢和外磁钢采用不同的安装结构方式，使旋转导向工具的非接触部分工作稳定可靠，使得输出功率和传输效率达到最大值，对于井下相对旋转部件之间非接触电能传输实际应用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所提供的一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置的内磁钢组件的示意图；

图2是本发明所提供的一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置的外磁钢组件的示意图；

图3是本发明所提供的一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置的径向剖面图；

图4是本发明所提供的一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置的轴向剖面图。

图中：1初级磁芯上边缘的凸起部分，2初级磁芯绕组之间的凸起部分，3初级磁芯上边缘的凸起部分，4初级线圈，5次级磁芯上边缘的凸起部分，6次级磁芯绕组之间的凸起部分，7次级磁芯上边缘的凸起部分，8次级线圈，9次级磁芯，10次级磁芯的结构件部分，11初级磁芯，12初级磁芯的结构件部分，13气隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，包括内磁钢组件和外磁钢组件，外磁钢组件套装在内磁钢组件外，两者之间留有气隙为非接触。其中，内磁钢组件用于电能的发射，内磁钢组件属于电能发射机构，外磁钢组件用于电能的拾取，外磁钢组件属于电能拾取机构。内磁钢组件、与外磁钢组件之间有气隙且内磁钢组件、与外磁钢组件是旋转的。

如图3、图4所示，内磁钢组件包括初级磁芯11和初级磁芯的结构件部分12。外磁钢组件包括次级磁芯9和次级磁芯的结构件部分10。

因为外磁钢组件和内磁钢组件的相对旋转速度是非定值，因此为了让非接触电能传输装置在这方面形成不必要的磁阻损耗。内、外磁钢组件的磁芯均采用全磁结构，保证磁力线的走向，磁芯采用圆弧状，紧密排列。

内磁钢组件的初级磁芯11包括磁条和线圈，磁条包含凹槽部分和凸起部分，其中凹槽部分可以分为n(n≥2)部分，两端初级磁芯11的凸起部分是中间初级磁芯11的凸起部分(n-1)的一半，其中磁条的个数为m。内磁钢线圈为磁条的凹槽部分，线圈的绕线第一部分为顺时针，然后第二部分逆时针，依次类推，第n-1部分是逆时针，第n部分是顺时针。使内磁钢和外磁钢之间磁阻减小为原来的1/n，磁路长度减小为原来的1/n，进一步使电能发射端和接受端的磁场损耗大幅度降低。

现有变压器的绕组结构一般为紧密缠绕型，但是加载高频电压信号后，紧密缠绕的辐射电阻迅速增大，因此在保证线圈谐振结构的前提下，保证线圈稀疏缠绕。本发明的内外磁钢线圈的匝间间距是边缘磁芯的一半。

内、外磁钢组件的内、外磁条满足以下关系：

m×l＝360；

其中，m是内磁条的个数，l是磁条的长度。非接触电能传输过程中，磁场以内磁钢的圆心为轴，外磁钢的线圈外表面形成一个磁场的圆柱形磁场区域，让磁场充满在这个圆柱形的区域内。

内外磁钢的两端边缘凸起部分的长度是匝间距离的两倍，这样带来的好处就是可以遮挡磁力线，避免磁力线泄露出去，造成非接触电能传输装置的磁损耗。

内磁钢n个凹槽的上下边缘的凸起磁芯的尺寸是中间凸起磁芯的一半，这样内磁钢就等效成n个小磁场源并联的关系。

外磁钢的磁条包含n部分凹槽部分和n+1部分凸起部分，n的取值相应的和内磁钢的保持一致，其中凹槽部分可以分为n(n≥2)部分，磁芯的凸起部分是中间磁芯的凸起部分n+1(n≥2)部分。

外磁钢的上下边缘的凸起磁芯的尺寸是中间凸起磁芯的一半；内磁钢线圈部分就是磁条的凹槽部分，外磁钢线圈部分的绕线全部采用顺时针绕制，和内磁钢线圈部分先顺时针，然后逆时针由明显区别，外磁钢采用顺时针绕制这种结构方式可以等效为n个小磁场的串联，提高外磁钢的输出电压，可以减小次级整流电路的损耗，对非接触电能传输装置的效率大有好处。

外磁钢组件采用线圈外绕方式，这种方式明显区别于现有非接触电能传输装置的地方，线圈与磁芯都位于结构件外围。，点是减少漏磁，是易于加工和安装，不易损坏，增加旋转导向工具的可靠性。

现有变压器的绕组结构一般为紧密缠绕型，但是加载高频电压信号后，紧密缠绕的辐射电阻迅速增大，因此在保证线圈谐振结构的前提下，保证线圈稀疏缠绕。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，其特征在于：它包括内磁钢组件和外磁钢组件，其中内磁钢组件用于电能的发射，外磁钢组件用于电能的拾取，所述的内磁钢组件和外磁钢组件之间留有气隙且内、外磁钢组件是旋转的，其中，内磁钢组件包括内磁芯和线圈，内磁芯由内磁条粘接而成，外磁钢组件包括外磁条和线圈。

2.如权利要求1所述的一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，其特征在于：内磁钢线圈为内磁条的凹槽部分，其中线圈中的匝间间距是边缘磁芯的一半，线圈的绕线第一部分为顺时针，然后第二部分逆时针，第n-1部分是逆时针，第n部分是顺时针。

3.如权利要求2所述的一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，其特征在于：所述的凹槽部分可以分为n(n≥2)部分，两端磁芯的凸起部分是中间磁芯的凸起部分(n-1)的一半，其中内磁条的个数为m。

4.如权利要求2所述的一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，其特征在于：内磁钢的内磁条的个数m和磁条的长度l存在以下关系m×l＝360。

5.如权利要求1所述一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，其特征在于：外磁钢的磁条包含凹槽部分和凸起部分，所述的凹槽部分可以分为n(n≥2)部分，磁芯的凸起部分是中间磁芯的凸起部分n+1(n≥2)部分。

6.如权利要求1所述一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，其特征在于：所述的外磁钢组件采用线圈外绕方式，线圈与磁芯都位于结构件外侧面上。

7.如权利要求1所述一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，其特征在于：外磁钢的线圈为磁条的凹槽部分，其中线圈中的匝间间距是边缘磁芯的一半。

8.如权利要求7所述一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，其特征在于：所述的外磁钢线圈全部采用顺时针方向绕指。

9.如权利要求7所述一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置，其特征在于：所述的外磁钢的外磁条的个数m和磁条的长度l存在以下关系m×l＝360。