CN114017013B - 适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法，涉及石油钻井领域。本发明包括耦合器结构尺寸设计步骤、仿真建模步骤、磁环、线圈模型构建步骤、磁环比例的抗纵向偏移仿真步骤、气隙宽度的抗纵向偏移仿真步骤和磁芯端部面积及轭部面积的抗纵向偏移仿真步骤通过上述步骤，并结合旋转导向工具整体尺寸，确定好传输效率和传输功率后，根据自感和互感值，并考虑纵向偏移因素，最终得到内筒磁芯和外筒磁芯的尺寸参数，由此确定耦合机构的所有参数。本发明可在满足实际需求指标前提下，优化磁耦合机构性能。不仅可以降低系统体积与成本，而且在传输效率和抗偏移上有一定的进步。

Description

适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，尤其涉及石油钻井中电能传输装置技术领域，更具体地说，涉及一种适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法。

背景技术

新西兰奥克兰大学的Boys J.T.团队提出了一种米字型磁芯的电磁耦合机构，该机构在传输距离20cm的情况下，耦合系数为0.17左右。日本埼玉大学提出的H-型电磁耦合机构，在传输距离20cm的情况下，耦合系数为0.12，该结构的不足之处在于其绕线较多、结构笨重且传输功率受限。中国台湾成功大学的Lee等提出了编型电磁耦合机构，该机构增加了较大的用线量，使得耦合效率较低，且复杂的绕线方式限制了能量传输效率以及功率输出等级。韩国科学技术院的Choi等提出了一种非对称电磁耦合机构，它能够增加横向偏移容忍度，但是磁路引导部分比较笨重，增加了机构的成本以及工程实现难度。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法，本发明的发明目的在于针对现有磁耦合机构存在的问题，如体积大、抗偏移效果差等问题，本发明设计了一种适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法，可在满足实际需求指标前提下，优化磁耦合机构性能。本发明利用有限元仿真软件，优化设计磁耦合机构的最优磁芯比，不仅可以降低系统体积与成本，而且在传输效率和抗偏移上有一定的进步。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法，该方法具体包括以下步骤：

S1、耦合器结构尺寸设计步骤：根据旋转导向钻井工具整体设计要求，将耦合器结构设计成内筒磁芯和外筒磁芯套合形式，内筒磁芯和外筒磁芯的最小和最大直径均满足旋转导向钻井工具整体尺寸要求；

S2、仿真建模步骤：在仿真平台上，绘制S1步骤中内筒磁芯和外筒磁芯套合形式的耦合器的几何模型；

S3、磁环、线圈模型构建步骤：分别构建内筒磁芯和外筒磁芯上磁环和线圈的复合三维模型，设置材料参数及边界条件；

S4、磁环比例的抗纵向偏移仿真步骤：初始化不变参数，不变参数包括磁环内径、磁环总高、传输功率以及内筒磁芯与外筒磁芯之间的气隙；设置变量参数，变量参数包括上凸磁环高度、上凸磁环厚度、中凹磁环高度、中凹磁环厚度、下凸磁环高度、下凸磁环厚度、线圈匝数和内筒磁芯垂直纵向偏移距离；得到一定纵向偏移下，对补偿电容影响最低的磁环比例；

S5、气隙宽度的抗纵向偏移仿真步骤：设定传输功率、线圈匝数、磁芯磁阻、磁芯上凸磁环和下凸磁环所形成的磁芯两端部的端部面积以及中间凹磁环形成的磁芯轭部面积参数不变，对气隙宽度进行调节，并对内筒磁芯和外筒磁芯纵向偏移度进行调节；对耦合器进行仿真，得到相应的磁场分布、磁密云图和电磁参数，从而确定气隙宽度的抗纵向偏移能力，得到最佳气隙宽度参数值；

S6、磁芯端部面积及轭部面积的抗纵向偏移仿真步骤：设定线圈采用Q型结构绕制，线圈匝数、气隙宽度、传输功率和磁芯磁阻参数不变，对磁芯上凸磁环和下凸磁环所形成的磁芯两端部的端部面积、中间凹磁环形成的磁芯轭部面积、端部厚度和轭部厚度参数进行调整，对耦合器进行仿真，计算出抗纵向偏移、传输效率最佳条件下的磁芯端部面积、磁芯轭部面积、磁芯端部厚度和轭部厚度参数；

通过上述S4至S6步骤，并结合旋转导向工具整体尺寸，确定好传输效率和传输功率后，根据自感和互感值，并考虑纵向偏移因素，最终得到内筒磁芯和外筒磁芯的尺寸参数，由此确定耦合机构的所有参数。

该方法中耦合器包括磁芯和线圈，所述磁芯由三块环状铁氧体磁环紧贴旋转金属筒壁依次排布构成；金属筒分为内筒和外筒，内筒和外筒各贴三块环状铁氧体磁环，分别形成内筒磁芯和外筒磁芯，内筒磁芯上的三个磁环内径相同，位于中间的磁环的外径小于位于两端的磁环外径，形成两端凸中间凹的线圈放置槽；所述外筒磁芯上的三个磁环外径相同，位于中间的磁环的内径大于位于两端的磁环内径，形成两端凸中间凹的线圈放置槽；线圈在线圈放置槽中呈Q型绕制方式。

S2步骤中，在COMSOL仿真平台中，内筒磁芯和外筒磁芯的几何参数分别为：内筒半径55mm，内筒与外筒间隙66mm，外筒内径76mm，内筒和外筒高度均为76mm。

S3步骤中设置材料参数及边界条件具体是指，输入电流设为1A，内筒和外筒材料电导率1.12e7[S/m]，相对磁导率4000，导热系数76.2[W/(m*K)] ，密度7870[kg/m³]；磁环为软磁铁材料，电导率0，相对磁导率2300；线圈的线径r为1.5mm，电导率为5.998e7[S/m]，密度8960[kg/m³]。

所述S4步骤，传输功率设置为200W，具体包括以下步骤：

S401、设定上凸磁环厚度、中凹磁环厚度、下凸磁环厚度和内筒垂直纵向偏移距离不变，对内筒垂直纵向偏移距离、上凸磁环高度和下凸磁环高度进行参数化扫描，得到上凸磁环高度和下凸磁环高度的比例与耦合系数的关系；

S402、根据上述S401步骤，确定上凸磁环高度和下凸磁环高度的比例关系；设定上凸磁环厚度、中凹磁环厚度、下凸磁环厚度和线圈匝数不变，对内筒垂直纵向偏移距离、上凸磁环高度和下凸磁环高度进行参数扫描，选择一定纵向偏移范围内，最优的上凸磁环高度值、中凹磁环高度值和下凸磁环高度值；

S403、根据上述S402步骤，确定上凸磁环高度值、中凹磁环高度值和下凸磁环高度值，对上凸磁环厚度、中凹磁环厚度、下凸磁环厚度和内筒垂直纵向偏移距离进行参数化扫描，选择一定纵向偏移范围内，最优的上凸磁环厚度、中凹磁环厚度和下凸磁环厚度；

通过上述S401至S403步骤，得到一定纵向偏移范围内，对补偿电容影响最低的磁环比例。

所述S6步骤具体包括以下步骤：

S601、首先固定磁芯纵向尺寸，以确定磁芯端部长度和磁芯轭部长度的最优比例关系；

S602、确定好磁芯端部长度和磁芯轭部长度的最优长度后，依次增加磁芯端部厚度，以确定磁芯端部厚度与磁芯总厚度的最优比例；

S603、确定好磁芯端部厚度与磁芯总厚度的最优比例后，逐渐对内筒磁芯和外筒磁芯之间的纵向偏移距离，以及磁芯端部长度占磁芯总长的比例，进行调节以确定磁芯端部长度占磁芯总长的比例与纵向偏移距离的变化关系。

更进一步的，所述S2步骤中所述的仿真平台为ANSYS Maxwell仿真平台、SIMLINK仿真平台或COMSOL仿真平台中的一种。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

本发明设计一种应用于是由钻井领域无线电能传输的凹凸型磁耦合机构的优化设计方法，可在满足实际需求指标前提下，优化磁耦合机构性能。本发明利用有限元仿真软件，优化设计磁耦合机构的最优磁芯比，不仅可以降低系统体积与成本，而且在传输效率和抗偏移上有一定的进步。

附图说明

图1为磁耦合式无线电能传输系统基本结构图；

图2为纵向偏移后耦合机构结构示意图；

图3为偏移后耦合机构剖面图；

图4为内筒磁芯的结构示意图；

图5为不偏移时耦合机构磁感应强度体密度分布图；

图6为纵向偏移20mm时耦合机构磁感应强度体密度分布图；

图7为三块环状铁氧体磁环形成的凹凸磁芯示意图；

图8为上凸磁环高度与下凸磁环高度比例与耦合系数的关系图；

图9为磁芯宽度、厚度与互感的三维曲面图；

图10为耦合机构互感变化率随纵向偏移增大而变化曲线图；

附图标记：1、内筒磁芯，2、外筒磁芯，3、内筒，4、上凸磁环，5、中凹磁环，6、下凸磁环，7、磁芯端部，8、磁芯轭部。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

作为本实施例的一种实施方式，适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法，该方法具体包括以下步骤：

S1、耦合器结构尺寸设计步骤：根据旋转导向钻井工具整体设计要求，将耦合器结构设计成内筒磁芯和外筒磁芯套合形式，内筒磁芯和外筒磁芯的最小和最大直径均满足旋转导向钻井工具整体尺寸要求；

S2、仿真建模步骤：在仿真平台上，绘制S1步骤中内筒磁芯和外筒磁芯套合形式的耦合器的几何模型；

S3、分别构建内筒磁芯和外筒磁芯上磁环和线圈的复合三维模型，设置材料参数及边界条件；

S4、磁环比例的抗纵向偏移仿真步骤：初始化不变参数，不变参数包括磁环内径、磁环总高、传输功率以及内筒磁芯与外筒磁芯之间的气隙；设置变量参数，变量参数包括上凸磁环高度、上凸磁环厚度、中凹磁环高度、中凹磁环厚度、下凸磁环高度、下凸磁环厚度、线圈匝数和内筒磁芯垂直纵向偏移距离；得到一定纵向偏移下，对补偿电容影响最低的磁环比例；

S5、气隙宽度的抗纵向偏移仿真步骤：设定传输功率、线圈匝数、磁芯磁阻、磁芯上凸磁环和下凸磁环所形成的磁芯两端部的端部面积以及中间凹磁环形成的磁芯轭部面积参数不变，对气隙宽度进行调节，并对内筒磁芯和外筒磁芯纵向偏移度进行调节；对耦合器进行仿真，得到相应的磁场分布、磁密云图和电磁参数，从而确定气隙宽度的抗纵向偏移能力，得到最佳气隙宽度参数值；

S6、磁芯端部面积及轭部面积的抗纵向偏移仿真步骤：设定线圈采用Q型结构绕制，线圈匝数、气隙宽度、传输功率和磁芯磁阻参数不变，对磁芯上凸磁环和下凸磁环所形成的磁芯两端部的端部面积、中间凹磁环形成的磁芯轭部面积、端部厚度和轭部厚度参数进行调整，对耦合器进行仿真，计算出抗纵向偏移、传输效率最佳条件下的磁芯端部面积、磁芯轭部面积、磁芯端部厚度和轭部厚度参数；

通过上述S4至S6步骤，并结合旋转导向工具整体尺寸，确定好传输效率和传输功率后，根据自感和互感值，并考虑纵向偏移因素，最终得到内筒磁芯和外筒磁芯的尺寸参数，由此确定耦合机构的所有参数。

实施例2

作为本实施例又一种实施方式，更进一步的，上述实施例1的方法中耦合器包括磁芯和线圈，所述磁芯由三块环状铁氧体磁环紧贴旋转金属筒壁依次排布构成；金属筒分为内筒和外筒，内筒和外筒各贴三块环状铁氧体磁环，分别形成内筒磁芯和外筒磁芯，内筒磁芯上的三个磁环内径相同，位于中间的磁环的外径小于位于两端的磁环外径，形成两端凸中间凹的线圈放置槽；所述外筒磁芯上的三个磁环外径相同，位于中间的磁环的内径大于位于两端的磁环内径，形成两端凸中间凹的线圈放置槽；线圈在线圈放置槽中呈Q型绕制方式。

实施例3

作为本实施例又一种实施方式，上述实施例的实施方式中，S2步骤中，在COMSOL仿真平台中，内筒磁芯和外筒磁芯的几何参数分别为：内筒半径55mm，内筒与外筒间隙66mm，外筒内径76mm，内筒和外筒高度均为76mm。

实施例4

作为本实施例的又一种实施方式，上述实施例的实施方式中，S3步骤中设置材料参数及边界条件具体是指，输入电流设为1A，内筒和外筒材料电导率1.12e7[S/m]，相对磁导率4000，导热系数76.2[W/(m*K)] ，密度7870[kg/m³]；磁环为软磁铁材料，电导率0，相对磁导率2300；线圈的线径r为1.5mm，电导率为5.998e7[S/m]，密度8960[kg/m³]。

实施例5

作为本实施例的又一种实施方式，上述实施例的实施方式中，所述S4步骤，传输功率设置为200W，具体包括以下步骤：

S401、设定上凸磁环厚度、中凹磁环厚度、下凸磁环厚度和内筒垂直纵向偏移距离不变，对内筒垂直纵向偏移距离、上凸磁环高度和下凸磁环高度进行参数化扫描，得到上凸磁环高度和下凸磁环高度的比例与耦合系数的关系；

S402、根据上述S401步骤，确定上凸磁环高度和下凸磁环高度的比例关系；设定上凸磁环厚度、中凹磁环厚度、下凸磁环厚度和线圈匝数不变，对内筒垂直纵向偏移距离、上凸磁环高度和下凸磁环高度进行参数扫描，选择一定纵向偏移范围内，最优的上凸磁环高度值、中凹磁环高度值和下凸磁环高度值；

S403、根据上述S402步骤，确定上凸磁环高度值、中凹磁环高度值和下凸磁环高度值，对上凸磁环厚度、中凹磁环厚度、下凸磁环厚度和内筒垂直纵向偏移距离进行参数化扫描，选择一定纵向偏移范围内，最优的上凸磁环厚度、中凹磁环厚度和下凸磁环厚度；

通过上述S401至S403步骤，得到一定纵向偏移范围内，对补偿电容影响最低的磁环比例。

实施例6

作为本实施例的又一种实施方式，上述实施例的实施方式中，所述S6步骤具体包括以下步骤：

S601、首先固定磁芯纵向尺寸，以确定磁芯端部长度和磁芯轭部长度的最优比例关系；

S602、确定好磁芯端部长度和磁芯轭部长度的最优长度后，依次增加磁芯端部厚度，以确定磁芯端部厚度与磁芯总厚度的最优比例；

S603、确定好磁芯端部厚度与磁芯总厚度的最优比例后，逐渐对内筒磁芯和外筒磁芯之间的纵向偏移距离，以及磁芯端部长度占磁芯总长的比例，进行调节以确定磁芯端部长度占磁芯总长的比例与纵向偏移距离的变化关系。

更进一步的，所述S2步骤中所述的仿真平台还可以选择ANSYS Maxwell仿真平台、SIMLINK仿真平台或COMSOL仿真平台中的一种。

实施例7

作为本实施例的又一种实施方式，运用在石油钻井领域的无线电能传输采用的是磁耦合式无线电能传输技术，如图1所示，其基本原理是高频电磁感应技术，在相对转动的内外环结构之间实现非接触的电源和信号传递。本发明主要解决的是图1中耦合机构的抗纵向偏移能力差的问题。

在石油钻井领域，其无线电能传输耦合机构采用的是旋转耦合式，在钻井过程中，难免会发生振动，耦合机构会产生一定偏移，如图2所示，而当耦合机构偏移后，其参数会发生漂移，大大影响传输效率，偏移后的耦合机构剖面图如图3所示，图3中的小圆圈表示线圈的剖面。如图4所示，图4为内筒磁芯的结构示意图；图5为不偏移时耦合机构磁感应强度体密度分布图；图6为纵向偏移20mm时耦合机构磁感应强度体密度分布图。

当内外筒之间的空气隙低于10mm时，由仿真结果得，耦合系数高达0.9，此时，耦合机构相当于一个变压器的存在，当传输一定功率时，一定范围的偏移，对效率影响并不大，因此，本设计是在内外筒气隙在66mm时的设计，由仿真结果得，当发生0-50mm的纵向偏移时，耦合机构的耦合系数从0.225-0.118逐步递减，属于松耦合范畴。

磁芯设计为贴着筒壁的圆筒状，如图4内筒磁芯结构，上下区域的凸出部位的上凸磁环和下凸磁环（磁芯端部）和中间的凹磁环（磁芯轭部）。线圈则绕着凹磁芯Q型绕制。

为便于清晰说明分析，以如图7所示的条状凹凸磁芯为例，说明磁芯结构参数。根据实际限制因素和仿真结果，计算出抗偏移、效率最佳条件下的X、Y（与筒壁周长有关）、Z、d和X_inside、X_outside之间的比值关系，其中（d-Z）是凸出磁芯厚度，Z是凹磁芯厚度。由此可以得出普遍情况下的最优参数，从而满足实际情况需求，如想要满足一定偏移量下的效率指标，磁芯结构实际情况如何。

根据工程实际，常采用SN补偿拓扑，内外线圈的互感M₁₂为：

，其中，L₂是接收线圈自感，ω_r是电路谐振的角频率，Q₂为接收线圈的品质因数，Z_re是接收线圈侧回路反映到发射线圈侧的反映阻抗。

对于静态无线输电系统，其发射线圈和接收线圈之间的互感值虽然不会时常变化，但是当耦合机构发生纵向偏移时，其互感值会有很大的一个变化，根据输出电压U₂，

，其中，R₂是接收线圈电阻，R_L是等效电阻，L₂是接收线圈自感，I₁是发射线圈电流。

由此可见，当负载不变时，互感会直接影响到输出的电压。

此外，系统传输效率η如下，

其中，R₁是发射线圈电阻。

所以，在实际工程中，当发生一定纵向偏移时，要求系统有良好的抗纵向偏移能力。线圈的自感、互感都通过有限元仿真软件获得，将得到的自感、互感值代入系统SIMLINK仿真中，得到系统效率。

在设计过程中，先固定筒子大小不变。如图7所示，首先定磁芯总长X，以确定X_inside和X_outside的最优比例关系；确定好X_inside和X_outside的最优长度后，再依次增加凸出磁芯厚度，即（d-Z）值，以确定d和Z的最优比例。最后，再次验证增大耦合机构情况下，能否在优化设计的磁芯尺寸下达到需求。如图8所示，横坐标γ表示X_inside/（X_inside+X_outside），纵坐标为耦合系数k，N代表线圈匝数，研究表示，当凸出磁芯长度大小相同时，耦合系数最高。

线圈对自感影响较大，而磁芯对互感影响较大，在宽度与厚度确定下，耦合系数与磁芯长度呈正相关。显然，在满足系统限制条件下，可以在减少耦合机构质量及成本的同时，最大限度地提高系统的耦合系数。

对于旋转式耦合机构来说，当在固定了长度和宽度的情况下，其耦合系数随磁芯厚度增加也会发生变化。如图9所示，当磁芯厚度Z增加，耦合系数呈上升趋势，但当Z到达一定值后，继续增大Z，从实际工程角度出发，对于增大k的意义并不大，满足实际需求后，耦合机构越轻越好，而一味增大Z将会使耦合机构变得笨重。

当耦合机构发生偏移时，磁路不闭合，增大了漏磁现象，对系统产生不利因素，会一定程度上降低传输效率。如图10耦合机构互感变化率随纵向偏移增大而变化曲线，图例中的0.1-0.4分别代表凸出磁芯部分长度占磁芯总长的比例m。

显然，并不是凸磁芯越长越好，综合考虑，纵向偏移在16mm以内时，m=0.3的凹凸磁芯的互感变化率最小，抗纵向偏移能力最强。当纵向偏移大于16mm后，反而凸磁芯长度越小抗纵向偏移效果越好。

综合以上结论，根据实际系统所需参数，如确定好传输效率、传输功率后，根据所需自感和互感值，考虑纵向偏移因素，综合考虑凹凸磁芯各个参数，以达到实际需求。

Claims (3)

1.适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法，其特征在于：

该方法具体包括以下步骤：

S1、耦合器结构尺寸设计步骤：根据旋转导向钻井工具整体设计要求，将耦合器结构设计成内筒磁芯和外筒磁芯套合形式，内筒磁芯和外筒磁芯的最小和最大直径均满足旋转导向钻井工具整体尺寸要求；所述耦合器包括磁芯和线圈，所述磁芯由三块环状铁氧体磁环紧贴旋转金属筒壁依次排布构成；金属筒分为内筒和外筒，内筒和外筒各贴三块环状铁氧体磁环，分别形成内筒磁芯和外筒磁芯，内筒磁芯上的三个磁环内径相同，位于中间的磁环的外径小于位于两端的磁环外径，形成两端凸中间凹的线圈放置槽；所述外筒磁芯上的三个磁环外径相同，位于中间的磁环的内径大于位于两端的磁环内径，形成两端凸中间凹的线圈放置槽；线圈在线圈放置槽中呈Q型绕制方式；

S2、仿真建模步骤：在仿真平台上，绘制S1步骤中内筒磁芯和外筒磁芯套合形式的耦合器的几何模型；

S3、分别构建内筒磁芯和外筒磁芯上磁环和线圈的复合三维模型，设置材料参数及边界条件；设置材料参数及边界条件具体是指，输入电流设为1A，内筒和外筒材料电导率1.12e7[S/m]，相对磁导率4000，导热系数76.2[W/(m*K)] ，密度7870[kg/m³]；磁环为软磁铁材料，电导率0，相对磁导率2300；线圈的线径r为1.5mm，电导率为5.998e7[S/m]，密度8960[kg/m³]；

S4、磁环比例的抗纵向偏移仿真步骤：初始化不变参数，不变参数包括磁环内径、磁环总高、传输功率以及内筒磁芯与外筒磁芯之间的气隙；设置变量参数，变量参数包括上凸磁环高度、上凸磁环厚度、中凹磁环高度、中凹磁环厚度、下凸磁环高度、下凸磁环厚度、线圈匝数和内筒磁芯垂直纵向偏移距离；得到一定纵向偏移下，对补偿电容影响最低的磁环比例；

传输功率设置为200W，具体包括以下步骤：

S401、设定上凸磁环厚度、中凹磁环厚度、下凸磁环厚度和内筒垂直纵向偏移距离不变，对内筒垂直纵向偏移距离、上凸磁环高度和下凸磁环高度进行参数化扫描，得到上凸磁环高度和下凸磁环高度的比例与耦合系数的关系；

S402、根据上述S401步骤，确定上凸磁环高度和下凸磁环高度的比例关系；设定上凸磁环厚度、中凹磁环厚度、下凸磁环厚度和线圈匝数不变，对内筒垂直纵向偏移距离、上凸磁环高度和下凸磁环高度进行参数扫描，选择一定纵向偏移范围内，最优的上凸磁环高度值、中凹磁环高度值和下凸磁环高度值；

S403、根据上述S402步骤，确定上凸磁环高度值、中凹磁环高度值和下凸磁环高度值，对上凸磁环厚度、中凹磁环厚度、下凸磁环厚度和内筒垂直纵向偏移距离进行参数化扫描，选择一定纵向偏移范围内，最优的上凸磁环厚度、中凹磁环厚度和下凸磁环厚度；

通过上述S401至S403步骤，得到一定纵向偏移范围内，对补偿电容影响最低的磁环比例；

S5、气隙宽度的抗纵向偏移仿真步骤：设定传输功率、线圈匝数、磁芯磁阻、磁芯上凸磁环和下凸磁环所形成的磁芯两端部的端部面积以及中间凹磁环形成的磁芯轭部面积参数不变，对气隙宽度进行调节，并对内筒磁芯和外筒磁芯纵向偏移度进行调节；对耦合器进行仿真，得到相应的磁场分布、磁密云图和电磁参数，从而确定气隙宽度的抗纵向偏移能力，得到最佳气隙宽度参数值；

S6、磁芯端部面积及轭部面积的抗纵向偏移仿真步骤：设定线圈采用Q型结构绕制，线圈匝数、气隙宽度、传输功率和磁芯磁阻参数不变，对磁芯上凸磁环和下凸磁环所形成的磁芯两端部的端部面积、中间凹磁环形成的磁芯轭部面积、端部厚度和轭部厚度参数进行调整，对耦合器进行仿真，计算出抗纵向偏移、传输效率最佳条件下的磁芯端部面积、磁芯轭部面积、磁芯端部厚度和轭部厚度参数；

具体包括以下步骤：

S601、首先固定磁芯纵向尺寸，以确定磁芯端部长度和磁芯轭部长度的最优比例关系；

S602、确定好磁芯端部长度和磁芯轭部长度的最优长度后，依次增加磁芯端部厚度，以确定磁芯端部厚度与磁芯总厚度的最优比例；

S603、确定好磁芯端部厚度与磁芯总厚度的最优比例后，逐渐对内筒磁芯和外筒磁芯之间的纵向偏移距离，以及磁芯端部长度占磁芯总长的比例，进行调节以确定磁芯端部长度占磁芯总长的比例与纵向偏移距离的变化关系；

通过上述S4至S6步骤，并结合旋转导向工具整体尺寸，确定好传输效率和传输功率后，根据自感和互感值，并考虑纵向偏移因素，最终得到内筒磁芯和外筒磁芯的尺寸参数，由此确定耦合机构的所有参数。

2.如权利要求1所述的适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法，其特征在于：

S2步骤中，在COMSOL仿真平台中，内筒磁芯和外筒磁芯的几何参数分别为：内筒半径55mm，内筒与外筒间隙66mm，外筒内径76mm，内筒和外筒高度均为76mm。

3.如权利要求1所述的适用于钻井工况的耦合机构抗纵向偏移参数优化方法，其特征在于：所述S2步骤中所述的仿真平台为ANSYS Maxwell仿真平台、SIMLINK仿真平台或COMSOL仿真平台中的一种。

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