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Die
Erfindung bezieht sich insgesamt auf auf Ölfeldern im Bohrloch einsetzbare
Werkzeuge und insbesondere auf Bohranordnungen, die zum Bohren von
Bohrlöchern
verwendet werden, bei denen elektrische Leistung und Daten zwischen
drehenden und nicht drehenden Teilen der Bohranordnung übertragen
werden.
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Zur
Gewinnung von Kohlenwasserstoffen, wie Öl und Gas, werden Bohrlöcher oder
Bohrschächte
gebohrt, indem ein an dem unteren Ende einer Bohranordnung (worauf
im Folgenden als "Bohrlochsohlenanordnung" oder "BHA" – Bottom Hole Assembly – Bezug
genommen wird) angebrachter Bohrmeißel gedreht wird. Die Bohranordnung
ist am unteren Ende eines Bohrstrangs befestigt, bei dem es sich
gewöhnlich
entweder um ein zusammengesetztes starres Rohr oder um einen relativ
flexiblen wickelbaren Rohrstrang handelt, auf den üblicherweise
als "Wickelrohrstrang" Bezug genommen wird.
Auf den Strang mit dem Rohr und der Bohranordnung wird gewöhnlich als "Bohrstrang" Bezug genommen.
Wenn ein zusammengesetztes Rohr als Steigrohr verwendet wird, wird
der Bohrmeißel
dadurch gedreht, dass das zusammengesetzte Rohr von über Tage
aus und/oder durch einen Spülmittelmotor
gedreht wird, der in der Bohranordnung enthalten ist. Im Falle eines
Wickelrohrstrangs wird der Bohrmeißel durch den Spülmittelmotor
gedreht. Während
des Bohrens wird ein Bohrfluid (auf das auch als Spülmittel
Bezug genommen wird) in das Rohr unter Druck eingeführt. Das
Bohrfluid geht durch die Bohranordnung hindurch und tritt dann an der
Unterseite des Bohrmeißels
aus. Das Bohrfluid sorgt für
eine Schmierung des Bohrmeißels
und trägt Felsstücke, die
von dem Bohrmeißel
beim Bohren des Bohrlochs zerkleinert werden, nach über Tage. Der
Spülmittelmotor
wird durch das Bohrfluid gedreht, das durch die Bohranordnung hindurchgeht. Eine
mit dem Motor und dem Bohrmeißel
verbundene Antriebswelle dreht den Bohrmeißel.
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Ein
wesentlicher Anteil der gegenwärtigen Bohraktivität ist das
Bohren von abgelenkten oder horizontalen Bohrlöchern, um Kohlenwasserstoffreservoirs
vollständig
auszubeuten. Solche Bohrlöcher können relativ
komplexe Schachtprofile haben. Zum Bohren solcher komplexer Bohrlöcher verwendet man
Bohranordnungen, die eine Vielzahl von unabhängig betätigbaren Kraftanlegeelementen
haben, um eine Kraft auf die Bohrlochwand während des Bohrens des Bohrlochs
aufzubringen, um den Bohrmeißel
auf einer vorgegebenen Bahn zu halten und um die Bohrrichtung zu ändern. Solche
Kraftanlegeelemente können
am Außenumfang
des Körpers
der Bohranordnung oder an einer nicht drehenden Hülse angeordnet
werden, die um die sich drehende Antriebswelle herum vorgesehen
ist. Diese Kraftanlegeelemente werden radial zum Anlegen der Kraft
auf den Bohrschacht bewegt, um den Bohrmeißel zu führen und/oder um die Bohrrichtung
nach außen
durch elektrische Vorrichtungen oder elektrohydraulische Vorrichtungen
zu ändern.
Bei solchen Bohranordnungen ist ein Spalt zwischen dem drehenden
und dem nicht drehenden Teil vorhanden. Um die Gesamtgröße der Bohranordnung
zu reduzieren und um den Rippen mehr Kraft zu geben, sollen die
Vorrichtungen (wie der Motor und die Pumpe), die erforderlich sind, um
die Kraftanlegeelemente zu betätigen,
an dem nicht drehenden Teil angeordnet werden. Auch die elektronischen
Schaltungen und bestimmte Sensoren sollen an dem nicht drehenden
Teil positioniert werden. Deshalb muss Energie zwischen dem drehenden
Teil und dem nicht drehenden Teil übertragen werden, damit elektrisch
betätigte
Vorrichtungen und die Sensoren in dem nicht drehenden Teil funktionieren.
Ferner müssen
Daten zwischen dem drehenden und dem nicht drehenden Teil einer
solchen Bohranordnung übertragen
werden. Zum Übertragen
von Energie und Daten werden häufig
abgedichtete Schleifringe eingesetzt. Die Dichtungen brechen häufig und
verursachen im Bohrloch Werkzeugstörungen.
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In
Bohranordnungen, die eine nicht drehende Hülse, wie vorstehend beschrieben,
nicht aufweisen, sollen die Energie und die Daten zwischen der drehenden
Bohrwelle eines Bohrmotors und dem stationären Gehäuse, welches die Bohrwelle
umgibt, übertragen
werden. Die auf die Drehwelle übertragene
Energie kann dazu verwendet werden, Sensoren in der Drehwelle und/oder
im Bohrmeißel
zu aktivieren. Zwischen einem drehenden und nicht drehenden Teil
mit einem Spalt dazwischen kann bei anderen Bohrlochwerkzeugausgestaltungen
eine Energie- und Datenübertragung
ebenfalls zweckmäßig sein.
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Die
WO 98/34003, gegenüber
der die unabhängigen
Ansprüche
gekennzeichnet sind, offenbart einen Bohrstrang mit einer induktiven
Koppelungsvorrichtung zur Übertragung
von elektrischer Leistung zwischen einem Bohrstrang und einem Stabilisatorkörper.
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Die
US 5,931,239 offenbart ebenfalls
eine Bohranordnung, bei der elektrische Leistung von einem drehenden
auf ein nicht drehendes Element übertragen
wird.
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Die
GB 1 436 455 offenbart eine
im Bohrloch befindliche Signalvorrichtung mit einem Induktionsmotor,
der zum Bewegen eines drehenden Elements zwischen einer eine Strömung unterbindenden
und einer offenen Position verwendet wird.
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Nach
der vorliegenden Erfindung werden eine Bohranordnung, wie sie im
Anspruch 1 beansprucht ist, und ein Verfahren bereitgestellt, wie
es im Anspruch 9 beansprucht ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine kontaktlose und induktive Kopplung
für die Übertragung
von Energie und Daten zwischen drehenden und nicht drehenden Teilen
von Ölfeldbohrlochgeräten bereit, wozu
Bohranordnungen gehören,
die drehende und nicht drehende Elemente enthalten.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Energie- und Datenübertragung über einen
Spalt zwischen drehenden und nicht drehenden Elementen in Ölfeld-Bohrlochgeräten bereit.
Der Spalt kann ein nicht leitendes Fluid, beispielsweise ein Bohrfluid
oder Öl,
für den Betrieb
von Hydraulikvorrichtungen in dem Bohrlochwerkzeug enthalten. Bei
einer Ausgestaltung ist das Bohrlochwerkzeug eine Bohranordnung,
bei welcher eine Welle durch einen im Bohrloch befindlichen Motor
gedreht wird, um den Bohrmeißel
zu drehen, der am unteren Ende der Welle befestigt ist. Eine im
Wesentlichen um die Welle nicht drehende Hülse hat vorzugsweise eine Vielzahl
von Kraftaufbringelementen, wobei jedes solche Element radial zwischen
einer zurückgezogenen
und einer ausgefahrenen Position bewegbar ist. Die Kraftaufbringelemente
haben die Funktion, die Kraft auszuüben, die erforderlich ist, die
Bohrrichtung aufrechtzuerhalten und/oder zu ändern. Bei einem bevorzugten
System sorgen gemeinsame oder gesonderte elektrisch betätigte Hydraulikeinheiten
für die
Energie (Leistung) für
die Kraftaufbringelemente. Eine Übertragungsvorrichtung
mit induktiver Koppelung überträgt die elektrische
Energie und die Daten zwischen den drehenden und nicht drehenden
Elementen. Die Übertragung
der Energie und der Daten zwischen dem drehenden Element und dem
nicht drehenden Element wird durch eine elektronische Steuerschaltung
oder -einheit gesteuert, die dem drehenden Element zugeordnet ist.
Eine elektrische Steuerschaltung oder -einheit, die von dem nicht
drehenden Element getragen wird, steuert die Energie für die Vorrichtungen
in dem nicht drehenden Element sowie die Übertra gung der Daten von Sensoren
und Vorrichtungen, die von dem nicht drehenden Element gehalten
werden, zu dem drehenden Element.
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Eine
induktive Koppelungsvorrichtung kann Energie von dem im Wesentlichen
nicht drehenden Gehäuse
auf einen Bohrmotor für
die drehende Bohrwelle übertragen.
Die auf die drehende Bohrwelle übertragene
elektrische Energie kann dazu verwendet werden, einen oder mehrere
Sensoren in dem Bohrmeißel
und/oder der Lageranordnung zu betreiben. In der Nähe des Bohrmeißels kann
eine Steuerschaltung vorgesehen werden, um die Übertragung von Daten von den
Sensoren in dem drehenden Element zu dem nicht drehenden Gehäuse zu steuern.
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Die
Daten in den verschiedenen Ausführungsformen
werden durch Frequenzmodulation, Amplitudenmodulation oder durch
diskrete Signale übertragen.
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Es
wird nun eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beispielsweise nur zusammen mit weiteren
Anordnungen beschrieben, die lediglich für Veranschaulichungszwecke
vorgesehen sind und sich auf die beiliegenden Zeichnungen beziehen,
in denen
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1 eine
isometrische Ansicht eines Teils einer Bohranordnung ist, die die
Relativstellung einer Antriebswelle (das "drehende Element") und einer nicht drehenden Hülse (das "nicht drehende Element") und eine Übertragungsvorrichtung
für elektrische
Energie und Daten zum Übertragen
von Energie und Daten zwischen den drehenden und nicht drehenden
Elementen über
einen Spalt zeigt,
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2 eine
Schnittansicht einer Bohranordnung ist, die die Übertragungsvorrichtung für die elektrische
Energie und die Daten sowie die elektrische Steuerschaltung zum Übertragen
der Energie und der Daten zwischen dem drehenden und nicht drehenden
Element der Bohranordnung zeigt,
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3A bis 3D schematische
Funktionsansichten sind, die eine Ausführungsform und mehrere veranschaulichende
Anordnungen bezüglich
der in 1 und 2 gezeigten Übertragungsvorrichtung für Energie
und Daten und für
Betriebsvorrichtungen in einem nicht drehenden Element, wobei die Energie
und die Daten verwendet werden, die von dem drehenden auf das nicht
drehende Element übertragen
werden, und für
Betriebsvorrichtungen in einem drehen den Element zeigt, das die
Energie und Daten verwendet, die von dem nicht drehenden auf das
drehende Element übertragen
werden,
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4 eine
schematische Ansicht eines Teils einer Bohranordnung ist, wobei
eine induktive Koppelung gezeigt ist, die an zwei alternativen Stellen
für die Übertragung
von Energie und Daten zwischen einem drehenden und einem nicht drehenden
Element angeordnet ist, und
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5A und 5B Schnittansichten
von zwei möglichen
Ausgestaltungen für
die induktive Koppelung eines Werkzeugs sind.
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1 ist
eine isometrische Ansicht eines Abschnitts oder Teils 100 einer
Bohranordnung, die nicht zu der vorliegenden Erfindung gehört und die relative
Stellung einer drehenden hohlen Antriebswelle 112 (drehendes
Element) und einer nicht drehenden Hülse (nicht drehendes Element)
mit einem Spalt 113 dazwischen sowie eine elektrische Energie-
und Datenübertragungsvorrichtung 135 zum Überführen von
Energie und Daten zwischen der drehenden Antriebswelle und der nicht
drehenden Hülse über den
Spalt 113 zeigt. Der Spalt 113 kann mit einem
Fluid gefüllt
sein oder nicht. Das verwendete Fluid kann leitend oder nicht leitend
sein.
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Der
Abschnitt 100 bildet den untersten Teil der Bohreinrichtung
in einer Anordnung. Die Antriebswelle 112 hat einen unteren
Bohrmeißelabschnitt 114 und
einen oberen Spülmittelmotor-Verbindungsabschnitt 116.
Ein Abschnitt der Hohlwelle 112 mit reduziertem Durchmesser
verbindet die Abschnitte 114 und 116. Die Antriebswelle 112 hat
eine durchgehende Bohrung 118, die den Durchgang für das Bohrfluid 121 bildet,
das unter Druck der Bohranordnung von über Tage zugeführt wird.
Der obere Verbindungsabschnitt 116 ist mit dem Energieabschnitt eines
Bohrmotors oder Spülmittelmotors
(nicht gezeigt) über
eine flexible Welle (nicht gezeigt) gekoppelt. Ein Rotor in dem
Bohrmotor dreht die flexible Welle, die ihrerseits die Antriebswelle 112 dreht.
Der untere Abschnitt 114 nimmt einen Bohrmeißel (nicht gezeigt)
auf und dreht sich, wenn sich die Antriebswelle 112 dreht.
Um die Antriebswelle 112 herum ist zwischen dem oberen
Verbindungsabschnitt 116 und dem Bohrmeißelabschnitt 114 eine
im Wesentlichen nicht drehende Hülse 120 angeordnet.
Während
des Bohrens kann die Hülse 120 nicht
vollständig
stationär
bleiben, sondern dreht sich mit einer sehr niedrigen Drehzahl. Gewöhnlich dreht
sich die Bohrwelle mit 100 bis 600 Umdrehungen pro Minute (UpM), während sich
die Hülse 120 mit
weniger als 2 UpM drehen kann. Somit ist die Hülse 120 bezüglich der Antriebswelle 112 im
Wesentlichen nicht drehend, so dass hier auf sie als im Wesentlichen
nicht drehendes oder nicht drehendes Element bzw. Abschnitt Bezug
genommen wird. Die Hülse 120 hat
wenigstens eine Vorrichtung 130, die elektrische Energie
benötigt.
In der Ausgestaltung von 1 betätigt die Vorrichtung 130 ein
oder mehrere Kraftaufbringelemente, wie das Element 132.
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Die Übertragungsvorrichtung 135 für elektrische
Energie hat einen Senderabschnitt 142, der an dem Außenumfang
der drehenden Antriebswelle 112 befestigt ist, und einen
Empfängerabschnitt 144,
der an der Innenseite der nicht drehenden Hülse 120 befestigt
ist. Bei dem montierten Bohrlochwerkzeug liegen der Senderabschnitt 142 und
der Empfängerabschnitt 144 einander
mit einem Spalt zwischen ihnen gegenüber. Die Außenabmessungen des Senderabschnitts 142 sind
kleiner als die Innenabmessung des Empfängerabschnitts 144,
so dass die Hülse 120 mit dem
daran befestigten Empfängerabschnitt 144 über den
Senderabschnitt 142 gleiten kann. Eine elektronische Steuerschaltung 125 (auf
die hier auch als die "Primärelektronik" Bezug genommen wird)
in dem drehenden Element 112 sorgt für die gewünschte elektrische Energie
für den
Sender 142 und steuert auch den Betrieb des Senders 142.
Die Primärelektronik 125 sorgt
auch für
die Daten- und Steuersignale für
den Senderabschnitt 142, der die elektrische Energie und
die Daten auf den Empfänger 144 überträgt. Von
der nicht drehenden Hülse 120 wird
eine sekundäre
Elektroniksteuerschaltung (auf die hier auch als "Sekundärelektronik" Bezug genommen wird)
gehalten. Die Sekundärelektronik
empfängt elektrische
Energie von dem Empfänger 144,
steuert den Betrieb der elektrisch betätigten Vorrichtung 130 in
dem nicht drehenden Element 120, empfängt Messsignale aus den Sensoren
in dem nicht drehenden Abschnitt 120 und erzeugt Signale,
die zu der Primärelektronik über die
induktive Koppelung 135 übertragen werden. Die Übertragung
von elektrischer Energie und Daten zwischen dem drehenden und nicht
drehenden Element wird nachstehend unter Bezug auf 2 bis 4 beschrieben.
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2 ist
eine Schnittansicht einer Lageranordnung 200 einer Bohranordnung
und zeigt u.a. die relative Position der verschiedenen in 1 gezeigten
Elemente. Die Lageranordnung 200 hat eine Antriebswelle 201,
die an ihrem oberen Ende an einer Koppelung 204 befestigt
ist, die ihrerseits an einer flexiblen Stange festgelegt ist, die
von dem Spülmittelmotor
in der Antriebsanordnung gedreht wird. Um einen Abschnitt der Antriebswelle 201 herum
ist eine nicht drehende Hülse 210 angeordnet.
Die Lager 206 und 208 haben radiale und axiale
Abstützungen
für die
Antriebswelle 201 während
des Bohrens des Bohrlochs. Die nicht drehende Hülse 210 nimmt eine Vielzahl
von ausfahrbaren Kraftaufbringelementen auf, beispielsweise die Elemente 220a bis 220b (Rippen).
Die Rippe 220a sitzt in einem Hohlraum 224a in der
Hülse 210.
Der Hohlraum 224a enthält
auch abgedichtete elektrohydraulische Komponenten für das radiale
Ausfahren der Rippe 220a. Zu den elektrohydraulischen Komponenten
kann ein Motor gehören, der
eine Pumpe antreibt, die unter Druck stehendes Fluid einem Kolben 226a zuführt, um
die Rippe 220a radial nach außen zu bewegen. Diese Komponenten sind
nachstehend im Einzelnen unter Bezug auf 3A bis 3D beschrieben.
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Eine
induktive Koppelungsvorrichtung 230 überträgt elektrische Energie zwischen
dem drehenden und dem nicht drehenden Element. Die Vorrichtung 230 hat
einen Senderabschnitt 232, der von dem drehenden Element 201 gehalten
wird, sowie einen Empfängerabschnitt 234,
der von der nicht drehenden Hülse 210 gehalten
wird. Die Vorrichtung 230 ist vorzugsweise eine induktive
Vorrichtung, bei der sowohl der Sender als auch der Empfänger geeignete
Spulen haben. Die Primärsteuerelektronik 236 ist vorzugsweise
in dem oberen Koppelungsabschnitt 204 angeordnet. Es können auch
andere Abschnitte des drehenden Elements für die Aufnahme eines Teils
oder der gesamten Primärelektronik 236 verwendet
werden. Die Sekundärelektronik 238 ist
vorzugsweise angrenzend an den Empfänger 234 angeordnet.
In dem drehenden Element 201 angeordnete Leiter und Verbindungsglieder 242 übertragen
Energie und Signale zwischen der Primärelektronik 236 und
dem Sender 232. Die Energie in Bohrlochwerkzeugen, wie
sie in 2 gezeigt sind, werden gewöhnlich durch eine Turbine erzeugt,
die von dem Bohrfluid gedreht wird, das der Bohranordnung unter Druck
zugeführt
wird. Die Energie kann auch von über
Tage über
elektrische Leitungen in dem Rohrstrang oder durch Batterien in
dem Bohrlochwerkzeug zugeführt
werden.
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3A ist
ein Funktionsschema der Bohranordnung 300, die nicht zur
Erfindung gehört,
und zeigt ein Verfahren für
eine Energie- und Datenübertragung
zwischen dem drehenden und nicht drehenden Element der Bohranordnung.
Die Bohranordnungen beziehen sich auch auf Bohrlochsohlenanordnungen
oder BHA, die zum Bohren von Bohrlöchern und zum Bereitstellen
verschiedener Formationsbewertungsmessungen und für die Ausführung von Messungen
während
des Bohrens, was an sich bekannt ist, verwendet werden, so dass
der ins Einzelne gehende Aufbau und die Funktionen hier nicht beschrieben
werden. Die nachstehende Beschreibung erfolgt hauptsächlich im
Zusammenhang mit der Übertragung
von elektrischer Energie und Daten zwischen dem drehenden und dem
nicht drehenden Element.
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Gemäß 3A ist
die Bohranordnung 300 an ihrem oberen oder übertageseitigen
Ende 302 mit einem Rohrstrang 310 über eine
Koppelungsvorrichtung 304 gekoppelt. Der Rohrstrang 310,
der gewöhnlich
ein zusammengesetztes Rohr oder ein Wickelrohrstrang ist, wird zusammen
mit der Bohranordnung 300 von dem Über-Tage-Bohrturm in das zu bohrende
Bohrloch befördert.
Die Bohranordnung 300 hat einen Spülmittelmotor-Leistungsabschnitt 320,
der innerhalb eines Stators 324 einen Rotor 322 aufweist.
Das dem Rohrstrang 310 mit Druck zugeführte Bohrfluid 301 geht
durch den Spülmittelmotor-Leistungsabschnitt 320 hindurch,
der den Rotor 322 dreht. Der Rotor 322 treibt
eine flexible Koppelungswelle 326 an, die ihrerseits die
Antriebswelle 328 dreht. Eine Vielzahl von Sensoren zum
Messen während
des Bohrens (MWD – Measurement
While Drilling) und/oder zum Sondieren während des Bohrens (LWD – Logging
While Drilling), die insgesamt mit dem Bezugszeichen 340 bezeichnet
und von der Bohranordnung 300 gehalten ist, stellt Messungen für verschiedene
Parameter bereit, zu denen Bohrlochparameter, Formationsbewertungsparameter und
Bohranordnungs-Zustandsparameter
gehören. Diese
Sensoren können
in einem separaten Abschnitt oder Modul, wie einem Abschnitt 341,
angeordnet oder auf einen oder mehrere Sektionen in der Bohranordnung 300 verteilt
werden. Üblicherweise sind
einige der Sensoren in dem Gehäuse 342 der Bohranordnung 300 angeordnet.
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Die
elektrische Leistung wird gewöhnlich
von einem turbinengetriebenen Wechselstromgenerator 344 erzeugt.
Die Turbine wird durch das Bohrfluid 301 angetrieben. Die
elektrische Leistung kann auch von über Tage über geeignete Leiter oder von
Batterien in der Bohranordnung 300 eingespeist werden. Bei
dem in 3A gezeigten System ist die
Antriebswelle 328 das drehende Element und die Hülse 360 ist
das nicht drehende Element. Die bevorzugte Energie- und Datenübertragungsvorrichtung 370 zwischen
dem drehenden und nicht drehenden Element ist ein induktiver Transformator
mit einem von dem drehenden Element 328 getragenen Senderabschnitt 372 und
mit einem Empfängerabschnitt 374,
der gegenüber
dem Sender 372 in der nicht drehenden Hülse 360 angeordnet
ist. Der Sender 372 und der Empfänger 374 enthalten
jeweils Spulen 376 und 378. Die Energie für die Spulen 376 wird
von der primären elektrischen
Steuerschaltung 380 zugeführt. Die Primärelektronik 380 erzeugt
eine geeignete Wechselspannung und eine geeignete Frequenz für die Anlegung
an die Spulen 376. Die an die Spulen 376 angelegte
Wechselspannung ist vorzugsweise eine Hochfrequenz von beispielsweise über 500
Hz. Die Primärelektronik
erzeugt vorzugsweise auch eine geeignete Gleichspannung, die dann
für nicht
gezeigte Schaltungen an dem drehenden Element 328 verwendet
wird. Die Drehung der Bohrwelle 328 induziert einen Strom
in dem Empfängerab schnitt 374, der
abgabeseitig eine Wechselspannung liefert. Die sekundäre Steuerschaltung
oder die Sekundärelektronik 382 in
dem nicht drehenden Element 360 wandelt die Wechselspannung
aus dem Empfänger 372 in
eine Gleichspannung um. Die Gleichspannung wird dann dazu verwendet,
verschiedene elektronische Komponenten in der Sekundärelektronik
und irgendwelche elektrisch betätigten
Vorrichtungen zu betreiben. Das Bohrfluid 301 füllt üblicherweise
den Spalt 311 zwischen dem drehenden Element 328 und dem
nicht drehenden Element 360.
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Die
Signale für
die elektrische Energie und die Daten aus einer Station im Bohrloch
oberhalb des Bohrmotor-Leistungsabschnitts 320 kann zu
einer Stelle darunter oder bohrlochabwärts von dem Spülflüssigkeits-Motorleistungsabschnitt
auf ähnliche Weise übertragen
werden, wie es vorstehend unter Bezug auf die Vorrichtung 370 beschrieben
ist. In der Bohranordnung 300 können erzeugte Signale für die elektrische
Energie und die Daten aus den Abschnitten 344 und 340 auf
die drehenden Elemente 328 über eine induktive Koppelungsvorrichtung 330a übertragen
werden, die einen Senderabschnitt 330a, der an einer geeigneten
Stelle in dem nicht drehenden Abschnitt 324 (Stator) des
Bohrmotors 320 angeordnet sein kann, und einen Empfängerabschnitt 330b aufweist,
der in dem drehenden Abschnitt 322 (dem Rotor) vorgesehen
werden kann. Die Signale für
die elektrische Energie und die Daten werden für den Sender über geeignete
Leiter oder Verbindungen 331a bereitgestellt, während die
Signale und die Energie für
die Daten zwischen dem Empfänger 330b und
der Primärelektronik 380 sowie
anderen Vorrichtungen in den drehenden Elementen über Verbindungsglieder 331b übertragen
werden. Alternativ kann die Übertragungsvorrichtung
für die
Signale für die
elektrische Energie und die Daten zum unteren Ende des Energieabschnitts
hin angeordnet werden, wie es durch die Stelle für die Vorrichtung 332 gezeigt ist.
Die Vorrichtung 332 hat einen Senderabschnitt 332a und
einem Empfängerabschnitt 332b.
Die Verbindungsglieder 333a übertragen jeweils Signale für die elektrische
Energie und Daten zwischen dem Leistungsabschnitt 344 und
dem Sensorabschnitt 340 auf einer Seite und dem Sender 332a,
während Verbindungsglieder 333b Signale
für Energie
und Daten zwischen dem Empfänger 332b und
Vorrichtungen oder Schaltungen, wie der Schaltung 380,
in den drehenden Abschnitten übertragen.
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Wie
vorstehend erwähnt,
treibt gemäß 3A ein
Motor 350, der von der Sekundärelektronik 382 betätigt wird,
eine Pumpe 364 an, die ein Arbeitsfluid, wie Öl, von einer
Quelle 365 einem Kolben 366 zuführt. Der Kolben 366 bewegt
seine zugehörige
Rippe 368 von dem nicht drehenden Element 360 radial
nach außen
und übt
eine Kraft auf das Bohrloch aus. Die Pumpgeschwindigkeit wird zur
Steuerung der Kraft gesteuert oder moduliert, die von der Rippe
an der Bohrlochwand angelegt wird. Alternativ kann ein Fluiddurchsatzsteuerventil 367 in
der Hydraulikleitung 369 zum Kolben verwendet werden, um
die Fluidzuführung
zum Kolben und dadurch die von den Rippen 368 angelegte
Kraft zu steuern. Die Sekundärelektronik 362 steuert
den Betrieb des Ventils 369. Das nicht drehende Element 360 trägt eine Vielzahl
von beabstandeten Rippen (üblicherweise drei),
von denen jede unabhängig
durch eine gemeinsame oder gesonderte Sekundärelektronik betätigt wird.
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Die
Sekundärelektronik 382 empfängt Signale
von den Sensoren 379, die von dem nicht drehenden Element 360 gehalten
werden. Wenigstens einer der Sensoren 379 liefert Messungen,
die die von der Rippe 368 angelegte Kraft anzeigen. Jede
Rippe hat einen entsprechenden Sensor. Die Sekundärelektronik 382 konditioniert
die Sensorsignale und kann Werte der entsprechenden Parameter berechnen und
liefert solche Parameter kennzeichnende Signale zu dem Empfänger 372,
der die Signale zu dem Sender 372 überträgt. Zum Übertragen von Daten zwischen
dem drehenden und nicht drehenden Abschnitt kann ein gesonderter
Sender und Empfänger verwendet
werden. Zum Übertragen
von Informationen zwischen dem Sender und dem Empfänger oder umgekehrt
können
Frequenz- und/oder Amplitudenmoduliertechniken sowie Übertragungstechniken
für diskrete
Signale verwendet werden, die bekannt sind. Die Informationen von
der Primärelektronik kann
Befehlssignale zum Steuern des Betriebs der Vorrichtungen in der
nicht drehenden Hülse
aufweisen.
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Bei
den nicht zur Erfindung gehörenden
Anordnungen sind die Primärelektronik
und der Sender in dem nicht drehenden Abschnitt angeordnet, während die
Sekundärelektronik
und der Empfänger
in dem drehenden Abschnitt des Bohrlochwerkzeugs angeordnet sind,
wodurch elektrische Leistung von dem nicht drehenden Element auf
das drehende Element übertragen
wird. Diese Anordnungen werden nachstehend im Einzelnen unter Bezug
auf 4 beschrieben.
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Bei
einer Anordnung werden elektrische Energie und Daten zwischen einer
drehenden Bohrwelle und einer nicht drehenden Hülse der Bohranordnung über eine
induktive Koppelung übertragen.
Die übertragene
Energie wird dazu verwendet, elektrische Vorrichtungen und Sensoren
zu betreiben, die von der nicht drehenden Hülse gehalten werden. Die Rolle
von Sender und Empfänger
kann umgekehrt werden.
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3B ist
ein teilweises Funktionsdiagramm einer Ausgestaltung einer Bohranordnung 30,
die nicht zur vorliegenden Erfindung gehört und die die Verwendung der
Signalübertragungsvorrichtung
für elektrische
Energie und Daten der vorliegenden Erfindung zeigt. Die gezeigte
Bohranordnung 30 hat einen oberen Abschnitt 32,
der aus mehr als einem hintereinander gekoppelten Abschnitt oder
Modul zusammengesetzt sein kann. Der obere Abschnitt 32 hat
einen Leistungsabschnitt oder eine Leistungseinheit, die elektrische
Energie aus einer Quelle dafür bereitstellt,
MWD/LWD-Sensoren und eine Zwei-Wege-Telemetrieeinheit. Die elektrische
Energie kann von über
Tage zugeführt
oder in dem Abschnitt 32, wie nachstehend beschrieben,
erzeugt werden. Der obere Abschnitt ist mit einem unteren Abschnitt 34 gekoppelt,
der ein drehendes Element 36 hat, das einen Bohrmeißel 35 dreht.
Um das drehende Element 36 herum ist ein nicht drehendes Element
oder eine Hülse 38 angeordnet.
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Die
Bohranordnung 30 ist mit einem Bohrrohr 31 gekoppelt,
das von über
Tage gedreht wird. Das Bohrrohr 31 dreht den oberen Abschnitt 32 der Bohranordnung 30 und
das drehende Element 36. Das nicht, drehende Element 38 bleibt
bezüglich
des drehenden Elements 36 im Wesentlichen stationär. Die Linie 37a zeigt
die Übertragung
von elektrischer Energie aus dem oberen Abschnitt 32 zum
nicht drehenden Abschnitt 38 über die Übertragungsvorrichtung 37,
während
die Leitung 37b die Zwei-Wege-Verbindung für Daten/Signale
zwischen dem drehenden Element 36 und dem nicht drehenden
Abschnitt 38 anzeigt.
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3C zeigt
ein Funktionsbild einer weiteren Ausgestaltung einer Bohranordnung 40,
die den Abschnitt 32 und 34 von 3B sowie
einen Bohrmotor im Bohrloch oberhalb von dem Abschnitt 32. Bei
dieser Ausgestaltung dreht ein Rotor 44 eines Bohrmotors 42 den
Abschnitt 32 und das an dem Bohrmeißel 35 befestigte
drehende Element 36. Das Steigrohr 45 kann ein
Bohrrohr oder ein Wickelrohrstrang sein. Wenn ein Bohrrohr als Steigrohr 45 verwendet
wird, kann es von über
Tage gedreht werden. Die Drehung des Bohrrohrs kann auf die Bohrmotordrehung
aufgesetzt werden, um die Drehzahl des Meißels 35 zu erhöhen. Die
Signale für
die elektrische Energie und die Daten werden zwischen dem nicht
drehenden Abschnitt 38 und dem drehenden Abschnitt 36 über eine
Vorrichtung 37 übertragen, wie
sie vorstehend unter Bezug auf 3B beschrieben
ist.
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3D zeigt
ein teilweises Funktionsbild einer Ausführungsform einer Modulbohranordnung 50, die
die Signalübertragungsvorrichtung
für Energie und
Daten der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Bohranordnung 50 hat
einen unteren Abschnitt 54, einen Bohrmotorabschnitt 52,
einen Energieabschnitt oder ein Modul 56 zwischen dem Bohrmotor 52 und
dem unteren Abschnitt 54 sowie einen Sensor-/Telemetrieabschnitt 58 im
Bohrloch oberhalb des Bohrmotors 52. Bei dieser Ausgestaltung
kann ein gemeinsames Modul 56 für elektrische Energie verwendet
werden, um dem unteren Abschnitt 54 und dem Sensor-/Telemetrieabschnitt 58,
der sich über dem
Spülflüssigkeitsmotor
befindet, elektrische Energie zuzuführen. Bei dieser Ausführung dreht
der Bohrmotor sowohl das Energiemodul 56 als auch ein drehendes
Element 66. Eine Kommunikationsverbindung 67a zeigt
die Übertragung
von elektrischer Energie aus dem Energiemodul 56 auf das
nicht drehende Element 68 über eine induktive Koppelungsvorrichtung 67 an,
während
Glieder 67b eine Zwei-Wege-Daten-/Signalübertragung
zwischen dem drehenden Element 66 und dem nicht drehenden
Element 68 anzeigen. Energie und Daten zwischen dem Energieabschnitt 56 und
dem Sensor-/Telemetrieabschnitt 58 können über eine induktive Koppelung 70 übertragen
werden, die einen Sender 70a in dem Rotor 51 und
einen Empfänger 70b in
dem stationären
Abschnitt 53 (Statorabschnitt) hat. Die Energie- und Datenübertragung
zwischen dem Stator 53 und dem Sensor-/Telemetrieabschnitt
kann über
Kommunikationsglieder 73 erfolgen. Die Energie- und Datenübertragungsvorrichtung 70 kann
an jeder anderen geeigneten Stelle, beispielsweise nahe am oberen
Ende, wie es durch die gestrichelt gezeichnete Vorrichtung 77 gezeigt
ist, angeordnet werden. Mit dem oberen Ende des Abschnitts 58 ist ein
Steigrohr 79 gekoppelt. Als Steigrohr 79 kann
ein Bohrgestängestrang
oder ein Wickelrohrstrang verwendet werden. Wenn ein Bohrgestängestrang
als Steigrohr 79 verwendet wird, kann er von über Tage gedreht
werden. In diesem Fall wird die Gestängestrangdrehung auf die Bohrmotordrehung
aufgesetzt, wie es oben anhand von 3C beschrieben
ist.
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4 ist
eine schematische Darstellung eines Abschnitts 400 einer
Bohranordnung, die nicht zur vorliegenden Erfindung gehört und zwei
alternative Anordnungen für
die Leistungs- und Datenübertragungsvorrichtung
zeigt. 4 zeigt einen Bohrmotorabschnitt 415,
der einen Rotor 416 hat, der in einem Stator 418 angeordnet
ist. Der Rotor 416 ist mit einer flexiblen Welle 422 an
eine Koppelung 424 gekoppelt. Mit dem untere Ende 420 der
flexiblen Welle 422 ist eine Bohrwelle 430 verbunden.
Die Bohrwelle 430 ist in einer Lageranordnung mit einem Spalt 436 dazwischen
angeordnet. Das von über Tage
mit Druck zugeführte
Bohrfluid 401 geht durch den Energieabschnitt 410 des
Motors 400 hindurch und dreht den Rotor 416. Der
Rotor dreht die flexible Welle 422, die ihrerseits die
Bohrwelle 430 dreht. Wenn sich die Bohrwelle dreht, dreht
sich ein Bohrmeißel
(nicht gezeigt), der am unteren Ende 438 der Bohrwelle 430 aufgenommen
ist. Lager 442 und 494 sorgen für eine radiale
und axiale Stabilität
an der Bohrwelle 430. Das obere Ende 450 des Motorleistungsabschnitts 410 ist
mit MWD-Sensoren über
geeignete Verbindungsstücke
gekoppelt. Für
den Spülflüssigkeitsmotorabschnitt 415 kann
ein gemeinsames oder durchgehendes Gehäuse 445 verwendet werden.
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Bei
einer Anordnung werden Energie und Daten zwischen dem Lageranordnungsgehäuse 461 und
der drehenden Antriebswelle 430 durch eine induktive Koppelungsvorrichtung 470 übertragen.
Der Sender 471 ist an dem stationären Gehäuse 461 angeordnet,
während
sich der Empfänger 472 an
der drehenden Treibwelle 430 befindet. Von einer geeigneten
Stelle über
dem Spülflüssigkeitsmotor 410 aus laufen
ein oder mehrere Energie- und Datenverbindungsglieder 480 zu
dem Sender 471. Den Energie- und Datenverbindungsgliedern 480 kann
von einer geeigneten Leistungsquelle in der Bohranordnung 400 oder
von über
Tage elektrische Energie zugeführt
werden. Die Verbindungsglieder 480 können mit einer primären Steuerelektronik
(nicht gezeigt) und den MWD-Vorrichtungen gekoppelt werden. In dem Bohrmeißel ist
eine Vielzahl von Sensoren, beispielsweise ein Drucksensor S1, Temperatursensoren S2, Vibrationssensoren
S3 usw. angeordnet.
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Die
sekundäre
Steuerelektronik 482 wandelt die Wechselspannung aus dem
Empfänger
in eine Gleichspannung um und führt
sie zu den verschiedenen elektronischen Komponenten der Schaltung 482 oder
zu den Sensoren S1 bis S3.
Die Steuerelektronik 482 konditioniert die Sensorsignale
und überträgt sie auf
den Datenübertragungsabschnitt
der Vorrichtung 470, die solche Signale zum Sender 371 sendet.
Diese Signale werden dann von einer Primärelektronik in der Bohranordnung 400 benutzt.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung überträgt also eine induktive Koppelungsvorrichtung
elektrische Energie aus dem nicht drehenden Abschnitt der Lageranordnung auf
ein drehendes Element. Die induktive Koppelungsvorrichtung überträgt auch
Signale zwischen diesem drehenden und nicht drehenden Element. Die
auf das drehende Element übertragene
elektrische Energie wird dazu verwendet, Sensoren und Vorrichtungen
in dem drehenden Element zu betätigen.
Die induktiven Vorrichtungen stellen auch eine Zwei-Wege-Datenkommunikationsverbindung
zwischen dem drehenden und dem nicht drehenden Element her.
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Bei
einer anderen Anordnung kann eine gesonderte Unteranordnung oder
ein Modul 490, die/das eine induktive Vorrichtung 491 enthält, über dem
Spülmittelmotor 415 oder
im Bohrloch oberhalb von ihm angeordnet werden. Das Modul 490 hat
ein Element 492, das drehbar in einem nicht drehenden Gehäuse 493 angeordnet
ist. Das Element 492 wird vom Spülmittelmotor 410 gedreht.
Der Sender 496 ist an dem nicht drehenden Gehäuse 493 angeordnet, während der
Empfänger 497 an
dem drehenden Element 492 befestigt ist. Für den Sender 496 werden Energie
und Signale über
Leiter 494 bereitgestellt, während die empfangene Energie
zu den drehenden Abschnitten über
Leiter 495 übertragen
wird. Die Leiter 495 können
auch durch den Rotor, die flexible Welle und die Bohrwelle verlaufen.
Die den drehenden Abschnitten zugeführte Energie kann dazu verwendet
werden, irgendeine Vorrichtung oder einen Sensor in den drehenden
Abschnitten, wie vorstehend beschrieben, zu betätigen. Somit wird bei dieser
Anordnung elektrische Energie auf die drehenden Elemente der Bohranordnung
durch einen gesonderten Modul oder eine gesonderte Einheit über dem
Spülmittelmotor übertragen.
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5A und 5B sind
Schnittansichten von zwei möglichen
Ausgestaltungen einer induktiven Koppelung zur Verwendung bei den
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben und in
den 1 bis 4 gezeigt sind. In 5A hat
eine Bohranordnung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ein Drehelement 502 und ein nicht drehendes Element 504.
Die in 5A nicht gezeigten Elemente
der Ausführungsform
sind im Wesentlichen identisch mit den Elementen, wie sie vorstehend
in den 1 bis 4 beschrieben und gezeigt sind.
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Mit
der Bohranordnung 500 ist ein drehendes Element 502 gekoppelt.
Mit dem drehenden Element 502 ist ein Sender 506 gekoppelt.
Der Sender 506 hat Senderwicklungen 510 aus isolierten
Drähten. Der
Sender 506 hat wenigstens einen Abschnitt 522, der
ein weiches ferromagnetisches Material aufweist, beispielsweise
Weicheisen oder Ferrit, das dazu verwendet wird, ein später zu beschreibendes
Magnetfeld zu konzentrieren.
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Koaxial
um das drehende Element 502 ist ein nicht drehendes Element 504 angeordnet.
Mit dem nicht drehenden Element 504 ist ein Empfänger 509 gekoppelt.
Der Empfänger 509 hat
Empfängerwicklungen 508 aus
isolierten Drähten.
Der Empfänger 509 hat
wenigstens einen Abschnitt 524, der ein weiches ferromagnetisches
Material, wie Weicheisen oder Ferrit, aufweist, das dazu verwendet
wird, ein magnetisches Feld über
den Empfängerwicklungen 508 zu
konzentrieren.
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Die
Senderwicklungen 510 und die Empfängerwicklungen 508 sind
voneinander durch einen Spalt 520 getrennt. Der Spalt 520 kann
gefüllt
oder evakuiert sein. Wenn der Spalt gefüllt ist, kann er mit einem
Fluid oder einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt sein,
wobei das Fluid entweder leitend oder nicht leitend sein kann.
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Von
einer elektronischen Steuerschaltung (siehe Bezugszeichen 125 von 1)
bereitgestellter elektrischer Strom strömt durch die Senderwicklungen 510,
um ein elektromagnetisches Feld 512 zu erzeugen. Das Feld 512 überquert
den Spalt 520 und umschließt die Empfängerwicklungen 508.
In den Empfängerwicklungen 508 wird
immer dann ein Strom erzeugt, wenn das Feld 512 ein Wechselfeld ist.
Das Feld 512 ist dann ein Wechselfeld, wenn der Strom in
den Senderwicklungen 510 ein Wechselstrom ist.
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Der
in den Empfängerwicklungen 508 induzierte
Strom kann dazu verwendet werden, für verschiedene elektrische
Komponenten, die an dem nicht drehenden Element 504 gehalten
werden, Energie, Daten oder beides bereitzustellen. In 5A sind
spezielle elektrische Komponenten nicht gezeigt, obwohl Beispiele
für elektrische
Komponenten vorstehend beschrieben und in 1 bis 4 gezeigt
sind. Zur Verbindung der Schaltungen mit dem Empfänger 509 werden
eine oder mehrere Punkte 514, 516 und 518 an
den Empfängerwicklungen 508 verwendet.
Der Fachmann sieht, dass ein an der Empfängerwicklung 508 ausgewählter spezieller Punkt 514 eine
spezielle Spannung einstellt, die auf einen vorgegebenen Masse(oder
neutralen)Punkt bezogen ist, der ein anderer Punkt 518 längs der Empfängerwicklung 508 ist.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform (nicht
gezeigt) hat der Empfänger 509 einen
Vielzahl von Empfängerwicklungsabschnitten,
die elektrisch und körperlich
voneinander getrennt sind. Jede Empfängerwicklung kann dazu verwendet
werden, Energie und/oder Datensignale von dem Sender 506 zu empfangen.
Jede Empfängerwicklung
kann dann die Energie- und/oder Datensignale zu einer unabhängigen elektrischen
Komponente in der nicht drehenden Hülse 504 leiten.
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5B zeigt
einen Teilquerschnitt einer Bohranordnung 500 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen Ausgestaltung
einer induktiven Koppelung. Elemente der Ausführungsform, die in 5B nicht
gezeigt sind, sind im Wesentlichen identisch mit Elementen, die
vorstehend beschrieben und in den 1 bis 4 gezeigt
sind.
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Die
in 5B gezeigte Ausgestaltung hat einen Sender 544,
der mit einem drehenden Element 540 der Bohranordnung 500 gekoppelt
ist. Mit dem Sender ist eine Vielzahl von Senderelementen (Schuhen) 552 so
gekoppelt, dass die Schuhe 522 sich mit dem drehenden Element 540 drehen.
Jeder Senderschuh 552 hat eine Senderwicklung 546,
die sich mit dem drehenden Element 540 dreht. Der Sender 544 hat
wenigstens einen Abschnitt 564, der ein weiches ferromagnetisches
Material, wie Weicheisen oder Ferrit, aufweist, das dazu verwendet
wird, ein Magnetfeld über
die Senderwicklungen 546 zu konzentrieren. Bei einer bevorzugten
Ausgestaltung ist jeder Senderschuhaufbau in dem Abschnitt 564 eingeschlossen.
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Um
das drehende Element 542 herum ist ein im Wesentlichen
nicht drehendes Element 542 angeordnet. Mit dem nicht drehenden
Element 542 ist ein Empfänger 545 gekoppelt.
Mit dem Empfänger 545 ist
eine Vielzahl von Empfängerelementen
(Schuhe) 550 gekoppelt, wobei jeder Empfängerschuh 550 eine
Empfängerwicklung 548 hat.
Der Empfänger 545 hat
wenigstens einen Abschnitt 562, der ein weiches ferromagnetisches
Material, wie Weicheisen oder Ferrit, aufweist, das dazu verwendet
wird, ein Magnetfeld über
die Empfängerwicklungen 548 zu konzentrieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist jeder Schuhaufbau in den Abschnitt 562 eingeschlossen.
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Ein
Spalt 560 trennt den Empfänger 545 von dem Sender 544.
Der Spalt 560 kann gefüllt
oder evakuiert sein. Wenn der Spalt gefüllt ist, kann er mit einem
Fluid oder einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt sein,
die entweder leitend oder nicht leitend ist. Vorzugsweise ist der
Spalt 560 mit einem im Wesentlichen nicht leitenden Fluid
gefüllt.
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Wie
vorstehend beschrieben und in 5A gezeigt
ist, kann eine Vielzahl von nicht gezeigten elektrischen Komponenten
unter Verwendung der Energie und Datensignale betätigt werden,
die von dem Empfänger 545 erhalten
werden. Eine andere Komponente kann mit dem Empfänger 545 an irgendeiner
Anzahl von Punkten 554, 556 und 558 verbunden
werden. Jeder Verbindungspunkt ist vorzugsweise eine Wicklung 548 eines
speziellen Empfängerschuhs 550.
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Die
vorstehende Beschreibung richtet sich auf spezielle Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung und Erläuterung. Für den Fachmann
ist es jedoch offensichtlich, dass viele Modifizierungen und Änderungen
der angegebenen Ausführungsform
möglich
sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.