[发明专利]一种高效率低噪声的电能发射和电能拾取装置

说明书

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。