井下旋转导向的能量信号同步传输耦合机构设计方法与流程

1.本发明涉及石油钻探井下旋转导向的电能传输装置技术领域，更进一步地说，涉及一种井下旋转导向的能量信号同步传输耦合机构。


背景技术：

2.感应耦合电能传输(inductive coupled power transfer，简称icpt)技术是一种新型的能量接入技术，由于其具有灵活，可靠，安全等特点，该技术在工业领域的有了许多成功的案例，展示了其广阔的应用前景。然而很多特殊场合，如井下装置的检测控制，设备间的通信联络等不仅要求电能的非接触传输，同时还要求信号的实时传递，这就对能量和信号的传输装置有较大的要求。
3.传统的无线电能传输在能量和信号同步传输过程中，采用的是能量和信号独立的两套线圈，如图1所示，但是这种系统能量传输通道和信号通道各占一块区域，使得系统占用空间大，成本高，增加维护难度。且为了减少能量传输通道和信号传输通道之间的干扰，在能量传输通道和信号传输通道之间需要添加隔离层，使得耦合机构尺寸变长，系统成本进一步增加。此外，独立双通道会在一定程度上降低系统的灵活性。
4.现有井下无线电能传输系统能量和信号无线传输存在采用同一线圈的传输结构，如图2所示，该通道作为共享通道，能节约一定的体积和成本。但是在共享通道传输能量和信号时，会存在一个问题，能量在传递的过程中会干扰信号的传递，造成信号传输的干扰，导致信号传输出现问题，严重影响装置的正常运行。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种井下旋转导向的能量信号同步传输耦合机构的设计方法，本发明的发明目的在于解决上述现有技术中采用能量和信号独立两套线圈所引起的耦合机构尺寸变长、系统成本增加、降低系统灵活性的问题，以及采用同一线圈的传输结构易导致信号传输受到干扰，严重影响装置正常运行的问题。本发明设计的耦合机构能够将能量线圈和信号线圈串联在同一块区域，可以解决系统占用空间大，成本高的问题。为解决能量对信号的干扰问题，本发明对能量线圈和信号线圈进行设计，信号线圈相较于能量线圈而言，信号线圈绕制的感值偏小，用于信号传输，而能量线圈绕制的感值比信号线圈大，用于能量的传输。在高频下，信号发射线圈的等效阻抗较小，且功率等级低，对能量传输的影响可忽略，由于信号线圈绕制稀疏，能量线圈和信号线圈之间的互感较小，能量对信号传输的影响也较小，这样就能有效减小在无线电能传输过程中能量对信号的干扰。
6.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：井下旋转导向的能量信号同步传输耦合机构设计方法，该方法设计的耦合机构包括发射端和接收端，所述发射端包括外筒磁芯、原边能量发射线圈和原边信号发射线圈，所述接收端包括内筒磁芯、副边能量接收线圈和副边信号接收线圈；该设计方法具体为：
将内筒磁芯套设在外筒磁芯内，且将内筒磁芯和外筒磁芯共轴设置；将所述原边信号发射线圈和原边能量发射线圈串联在一起，且将原边信号发射线圈和原边能量发射线圈沿外筒磁芯轴向分布绕制在外筒磁芯内壁上；将所述副边信号接收线圈和副边能量接收线圈沿内筒磁芯轴向分布且绕制在内筒磁芯外壁上；在绕制时，原边信号发射线圈和副边信号接收线圈采用同样的结构绕制，原边能量发射线圈和副边能量接收线圈采用同样的结构绕制；当内筒磁芯装配在外筒磁芯内时，内筒磁芯上的副边信号接收线圈和副边能量接收线圈分别与外筒磁芯上的原边信号接收线圈和原边能量接收线圈相对；通过减少原边信号发射线圈以及副边信号接收线圈的匝数或增大原边信号发射线圈以及副边信号接收线圈的匝间距，以减小能量的损耗以及能量对信号的干扰。
7.更进一步的，将所述原边信号发射线圈和副边信号接收线圈均采用q型线圈结构绕制。
8.将所述原边能量发射线圈和副边能量发射线圈均采用q型线圈结构绕制。
9.在所述外筒磁芯内壁上开设用于绕制原边信号发射线圈的凹槽ⅰ，和用于绕制原边能量发射线圈的凹槽ⅱ；且原边信号发射线圈绕制在凹槽ⅰ内时，原边信号发射线圈的外圆周面不凸出于凹槽ⅰ的槽口；原边能量发射线圈绕制在凹槽ⅱ内时，原边能量发射线圈的外圆周面不凸出于凹槽ⅱ的槽口。
10.在所述内筒磁芯外壁上开设用于绕制副边信号接收线圈的凹槽ⅲ，和用于绕制副边能量接收线圈的凹槽ⅳ；副边信号接收线圈绕制在凹槽ⅲ内时，副边信号接收线圈的外圆周面不凸出于凹槽ⅲ的槽口；副边能量接收线圈绕制在凹槽ⅳ内时，副边能量接收线圈的外圆周面不凸出于凹槽ⅳ的槽口。
11.更进一步地，当内筒磁芯装配在外筒磁芯内时，凹槽ⅰ与凹槽ⅲ相对设置，且槽口宽度相同，槽深度相同；凹槽ⅱ与凹槽ⅳ相对设置，二者槽口宽度相同，槽深度相同。
12.凹槽ⅰ、凹槽ⅱ、凹槽ⅲ和凹槽ⅳ的深度分别为5mm。
13.所述耦合机构采用ss结构的耦合拓扑结构。
14.更进一步的，在发射端设置发射屏蔽层，采用厚度为10mm的铝壳作为发射屏蔽层，即为外筒的铝壳；并在原边信号发射线圈和原边能量发射线圈之间安装铁氧体作为隔离屏蔽。
15.更进一步的，在接收端设置接收屏蔽层，该接收屏蔽层即为内筒的铝壳，厚度为10mm；并在副边信号接收线圈与副边能量接收线圈之间安装铁氧体作为隔离屏蔽。
16.采用空心圆柱状的外筒磁芯，同时采用空心圆柱状的内筒磁芯，外筒磁芯和内筒磁芯均采用若干磁芯块拼接在一起形成。
17.原边能量发射线圈与原边信号发射线圈的绕制方向一致，电流方向是否一致。
18.原边能量发射线圈采用利兹线绕制；原边信号发射线圈采用利兹线绕制；副边能量接收线圈采用利兹线绕制；副边信号接收线圈采用利兹线绕制。
19.原边能量发射线圈的绕制匝数为15；原边信号发射线圈的绕制匝数为5；副边能量接收线圈的绕制匝数为15；副边信号接收线圈的绕制匝数为5。
20.内筒磁芯与外筒磁芯之间的气隙控制在20mm范围内。
21.与现有技术相比，本发明所带来有益的技术效果表现在：1、本发明的主要效果有两方面。第一方面：本发明采用了无线电能传输的方式进行电能传输，在井下钻探环境中极大的减小了因装置磨损、打火等造成的设备损坏，减小了系统的维修成本。第二方面：本发明采用发射侧绕制双线圈串联的耦合模型分别进行能量和信号的传递，把能量线圈和信号线圈串联在同一块区域，解决系统占用空间大，成本高以及传输过程中能量对信号干扰的问题，该系统能有效减小在无线电能传输过程中能量对信号的干扰，增强系统通信的稳定性和可靠性。
22.2、采用能量和信号串联同步传输，减小了系统体积和成本，但是能量的传输会影响到信号的传输，为解决能量对信号的干扰问题，对能量和信号线圈进行设计，信号线圈相较于能量线圈而言，信号线圈绕制的感值偏小，用于信号传输，而能量线圈绕制的感值比信号线圈大，用于能量的传输。在高频下，信号发射线圈的等效阻抗较小，且功率等级低，对能量传输的影响可忽略，由于信号线圈绕制稀疏，能量线圈和信号线圈之间的互感较小，能量对信号传输的影响也较小，这样就能有效减小在无线电能传输过程中能量对信号的干扰。
23.3、把能量线圈和信号线圈串联在同一块区域，这样就可以解决系统占用空间大，成本高的问题。
附图说明
24.图1为现有技术中两套线圈能量信号传输系统结构框图；图2为现有技术中共用一套线圈能量信号传输系统结构框图；图3为本发明双线圈串联的能量信号同步传输耦合结构框图；图4为本发明能量信号同步传输装置电路图；图5为本发明内筒磁芯的结构示意图；图6为本发明外筒磁芯的结构示意图；图7为本发明设计耦合机构的俯视结构示意图；图8为本发明设计的耦合机构的仿真模型图；附图标记：1、外筒磁芯，2、原边信号发射线圈，3、原边能量发射线圈，4、内筒磁芯，5、副边信号接收线圈，6、副边能量接收线圈。
具体实施方式
25.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。
26.实施例1作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图3、图5、图6和图7所示，本实施例公开了井下旋转导向的能量信号同步传输耦合机构设计方法，该方法设计的耦合机构包括发射端和接收端，所述发射端包括外筒磁芯、原边能量发射线圈和原边信号发射线圈，所述接收端包括内筒磁芯、副边能量接收线圈和副边信号接收线圈；该设计方法具体为：将内筒磁芯套设在外筒磁芯内，且将内筒磁芯和外筒磁芯共轴设置；将所述原边信号发射线圈和原边
能量发射线圈串联在一起，且将原边信号发射线圈和原边能量发射线圈沿外筒磁芯轴向分布绕制在外筒磁芯内壁上；将所述副边信号接收线圈和副边能量接收线圈沿内筒磁芯轴向分布且绕制在内筒磁芯外壁上；在绕制时，原边信号发射线圈和副边信号接收线圈采用同样的结构绕制，原边能量发射线圈和副边能量接收线圈采用同样的结构绕制；当内筒磁芯装配在外筒磁芯内时，内筒磁芯上的副边信号接收线圈和副边能量接收线圈分别与外筒磁芯上的原边信号接收线圈和原边能量接收线圈相对；通过减少原边信号发射线圈以及副边信号接收线圈的匝数或增大原边信号发射线圈以及副边信号接收线圈的匝间距，以减小能量的损耗以及能量对信号的干扰。
27.在本实施例中，如图3所示，副边能量接收线圈连接独立的能量接收电路，副边信号接收线圈连接独立的信号接收电路。
28.实施例2作为本发明又一较佳实施例，参照说明附图3和图4所示，如图4所示，公开了能量传输的具体电路框图，主要由输入电源、逆变电路、耦合机构与补偿网络、整流滤波电路以及负载组成。
29.图4中uin为直流电源输入，mosfet s1~s4构成全桥逆变电路，c
p
和l
p
为发射端补偿网络，cs和ls为接收端补偿网络，其中l
p
和ls分别为原边能量发射线圈和副边能量接收线圈，m为线圈间的互感，l1和l2，分别为原边信号发射线圈和副边信号接收线圈，二极管d1~d4构成整流电路，c为滤波电容，r
l
为负载。线圈接收与发射的绕制结构如图5和图6所示，其中信号线圈与能量线圈同轴绕制，装配图如图7所示。
30.本实施例改进型的单线圈能量信号同传装置，把能量线圈和信号线圈串联在同一块区域，这样就可以解决系统占用空间大，成本高的问题。为减小能量信号同步传输过程中，能量对信号的干扰，提出了发射侧绕制双线圈串联的耦合模型，如图3所示。
31.采用能量和信号串联同步传输，减小了系统体积和成本，但是能量的传输会影响到信号的传输，为解决能量对信号的干扰问题，对能量和信号线圈进行设计，信号线圈相较于能量线圈而言，信号线圈绕制的感值偏小，用于信号传输，而能量线圈绕制的感值比信号线圈大，用于能量的传输。在高频下，信号发射线圈的等效阻抗较小，且功率等级低，对能量传输的影响可忽略，由于信号线圈绕制稀疏，能量线圈和信号线圈之间的互感较小，能量对信号传输的影响也较小，这样就能有效减小在无线电能传输过程中能量对信号的干扰。
32.实施例3作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图5、附图6和附图7所示，本实施例公开了井下旋转导向的能量信号同步传输耦合机构设计方法，该方法设计的耦合机构包括发射端和接收端，所述发射端包括外筒磁芯、原边能量发射线圈和原边信号发射线圈，所述接收端包括内筒磁芯、副边能量接收线圈和副边信号接收线圈；该设计方法具体为：将内筒磁芯套设在外筒磁芯内，且将内筒磁芯和外筒磁芯共轴设置；将所述原边信号发射线圈和原边能量发射线圈串联在一起，且将原边信号发射线圈和原边能量发射线圈沿外筒磁芯轴向分布绕制在外筒磁芯内壁上；将所述副边信号接收线圈和副边能量接收线圈沿内筒磁芯轴向分布且绕制在内筒磁芯外壁上；在绕制时，原边信号发射线圈和副边信号接收线圈采用同样的结构绕制，原边能
量发射线圈和副边能量接收线圈采用同样的结构绕制；当内筒磁芯装配在外筒磁芯内时，内筒磁芯上的副边信号接收线圈和副边能量接收线圈分别与外筒磁芯上的原边信号接收线圈和原边能量接收线圈相对；通过减少原边信号发射线圈以及副边信号接收线圈的匝数或增大原边信号发射线圈以及副边信号接收线圈的匝间距，以减小能量的损耗以及能量对信号的干扰。
33.更进一步的，将所述原边信号发射线圈和副边信号接收线圈均采用q型线圈结构绕制。
34.将所述原边能量发射线圈和副边能量发射线圈均采用q型线圈结构绕制。
35.在所述外筒磁芯内壁上开设用于绕制原边信号发射线圈的凹槽ⅰ，和用于绕制原边能量发射线圈的凹槽ⅱ；且原边信号发射线圈绕制在凹槽ⅰ内时，原边信号发射线圈的外圆周面不凸出于凹槽ⅰ的槽口；原边能量发射线圈绕制在凹槽ⅱ内时，原边能量发射线圈的外圆周面不凸出于凹槽ⅱ的槽口。
36.在所述内筒磁芯外壁上开设用于绕制副边信号接收线圈的凹槽ⅲ，和用于绕制副边能量接收线圈的凹槽ⅳ；副边信号接收线圈绕制在凹槽ⅲ内时，副边信号接收线圈的外圆周面不凸出于凹槽ⅲ的槽口；副边能量接收线圈绕制在凹槽ⅳ内时，副边能量接收线圈的外圆周面不凸出于凹槽ⅳ的槽口。
37.更进一步地，当内筒磁芯装配在外筒磁芯内时，凹槽ⅰ与凹槽ⅲ相对设置，且槽口宽度相同，槽深度相同；凹槽ⅱ与凹槽ⅳ相对设置，二者槽口宽度相同，槽深度相同。
38.凹槽ⅰ、凹槽ⅱ、凹槽ⅲ和凹槽ⅳ的深度分别为5mm。
39.所述耦合机构采用ss结构的耦合拓扑结构。
40.更进一步的，在发射端设置发射屏蔽层，采用厚度为10mm的铝壳作为发射屏蔽层，即为外筒的铝壳；并在原边信号发射线圈和原边能量发射线圈之间安装铁氧体作为隔离屏蔽。
41.更进一步的，在接收端设置接收屏蔽层，该接收屏蔽层即为内筒的铝壳，厚度为10mm；并在副边信号接收线圈与副边能量接收线圈之间安装铁氧体作为隔离屏蔽。
42.采用空心圆柱状的外筒磁芯，同时采用空心圆柱状的内筒磁芯，外筒磁芯和内筒磁芯均采用若干磁芯块拼接在一起形成。
43.原边能量发射线圈与原边信号发射线圈的绕制方向一致，电流方向是否一致。
44.原边能量发射线圈采用利兹线绕制；原边信号发射线圈采用利兹线绕制；副边能量接收线圈采用利兹线绕制；副边信号接收线圈采用利兹线绕制。
45.原边能量发射线圈的绕制匝数为15；原边信号发射线圈的绕制匝数为5；副边能量接收线圈的绕制匝数为15；副边信号接收线圈的绕制匝数为5。
46.内筒磁芯与外筒磁芯之间的气隙控制在20mm范围内。
47.实施例4作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图8，本实施例是采用上述实施例3的设计方法设计出的耦合机构的仿真模型图，主要包括内筒磁芯、外筒磁芯、原边信号发射线圈、原边能量发射线圈、副边信号接收线圈和副边能量接收线圈。
48.在多物理场仿真软件comsol中建立模型，仿真数据以及结构如下表1所示。
49.表1为仿真数据
通过软件仿真，设置能量发射线圈激励电流为1a，可以得到能量发射端的磁通情况。如图8所示，能量发射侧进行能量传递时，由于磁芯的约束，线圈绕制大小，以及屏蔽体的屏蔽作用，能量发射侧的磁通约束在能量发射区域，并不影响信号发射。