井下涡轮发电机磁力传动机构的耦合磁场分析
连续波钻井液脉冲发生器用磁力耦合器设计
极 对 数 １ ２ ３ ４
套 内 涡 流 损 耗 、磁 密 、转 矩 与 电 阻 率 的 数 值 关
系 ，见 图 ３～图 ５ 。从 图可 以看 出 ，磁 力耦 合 器
传递 转矩 的能力 和磁通 密度 幅值随 隔离 套材料 电阻 率 的增加 而增加 ，涡流 损耗 随隔离套 材料 电阻率 的
２ ．磁 力耦 合器磁 极确 定 及磁场 数值 分析
岂
●
（ ）磁极 确 定 通 过数 值 分 析 来 确 定 耦 合 器 １
Ｚ
的相关参 数 ，使发 电机 能够 为系 统提供 稳 定充 足 的 电量 。用 有 限元法 计算 出不 同极 对数情 况 下 的转 矩 特性 ，根 据麦 克斯 韦方 程可 知 ，影 响磁 力耦 合器 的
石 油
机
械
一 ３ 一 ５
２０ ０ ８年
第３ ６卷
第 １ 期 １
ＣＨＩ Ｐ ＲＯＬ ＮＡ ＥＴ ＥＵＭ ＭＡＣＨＩ ＮＥＲＹ
●设 计 计 算
连 续 波 钻 井 液 脉 冲 发 生 器 用 磁 力 耦 合 器 设 计
菅志军 王智 明 ＇ 贺麦红 许朝 晖 张冠 祺
（ ．中海 油 田服 务 股 份 有 限 公 司技 术 中 心 １ ２ ．吉林 大 学机 械 学 院 ）
流影 响时 （ 者 隔离 套 为 非 金 属 材料 即 不导 电 ） 或 ， 采用 ２对 极结构 较合理 。当计 隔离 套 中涡 流影 响时 （ 或者 隔离 套 为金 属 材 料 即 导 电 ） ，采 用 ３对 极 结 构较合 理 。隔离套 是耦合器 中比较 重要 的零件 ，直
接影 响系统转 矩 的传递 。
封 ，可 以简化传 动 系统 。
磁力传动系统的设计分析
磁力传动系统的设计分析随着科技的不断进步和发展，传动方式也不断变化和创新，其中磁力传动系统作为一种新型的传动方式在工业制造领域中得到了广泛的应用。
磁力传动系统作为一种取代机械传动的高效传动方式，具有无接触、无磨损、高效节能等优点，非常适合一些高精度、高负载、高速度的应用场合。
磁力传动系统可以采用不同的材料和结构设计，不同的设计方案对磁力传动系统的传动效率、输出扭矩、稳定性等方面都有着至关重要的影响。
本文将对磁力传动系统的设计进行分析和探讨。
一、磁力传动系统的基本原理磁力传动系统由两种磁性物质之间的相互作用产生运动而完成传动。
其中磁场产生的磁力是磁力传动系统的主要驱动力，两种不同磁性材料之间的相互作用可以产生磁力作用力，从而控制转子的转动。
通常磁力传动系统分为静态磁力传动和动态磁力传动两种形式，静态磁力传动是指在磁场作用下，转子位置保持不变；动态磁力传动是指转子在随时随地的磁场作用下，可以得到稳定运动。
在通常的磁力传动系统设计中，常用的磁性材料为永磁体全硬磁石和电磁铁线圈，磁量的大小决定了磁力的强弱，磁布局的特点决定了磁力的稳定和反响特性。
二、磁力传动系统的设计要素磁力传动系统的设计要素从静态和动态两个方面进行设计。
其中，静态方面主要包括永磁体磁场的分布、磁路的设计和空气隙的大小；动态方面主要包括线圈电流的设计、线圈间隔和电极间距的大小。
静态设计的主要目的是提高磁力传递的效率和负载能力，确保高品质的闭环磁路来实现传递到机械系统的转矩；动态方面的设计为了保证运动的质量，尤其是保证平稳和控制的运动速度。
磁力传动系统的设计还包括稳态和瞬态两个方面，其中稳态的处理主要关注系统的静态响应和无阻尼自由度的影响，而瞬态的分析则关注系统的响应行为和动态特性。
因此，在磁场布局的设计时，不同的磁路参数、不同的线圈间距与电极间距搭配都将对磁力传动系统的稳定性和运动特性产生影响。
三、磁力传动系统的优化研究磁力传动系统的稳定性和准确性是其优化的主要方向。
(完整word版)磁力耦合传动原理
磁力耦合传动原理Magna Drive 磁力耦合器美国Magna Drive 磁力耦合驱动技术在1999年获得了突破性的进展。
该驱动方式解决了旋转负载系统的轴心对中、软启动、减振、调速、及过载保护等问题，并且使磁力驱动的传动效率大大提高，可达到98.5%.该技术现已在各行各业获得了广泛的应用并且对传统的传动技术带来了崭新的概念，在传动领域引起一场新的革命。
美国海军经过两年多的验证，在2004年3月，该产品成功通过了美国海军最严格的9-G抗震试验，美国海军对该技术产品实现了批量采购。
1、涡流式磁力耦合工作原理Magna Drive磁力耦合调速驱动是通过导磁体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的扭矩传输。
该技术实现了电动机和负载侧没有机械联接。
其工作原理是一端稀有金属氧化物硼铁钕永磁体和另一端感应磁场相互作用产生扭矩，通过调节永磁体和导磁体之间的气隙就可以控制传递的扭矩，从而实现负载速度调节。
Magna Drive磁力耦合调速驱动器主要由铜转子、永磁转子和控制器三部分组成。
铜转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，铜转子和永磁转子之间有间隙（称为气隙）。
这样电动机和负载由原来的机械联接转变为磁联接，通过调节永磁体和导磁体之间的气隙就可实现负载轴上的输出扭矩变化，从而实现负载转速变化。
由上面的分析可以知道，通过调整气隙可以获得可调整的、可控制的、可重复的负载转速。
磁感应是通过磁体和导体之间的相对运动产生。
也就是说，磁力耦合调速驱动器的输出转速始终都比输入转速小，转速差称为滑差。
通常在电动机满转时，Magna Drive ASD(大功率调速型磁力耦合器（ASD）)的滑差在1%--4%之间。
通过Magna Drive ASD输入扭矩总是等于输出扭矩，因此电动机只需要产生负载所需要的扭矩。
Magna Drive ASD传输能量和控制速度的能力不受电动机轴和负载轴之间由于安装未对准原因而产生的小角度或者小偏移的影响，排除了未对准而产生的振动问题。
混合励磁式井下涡轮发电机涡轮参数研究
表 ２ 涡轮结构优化结果
涡轮参数
优化前
优化后
叶片数 进 口 角（°） 出 口 角（°） 圆弧半径 Ｒ（ｍｍ）
奇数
１５
５￣３５
３３
３０￣６０
３５
３０￣８０
３０
２ 涡轮发电机地面水力实验与结果 ２．１ 实验系统简介
流 体 进 口 速 度 ５ｍ／ｓ， 出 口 压 力 ０．３５ＭＰａ， 涡 轮 转 速 ｎ＝１２８０ｒ／ｍｉｎ。环境压力为 ０．１ＭＰａ，温度 ２０℃。流道之间采 用 Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ 间隔。以 Ｘ 轴为旋转轴的旋转坐标系。
采用基于速度 － 压力耦合修正的 ＳＩＭＰＬＥ 算法、选择 适 用 于 不 可 压 缩 流 场 紊 流 计 算 的 分 离 式 求 解 器 求 解 ，将 雷 诺 时 均 Ｎ－ Ｓ 方 程 与 标 准 ｋ－ ｅ 模 型 联 合 作 为 湍 流 求 解 的 控制方程，插值离散方 式 采 用 精 度 较 高 的 二 阶 迎 风 格 式 ， 流道壁面用无滑移壁面条件，采用标准壁面函数确定壁 面附近流动。根据表 １ 中数据完成涡轮、导轮及对应流道 模型的建立。对叶轮尖角进行圆滑处理避免应力集中。 １．１ 涡轮叶片数目确定
ＨＥ Ｘｉａｏｈｏｎｇ （ＱｕＺｈｏｕ ＴＶ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｑｕｚｈｏｕ ３２４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｄｒｉｖｅｎ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ， ｗｉｄｅ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ １２０° ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｗａｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ， ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ｉｓ ｃｌｅａｒｎｅｓｓ， ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｃｔｕａｌ ｍｏｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅａｋ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｉｍｅ， ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｄｅｂｕｇ ｗｉｌｌ ｂｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ， ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｗａｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｏｎ
井下发电机涡轮研究概况
井下发电机涡轮研究概况曲海乐;王智明;肖俊远【摘要】本文介绍了钻井液脉冲随钻测井系统及其井下供电电源-涡轮发电机的工作原理,研究了其关键部件-涡轮的建模、CFD分析、结构优化、制造等几方面工作,分析了国内外最新研究成果及方法,总结了涡轮的主要研究内容和方法.最后指出,努力实现技术自主创新对于打破国际技术垄断和发展本国经济具有重要意义.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2010(000)003【总页数】3页(P6-7,16)【关键词】钻井液;涡轮发电机;涡轮;建模;优化分析;制造【作者】曲海乐;王智明;肖俊远【作者单位】吉林大学,长春,130025;吉林大学,长春,130025;吉林大学,长春,130025【正文语种】中文1 引言无线随钻测井LWD、随钻测量MWD技术极大地促进了石油钻采的发展。
其数据传输方式主要有钻井液脉冲、电磁波、声波和光纤[1]。
钻井液脉冲是目前国内外普遍采用的信号传输方式。
钻井液传输稳定、速度较快，普遍已达16b/s，实验室最快达40b/s以上。
传输信号种类较多，对钻井工作影响很小。
目前，钻井液脉冲测井系统中井下供电电源主要是电池组和涡轮发电机。
涡轮发电机具有更大的优势前景，钻井液的不断流动使电能具有长期性和持续性，而且能够适应井下高温高压环境。
钻井液脉冲、电磁波、旋转导向、核磁共振等测井系统逐渐将其作为井下主电源，根据需要将电池组作为备用电源。
随着社会生产对石油资源需求的不断增长，勘探和计算机处理技术的不断发展，石油钻采转向了采、测较困难的陆地和深海。
完备高效的测井系统是钻采率的保障，涡轮发电机利用钻井液动能发电，降低了设备成本，节约了能源，体现了科学发展、可持续发展的能源理念，因此，对能量转换部件涡轮进行深入研究具有重要意义。
2 研究内容2.1 工作原理钻井时，涡轮前部的固定导轮调整钻头来的高速钻井液流向，有效冲击涡轮叶片旋转，叶片吸收了钻井液动能，将其转换成驱动涡轮旋转的机械能，带动涡轮轴旋转，涡轮轴增速后带动发电机转子旋转，由于发电机旋转轴外部安装绕组线圈，在磁场作用下，线圈切割磁力线产生了电流[2]。
磁力耦合原理
磁力耦合原理磁力耦合是一种通过磁场传递动能的原理，广泛应用于许多工业领域，包括传动系统、泵浦系统、风力发电系统等。
磁力耦合原理的核心在于利用磁场的作用来传递动能，从而实现机械装置的无接触传动。
磁力耦合的基本结构包括外转子、内转子和磁体。
外转子和内转子之间通过磁场相互作用，实现了动能的传递。
当外转子受到外部动力驱动时，通过磁场作用，内转子也会跟随外转子的运动而旋转，从而实现了动能的传递。
这种传动方式具有无接触、无摩擦、无磨损的特点，因此在一些特殊环境下具有重要的应用价值。
磁力耦合的工作原理主要包括磁铁的磁化、磁场的产生和磁力的传递。
首先，外转子上的永磁体会受到外部磁场的作用而磁化，产生一个磁场。
内转子上也有永磁体，当外转子的磁场作用于内转子上时，会产生磁力，从而实现了动能的传递。
这种磁力传递的方式具有高效、稳定的特点，能够满足一些特殊工况下的传动需求。
磁力耦合的应用领域非常广泛，特别是在一些特殊环境下，如高温、高压、腐蚀性介质等条件下，传统的机械传动方式往往难以满足要求，而磁力耦合则能够很好地解决这些问题。
例如，在化工行业的泵浦系统中，由于介质的腐蚀性，传统的机械密封往往难以长期稳定工作，而采用磁力耦合可以实现无泄漏传动，提高了设备的可靠性和安全性。
除此之外，磁力耦合还广泛应用于风力发电系统中。
在风力发电机组中，由于叶片的转动速度和方向随风速的变化而变化，传统的机械传动方式会带来很大的挑战。
而采用磁力耦合可以实现叶片和发电机之间的无接触传动，提高了系统的可靠性和稳定性。
总的来说，磁力耦合作为一种新型的传动方式，具有许多传统传动方式无法比拟的优势，特别是在一些特殊环境和工况下，其应用价值更加突出。
随着技术的不断进步和创新，相信磁力耦合在未来会有更广阔的应用前景。
油田井下WPT_系统磁耦合机构优化设计
第41卷 第1期吉林大学学报(信息科学版)Vol.41 No.12023年1月Journal of Jilin University (Information Science Edition)Jan.2023文章编号:1671⁃5896(2023)01⁃0037⁃06油田井下WPT 系统磁耦合机构优化设计收稿日期:2022⁃01⁃09基金项目:海南省科技厅重点研发计划基金资助项目(SQ2022GXJS0011)作者简介:任陕海(1994 ),女,内蒙古赤峰人,东北石油大学硕士研究生,主要从事无线电能传输研究,(Tel)86⁃183****2771(E⁃mail)2211261258@;通讯作者:付光杰(1962 ),女,吉林通化人,东北石油大学教授,博士生导师,主要从事电力电子技术应用㊁电机调速控制技术和电力系统节能技术等研究,(Tel)86⁃139****0179(E⁃mail)fgjmhw@㊂任陕海1,2a ,付光杰1,韩 帅2b ,金胜男2a ,杨 阳2a ,王 石2a(1.东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆163318;2.大庆油田有限责任公司a.第六采油厂;b.工程建设公司,黑龙江大庆163318)摘要:为优化油田井下无线电能传输系统磁耦合机构,提出一种改进型螺线管型磁耦合机构,采用Maxwell 电磁场仿真工具提出一种优化设计方法,并通过研究LCC⁃S 高阶补偿拓扑的特性得到了LCC⁃S 的补偿设计公式和主要电路特性,最后使用PSIM(Power Simulation)仿真软件通过闭环PI (Proportion Integration)控制验证了提出的耦合结构和补偿拓扑的设计可行性和正确性,结果表明,该磁耦合机构适合油井下供电场景㊂关键词:油田井下;无线电能传输;磁耦合机构优化设计;电磁仿真;LCC⁃S 补偿拓扑中图分类号:TM923.6文献标志码:AOptimization Design of Magnetic Coupling Mechanism of Downhole WPT System in OilfieldREN Shanhai 1,2a ,FU Guangjie 1,HAN Shuai 2b ,JIN Shengnan 2a ,YANG Yang 2a ,WANG Shi 2a(1.School of Electrical and Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2a.The Sixth Oil Production Plant;2b.Engineering Construction Company,Daqing Oil Field Company Limited,Daqing 163318,China)Abstract :In order to optimize the magnetic coupling mechanism of underground radio energy transmission system in oil field,an improved solenoid type magnetic coupling mechanism is proposed for the magnetic coupling mechanism of the underground wireless power transmission system in the oil field.And an optimization design method is proposed by using the Maxwell electromagnetic field simulation tool.The characteristics of the LCC⁃S high⁃order compensation topology are studied.The compensation design formula and main circuit characteristics of LCC⁃S are obtained.Finally,the feasibility and correctness of the proposed coupling structure and compensation topology are verified by closed⁃loop PI (Proportion Integration )control through PSIM (Power Simulation)simulation software.Key words :oilfield downhole;wireless power transmission(WPT);optimization design of magnetic coupling mechanism;electromagnetic simulation;LCC⁃S compensation topology 0 引 言传统油田井下电气装置的供电方式主要包括电池㊁线缆或导电滑环,由于电池供电方式存在续航能力有限和更换费时费力等问题,线缆供电方式存在易磨损和易引起电火花爆炸等安全隐患,因此采用滑环方式供电有许多缺点[1⁃3]㊂为解决上述问题,笔者提出采用无线电能传输技术(WPT:Wireless Power Transmission)解决传统井下供电的问题㊂由于油田井内空间较小且高温高压,常伴随油㊁水㊁气和沙同时存在,工作环境较恶劣,对电气设备的要求较高,因此选择综合性能均衡的电磁感应式无线电能传输作为研究的主要内容[4⁃5]㊂在WPT 系统磁耦合机构研究的早期阶段,人们采用常用的U 型㊁E 型和罐型磁芯[6⁃8],然而U 型和E 型磁芯随着磁气隙的减小耦合系数迅速降低,抗偏移性能较差,只适用距离较近且位置固定的场合㊂为减小磁耦合机构占用的空间,同时保证较远的传输距离以及较高的耦合系数,人们提出了平面形磁耦合机构㊂目前虽然平面型磁耦合机构的研究比较充分且成熟,而且其性能也较传统的U 型㊁E 型和罐型磁芯磁耦合机构优秀,但油田井下的空间较小且为立体柱形,平面型磁耦合机构在这种情况下很难发挥出在一般场景下应用的优势,因此需针对油井下特殊场景的应用进行有针对性的优化设计[9⁃11]㊂为此笔者提出一种改进型螺线管型磁耦合机构,并通过研究LCC⁃S 高阶补偿拓扑的特性得到了LCC⁃S 的补偿设计公式和主要电路特性,最后使用仿真软件通过闭环PI 控制验证了提出的耦合结构和补偿拓扑的设计可行性和正确性㊂1 油田井下磁耦合机构优化设计研究传统螺线管型磁耦合机构多为无铁氧体螺线管,笔者提出一种性能较均衡的具有非对称式磁条结构的螺旋线圈式磁耦合机构㊂为验证通过加入铁氧体能提高磁耦合机构的性能,测出如图1a 所示有无铁氧体耦合机构参数对比,无铁氧体磁耦合机构随着内线圈半径的增加,内线圈的自感㊁电阻㊁互感和耦合系数均随之增大㊂图1b 和图1c 通过加入4条铁氧体条,自感和互感数值较无铁氧体增加数值变大,有铁氧体条的磁耦合机构自感值是无铁氧体条的10倍左右,互感提高5倍左右,且耦合系数曲线较平滑㊂图1 有无铁氧体耦合机构参数对比Fig.1 Comparison of parameters of ferrite coupling mechanism with or without ferrite 为验证提出的磁耦合机构具有更好的抗偏移效果,通过变化内线圈的中心位置实现水平抗偏移测试的仿真实验,通过内线圈的中心高度的变换实现竖直抗偏移的仿真实验㊂图2a 和图2b 给出了竖直抗偏移和水平抗偏移测试的Maxwell 仿真图㊂为进一步研究磁条分布对磁耦合机构性能的影响,通过变换铁氧体条数及交错⁃对称分布对磁耦合机构性能进行对比㊂图2c 和2d 为对称分布和不对称分布测试的Maxwell 仿真图㊂图2 Maxwell 仿真示意图Fig.2 Maxwell simulation diagram 图3为有无铁氧体竖直抗偏移对比㊂在有铁氧体㊁偏移50mm 的情况下,磁耦合机构的互感和耦合系数基本保持不变㊂有铁氧体情况下的互感和耦合系数下降速度较慢,且最大变化量较小㊂因为83吉林大学学报(信息科学版)第41卷螺线管磁场主要集中在环内,因此水平的偏移对磁耦合机构的影响较小㊂而有无铁氧体情况对水平抗偏移能力影响较小㊂因此增加铁氧体提高了磁耦合结构的竖直抗偏移能力,自感㊁互感较大,抗偏移性优秀,磁场泄露小,电磁干扰小,无安全隐患,适合实际应用㊂图3 有无铁氧体竖直抗偏移对比Fig.3 Comparison of vertical anti⁃offset with or without ferrite 图4为条数⁃交错⁃对称性能对比,交错式分布自感值较大,对称与交错分布互感分别在4和6条时有最大值,交错分布耦合系数较大㊂当铁氧体条数为6时,磁耦合结构的互感较大,且自感和耦合系数适中,而且系统增加的体积和重量以及机构的复杂程度均为较均衡的状态㊂图4 条数⁃交错⁃对称性能对比Fig.4 Number⁃interlace⁃symmetric performance comparison 2 基于自感补偿的LCC⁃S 补偿拓扑研究为简化推导过程,直接给出LCC⁃S 的网络补偿设计公式以及关键参数的计算公式,同时为研究频率对补偿网络特性的影响,建立频率与系统增益和输入阻抗角关系公式如下:G v -LCC =j ωM Z s 1Z iv 11+j ωC f 1(j ωL p +1/j ωC 1+Z r )R E,(1)θin -LCC =180°πtan -1Im(Z in -LCC )Re(Z in -LCC )㊂(2)系统输出功率P o -LCC =I 22R E =(ω20L f1M )2U 2AB R E [Z in Z s (R p +Z r )]2㊂(3)输出效率ηLCC =P o -LCC P in -LCC =(ω2L f1M )2R E Z in Z 2s (R p +Z r )2㊂(4) 为研究LCC⁃S 补偿拓扑的幅频特性,通过Matlab 绘制出系统总的电压增益和系统输入相角随负载变化曲线图(见图5)㊂电压增益如图5a 所示,在额定负载10Ω情况下,随着频率的增加,系统的电压增益先增大后减小,系统的增益可以通过调节系统的工作频率实现,但需要调节的频率范围较93第1期任陕海,等:油田井下WPT 系统磁耦合机构优化设计宽㊂从图5b 输入相角图中可以看出,在额定负载10Ω情况下,随着频率的增加,系统的输入相角随着频率的增加而逐渐减小㊂并且从图5中可以看出,如果需要系统呈现弱感性从而能实现开关管的零电压开通,需要略微提高系统的工作频率㊂图5 LCC⁃S 电压增益和相角Fig.5 LCC⁃S voltage gain and phase angle 图6a 为系统在零相角工作状态下的系统输出功率和效率随负载变化曲线图,系统的输出功率随负载的减小而减小,当负载减小到一定程度时,系统的输出功率趋于稳定状态㊂为选取和验证合适的工作频率,通过额定功率在变频工作的情况下绘制出如图6b 所示的系统输出功率和效率随频率变化的曲线,系统的工作频率对在额定工作情况下的输出功率影响较小,当频率在0~150kHz 范围内工作时,系统的效率随工作频率的增大而增大,当系统的工作频率在110kHz 附近时,系统的效率达到最大值97%㊂因此为了权衡各种因素,折中考虑系统的性能,突出系统设计的重点指标需求,最终结合仿真的初步结果,选择在110kHz 附近时的系统设计的100kHz 的工作频率比较合理㊂图6 LCC⁃S 输出功率和效率Fig.6 LCC⁃S output power and efficiency 3 油井下WPT 系统闭环控制仿真研究为验证笔者提出的磁耦合机构优化设计结果和LCC⁃S 补偿拓扑研究结果,根据表1中油田井下WPT 基本电气⁃机械设计指标设计系统,设计了图7所示的闭环控制仿真程序㊂表1 油田井下WPT 基本电气⁃机械设计指标Tab.1 Basic electric⁃mechanical design index of downhole WPT in oil field 参数指标参数指标输出功率/W 100输出电压/V DC36系统效率/%95传输距离/mm 10工作频率/kHz 100磁耦合机构尺寸/mm 直径D =80,高度H =150额定输入电压/V DC36 为验证系统在恶劣工况下的闭环控制的动静态特性,绘制系统在较大范围内磁耦合机构偏移的系统稳态波形如图8,图9所示,可以看出,虽然磁耦合机构偏移对整流器输出的电压影响较大,但对系统的输出04吉林大学学报(信息科学版)第41卷影响较小㊂图10为系统在切换到150W 时的系统输出电压电流变化波形,从图10中可以看出,系统能在很短的时间内恢复恒压控制,而且输出的纹波电压为0.08V,同样满足系统的设计需求㊂图7 系统闭环控制仿真原理图Fig.7 Simulation schematic diagram of closed⁃loopcontrol 图8 磁耦合机构偏移对30uH 闭环系统的影响 图9 磁耦合机构偏移对60uH 闭环系统的影响 Fig.8 Influence of magnetic coupling mechanism Fig.9 Influence of magnetic coupling mechanism offset on 30uH closed loop system offset on 60uH closed loop system 14第1期任陕海,等:油田井下WPT 系统磁耦合机构优化设计图10 负载切换系统闭环关键波形图Fig.10 The closed⁃loop key waveform diagram of the load switching system 4 结 语为解决传统油井下电气设备供电的问题,笔者提出了采用感应式无线电能传输技术作为新型供电方式的思路㊂在改进型的磁耦合机构的设计过程中提出了一种优化设计方案,并研究了LCC⁃S 补偿拓扑的电路特性,给出了LCC⁃S 补偿拓扑的分析和设计公式,最后通过磁耦合优化设计方法得出的结果和LCC⁃S 补偿拓扑的设计结果,通过电路仿真验证了WPT 闭环控制系统对磁耦合结构的抗偏移特性和LCC⁃S 补偿拓扑能实现输入零相角和输出电压负载无关的结论,并在过载120%的情况下,验证了系统的鲁棒性㊂参考文献:[1]王启民,冀宝发,隋军,等.大庆油田三次采油技术的实践与认识[J].大庆石油地质与开发,2001,20(2):1⁃8.WANG Q M,JI B F,SUN J,et al.Practice and Knowledge of Tertiary Recovery Technique in Daqing Oilfield [J].Petroleum Geology and Oilfield Development in Daqing,2001,20(2):1⁃8.[2]徐健.电气自动化技术在油田生产中的应用[J].油气田地面工程,2015,34(2):26⁃28.XU J.Application of Electrical Automation Technology in Oilfield Production [J].Oil⁃Gasfield Surface Engineering,2015,34(2):26⁃28.[3]刘伟,王文天.油田井下配水器感应耦合输电功率与频率研究[J].吉林大学学报(信息科学版),2021,39(6):617⁃623.LIU W,WANG W T.Research on Power and Frequency of Inductive Coupling Transmission of Underground Water Distributorin Oilfield Well [J].Journal of Jilin University (Information Science Edition),2021,39(6):617⁃623.[4]陶国彬,刘幸幸,王艺婷,等.电动汽车无线充电系统参数对耦合影响的研究[J].吉林大学学报(信息科学版),2017,35(6):636⁃642.TAO G B,LIU X X,WANG Y T,et al.Research on the Influence of Electric Vehicle Wireless Charging System Parameters on Coupling [J].Journal of Jilin University (Information Science Edition),2017,35(6):636⁃642.[5]陈萍.井下无线电能传输技术研究[D].西安:西安石油大学电子工程学院,2018.CHEN P.Study on Wireless Power Transfer Technology for Downhole Engineering [D ].Xi’an:School of Electronic Engineering,Xi’an Shiyou University,2018.[6]YAN Z,SONG B,ZHANG Y,et al.A Rotation⁃Free Wireless Power Transfer System with Stable Output Power and Efficiency for Autonomous Underwater Vehicles [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2019,34(5):4005⁃4008.[7]ZHANG Y,YAN Z,KAN T,et al.Modelling and Analysis of the Distortion of Strongly⁃Coupled Wireless Power Transfer Systems with SS and LCC⁃LCC Compensations [J].IET Power Electronics,2019,12(6):1321⁃1328.[8]DAI X,LI X,LI Y,et al.Maximum Efficiency Tracking for Wireless Power Transfer 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井下随钻测量涡轮发电机的设计工作分析
井下随钻测量涡轮发电机的设计工作分析1. 引言井下随钻测量涡轮发电机是一种用于地下石油开采过程中的设备，通过测量和监测井下的涡轮发电机的工作状态，提供重要的数据支持和反馈，以优化井下生产环境和提高产量效益。
本文将对井下随钻测量涡轮发电机的设计工作进行分析。
2. 设计目标井下随钻测量涡轮发电机的设计目标主要包括以下几个方面： - 测量和监测涡轮发电机的转速、温度、压力等参数； - 实时传输数据至地面并进行处理分析； - 提供故障诊断和预测功能； - 适应复杂的井下环境，具备防护和抗干扰能力。
3. 设计方案3.1 传感器选择为了测量和监测涡轮发电机的各项参数，需要选择合适的传感器。
在井下环境中，要考虑到高温、高压和腐蚀等因素对传感器的影响。
因此，需要选择能够在极端环境下正常工作的传感器，如高温传感器、压力传感器和温度传感器等。
3.2 数据传输与处理井下随钻测量涡轮发电机的数据需要实时传输至地面，并进行处理和分析。
传输方式可以选择有线或者无线传输，具体根据工作环境和传输距离来决定。
地面设备可以通过数据采集系统和软件进行数据的接收和处理，提供实时的工作状态监测和故障诊断功能。
3.3 防护和抗干扰设计由于井下环境复杂且存在较强的电磁干扰，井下随钻测量涡轮发电机需要具备良好的防护和抗干扰能力。
可以采取屏蔽措施、选择适合的电缆材料和连接器，并进行严格的测试和验证，确保设备能够正常工作并保持稳定的数据传输和处理。
4. 设计优势井下随钻测量涡轮发电机的设计具有以下优势： - 实时监测和测量涡轮发电机的工作状态，提供及时的数据反馈和分析支持，帮助提高生产效益； - 提供故障诊断和预测功能，减少设备故障并提高设备运行可靠性； - 适应复杂的井下环境，具备较强的抗干扰和防护能力； - 数据传输和处理快速准确，实现实时监测和数据分析。
5. 结论井下随钻测量涡轮发电机的设计工作分析，帮助我们了解了井下随钻测量涡轮发电机的设计目标、设计方案、设计优势等方面的内容。
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响， 仿真得 出磁 力传动机 构不 同偏角所对应的的磁场分布状况和磁 力矩 间的关 系， 为磁 力传 动机构的力学 ｝ 生能的研究提
供 了参考。
关键词 ： 磁力传动机构 ； 耦合磁场 ； 有限元 ； Ａｎ ｓ ｏ ｆ Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 软件
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｔ Ｅ ２ ４ ２ ． ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ０ ０ ５ ９ — ０ ４
Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｃｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ Ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｗｉ ｔ ｈ Ｄｏ ｗｎ ｈ ｏ ｌ ｅ Ｔｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ Ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏｒ
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摘
要： 泥浆发 电机利 用磁力传动机构传递 力矩 ， 带动发 电机转子轴旋转， 从而达到连续供 电的 目的， 为井下仪 器提供 能
量。采用有限元的方法对 井下磁 力传动机构的耦合磁 场建立数 学模型 ， 将磁场三维问题转化成二维问题进行分析 计算，
并用 Ａ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ Ｍ ａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 软 件进行仿 真； 分析 了 磁 力传动机 构的结构参数 外磁极厚度 、 内 磁极 厚度 ， 气隙厚度 对磁 力矩的影
第 ２期
２ ０ １ ４年 ２月
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ５ ９
井下涡轮发 电机磁 力传动机 机械工程学院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ）