科研動(dòng)態(tài)
基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
中文題目：基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
論文題目：Design of Axial DD Magnetic Coupling Structure Based on Rotary Steerable Drilling
錄用期刊/會(huì)議：The Proceedings of 2023 International Conference on Wireless Power Transfer (EI國(guó)際會(huì)議)
原文DOI：10.1007/978-981-97-0873-4_52
原文鏈接:https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-97-0873-4_52
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024年3月9日
作者列表：
1） 吉 莉 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師
2） 葛富辰 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 新一代電子信息技術(shù) 碩21
3） 張江洪 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 信息與通信工程專(zhuān)業(yè) 碩23
4） 張家琦 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 新一代電子信息技術(shù) 碩22
摘要:
為了在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工況中為安裝在非旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套管上的用電設(shè)備供電，本文提出了一種新型的軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)。它不僅能夠?qū)㈦娔軓男D(zhuǎn)側(cè)傳輸?shù)届o止側(cè)，而且有效提高了無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)軸向抗偏移能力。首先，從電路模型和磁鏈路模型分析了WPT系統(tǒng)效率以及內(nèi)外式旋轉(zhuǎn)WPT系統(tǒng)磁通量特性。其次，從線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)平鋪圖和立體圖兩方面確定軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)模型。再次，利用仿真工具與DD-4D雙層正交磁耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向偏移對(duì)比試驗(yàn)，探明其互感變化特性。最后，建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yàn)證其軸向偏移距離為模型高度的2/3時(shí)，互感偏移率僅為63.6%，對(duì)比DD-4D雙層正交磁耦合結(jié)構(gòu)，軸向抗偏移能力提升了26%。
背景與動(dòng)機(jī):
無(wú)線(xiàn)電能傳輸（WPT）技術(shù)由于具備安全可靠便捷的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于石油井下、電動(dòng)汽車(chē)、航天航空等領(lǐng)域。目前，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具作為人類(lèi)持續(xù)推進(jìn)井下石油鉆探工作的重要設(shè)備，傳統(tǒng)的有線(xiàn)供電方式存在重大安全隱患不適用于旋轉(zhuǎn)工況，電刷滑環(huán)供電方式在深井環(huán)境中存在密封失效等問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)因其采用非物理接觸式方法，在電氣完全隔離情況下實(shí)現(xiàn)電能傳輸，具有安全性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可作為解決這一問(wèn)題的有效手段。
現(xiàn)目前提出的耦合結(jié)構(gòu)雖然都適用于旋轉(zhuǎn)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸，但是均沒(méi)有考慮到在實(shí)際工況中不可避免存在線(xiàn)圈偏移問(wèn)題。
針對(duì)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)軸向偏移問(wèn)題，本文探明旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工況特性，在此基礎(chǔ)上明確WPT系統(tǒng)傳輸性能，從電路模型和電磁鏈路模型分析了WPT系統(tǒng)效率以及內(nèi)外式旋轉(zhuǎn)WPT系統(tǒng)磁通量特性。通過(guò)有限元仿真與DD-4D雙層正交磁耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向偏移對(duì)比試驗(yàn)，探明其互感變化特性。搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yàn)證軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)的抗偏移能力的有效性。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工況中無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)牡刃щ娐穲D如圖1所示，拓?fù)溲a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用S-S結(jié)構(gòu)。并設(shè)計(jì)了如圖2所示的軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)，其中發(fā)射側(cè)由兩組圓心角差90°的沿軸向方向繞制的DD線(xiàn)圈構(gòu)成，緊密纏繞在旋轉(zhuǎn)鉆桿的外表面。接收側(cè)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)與發(fā)射線(xiàn)圈相同且與發(fā)射線(xiàn)圈同軸設(shè)計(jì)，緊密纏繞在非旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套筒內(nèi)表面。
圖1 WPT系統(tǒng)等效電路圖
圖2 軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)立體圖
利用Comsol仿真軟件搭建軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)模型，線(xiàn)圈匝數(shù)設(shè)計(jì)為6匝，針對(duì)該結(jié)構(gòu)的軸向抗偏移能力進(jìn)行仿真分析，并與雙層正交磁耦合結(jié)構(gòu)的軸向抗偏移能力進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比結(jié)果如圖3所示。
圖3 軸向偏移對(duì)比圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文提出的軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)的軸向抗偏移能力優(yōu)越性，搭建了一個(gè)頻率為85kHz，采用S-S諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，圖中直流電源向逆變器供電，逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。傳輸?shù)浇邮站€(xiàn)圈的交流電經(jīng)過(guò)整流器轉(zhuǎn)化為直流電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的供電。為降低線(xiàn)圈對(duì)系統(tǒng)的影響，所有線(xiàn)圈均采用Litz線(xiàn)繞制。
圖4 WPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖
圖5為軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)的互感與軸向偏移距離的關(guān)系變化曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)值相比仿真值有所降低，在偏移距離為49.2mm(模型高度的2/3)時(shí)，互感的誤差大約為4.5%。
圖5 實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比圖
結(jié)論:
在無(wú)線(xiàn)電能傳輸領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)越發(fā)受到人們的廣泛關(guān)注。根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井實(shí)際應(yīng)用工況中存在的偏移問(wèn)題，本文提出一種新型的軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)，從電路模型和磁鏈路模型分析了WPT系統(tǒng)效率以及內(nèi)外式旋轉(zhuǎn)WPT系統(tǒng)磁通量特性。本文探究了其與DD-4D雙層正交磁耦合結(jié)構(gòu)在軸向偏移方面的互感特性差別。已經(jīng)構(gòu)建了WPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑼瓿上嚓P(guān)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果吻合良好，最大誤差約為4.5%，軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)的偏移距離為模型高度的2/3時(shí)，互感偏移率僅為63.6%，相比對(duì)比結(jié)構(gòu)模型，軸向抗偏移能力提升了26%，驗(yàn)證了軸向DD磁耦合結(jié)構(gòu)的抗偏移能力的有效性。
作者簡(jiǎn)介:
吉莉，副教授，博士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，長(zhǎng)期致力于無(wú)線(xiàn)電能傳輸、能源互聯(lián)網(wǎng)及智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)研究工作，主持2項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、1項(xiàng)國(guó)家863課題和1項(xiàng)省部級(jí)基金，作為技術(shù)負(fù)責(zé)人主持多項(xiàng)國(guó)家863項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐項(xiàng)目。科技部國(guó)家第六次技術(shù)預(yù)測(cè)工作能源領(lǐng)域總體組專(zhuān)家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor，IEEE PELS 儲(chǔ)能系統(tǒng)與裝備技術(shù)委員會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸專(zhuān)委會(huì)委員、中國(guó)電源學(xué)會(huì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)及裝置專(zhuān)委會(huì)委員。以第一作者/通信作者在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《IEEE Transactions on Power Electronics》、《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》、《Renewable Energy》等期刊上發(fā)表SCI/EI期刊論文30余篇，第一作者獲授權(quán)/受理發(fā)明專(zhuān)利/軟件著作權(quán)10余項(xiàng)，編寫(xiě)中文著作3部。
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