中文題目：基于旋轉導向鉆井的軸向DD磁耦合結構設計

論文題目：Design of Axial DD Magnetic Coupling Structure Based on Rotary Steerable Drilling

錄用期刊/會議：The Proceedings of 2023 International Conference on Wireless Power Transfer (EI國際會議)

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/見刊時間：2024年3月9日

作者列表：

1） 吉   莉 中國石油大學（北京）人工智能學院 電子信息工程系教師

2） 葛富辰 中國石油大學（北京）人工智能學院 新一代電子信息技術 碩21

3） 張江洪 中國石油大學（北京）人工智能學院 信息與通信工程專業 碩23

4） 張家琦 中國石油大學（北京）人工智能學院 新一代電子信息技術 碩22

摘要:

為了在旋轉導向鉆井工況中為安裝在非旋轉導向套管上的用電設備供電，本文提出了一種新型的軸向DD磁耦合結構。它不僅能夠將電能從旋轉側傳輸到靜止側，而且有效提高了無線電能傳輸系統軸向抗偏移能力。首先，從電路模型和磁鏈路模型分析了WPT系統效率以及內外式旋轉WPT系統磁通量特性。其次，從線圈結構平鋪圖和立體圖兩方面確定軸向DD磁耦合結構模型。再次，利用仿真工具與DD-4D雙層正交磁耦合結構進行軸向偏移對比試驗，探明其互感變化特性。最后，建立了實驗模型，驗證其軸向偏移距離為模型高度的2/3時，互感偏移率僅為63.6%，對比DD-4D雙層正交磁耦合結構，軸向抗偏移能力提升了26%。

背景與動機:

無線電能傳輸（WPT）技術由于具備安全可靠便捷的優點，近年來得到快速發展，廣泛應用于石油井下、電動汽車、航天航空等領域。目前，旋轉導向鉆井工具作為人類持續推進井下石油鉆探工作的重要設備，傳統的有線供電方式存在重大安全隱患不適用于旋轉工況，電刷滑環供電方式在深井環境中存在密封失效等問題。無線電能傳輸技術因其采用非物理接觸式方法，在電氣完全隔離情況下實現電能傳輸，具有安全性高、環境適應性強等優點，可作為解決這一問題的有效手段。

現目前提出的耦合結構雖然都適用于旋轉式無線電能傳輸，但是均沒有考慮到在實際工況中不可避免存在線圈偏移問題。

針對線圈結構軸向偏移問題，本文探明旋轉導向鉆井工況特性，在此基礎上明確WPT系統傳輸性能，從電路模型和電磁鏈路模型分析了WPT系統效率以及內外式旋轉WPT系統磁通量特性。通過有限元仿真與DD-4D雙層正交磁耦合結構進行軸向偏移對比試驗，探明其互感變化特性。搭建實驗模型，驗證軸向DD磁耦合結構的抗偏移能力的有效性。

設計與實現:

旋轉導向鉆井工況中無線電能傳輸的等效電路圖如圖1所示，拓撲補償網絡結構采用S-S結構。并設計了如圖2所示的軸向DD磁耦合結構，其中發射側由兩組圓心角差90°的沿軸向方向繞制的DD線圈構成，緊密纏繞在旋轉鉆桿的外表面。接收側線圈結構與發射線圈相同且與發射線圈同軸設計，緊密纏繞在非旋轉導向套筒內表面。

圖1 WPT系統等效電路圖

 

圖2 軸向DD磁耦合結構立體圖

利用Comsol仿真軟件搭建軸向DD磁耦合結構模型，線圈匝數設計為6匝，針對該結構的軸向抗偏移能力進行仿真分析，并與雙層正交磁耦合結構的軸向抗偏移能力進行對比分析。對比結果如圖3所示。

 

圖3 軸向偏移對比圖

實驗結果及分析:

為了實驗驗證本文提出的軸向DD磁耦合結構的軸向抗偏移能力優越性，搭建了一個頻率為85kHz，采用S-S諧振補償網絡結構的WPT系統結構，如圖4所示，圖中直流電源向逆變器供電，逆變器將直流電轉化為交流電。傳輸到接收線圈的交流電經過整流器轉化為直流電，進而實現對負載的供電。為降低線圈對系統的影響，所有線圈均采用Litz線繞制。

 

圖4 WPT系統實驗結構圖

圖5為軸向DD磁耦合結構的互感與軸向偏移距離的關系變化曲線。實驗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，互感的誤差大約為4.5%。

 

圖5 實驗與模擬對比圖

結論:

在無線電能傳輸領域，旋轉無線電能傳輸技術越發受到人們的廣泛關注。根據旋轉導向鉆井實際應用工況中存在的偏移問題，本文提出一種新型的軸向DD磁耦合結構，從電路模型和磁鏈路模型分析了WPT系統效率以及內外式旋轉WPT系統磁通量特性。本文探究了其與DD-4D雙層正交磁耦合結構在軸向偏移方面的互感特性差別。已經構建了WPT系統實驗模型并完成相關測試，實驗結果與仿真分析結果吻合良好，最大誤差約為4.5%，軸向DD磁耦合結構的偏移距離為模型高度的2/3時，互感偏移率僅為63.6%，相比對比結構模型，軸向抗偏移能力提升了26%，驗證了軸向DD磁耦合結構的抗偏移能力的有效性。

作者簡介:

吉莉，副教授，博士生導師。博士畢業于中國科學院大學，長期致力于無線電能傳輸、能源互聯網及智能物聯網技術相關研究工作，主持2項國家自然科學基金項目、1項國家863課題和1項省部級基金，作為技術負責人主持多項國家863項目、國家科技支撐項目?？萍疾繃业诹渭夹g預測工作能源領域總體組專家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor，IEEE PELS 儲能系統與裝備技術委員會常務理事、中國電工技術學會無線電能傳輸專委會委員、中國電源學會無線電能傳輸技術及裝置專委會委員。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》等期刊上發表SCI/EI期刊論文30余篇，第一作者獲授權/受理發明專利/軟件著作權10余項，編寫中文著作3部。

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