本發(fā)明涉及石油、天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，具體地說是一種模塊化電能及信號耦合傳遞裝置及應(yīng)用該旋傳遞裝置的轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中需要在兩個相對旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸與外套之間傳遞電能與信號。目前為了解決這一問題大多采用電磁耦合的方式，即初級線圈與次級線圈電磁耦合使電能和信號依次傳遞?，F(xiàn)有技術(shù)中的解決方案一般是，首先將初級線圈和次級線圈分別固定于驅(qū)動軸和外套上，或者通過安裝支架分別固定在驅(qū)動軸和外套上，然后將套有初級線圈的驅(qū)動軸與套有次級線圈的外套安裝在一起，通過調(diào)整驅(qū)動軸與外套的相對位置來調(diào)整初級線圈和次級線圈的相對位置，最后鎖定各零部件之間的相對位置。

由于電能及信號的耦合傳遞是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的，因此，初級線圈和次級線圈的相對位置，即軸向和徑向位置，對電能傳遞效率及信號傳遞強(qiáng)度具有很大的影響。而在實際工作中由于驅(qū)動軸與外套的相對轉(zhuǎn)動，使初級線圈和次級線圈之間的相對位置很容易發(fā)生變化，因此傳遞效率低下，甚至不能滿足電能、信號傳遞的要求，嚴(yán)重影響使用效果。另外在實際安裝中，初級線圈和次級線圈之間的間隙調(diào)整本身就非常復(fù)雜，影響工作的效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種模塊化電能及信號耦合傳遞裝置及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，該裝置通過將整個電能及信號傳遞裝置整合成一個完整的模塊，不僅方便了安裝，而且提高了傳輸?shù)男屎蜏?zhǔn)確性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：

一種模塊化電能及信號耦合傳遞裝置，包括初級支架和套于初級支架外部的次級支架，所述初級支架的上端固定設(shè)置有初級接線盤，所述次級支架的下端固定設(shè)置有次級接線盤；

所述的初級支架的外側(cè)設(shè)置有開口向外的環(huán)狀初級U型槽，所述的初級U型槽內(nèi)設(shè)置有截面呈E型的初級軟磁體，且所述的初級軟磁體的開口向外；

所述初級軟磁體的外側(cè)套有初級護(hù)套，且所述的初級護(hù)套和截面呈E型的初級軟磁體共同形成了呈環(huán)形的初級上空腔和初級下空腔，所述的初級上空腔內(nèi)纏繞有初級電能線圈，所述的初級下空腔內(nèi)纏繞有初級信號線圈；

所述的初級電能線圈和初級信號線圈分別通過導(dǎo)線與設(shè)置于所述初級接線盤上的初級插座相連；

所述的次級支架的內(nèi)側(cè)設(shè)置有開口向內(nèi)的環(huán)狀次級U型槽，所述的次級U型槽內(nèi)設(shè)置有截面呈E型的次級軟磁體，且所述的次級軟磁體的開口向內(nèi)；

所述次級軟磁體的內(nèi)側(cè)設(shè)置有次級護(hù)套，且所述的次級護(hù)套和截面呈E型的次級軟磁體共同形成了呈環(huán)形的次級上空腔和次級下空腔，所述的次級上空腔內(nèi)纏繞有次級電能線圈，所述的次級下空腔內(nèi)纏繞有次級信號線圈；

所述的次級電能線圈和次級信號線圈分別通過導(dǎo)線與設(shè)置于所述次級接線盤上的次級插座相連；

所述的初級支架和次級支架之間分別設(shè)置有上軸承和下軸承。

進(jìn)一步地，所述的初級護(hù)套的上端抵靠在所述上軸承內(nèi)圈的下端面上，所述初級護(hù)套的下端抵靠在所述下軸承內(nèi)圈的上端面上，所述次級護(hù)套的上端抵靠在所述上軸承外圈的下端面上，所述次級護(hù)套的下端抵靠在所述下軸承外圈的上端面上，所述上軸承內(nèi)圈的上端面和下軸承內(nèi)圈的下端面分別通過設(shè)置于所述初級支架上的軸用彈性擋圈進(jìn)行軸向定位，所述上軸承外圈的上端面和下軸承外圈的下端面分別通過設(shè)置于所述次級支架上的孔用彈性擋圈進(jìn)行軸向定位。

進(jìn)一步地，所述的次級軟磁體包括三個第一次級軟磁體，且相鄰的第一次級軟磁體之間同軸設(shè)置有若干個第二次級軟磁體，其中所述的第一次級軟磁體的外徑與所述第二次級軟磁體的外徑相等，所述第一次級軟磁體的內(nèi)徑小于所述第二次級軟磁體的內(nèi)徑；

所述的初級軟磁體包括三個第一初級軟磁體，且相鄰的第一初級軟磁體之間同軸設(shè)置有若干個第二初級軟磁體，其中所述的第一初級軟磁體的內(nèi)徑與所述第二初級軟磁體的內(nèi)徑相等，所述第一初級軟磁體的外徑大于所述第二初級軟磁體的外徑。

進(jìn)一步地，所述的第一次級軟磁體、第二次級軟磁體、第一初級軟磁體和第二初級軟磁體均由兩個半圓環(huán)狀的軟磁體組成。

進(jìn)一步地，所述的初級支架和次級支架均采用高強(qiáng)度無磁金屬材料制作而成。

進(jìn)一步地，所述的初級護(hù)套和次級護(hù)套均由無磁非金屬材料制作而成。

一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，包括外套和驅(qū)動軸心，所述外套的上端設(shè)置有沿軸線方向的座孔，且在所述座孔內(nèi)所述的外套與旋轉(zhuǎn)軸心共同形成了環(huán)形的空腔，所述的環(huán)形空腔內(nèi)設(shè)置有電能及信號耦合傳遞裝置；

所述電能及信號耦合傳遞裝置為上述的任意一種模塊化電能及信號耦合傳遞裝置；

所述次級接線盤抵靠在位于所述座孔下端面上的次級接線座上，且所述的次級接線座上設(shè)置有與所述的次級插座相配合的次級插頭，所述的次級插頭通過導(dǎo)線與位于所述外套內(nèi)的次級電路模塊相連；

所述次級支架的上端抵靠在固定設(shè)置于所述外套上端的擋環(huán)上，所述的擋環(huán)與驅(qū)動軸心之間設(shè)置有推力軸承；

所述的初級支架的下端抵靠在設(shè)置于所述驅(qū)動軸心上的鎖緊螺母上；

所述初級支架的上端抵靠在設(shè)置于所述驅(qū)動軸心上的初級接線座上，且所述的初級接線座上設(shè)置有與所述的初級插座相配合的初級插頭，所述的初級插頭通過導(dǎo)線與位于所述驅(qū)動軸心內(nèi)的初級電路模塊相連。

進(jìn)一步地，所述的初級接線座與驅(qū)動軸心之間設(shè)置有碟簧。

本發(fā)明的有益效果是：

1、通過將整個電能及信號傳遞裝置整合成一個完整的模塊，實際應(yīng)用中整體安裝，簡單方便。

2、初級支架和次級支架之間通過軸承連接，不僅保證了初級線圈和次級線圈之間的軸向相對位置，而且確保了初級線圈和次級線圈之間的徑向相對位置，使耦合線圈之間的間隙小且均勻，內(nèi)外耦合線圈相對轉(zhuǎn)動靈活，提高了傳遞效率和可靠性。

3、通過電能線圈和信號線圈分別傳遞電能和信號，保證了電能傳遞的高效性和信號傳遞的準(zhǔn)確性。

4、通過將初級軟磁體和次級軟磁體設(shè)計成E型，且開口相對布置，將耦合線圈完全的包裹在軟磁體內(nèi)，最大限度的減少了漏磁的現(xiàn)象，保證了電能傳輸?shù)男屎托盘杺鬏數(shù)臏?zhǔn)確性。

5、初級軟磁體和次級軟磁體均采用分體式結(jié)構(gòu)，降低了加工難度，及加工成本。

附圖說明

圖1為一種應(yīng)用模塊化電能及信號耦合傳遞裝置的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中A部分的放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中B部分的放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖1中C部分的放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圖1中D部分的放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為模塊化電能及信號耦合傳遞裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為初級軟磁體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為次級軟磁體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-驅(qū)動軸心，11-鎖緊螺母，2-外套，3-碟簧，4-初級接線座，41-初級插頭，5-次級接線座，51-次級插頭，6-導(dǎo)線，7-推力軸承，8-擋環(huán)，911-初級支架，912-初級軟磁體，9121-第一初級軟磁體，9122-第二初級軟磁體，913-初級電能線圈，914-初級信號線圈，915-初級護(hù)套，916-初級接線盤，9161-初級插座，921-次級支架，922-次級軟磁體，9221-第一次級軟磁體，9222-第二次級軟磁體，923-次級電能線圈，924-次級信號線圈，925-次級護(hù)套，926-次級接線盤，9261-次級插座，93-上軸承，94-下軸承。

具體實施方式

如圖6所示，一種模塊化電能及信號耦合傳遞裝置包括呈兩端開口的圓筒狀的初級支架911和次級支架921，所述的次級支架921套于所述初級支架911的外部。所述初級支架911的上端固定設(shè)置有初級接線盤916，所述次級支架921的下端固定設(shè)置有次級接線盤926。

所述的初級支架911的外側(cè)設(shè)置有開口向外(以遠(yuǎn)離軸線的一側(cè)為外側(cè)，下同)的環(huán)狀初級U型槽，所述的初級U型槽內(nèi)設(shè)置有截面呈E型的初級軟磁體912，且所述的初級軟磁體912的開口向外。所述初級軟磁體912的外側(cè)套有初級護(hù)套915，且所述的初級護(hù)套915和截面呈E型的初級軟磁體912共同形成了呈環(huán)形的初級上空腔和初級下空腔，所述的初級上空腔內(nèi)纏繞有初級電能線圈913，所述的初級下空腔內(nèi)纏繞有初級信號線圈914，所述的初級電能線圈913和初級信號線圈914分別通過導(dǎo)線6與設(shè)置于所述初級接線盤916上的初級插座9161相連。這樣，所述的初級接線盤916、初級軟磁體912、初級電能線圈913、初級信號線圈914、初級護(hù)套915和初級支架911共同形成初級支架911總成。

所述的次級支架921的內(nèi)側(cè)設(shè)置有開口向內(nèi)(以遠(yuǎn)離軸線的一側(cè)為外側(cè)，下同)的環(huán)狀次級U型槽，所述的次級U型槽內(nèi)設(shè)置有截面呈E型的次級軟磁體922，且所述的次級軟磁體922的開口向內(nèi)。所述次級軟磁體922的內(nèi)側(cè)設(shè)置有次級護(hù)套925，且所述的次級護(hù)套925和截面呈E型的次級軟磁體922共同形成了呈環(huán)形的次級上空腔和次級下空腔，所述的次級上空腔內(nèi)纏繞有次級電能線圈923，所述的次級下空腔內(nèi)纏繞有次級信號線圈924，所述的次級電能線圈923和次級信號線圈924分別通過導(dǎo)線6與設(shè)置于所述次級接線盤926上的次級插座9261相連。這樣，所述的次級接線盤926、次級軟磁體922、次級電能線圈923、次級信號線圈924、次級護(hù)套925和次級支架921共同形成次級支架921總成。

所述的初級支架911和次級支架921之間分別設(shè)置有上軸承93和下軸承94，如圖3和圖5所示，所述的初級護(hù)套915的上端抵靠在所述上軸承93內(nèi)圈的下端面上，所述初級護(hù)套915的下端抵靠在所述下軸承94內(nèi)圈的上端面上，所述次級護(hù)套925的上端抵靠在所述上軸承93外圈的下端面上，所述次級護(hù)套925的下端抵靠在所述下軸承94外圈的上端面上。所述上軸承93內(nèi)圈的上端面和下軸承94內(nèi)圈的下端面分別通過設(shè)置于所述初級支架911上的軸用彈性擋圈進(jìn)行軸向定位，所述上軸承93外圈的上端面和下軸承94外圈的下端面分別通過設(shè)置于所述次級支架921上的孔用彈性擋圈進(jìn)行軸向定位。這樣，初級支架911和次級支架921之間通過軸承連接，不僅保證了初級線圈和次級線圈之間的軸向相對位置，而且確保了初級線圈和次級線圈之間的徑向相對位置，使耦合線圈之間的間隙小且均勻，內(nèi)外耦合線圈相對轉(zhuǎn)動靈活，提高了傳遞效率和可靠性。

安裝時，首先分別將初級接線盤916、初級軟磁體912、初級電能線圈913、初級信號線圈914和初級護(hù)套915固定安裝在初級支架911上，形成初級支架911總成。然后分別將次級接線盤926、次級軟磁體922、次級電能線圈923、次級信號線圈924和次級護(hù)套925固定安裝與次級支架921上，形成次級支架921總成。然后將初級支架911總成和次級支架921總成利用上軸承93和下軸承94同軸安裝到一起，使其成為各部件位置固定且能相對轉(zhuǎn)動的電能及信號耦合傳遞模塊。

進(jìn)一步地，由于制造初級軟磁體912和次級軟磁體922的材料為鐵氧體，該材料硬而脆，若所述的初級軟磁體912和次級軟磁體922采用一體式結(jié)構(gòu)，那么在加工的過程中，由于初級軟磁體912和次級軟磁體922的截面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，非常容易發(fā)生斷裂，次品率高。為此如圖7所示，所述的次級軟磁體922采用分體式結(jié)構(gòu)，即包括三個第一次級軟磁體9221，且相鄰的第一次級軟磁體9221之間同軸設(shè)置有若干個第二次級軟磁體9222，其中所述的第一次級軟磁體9221的外徑與所述第二次級軟磁體9222的外徑相等，所述第一次級軟磁體9221的內(nèi)徑小于所述第二次級軟磁體9222的內(nèi)徑。如圖8所示，所述的初級軟磁體912采用分體式結(jié)構(gòu)，即包括三個第一初級軟磁體9121，且相鄰的第一初級軟磁體9121之間同軸設(shè)置有若干個第二初級軟磁體9122，其中所述的第一初級軟磁體9121的內(nèi)徑與所述第二初級軟磁體9122的內(nèi)徑相等，所述第一初級軟磁體9121的外徑大于所述第二初級軟磁體9122的外徑。

進(jìn)一步地，為了方便安裝，所述的第一次級軟磁體9221、第二次級軟磁體9222、第一初級軟磁體9121和第二初級軟磁體9122均由兩個半圓環(huán)狀的軟磁體組成。

進(jìn)一步地，所述的初級支架911和次級支架921均采用高強(qiáng)度無磁金屬材料制作而成。

進(jìn)一步地，所述的初級護(hù)套915和次級護(hù)套925均由無磁非金屬材料制作而成。

如圖1所示，一種應(yīng)用模塊化電能及信號耦合傳遞裝置的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具包括外套2，所述外套2的內(nèi)部沿軸線方向設(shè)置有臺階孔，且所述臺階孔從上往下直徑逐漸減小，為了方便描述，現(xiàn)將臺階孔中直徑最大的一段定義為座孔。所述的臺階孔內(nèi)同軸設(shè)置有旋轉(zhuǎn)軸心，且在座孔內(nèi)所述的外套2與旋轉(zhuǎn)軸心共同形成了環(huán)形的空腔，所述的環(huán)形空腔內(nèi)設(shè)置有電能及信號耦合傳遞裝置。其中所述次級接線盤926抵靠在位于所述座孔下端面上的次級接線座5上，且所述的次級接線座5上設(shè)置有與所述的次級插座9261相配合的次級插頭51，所述的次級插頭51通過導(dǎo)線6與位于所述外套2內(nèi)的次級電路模塊相連；所述次級支架921的上端抵靠在固定設(shè)置于所述外套2上端的擋環(huán)8上，所述的擋環(huán)8與驅(qū)動軸心1之間設(shè)置有推力軸承7。所述的驅(qū)動軸心1上位于所述座孔的下端設(shè)置有鎖緊螺母11，所述的初級支架911的下端地靠在所述的鎖緊螺母11上；所述驅(qū)動軸心1上位于所述座孔的上端設(shè)置有初級接線座4，所述初級支架911的上端抵靠在所述的初級接線座4上，且所述的初級接線座4上設(shè)置有與所述的初級插座9161相配合的初級插頭41，所述的初級插頭41通過導(dǎo)線6與位于所述驅(qū)動軸心1內(nèi)的初級電路模塊相連。

進(jìn)一步地，為了使所述的初級插頭41與初級插座9161，以及次級插頭51和次級插座9261能夠可靠接觸，所述的初級接線座4與驅(qū)動軸心1之間設(shè)置有碟簧3。

安裝時，首先將電能及信號耦合傳遞裝置整體固定安裝進(jìn)外套2的座孔內(nèi)，使外套2座孔內(nèi)已經(jīng)安裝好的次級接線座5與次級支架921下端的次級接線盤926對合，安裝在次級接線座5上的次級插頭51與安裝在次級接線盤926上的次級插座9261自然插合，實現(xiàn)電信號的穩(wěn)定傳遞形成外套2總成。然后在驅(qū)動軸心1依次安裝碟簧3和初級接線座4，并將位于初級接線座4上的初級插頭41和驅(qū)動軸心1內(nèi)的初級電路模塊之間通過導(dǎo)線6連接起來，形成驅(qū)動軸心1總成。然后將外套2總成與驅(qū)動軸心1總成套合安裝，最后安裝鉆頭，完成全部安裝。

工作時，驅(qū)動軸心1帶動初級支架911總成和鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，外套2及固定安裝其上的次級支架921總成相對驅(qū)動軸心1轉(zhuǎn)動，但軸向位置不變。電能和指令信號通過初級電路模塊調(diào)制解調(diào)后，經(jīng)由導(dǎo)線6傳遞到初級電能線圈913和初級信號線圈914，經(jīng)過線圈的耦合作用次級電能線圈923和次級信號線圈924接收到電能和指令信號，并利用導(dǎo)線6傳遞給次級電路模塊，次級電路模塊對電能信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)整流，得到需要的電能信號，對指令信號進(jìn)行編譯處理得到可識別執(zhí)行的指令信號。同時反饋信號通過次級電路模塊調(diào)制解調(diào)，經(jīng)由次級導(dǎo)線6傳遞到次級信號線圈924，通過耦合作用初級信號線圈914接收到反饋信號，并經(jīng)由導(dǎo)線6傳遞給初級電路模塊，經(jīng)過初級電路模塊的編譯處理，繼續(xù)向上傳遞。