制的方式在鉆鋌52內(nèi)滑移。應注意的是，轉(zhuǎn)子46的外部和/或定子套50的內(nèi)部可由彈性體形成。然而，在一些應用中，轉(zhuǎn)子46的外部和定子套50的內(nèi)部兩者均可包括金屬，以形成部件之間的金屬-金屬相互作用。
[0029]在所示的示例中，轉(zhuǎn)子46具有外部表面輪廓54，且定子套50具有與轉(zhuǎn)子輪廓54協(xié)作的內(nèi)部表面輪廓56。舉例來說，如果流體流被在轉(zhuǎn)子46與定子套50之間引導，那么表面輪廓54、56導致轉(zhuǎn)子46與定子套50之間的相對旋轉(zhuǎn)。應注意的是，如果螺桿系統(tǒng)42被用作泵，那么被賦予轉(zhuǎn)子46和定子套50的相對旋轉(zhuǎn)導致通過協(xié)作表面輪廓54、56泵送流體。舉例來說，表面輪廓54可以是螺旋形表面輪廓的形式，并且表面輪廓56可以是協(xié)作的螺旋形表面輪廓的形式。
[0030]如所示，轉(zhuǎn)子46可通過適當?shù)膫鬟f元件60聯(lián)接到輸出軸58。另外，定子套50可以經(jīng)由多個軸承62可旋轉(zhuǎn)地安裝于鉆鋌52中。軸承62的所示位置被作為示例，但軸承可定位于各種位置中。舉例來說，軸承可沿著定子套50的長度而定位于定子套50的一個或兩個端部處、延伸超出定子系統(tǒng)48、部分地延伸于定子套50與鉆鋌52之間和/或其它的適當位置處。定子套50相對于鉆鋌52 (或相對于另一參照點)的旋轉(zhuǎn)或滑移經(jīng)由控制系統(tǒng)44控制。舉例來說，控制系統(tǒng)44可包括被設(shè)計成夾緊定子套50并且因此控制定子套50相對于例如鉆鋌52的旋轉(zhuǎn)的制動元件64。制動機構(gòu)64和/或本文中所述的其它制動機構(gòu)可定位于各種適當?shù)奈恢锰?。舉例來說，制動機構(gòu)64可沿著定子套50而定位和/或其可被定位于超出定子套50的端部。以另一示例的方式，制動機構(gòu)可被容納在連接于定子套50的一個或兩個端部的單獨接頭中。制動器接觸表面處所使用的材料可由例如鋼鐵、碳纖維、芳纟侖纖維復合材料(例如，凱夫拉(Kevlar)，1.E.DuPont De Nemours的注冊商標)、樹脂中的半金屬材料、鑄鐵、陶瓷復合材料和/或適合于在例如鉆井泥漿或充油環(huán)境中井下使用的其它材料制成。
[0031]控制系統(tǒng)44還可包括控制模塊66，控制模塊66可以是被設(shè)計成液壓地或電地啟動制動元件64的基于處理器的液壓控制模塊或電控制模塊。取決于所期望的控制范式，壓力Pl和P2可被用于調(diào)節(jié)含有流體68的腔內(nèi)的壓力，因此調(diào)制定子套50與鉆鋌52之間的摩擦。舉例來說，調(diào)制可通過直接接觸或經(jīng)由被設(shè)計成延伸且壓靠定子套50的特定制動器64以預期方式使其運動減緩來進行。舉例來說，制動器64可被定位成抵靠著定子套端部處的接觸區(qū)域作用和/或沿著定子套長度定位。制動裝置64還可通過慣容器(例如，美國專利公報US2009/0139225中所述的慣容器)選擇性地聯(lián)接到定子套50，其中能量傳遞首先轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動體的動量而非作為摩擦損失掉。另外，能量可存儲于轉(zhuǎn)動的定子套50內(nèi)，轉(zhuǎn)動的定子套50提供了具有類慣容器性質(zhì)的定子套50，并且在某些應用中能夠使用定子套作為慣容器?？刂葡到y(tǒng)44可利用各種其它或附加元件來控制定子套50的滑移。在例如具有適當?shù)拿芊饧脱a償布置的一些應用中，磁流變流體68可位于定子套50與鉆鋌52之間，以通過磁場的應用經(jīng)由流體68的粘度的受控變化而選擇性地限制滑移。應當理解，附加的動力、測量、感應和/或通信系統(tǒng)可結(jié)合本文中所述的實施例使用。
[0032]類似示例在圖3中示出。在該實施例中，螺桿系統(tǒng)42是與可致動裝置40聯(lián)接的所示泥漿馬達的形式。在鉆探應用中，可致動裝置40可包括鉆頭或?qū)蛳到y(tǒng)。然而，可致動裝置40可包括用于鉆探應用、其它井相關(guān)應用和非井相關(guān)應用中的各種其它類型的裝置，如上所述。在這個示例中，傳遞元件60由聯(lián)接到輸出軸58的可旋轉(zhuǎn)殼體70引導。
[0033]對軸58處的角速度、角位置和/或扭矩輸出的控制可通過控制定子套50相對于鉆鋌52的相對滑移經(jīng)由局部控制系統(tǒng)44(也參見圖4)確定。然而，控制目標可相當不同。舉例來說，控制系統(tǒng)44可被用于特定地控制可致動裝置40相對于鉆鋌52的角度(即，
=θε5+θ SR)、可致動裝置40相對于鉆柱或位于馬達下方的其它部件的一些遠端部分的角度的角度，或另一適當?shù)目刂颇繕恕?br>[0034]關(guān)于圖2和3中所示的實施例，如果允許定子套50自由地轉(zhuǎn)動，即，定子套50與鉆鋌52之間不存在扭轉(zhuǎn)耦合，那么可致動裝置40和定子套50可相對于彼此自由地轉(zhuǎn)動，其中轉(zhuǎn)子46和定子套50的旋轉(zhuǎn)以泥漿流需要的任何速度轉(zhuǎn)動。實際上，定子套50與鉆鋌52之間將存在一些摩擦阻力，并且因此鉆鋌52與可致動裝置40之間還將存在小的扭轉(zhuǎn)耦合。此外，在螺桿系統(tǒng)42的壓降(P1-P2)將指示轉(zhuǎn)子46與定子套50之間以及定子套50與鉆鋌52之間的摩擦損失。
[0035]轉(zhuǎn)子46與定子套50之間的相對旋轉(zhuǎn)名義上由經(jīng)過馬達的流體的體積置換確定(忽視馬達內(nèi)或周圍的密封泄漏的影響)。轉(zhuǎn)子46相對于鉆鋌52的相對角運動具有由定子套滑移引入的附加自由度。通過控制這個滑移，轉(zhuǎn)子速度可相對于鉆鋌52、相對于地層或相對于其它基準得到控制。
[0036]由定子套50反作用于或傳輸?shù)姐@鋌52的扭矩取決于定子套50與鉆鋌52之間存在的扭矩。類似地，通過轉(zhuǎn)子傳動系60傳遞到可致動裝置40的扭矩與反作用于定子套50的扭矩相同。所以，除了與轉(zhuǎn)子46、定子套50或鉆鋌52中的初始速度改變相關(guān)的瞬時之夕卜，由轉(zhuǎn)子46反作用或傳遞的扭矩和定子套50與鉆鋌52之間存在的扭矩相同-以及和將被鉆鋌52自身傳遞而存在的扭矩相同。
[0037]再次參照圖3和4，轉(zhuǎn)子46相對于巖石地層的旋轉(zhuǎn)Θ FK由下式給出:
[0038]Θ FR= Θ FC+ Θ cs+ Θ SR (I)
[0039]其中:
[0040]Θ F。=馬達鉆鋌相對于巖石地層的角度；
[0041]Θ SK =轉(zhuǎn)子相對于定子套的角度；和
[0042]Θ cs =定子套相對于鉆鋌的角度；
[0043]并且Θ SK的變化率是:
[0044]d Θ SR/dt [rads/sec] = Kv[rads/m'3]*Q[m'3/sec] (2)
[0045]其中Kv是使單位轉(zhuǎn)子和定子旋轉(zhuǎn)與單位體積流相關(guān)的常數(shù)，并且Q是體積流速。
[0046]假定這樣的情形，其中相對于地層的鉆鋌旋轉(zhuǎn)和經(jīng)過馬達的流速Q(mào)兩者均變化，并且期望達到用于轉(zhuǎn)子相對于地層旋轉(zhuǎn)的目標設(shè)定點(例如，這可適用于定向器)，則控制問題變成如何通過選擇性地制動定子套50相對于鉆鋌52的運動而動態(tài)地調(diào)整0CS-(參見針對控制回路的圖4的圖解72)。假定泥漿馬達在適當情況下在各種旋轉(zhuǎn)部件之間適當?shù)嘏鋫溆薪嵌葴y量裝置，并且那些裝置適當?shù)赝ㄟ^電線或其它傳輸介質(zhì)連接，以能夠?qū)⑿畔⒑蛣恿鬏數(shù)较嚓P(guān)控制系統(tǒng)和動力供應系統(tǒng)。取決于待受控制的制動機構(gòu)和系統(tǒng)的特性，存在著許多控制器設(shè)計的方案。假定制動器在完全接通與完全關(guān)閉之間操作，并且那些范圍之間的制動扭矩是滑移速度、溫度、操作持續(xù)時間、泥漿特性、制動器磨損和其它因素的函數(shù)，則制動機構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)可在應用之間變化。舉例來說，簡單控制策略是改變與滑移速度乘以長度的放大版成比例的有效制動扭矩，所期望的值θ*ρκ偏離于實際值Θ FR加偏移量，以保持上(接通)界和下(關(guān)閉)界內(nèi)的阻尼調(diào)節(jié)。在更復雜的水平，MiroslavKrstic、Petar V Kokotovic 的“非線性和適應性控制設(shè)計(Nonlinear and AdaptiveControl Design) ”中的反向遞推方法可被用于開發(fā)實時的適應性控制策略。類似地，可以實施Naira Hovakimyan和Chengyu Cao的“LI適應性控制理論的LI適應性方案:伴有快速適應性的保證魯棒性(LlAdaptive schemes of LlAdaptive Control Theory:GuaranteedRobustness with Fast Adaptat1n)，，的設(shè)計方法。Andrey Smyshlyaev 和 MiroslavKrstic的“拋物線形偏微分方程的適應性控制(Adaptive Control of Parabolic PDEs) ”中采取的設(shè)計方案還可被用于解釋分布式和順應性鉆柱和液壓系統(tǒng)的偏微分方程式特性。如果控制目標是比如在存在系統(tǒng)擾動的情形中維持鉆頭處的扭矩的設(shè)定水平，所述系統(tǒng)擾動將以其它方式擾亂這個設(shè)定，那么簡單控制策略是給鉆頭加設(shè)儀器，以測量扭矩并且比較該值與預期設(shè)定點扭矩，并且然后使用類似的增益和補償策略來調(diào)制制動效應。舉例來說，控制系統(tǒng)可在地面處、沿著柱或在井下組件內(nèi)的計算機之間實體地分布。
[0047]通過系統(tǒng)作用的扭矩是:
[0048]τ [Nm] = KP [Nm/Pa] * (Pin-Pout) [Pa] (3)
[0049]其中KP =馬達上每單位壓力[Pa]的扭矩[Nm](忽略例如摩擦損失、流體壓縮性和慣性加速度的影響)，且Pin是馬達輸入處的壓力，Pout是馬達輸出處的壓力(或在圖2中分別為P1^P P 2) O
[0050]必須反作用于定子套與鉆鋌之間的扭矩還是T[Nm]。
[0051]這表示達成鉆鋌52與定子套50之間的任何角速度Θ。8的功率是:
[0052]Power (C，S) [ff] = d Θ cs/dt [rad/sec] * τ [Nm] (4)
[0053]對定子套50使用這個類型的控制將產(chǎn)生熱量。舉例來說，如果預期轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)是通過泥漿流速提供的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的一半，那么大