專利名稱：電磁線圈裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁線圈裝置。
電磁線圈用于許多需要遙控閥門和其他可動(dòng)元件的場(chǎng)合，一種這樣的場(chǎng)合是石油工業(yè)中的井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即檢測(cè)油井中的溫度、壓力等的情況且將結(jié)果傳送到地面上;傳送可以是通過(guò)在鉆探流體輸送系統(tǒng)中輸入一個(gè)或一系列壓力脈沖信號(hào)來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉閥門，以從其正常的通路上導(dǎo)引鉆探流體，該閥門由電磁線圈操縱。
由于閥門必須處于開(kāi)啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)，所以現(xiàn)有的一些系統(tǒng)包括雙向作用電磁線圈裝置，其中第一電磁線圈控制銜鐵在一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，第二電磁線圈使其在相反方向上運(yùn)動(dòng)，這意味著該裝置的尺寸一定很大，難以很好地適合井下部件。閥門的開(kāi)啟速度很重要，因此電磁線圈必須產(chǎn)生大的作用力。
另外，在開(kāi)啟和關(guān)閉閥門時(shí)，電磁線圈裝置的可靠操縱使對(duì)井下電池電源有很高的要求。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種電磁線圈裝置，它包括一具有與第一磁軛的相應(yīng)平端面相配合的平端面的第一銜鐵和一具有與第二磁軛的大致互補(bǔ)的、非平面端面相配合的非平面端面的第二銜鐵，第一和第二銜鐵安裝在共同的軸上且可分別移向和移離第一和第二磁軛，所述第一和第二磁軛各具有一與其相連的通電線圈，軸可在第一位置和第二位置之間運(yùn)動(dòng)，第一位置是所述第一銜鐵通過(guò)第一距離與所述第一磁軛隔開(kāi)且所述第二銜鐵通過(guò)小于所述第一距離的第二距離與所述第二磁軛隔開(kāi)時(shí)的位置，第二位置是所述第一銜鐵與所述第一磁軛相配合時(shí)的位置。
第二銜鐵和第二磁軛的非平面端面最好緊密相配合，例如可以是階梯或圓錐形形狀。
該裝置可以設(shè)置在充滿油的腔室中，例如當(dāng)用于井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中時(shí)，在此情況下銜鐵與其各自的磁軛吸合和脫開(kāi)的運(yùn)動(dòng)可以受到油相當(dāng)大的阻力，這樣防止銜鐵快速運(yùn)動(dòng)，這可以通過(guò)提供貫穿于銜鐵的通道而緩和，通道最好開(kāi)通到端面，以使油在相對(duì)面之間快速移動(dòng)。
該裝置可以與閥門部件連接，以便該裝置操縱閥門，這尤其適用于閥門必須快速操縱的井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在這樣的情況下，該裝置最好設(shè)置成僅在一個(gè)方向上操縱閥門，例如開(kāi)啟閥門，而在相反方向上的運(yùn)動(dòng)由彈簧或其他彈性裝置實(shí)現(xiàn)。
銜鐵最好由低阻率材料制成，這樣磁軛的斷電后使磁軛和銜鐵之間的磁吸力減低，代替較快速的作用。
現(xiàn)在結(jié)合附圖通過(guò)舉例的方式來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中

圖1(a)、(b)和(c)分別是本發(fā)明的裝置的第一磁軛的端視圖、剖視圖和正視圖;
圖2(a)(b)和(c)分別是該裝置的第二磁軛的端視圖、剖視圖和正視圖;
圖3(a)和(b)分別是該裝置的第一銜鐵的端視圖和剖視圖;
圖4(a)和(b)分別是該裝置的第二銜鐵的端視圖和剖視圖;
圖5是用于安裝圖1至4中的磁軛和銜鐵的軸的正視6是該裝置一部分的示意剖視圖，顯示銜鐵在中心軸上的布置;
圖7是包括該實(shí)施例的電磁線圈裝置的井下裝置的部件分解圖;和圖8是在閥處于開(kāi)啟階段時(shí)流過(guò)第二銜鐵的電流與時(shí)間的曲線圖;
參見(jiàn)附圖，設(shè)計(jì)本發(fā)明該實(shí)施例的裝置是用于在油井的井下操縱一個(gè)閥門，以將信號(hào)從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)鉆探流體循環(huán)系統(tǒng)傳送到地面。
裝置包括一般為具有中心軸孔4的圓柱形第一磁軛2(圖1)，該磁軛具有向一端向內(nèi)成階梯的外壁，它有軸肩5，用于放置止于小直徑部分6的第一線圈(圖6中的52)。在磁軛2中設(shè)置有油通道8，端面10是平面且垂直于磁軛的主軸。
第二磁軛12(圖2)也是為具有通孔14的圓柱形狀，且具有垂直于磁軛12的主軸的平端面16，軸肩17用于放置第二線圈(圖6中的53)。
第一銜鐵18(圖3)一般為具有通孔的圓柱形狀，通孔20的直徑從中部26到端部成階梯形式增加，在端部形成端面24是平面的凹凸部22，油通道28從端面24延伸貫穿銜鐵18，且在外圓柱形壁上形成油槽30。第一磁軛2和第一銜鐵18的階梯端部提供互補(bǔ)的、非平面的端面。
第二銜鐵32(圖4)是圓柱形的且具有在36處制有內(nèi)螺紋的不完全孔34，油通道38從平端面38延伸貫穿銜鐵32。
圖5顯示用于放置如圖6中所示的磁軛2、12和銜鐵18、32的階梯軸40。第二銜鐵32通過(guò)其螺紋36與軸40上的相應(yīng)的外螺紋42配合，這樣第二銜鐵32在軸40的一端定位。第一銜鐵18套在軸40的較小直徑部分44上，且可在其上軸向滑動(dòng)，通過(guò)軸肩46在一個(gè)方向上限制銜鐵18的運(yùn)動(dòng)。軸40的相對(duì)于具有螺紋42的一端的端部48也具有螺紋50，用于連接閥門部件(70，在圖6中用虛線示意表示的)，該閥門部件用于開(kāi)啟和關(guān)閉鉆探流體的通道。
如圖6所示，一端具有第二銜鐵32的軸40延伸穿過(guò)第一磁軛2的中心孔。第二磁軛12嵌入第一磁軛2的圓柱形開(kāi)口端，封住安裝在第二磁軛12和第二銜鐵32上的第二線圈53。襯套54設(shè)置在第一磁軛2的中心孔內(nèi)，它包括限制第二銜鐵32向右(從圖中看)運(yùn)動(dòng)的墊圈部分55，這樣確定了第二磁軛12和銜鐵32的相對(duì)端面之間的間隙。
類似于第一磁軛2的套筒部件56與第一磁軛2遠(yuǎn)離第二磁軛12的一端相嵌合，以封住第一線圈52和第一銜鐵18。另一襯套58設(shè)置在形成于套筒部分56外端的孔60中，襯套58也包括限制第一銜鐵18向右運(yùn)動(dòng)的墊圈部分59。
還有一些襯套62、64設(shè)置在第一銜鐵18的中心孔的兩端，圓柱形黃銅套筒66、68設(shè)置在線圈52和53的內(nèi)表面上。
現(xiàn)在主要結(jié)合圖6來(lái)描述該裝置的工作情況。
線圈52、53用電線連接到34伏的井下電源單元上(圖中未畫(huà)出)，在軸40的螺紋50上的閥門部件70通常由相當(dāng)大的彈簧72或作用在軸/銜鐵裝置40、18、32的其他偏移裝置所關(guān)閉。電磁線圈裝置與井下的“鉆探時(shí)測(cè)量”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出端相連且由其產(chǎn)生的信號(hào)操縱。
磁軛2、12和套筒部分56限定圍住軸40和銜鐵18、32的一個(gè)殼體，軸自由地穿過(guò)第一磁軛2的孔20。第二磁軛12設(shè)置在軸40的鄰近第二銜鐵32的一端外，其平面16與銜鐵32的平面38相對(duì)。第一磁軛2的端面6與第一銜鐵18的相應(yīng)端面24之間的間距稍小于第二磁軛12和第二銜鐵32的相應(yīng)端面16、38之間的間距。
在操縱時(shí)，電源使線圈52、53通電，導(dǎo)致銜鐵18、32運(yùn)動(dòng)，第一磁軛2和第一銜鐵18的相鄰端面的非平面的形式導(dǎo)致在它們之間產(chǎn)生比第二磁軛12和第二銜鐵32之間更大的力，這尤其是當(dāng)它們互相間隔如操縱前一樣時(shí)更是如此。因此，第一銜鐵18以方向A向第一磁軛2運(yùn)動(dòng)，借助相對(duì)軸肩46的作用，使軸40和第二銜鐵以相同方向運(yùn)動(dòng)，直到第一銜鐵18的端面24靠在第一磁軛2的端面6上。在這時(shí)，第二銜鐵32與第二磁軛12之間仍略有間隙(約0.030英寸)，由于該小間隙，可以維持完全的開(kāi)啟力，來(lái)自電源的連續(xù)電流使第二磁軛12持續(xù)吸引第二銜鐵32，由此第二銜鐵32和軸40在方向A上進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，直至其端面16、38接合為止，在方向A上的這種運(yùn)動(dòng)與彈簧72的作用相反，閥門完全開(kāi)啟。第二銜鐵32和軸40的最后運(yùn)動(dòng)使軸肩46與第一銜鐵18脫離配合。
主要是由于相配的平端面16、18，使維持閥門處于該完全開(kāi)啟的位置所需要的動(dòng)力大大小于軸40和銜鐵18、32運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的動(dòng)力;第一磁軛2和第一銜鐵18的階梯狀結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)該裝置開(kāi)啟閥門時(shí)具有較高的功能效率，而在維持閥門開(kāi)啟時(shí)較低。由于與軸肩脫離配合，階梯形銜鐵在維持閥門開(kāi)啟中不起作用，第一線圈52中的電流被切斷。
相應(yīng)于來(lái)自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連續(xù)信號(hào)，閥門保持開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)?shù)诙跑?2和第二銜鐵32配合時(shí)所需的功率僅為80mA的數(shù)量級(jí)。為了精確反映來(lái)自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)，該裝置的開(kāi)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)非常迅速(從電流開(kāi)始供給起算為20毫秒的數(shù)量級(jí))，可以看到銜鐵18、32和第一磁軛2的油通道8、28、38和第二磁軛12的通孔14的設(shè)置對(duì)于允許油從各個(gè)磁軛和銜鐵的配合面之間的快速流動(dòng)是非常重要的。
構(gòu)成磁軛和銜鐵的材料是相當(dāng)?shù)妥杪实蔫F，這種鐵具有能在其中產(chǎn)生渦流電流的好處，而且該渦流電流維持磁通量在電源斷開(kāi)后僅慢緩減少，當(dāng)閥門維持開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)對(duì)于節(jié)省能量是有用的，因?yàn)殡娫纯梢栽O(shè)計(jì)成將有規(guī)律的電流脈沖提供給磁軛，以代替恒定的電流;在脈沖之間，由于渦流電流足夠高，所以能維持第二磁軛12和第二銜鐵32的磁吸引，以克服彈簧的作用使閥門處于開(kāi)啟狀態(tài)，如圖7所描述。
當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將一個(gè)相當(dāng)?shù)男盘?hào)傳送給電源，然后電源斷開(kāi)，在受控制的且一致的延遲(由渦流電流的作用所產(chǎn)生的)后，第二磁軛12和第二銜鐵32之間的吸引力降低到一定的程度，這時(shí)彈簧72使該裝置退回到其初始位置，關(guān)閉閥門。
一個(gè)不需要來(lái)自電磁線圈的附加力而關(guān)閉閥門的足夠強(qiáng)度的強(qiáng)力彈簧和結(jié)構(gòu)的、尤其是第二磁軛12和第二銜鐵32的低阻率材料的組合使電源關(guān)斷和閥門關(guān)閉之間的延遲接近一致，這樣，該延遲能夠精確地包括在地面上的鉆探流體壓力的檢測(cè)系統(tǒng)中。
因此，本發(fā)明的該實(shí)施力提供一種在井下監(jiān)測(cè)裝置中開(kāi)啟、維持開(kāi)啟狀態(tài)和關(guān)閉閥門的高效能裝置，它允許僅在一個(gè)方向上用電磁線圈操縱閥門，而在相反方向上用沒(méi)有能量損耗的彈簧操縱閥門。
電磁線圈被包括在圖7所示的井下裝置中，其中脈沖發(fā)生器(pulser sub)50具有泥漿脈沖發(fā)生部件(mud pulser unit)52，與脈沖發(fā)生器50螺紋連接的套管54裝有電磁線圈驅(qū)動(dòng)電容器56、電源58和包括井孔方向和溫度傳感器和其相連的電子線路的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)66。下部64和鉆頭62連接在套管54的下端。
再參見(jiàn)圖6，可以看到該裝置通過(guò)將另外的磁軛和銜鐵附加到第一銜鐵18的右側(cè)可以得到改變。軸40將伸長(zhǎng)，類似于第一磁軛2的另外磁軛和類似于第一銜鐵18的另外銜鐵(連同另外的線圈、襯套和套筒)插在第一磁軛2和套筒部分56之間，每個(gè)附加的銜鐵具有一形成在軸40上的相應(yīng)的軸肩。每個(gè)磁軛和銜鐵之間的間隙可以變化(例如，通過(guò)使每個(gè)后繼的磁軛和銜鐵之間的距離略小于前一組的距離)，使該裝置的特性有律可循。每個(gè)磁軛/銜鐵組的相對(duì)的非平面的表面的結(jié)構(gòu)形狀也可以變化。
在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)可以作出多種變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種電磁線圈裝置，它包括具有與一第一磁軛的相應(yīng)平端面相配合的平端面的一第一銜鐵和具有與一第二磁軛的大致互補(bǔ)的、非平面的端面相配合的非平面的端面的一第二銜鐵，第一和第二銜鐵安裝在一共同的軸上且可分別移向和移離第一和第二磁軛，所述第一和第二磁軛各具有一與其連的一電氣線圈，軸可在第一位置和第二位置之間運(yùn)動(dòng)，第一位置所述第一銜鐵通過(guò)第一距離與所述第一磁軛隔開(kāi)且的所述第二銜鐵通過(guò)小于所述第一距離的第二距離與所述第二磁軛隔開(kāi)時(shí)的位置，第二位置是所述第一銜鐵與所述第一磁軛相配合時(shí)的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第二銜鐵和第二磁軛的所述非平面端面是緊密配合的。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述非平面端面具有一互補(bǔ)的階梯形結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述非平面端面具有一互補(bǔ)的部分圓錐形結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1至4任一所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二磁軛和銜鐵由低阻率的材料制成。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二磁軛、第一和第二銜鐵和所述軸全部沿共同的軸線設(shè)置，所述第一和第二磁軛沿所述軸線隔開(kāi)且所述軸延伸穿過(guò)形成在所述第二磁軛上的軸向通孔，所述第一銜鐵安裝到所述第一和第二磁軛中間的所述軸上，所述第二銜鐵設(shè)置在靠近所述第二磁軛、在所述第一銜鐵相對(duì)側(cè)的所述軸上。
7.如權(quán)利要求6所述裝置，其特征在于，所述第一和第二磁軛通過(guò)一套筒互相連接，所述套筒確定圍住所述軸線和封住所述第一銜鐵和所述第一線圈的一腔室，且一另外的套筒部分封住所述第二銜鐵和所述第二線圈。
8.如權(quán)利要求6和7所述的裝置，其特征在于，所述軸包括由所述第二銜鐵可相配的一軸肩，這樣所述第二銜鐵在第一軸向上向所述第二磁軛的運(yùn)動(dòng)使所述軸產(chǎn)生相應(yīng)的軸向運(yùn)動(dòng)。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述軸可在第一位置和第二位置之間軸向運(yùn)動(dòng)，第一位置是所述第一銜鐵與所述第一磁軛軸向間隔第一距離且所述第二銜鐵與所述第二磁軛軸向間隔第二距離，所述第二距離小于所述第一距離，第二位置是第一銜鐵的所述平端面與第二銜鐵的所述平端面相配合，所述軸通過(guò)偏置裝置向所述第一位置偏移。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，線圈的通電使所述第二銜鐵在所述第一軸向上運(yùn)動(dòng)，直到其所述非平面的端面與所述第二磁軛的互補(bǔ)非平面的端面相配合，由此迫使所述軸在所述第一軸向上移至所述第一和第二位置中間的位置，接著軸由第一磁軛和第一銜鐵的平端面之間的吸引力移至所述第二位置。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，通過(guò)將周期的電流脈沖供給第一線圈使所述軸保持在所述第二位置上。
12.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，該裝置封在一腔室內(nèi)且通道延伸貫穿所述銜鐵，以相應(yīng)于腔室內(nèi)的銜鐵的運(yùn)動(dòng)使流體從其一側(cè)快速流至另一側(cè)。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，第一磁軛也具有流體流動(dòng)通道。
14.如權(quán)利要求12或13所述的裝置，其特征在于，第二磁軛也具有流體流動(dòng)通道。
15.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述軸遠(yuǎn)離所述磁軛和銜鐵的一端，可操作地與閥門的一操縱部件相連。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，線圈通電使所述操縱部件從第一位置移到第二位置。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，在使該裝置斷電后，所述操縱部件由偏置裝置回到其第一位置。
18.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，具有互補(bǔ)的、非平面的、相對(duì)端面的至少一第三磁軛和一第三銜鐵沿軸的所述軸線設(shè)置，在其遠(yuǎn)離所述第二磁軛的一側(cè)與所述第二磁軛隔開(kāi)。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述第三磁軛和所述第三銜鐵的相對(duì)端面以及任何另外磁軛和銜鐵的相對(duì)端面之間的距離小于每個(gè)前一磁軛和銜鐵的相對(duì)端面之間的距離。
20.一種包括如前述任一權(quán)利要求所述的電磁線圈裝置的井下設(shè)備。
21.一種基本上如結(jié)合附圖所述的電磁線圈裝置。
22.一種基本上如結(jié)合附圖所述的井下設(shè)備。
全文摘要
一種井下設(shè)備中、用于操縱閥門或類似裝置的電磁線圈裝置包括第一磁軛、線圈和銜鐵和第二磁軛、線圈和銜鐵，第二銜鐵裝在軸上且具有與第二磁軛的平端面間隔第二距離的平端面，第一銜鐵可在軸上滑動(dòng)且具有與第一磁軛的互補(bǔ)的、非平面端面間隔小于第二距離的第一距離的非平面端面，線圈通電使第一銜鐵向第一磁軛移動(dòng)直到互相配合為止，由此與軸的軸肩相配合且使第二銜鐵向第二磁軛移動(dòng)，接著第二銜鐵在其平端面之間的吸力作用下與第二磁軛配合。
文檔編號(hào)H01F7/16GK1056765SQ9110086
公開(kāi)日1991年12月4日 申請(qǐng)日期1991年2月7日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月9日
發(fā)明者奈特·約翰·亨利, 弗雷澤·西蒙·本尼迪克特, 普蘭·肯尼思·亞歷山大·羅伯遜 申請(qǐng)人:吉沃林克有限公司