NO327608B1 - Elektrisk generator med justerbart uttak - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår generelt et apparat for å generere elektrisk kraft nede i et borehull i jorden. Mer spesielt, angår oppfinnelsen et borehullapparat for å generere variabel elektrisk utgang ved å variere innretningen av permanente magneter som roterer inne i en armatur med elektrisk ledende viklinger.

I området boring og logging av petroleumsbrønner, har nylig utvikling i bore-og loggeteknologi produsert verktøy som krever økende høyere nivå av elektrisk energi nede i borehullet. Dessuten, for mange moderne bore- og loggesystemer, varierer behovet for elektrisk energi over et bredt dynamisk område av system-operasjonsforhold. Under visse operasjonsforhold, krever således slike systemer redusert elektrisk energi, og forbruket av overskuddselektrisk energi må ikke resultere i destruktive virkninger innenfor generator og/eller tilhørende reguleringselektronikk. I tillegg, for en generator drevet av en roterende aksel fra en konvensjonell slamdrevet turbin, vil ofte rotasjonshastigheten for inngangsakselen (inngangs RPM), variere over et bredt område, hvilket for en konvensjonell permanent magnetgenerator, presenterer betydelige vanskeligheter når det gjelder dissipasjon av overskuddsenergi på grunn av at slik dissipasjon må skje i et miljø nede i borehullet som typisk omfatter høye omgivelsestemperaturer.

Før den foreliggende oppfinnelse, var ikke eksisterende borehull-elektriske generatorer rettet mot å møte disse variable energibehov. F.eks., beskriver US 3 970 877 en fremgangsmåte for å generere elektrisk energi i et borehull ved bruk av en anordning som reagerer på turbulens i boreslamstrømmen til å omforme vibrasjonsbevegelse til en elektrisk utgang. Fremgangsmåten ifølge det nevnte patent er imidlertid rettet mot en laveffekts generering istedenfor en høyeffekts generering. En annen ulempe ved fremgangsmåten i patentet er at det krever elektroniske innretninger for å likerette og glatte ut den elektriske utgang, som fra begynnelsen er i form av forholdsvis høye spenningspulser.

US 4 396 071 beskriver et apparat for å regulere den elektriske utgang produsert ved en konvensjonell slamdrevet turbin ved hjelp av en avledningsventil for å styre mengden av slamstrømmen som passerer gjennom turbinen. Skjønt patentet er rettet mot å frembringe relativt konstant elektrisk utgang for å møte de elektriske behov av et system for måling under boring, forsøker '071-apparatet å nå dette mål indirekte ved å styre inngangs-RPM til den elektriske generator istedenfor direkte å styre den elektriske utgang av generatoren uansett inngangs-RPM, hvilket ville være mer ønskelig. I tillegg, avledningsventilen i apparatet ifølge '071-patentet ville glide under den destruktive effekt av erosjon som man ofte møter i bruken av typisk boreslam.

Likeledes beskriver US 4 491 738 en maskin for å generere elektrisk energi ved å styre boreslam dynamikk, fortrinnsvis som respons på fluidtrykkendringer skapt ved konvensjonelle slampulstelemetrisystem, for å bevege et resiprokerende anker omfattende et antall magneter inne i en stator, og US 4 515 225 beskriver et apparat i hvilket et fluid, separat fra boreslammet, blir brukt til å aktivere en elektrisk generator. Igjen er imidlertid ikke US 4 491 738 og US 4 515 225 maskinene rettet mot å møte de nevnte variable elektriske behov.

Av kjent teknikk innenfor fagområdet vises det til FR2 191 329 og US 4 766 362.

Det ville derfor være en betydelig utvikling i teknikken å frembringe et forbedret apparat nede i borehullet for å generere variabel elektrisk utgang over et bredt område av inngangs-RPM og elektriske behov for borehullsystem.

Denne oppfinnelsen er følgelig rettet mot et borehullapparat for å generere og regulere variabel elektrisk utgang for et borehull bore- og/eller loggesystem (her generelt kalt "system" eller "borehullsystem"). Den foreliggende oppfinnelse når dette mål ved å frembringe et par aksialt nærliggende permanente magneter, hver av hvilke omfatter et antall permanent magnetiske segmenter som har perifert vekslende magnetiseringer, på en drivaksel som er forbundet med en roterende aksel (så som en konvensjonell slamdrevet turbin) og dermed rotert innenfor et fast hovedanker som har viklinger for å bære den genererte elektriske utgang. En av de permanente magneter er festet til drivakselen, og den andre permanente magnet er bevegelig montert på drivakselen for å muliggjøre innretning eller feilinnretning, om ønsket, av magnetiseringene for de respektive magnetsegmenter på paret av permanente magneter. Når magnetiseringen er fullstendig innrettet, blir den maksimale elektriske utgang generert i viklingene av hovedankeret, når derimot magnetiseringen er fullstendig feilinnrettet, blir det generert null elektrisk utgang. Den foreliggende oppfinnelse unngår således det nevnte problem når det angår dissipasjon av overskuddsenergi ved ikke å generere noen overskuddsenergi. Avhengig av de elektriske behov for systemet nede i borehullet, kan den elektriske utgang for denne oppfinnelsen bli skreddersydd for å møte strøm-, spenning- eller effektspesifikasjoner etter ønske. Det typiske behov er å frembringe relativ konstant spenning uansett inngang-RPM for den roterende drivaksel.

For å oppnå denne elektriske energiregulering, omfatter den foreliggende oppfinnelse en dragmomentgenerator som skaper et dragmoment som blir overført til den bevegelige permanente magnet ved en dragomformer (reduksjonsgir). Dragmomentgeneratoren omfatter fortrinnsvis en elektrisk ledende rotor som er roterbar montert på drivakselen, og som roterer inne i et fast draganker som har viklinger for å bære en elektrisk styringsstrøm. En kontroller, som reagerer på den genererte utgang, styrer den elektriske kontrollstrøm i viklingene på dragankeret. Den elektriske styringsstrøm produserer et første magnetfelt, som induserer en virvelstrøm i den elektrisk ledende rotor. I sin tur produserer den elektriske virvelstrøm et annet magnetfelt som motvirker det første magnetfelt og dermed skaper et dragmoment på rotoren. Rotoren er forbundet med momentomformeren, som omformer dragmomentet til et styringsmoment for korrekt plassering av den bevegelige magnet og dermed å regulere mengden av elektrisk utgang som genereres i viklingene av hovedankeret.

Oppfinnelsen kan best forstås ved henvisning til de følgende tegninger hvor figur 1 viser et skjematisk aksialt tverrsnittsriss av en elektrisk generator ifølge den foreliggende oppfinnelse, figur 2 viser et skjematisk tverrsnitt 2-2 på figur 1, og viser en bevegelig magnet av den elektriske generator på figur 2, figur 3 er et skjematisk tverrsnittsriss tatt i retning 3-3 på figur 1, og viser en stoppepinne og samvirkende struktur av den elektriske generator på figur 1, figur 4 er et skjematisk riss tatt i retning 4-4 på figur 3, og viser en stoppepinne og samvirkende struktur av den elektriske generator på figur 1, figurene 5A og 5B er skjematiske oppriss tatt i retning 5-5 på figur 2, og viser to forskjellige relative posisjoner av faste og bevegelige magneter av den elektriske generator på figur 1, figur 6 er et skjematisk aksialt tverrsnittsriss av en alternativ utførelse av en elektrisk generator ifølge den foreliggende oppfinnelse, figur 7 er et skjematisk tverrsnittsriss tatt i retning 7-7 på figur 6, og viser en forspenningsmekanisme for den elektriske generator på figur 6, figur 8 er et skjematisk tverrsnittsriss tatt i retning 8-8 på figurene 1 og 6, og viser en harmonisk drivmekanisme for de elektriske generatorene på figurene 1 og 6, figur 9 er et skjematisk aksialt tverrsnittsriss av en alternativ utførelse av en elektrisk generator ifølge den foreliggende oppfinnelse, figur 10 er et skjematisk tverrsnittsriss tatt i retning 10-10 på figur 9, og viser et alternativt dragelement av den elektriske generator på figur 9, figur 11 er et tverrsnitts eksplosjonsriss i perspektiv av et dragelement og draganker av den elektriske generator på figur 9.

Figur 1 illustrerer en elektrisk generator 80 ifølge den foreliggende oppfinnelse, for å levere elektrisk energi til et borehullsystem 140. Elektrisk generator 80 blir drevet av en drivaksel 86 som fortrinnsvis er forbundet med en konvensjonell slamdrevet turbin (ikke vist) og understøttet av lageret (ikke vist). Elektrisk generator

80 omfatter permanent magneter 82 og 84, som fortrinnsvis er av lik lengde og magnetisk styrke og som roterer inne i et fast hovedanker 88 for å generere elektrisk energi i borehullet. På grunn av at elektrisk energi er nødvendig over et bredt område av rotasjonshastigheter av drivakselen 86 (dvs. den slamdrevne turbin) og elektriske behov av systemet 140, må den elektriske utgang styres. Den foreliggende oppfinnelse styrer den elektriske utgang ved å anordne en regulator for å variere den relative rotasjonsposisjon av den bevegelige magnet 84 i forhold til den faste magnet 82. Spesielt, den faste magnet 82 er fast montert på drivakselen 86, men den bevegelige magnet 84 er montert til en bærer 114 som er montert på drivakselen 86 med et lager 120 slik at bæreren 114 kan rotere i forhold til drivakselen 86. Graden av relativ bevegelse mellom bæreren 114 og drivakselen 86 er fortrinnsvis begrenset av en stoppepinne 104 som diskutert nedenfor.

Som vil være åpenbart for fagfolk i teknikken, kan den foreliggende oppfinnelse brukes til å generere elektrisk energi i form av vekselstrøm eller likestrøm. Hvis oppfinnelsen brukes til å generere likestrømsenergi, er en likeretter 142 anordnet som vist på figur 1 for å likerette utgangen fra hovedankeret 88 før den mates til kontrolleren 106 og systemet 140. Lignende anordninger er vist på figurene 6 og 9 for alternative utførelser av oppfinnelsen.

Som vist på figur 2, 5A og 5B (i hvilke hovedankeret 88, bæreren 114, lageret 120 og drivaksel 86 ikke er vist for klarhets skyld), omfatter magnetene 82 og 84 et antall langsgående permanente magnetsegmenter, som fortrinnsvis er båndet til bæreren 114. Magnetiseringen av magnetsegmentene veksler perifert fra nord pekende radielt utover til nord pekende radielt innover. Når magnetene 82 og 84 er fullstendig innrettet som vist på figur 5A, vil maksimum elektrisk utgang bli generert. I motsatt fall, når magnetene 82 og 84 er fullstendig feilinnrettet som vist på figur 5B, vil null elektrisk utgang bli generert. For den foretrukne utførelse vist, er området av bevegelse 45° (vinkel 0 på figur 3). Den ønskede mengde elektrisk utgang blir således oppnådd ved å plassere magnetene 82 og 84 mellom disse to ytterpunktene. Som vist på figurene 1, 3 og 4, begrenser en foretrukket utførelse dette området av bevegelse til en passende grad ved hjelp av en stoppepinne 104 som roterer inne i et transversalt hulrom i form av et par symmetriske sektorer 86B innenfor en forstørret del 86A av drivakselen 86. Et forspenningselement 100, fortrinnsvis av sekskantet tverrsnitt, er installert gjennom et aksialt hulrom 86C i en ende av drivakselen 86 og inn i et matchende, fortrinnsvis sekskantformet hull i stoppepinnen 104. Forspenningselementet 100 tjener for å forspenne bæreren 114 og den bevegelige magnet 84 i maksimum utgangsposisjon med stoppepinnen 104 mot en ytterkant av sektoren 86B. Denne forspenningseffekt blir oppnådd ved å tilføre en torsjons forbelastning på forspenningselementet 100 i rotasjonsretningen for drivakselen 86 og å sikre forspenningselementet 100 i den forbelastede posisjon med en settskrue 116 i en ende-fitting 118. Stoppepinnen 104 stikker gjennom et hull i bæreren 114 og roterer dermed med bæreren 114 når bæreren 114 blir rotert av et dragmoment, som diskutert nedenfor. Etter at bæreren 114 er rotert fra sin første posisjon i forhold til drivakselen 86 ved hjelp av et dragmoment som diskutert nedenfor, tjener stoppepinnen 104 til å returnere bæreren 114 til sin utgangsposisjon ved hjelp av forspenningselementet 100.

Fagfolk i teknikken vil forstå at sekskantformen av forspenningselementet 100 og det tilsvarende hull i stoppepinnen 104 er bare en beleilig anordning for å feste forspenningselementet 100 til stoppepinnen 104 ved bruk av et segment av en konvensjonell sekskantnøkkel (Allen nøkkel). I alminnelighet, formen trenger ikke å være sekskantet så lenge en annen anordning for å feste forspenningselementet 100 til stoppepinnen 104 er anordnet. Videre, kunne anordningen for å forspenne bæreren 114 og den bevegelige magnet 84 mot en viss posisjon ta en variasjon av andre former, så som en spiralfjær. Dessuten kunne forspenningsmekanismen være plassert utenfor istedenfor inne i drivakselen 86, hvis f.eks. elektriske ledninger trenger å rutes gjennom innsiden av drivakselen 86. Også, skjønt en foretrukket utførelse omfatter en forspenningsmekanisme, er ikke en forspenningsmekanisme absolutt nødvendig for alle anvendelser, og kunne elimineres om ønsket.

Fagfolk i teknikken vil også forstå at konfigurasjonen av magneter 82 og 84 og den relative rotasjonsbegrensende anordning for å variere mengden av elektrisk utgang som genereres av utførelsen av denne oppfinnelsen kan ha en variasjon av andre former. F.eks., den relative rotasjon kan være begrenset til mindre enn den som ville være nødvendig for å oppnå full feilinnretning av magnetene 82 og 84 slik at den maksimums tillatte rotasjon produserer en viss fraksjon av en maksimum utgang istedenfor en nullutgang. Alternativt, kan magnetene 82 og 84 være laget i ulik aksial lengde slik at rotasjon inn i den helt feilinnrettede posisjon produserer en viss fraksjon av maksimumutgang istedenfor en nullutgang. I tillegg, kan antallet magnetsegmenter som utgjøre magnetene 82 og 84 variere slik at en annen rotasjonsvinkel enn 45° er nødvendig for å oppnå fullstendig feilinnretning. Som vist på figur 2, har tverrsnittet av magnetene 82 og 84 fortrinnsvis en sirkelrund ytre form og en flerkantet indre form. En sirkelrund ytre form er å foretrekke for å frembringe et optimalt magnetisk felt til å virke sammen med hovedankeret 88, og en flerkantet indre form er å foretrekke for å lette fremstilling og å hjelpe med å hindre at magnetsegmentene blir løsnet fra bæreren 114 på grunn av torsjonsbelastninger. De ytre og indre former av magnetene 82 og 84 kan imidlertid omfatte andre egnede former, som vil bli forstått av fagfolk i teknikken. Fordi magnetene 82 og 84 kan være av flerkantet tverrsnitt eller sirkelrundt tverrsnitt, skal uttrykket "perifer" som brukt her til å beskrive magnetene 82 og 84 forstås til å bety den perifere dimensjon av disse elementene, enten den er flat eller buet. Også, skjønt magnetsegmentene omfattende magnetene 82 og 84 fortrinnsvis er av like perifere dimensjoner, kan de være av ulike perifere dimensjoner om ønsket.

Videre kan regulatoren for å variere posisjonen av bevegelig magnet 84 i forhold til fast magnet 82 ta forskjellige former. Med henvisning med figur 1, omfatter en foretrukket regulator et dragelement 98 montert på et lager 102 på drivakselen 86. Dragelementet 98, som roterer inne i et fast draganker 90, er fortrinnsvis laget av kobber og tjener som en bane for utvikling av en virvelstrøm. Det må forstås at kobber er henvist til som et foretrukket materiale for visse elementer av oppfinnelsen, men hvilket som helst egnet ledende materiale kunne brukes istedenfor kobber for slike elementer. I typiske borehulloperasjoner, har variasjoner i parametere så som inngang-RPM, elektriske behovet av systemet 140, og omgivelsestemperaturer en tendens til å forårsake variasjoner i den elektriske utgang fra hovedankeret 88. Derfor omfatter en foretrukket regulator en kontroller 106 som inneholder egnet elektronikk for overvåking av den elektriske utgang fra hovedankeret 88 og å gjøre passende justeringer til inngangen til dragelementet 90, som diskutert nedenfor, for å modifisere den elektrisk utgang fra hovedankeret 88 og dermed å møte de elektriske behov for systemet 140. Spesielt, kontrolleren 106 genererer en passende elektriske styringsstrøm i viklingene av dragankeret 90, som setter opp et første magnetfelt. Rotasjon av dragelementet 98 inne i det første magnetfelt skaper en virvelstrøm i dragelementet 98, som er en funksjon (1) magnetfeltet skapt av dragankeret 90, (2) rotasjonshastigheten for dragelementet 98, (3) ledeevnen av dragelementet 98, og (4) den aksiale lengde av dragelementet 98. Sin tur produserer virvelstrømmen i drageelementet et annet magnetfelt som motvirker det første magnetfelt, hvilket skaper et dragmoment på dragelementet 98. Dragelementet 98 (rotor) og dragankeret 90 (stator) virker som en dragmomentgenerator. Dragmomentet forårsaker at dragelementet 98 roterer i forhold til drivakselen 86 i motsatt retning av drivakselens rotasjon. På grunn av at dragelementet 98 er forbundet med den bevegelige magnet 98 gjennom en momentomformer som diskutert nedenfor, roterer dragmomentet den bevegelige magnet 84 i forhold til den faste magnet 82 ved en passende mengde i henhold til tilført elektrisk styringsstrøm. Den relative bevegelse av den bevegelige magnet 84 i forhold til den faste magnet 82 modifiserer den elektriske utgang fra hovedankeret 88. Når således kontrollere 106 føler avvik i utgangen fra hovedankeret 88, gjør kontrolleren 106 passende modifikasjoner til den elektriske styringsstrøm i dragarmaturen 90 til å forårsake passende modifikasjoner til utgangen fra hovedankeret 88 og dermed å møte de elektriske behov for systemet 140.

Personer med rimelige ferdigheter i teknikken vil forstå at det nødvendige dragmoment kan genereres av forskjellige andre rotor/stator konfigurasjoner, så som f.eks. (1) et kobber dragelement som roterer inne i permanente magneter huset i et fastanker, (2) permanente magneter som roterer inne i en fast kobbersylinder, (3) et kobber dragelement som roterer inne i et motordrevet, roterbart draganker omfattende en rekke vekselvis magnetiserte permanentmagnetsegmenter, i likhet med magnetene 82 og 84 som vist på figur 2, som kan bli rotert i den ene eller den andre retning for å fremme eller returnere dragelementet som det passer, eller (4) et drageelement, omfattende en rekke vekslende magnetiske permanent magnetsegment i likhet med magnetene 82 og 84 som vist på figur 2, som roterer inne i en stator omfattende viklinger som kan energiseres for å styre hastigheten og retningen av et roterende magnetfelt og således bringe frem eller returnere dragelementet, som det passer.

De foregående opsjoner (1) og (2) ville ikke inkludere en kontroller 106, og vil derfor ikke reagere på utgangen fra hovedankeret 88, isteden ville disse to åpensløyfeopsjoner reagere bare på endringer i drivakselhastigheten, og ville ganske enkelt begrense utgangen fra hovedankeret 82.1 motsetning til dette, vil de sistnevnte to opsjoner (3) og (4) frembringe en ytterligere fordel ved å hjelpe med å redusere den tid apparatet tar til å returnere til sin første, maksimums utgang posisjon ved å muliggjøre påtrykning av et "revers" dragmoment (dvs. et moment i samme retning som rotasjonen av drivakselen 86) til dragelementet 98, og dermed hjelpe forspenningselementet 100 til å bevege bæreren 114 og den bevegelige magnet 84 tilbake til deres utgangsposisjoner. Om ønsket, kunne opsjonene (1) eller (2) brukes i forbindelse med de andre dragmomentgeneratorkonfigurasjoner beskrevet her for å frembringe både en rudimentær grense til utgangen og en mer sofistikert utgangskontrollmekanisme. Den rudimentære grense frembrakt av opsjonene (1) eller (2) i en slik hybrid konfigurasjon kan være ønskelig, f.eks. for å hindre en elektrisk overbelastning i tilfelle en feil på elektronikken i kontrolleren 106. Det er klart at dragmomentet også kunne bli levert av en mekanisk brems.

I de ovenfor beskrevne konfigurasjoner for dragelement 98 og draganker 90, blir dragmomentet levert ved interaksjon av motsatte magnetiske felter som dannes rundt periferien av dragelementet 98 (heretter kalt "perifere konfigurasjoner"). Det må imidlertid forstås at dragmomentet kunne leveres ved interaksjon av motsatte magnetiske felter utformet i et plan normalt til lengdeakselen for drivakselen 86, (heretter kalt "aksiale konfigurasjoner"). Med henvisning til figur 9, i en aksial konfigurasjon, vil et skive-liknende dragelement 198 erstatte drageelementet 98 fra den perifere konfigurasjon, og et skivelignende draganker 190 vil erstatte dragankeret 90. De motsatte magnetfelter ville således bli utformet i området 200 mellom dragelementet 198 og dragankeret 190. Passende valg for dragelementet 198 og dragankeret 190 ville derfor skape aksial konfigurasjon tilsvarende hvilke som helst av de ovenfor beskrevne perifere konfigurasjoner. Spesielt, aksiale konfigurasjoner ville omfatte (1) et kobber dragelement som roterer nær et fast draganker som har viklinger for å bære elektriske strømmer for å indusere en virvelstrøm i kobber dragelementet, (2) et kobber dragelement som roterer nær et fast draganker bestående av permanente magneter for å indusere en virvelstrøm i kobber dragelementet, (3) et dragelement omfattende permanente magneter som roterer nær et fast kobber draganker for å bære en virvelstrøm indusert ved de roterende permanente magneter av dragelementet, (4) et kobber dragelement som roterer nær et motordrevet, roterbart draganker omfattende en rekke vekselvis magnetiserte permanente magneter, i likhet med de som er vist på figur 10, for å indusere en virvelstrøm i dragelementet, og som kan roteres i den ene eller den andre retning for å bringe fremover eller tilbake dragelementet som det passer, eller (5) et dragelement omfattende en rekke vekselvis magnetiserte permanent magneter som vist på figur 10, som roterer nær et fast draganker omfattende viklinger som kan energiseres for å styre hastigheten og retningen av et roterende magnetfelt for å virke sammen med magnetfeltet av magnetene på dragelementet og således bringe frem eller tilbake dragelementet, som det passer. Som et eksempel, illustrerer figurene 9, 10 og 11 samvirket av dragelement 198 og dragankeret 190 for den ovenfor beskrevne aksiale konfigurasjon (5). På figur 11, er ikke drivakselen 86 vist for klarhets skyld. Også, for klarhets skyld, viser ikke figurene 10 og 11 en bakplate som fortrinnsvis er av høy magnetisk permeabilitet og fortrinnsvis båndet til magnetene i dragelementet 198 på overflaten av magnetene, som ikke er nær dragankeret 190 (dvs., overflaten på magnetene som er synlige på figurene 10 og 11). En slik bakplate, som fortrinnsvis er maskinert som en enhetlig del av den flerkantede kjerne av dragelementet 198, tjener til å mer tilstrekkelig fullføre den magnetiske krets av magnetene i dragelementet 198, og tjener også som en ekstra festeanordning for å hindre at magnetene flyr av kjernen på grunn av sentrifugalkrefter ved rotasjon.

For å oppnå den ønskede bevegelse av bæreren 114 med minst mulig dragmoment, er dragmomentet som genereres på dragelementet 98 fortrinnsvis multiplisert ved bruk av en momentomformer mens det blir overført til bæreren 114.1 en foretrukket utførelse, omfatter momentomformeren en harmonisk drivmekanisme så som de som blir solgt av Harmonic Drive Technologies, Inc. og HD Systems, Inc. Alternativt, kunne momentomformeren omfatte andre kjente girmekanismer, så som en planet differensial mekanisme. Skjønt det kan være mulig å eliminere momentomformeren i visse utførelser av oppfinnelsen, ville fravær av en momentomformer øke kravet til inngangsmoment til uakseptable nivåer i de fleste tilfeller.

Som vist på figurene 1 og 8, omfatter en foretrukket harmonisk drivmekanisme en bølgegenerator 92, et fleksibelt kilespor 94, og et sirkelrundt kilespor 96. Dragelementet 98 er fast forbundet med bølgegeneratoren 92, og det sirkelrunde kilespor 96 er fast forbundet med bæreren 114 som omfatter bevegelige magnet 84. Det sirkelrunde kilespor 96 er forholdsvis stivt og har interne tenner for å engasjere det fleksible kilespor 94. Fleksibel kilespor 94, som er av noe mindre diameter enn det sirkelrunde kilespor 96 og har færre tenner (vanligvis to færre) enn det sirkelrunde spor 96, er forholdsvis fleksibelt og har eksterne tenner for å engasjere det sirkelrunde kilespor 96. Bølgegeneratoren 92 omfatter en elliptisk tynnvegget kulelager som passer inne i det fleksible sporet 94 og forårsaker at det fleksible kilespor 94 engasjerer det sirkelrunde kilespor 96 ved hver ende av ellipsens hovedakse. Bølgegeneratoren 92, fleksibelt kilespor 94 og sirkelrundt kilespor 96 virker sammen slik at hver omdreining av bølgegeneratoren 92 forårsaker at der sirkelrunde kilespor 96 roterer med f.eks. bare to tenner. Dragmomentet på dragelementet 98 blir således multiplisert mens det overføres til bæreren 114 og bevegelig magnet 84 som et kontrollmoment. En byttehandel for å oppnå denne momentmultiplikasjon er at den harmoniske drivmekanisme øker responstiden for apparatet. Imidlertid, om ønsket, ville bruk av et motordrevet, roterbart draganker som nevnt ovenfor hjelpe med å redusere responstiden.

Fordi effektgeneratoren 80 omfatter et børstefritt, kontaktfritt apparat, har den en tilleggsfordel at den kan operere mens den er neddykket i olje. Hvis således olje er nødvendig for trykkbalansering på grunn av høye trykk i borehullet, kan denne generatoren trygt operere i et oljefylt kammer.

Fagfolk i teknikken vil forstå at andre fordelaktige konfigurasjoner er mulige for å variere mengden av elektrisk utgang generert ved en utførelse av denne oppfinnelsen. F.eks., med henvisning til figur 6, kunne sirkelrunde kilespor 96 være fast festet på en kilespormontering 130, som er fast festet på drivakselen 86. I denne alternative konfigurasjon, er det fleksible kilespor 94 roterbart montert på drivakselen 86 med et lager 192. Det fleksible kilespor 94 er fast forbundet med bæreren 114 med føringspinner 124, som strekker seg gjennom klarerings-føringsspor 130A i kilespormonteringen 130, som vist på figur 7. Forspenningsmekanismen i denne alternative konfigurasjon omfatter fortrinnsvis fjærer 126 festet til føringspinner 124 og forspenningspinner 128, som stikker ut fra sidespormonteringen 130. Dragelementet 98 og bølgegeneratoren 92 er utformet på samme måte som på figur 1. I konfigurasjonen på figur 6, er imidlertid retningen for harmonisk drivutgang reversert fra den på figur 1, slik at kontrollmomentet er i retning av rotasjonen av drivakselen 86. Fjærene 126 og forspenningspinnene 128 er derfor utformet til å forspenne den bevegelige magnet 84 i retning motsatt rotasjonen av drivakselen 86. Således, gjennom omforming til et motsatt styringsmoment, virker dragmomentet på dragelementet 98 til å redusere den genererte elektriske utgang ved å feilinnrette magnetene 82 og 84 i motsatt retning som beskrevet ovenfor for konfigurasjonen på figur 1. I tillegg, ville det reaktive moment produsert ved den genererte elektriske utgang hjelpe til å redusere responstiden nødvendig for å returnere til den første posisjon med maksimum utgang.

Enda en fordelaktig konfigurasjon kunne være å feste det første forhold av magnetene 82 og 84 i en viss grad av feilinnretning slik at normal elektrisk utgang er noe mindre enn den maksimalt mulige utgang. Det kan faktisk være gunstig i noen anvendelser å ha et første forhold av fullstendig feilinnretning av magnetene 82 og 84 slik at den første elektriske utgang er null. Ved å velge korrekt anordning av den harmoniske drivutgangsretning og retningen for forspenningsmomentet, kunne dragmomentet bringes til å øke eller redusere den elektriske utgang etter ønske. Imidlertid, i en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, er kontrolleren 106 drevet av en del av utgangen fra hovedankeret 88. Derfor ville ikke et første forhold av fullstendig feilinnretning av magnetene 82 og 84 som produserer null førsteutgang generelt være ønskelig, hvis ikke en alternativ kraftkilde er anordnet for kontrolleren 106.

Enda en annen fordelaktig konfigurasjon kan være å ha et gjenget samvirke av bevegelige magnet 84 på drivakselen 86 slik at dragmomentet som skapes på dragelementet 98 overfører den bevegelige magnet 84 aksialt, og dermed endrer den elektriske utgang ved å endre prosenten av den bevegelige magnet 84 som er omgitt av hovedankeret 88. En slik gjenget konfigurasjon kunne også variere den elektriske utgang ved å endre skilleavstanden mellom den faste magnet 82 og den bevegelige magnet 84.

Fordi den foreliggende oppfinnelse er ment å være i stand til å operere ved høye borehulltemperaturer, omfatter de forskjellige magneter henvist til her fortrinnsvis av samariumkobolt (Sm-Co) magneter. Skjønt noen andre typer magneter, så som neodym-jern-bor (Nd-Fe-B) magneter, generelt gir bedre magnetisk fluks ved lavere temperaturer, vil Sm-Co magneter opprettholde bedre energidensitet ved temperaturer over omkring 150 °C. Hvilken som helst egnet type av magneter kan imidlertid brukes om ønsket.

Skjønt de foregående spesifikke detaljer beskriver en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, vil personer med rimelige ferdigheter i teknikken for elektrisk kraftgenerering for petroleumsbrønnboring og logging, forstå at forskjellige endringer kan gjøres i detaljene av apparatet ifølge oppfinnelsen uten å avvike fra oppfinnelsens ånd og omfang som definert i kravene. Det må derfor forstås at denne oppfinnelsen ikke er begrenset til de spesifikke detaljer som vist og beskrevet her.

Claims (16)

1. Apparat for å generere variabel elektrisk energi i et borehull fra en roterende aksel, karakterisert ved at det omfatter en drivaksel (86) med langsgående drivakselakse, en første permanentmagnet (82) fast montert på drivakselen (86)og omfattende flere første langsgående permanentmagnetsegmenter som har magnetisering perifert vekslende mellom nord pekende innover mot drivakselens (86) akse og nord pekende utover bort fra drivakselens akse, en annen permanentmagnet bevegelig montert på drivakselen (86) nær den første permanentmagneten (82), og omfattende flere andre langsgående permanentmagnetsegmenter (84) som har magnetisering perifert vekslende mellom nord pekende innover mot drivakselens (86) akse og nord pekende utover bort fra drivakselens (86) akse, et hovedanker (88) som omgir i det minste en del av hver av de første og andre permanentmagneter (82, 84) som har viklinger for å generere elektrisk utgang på grunn av rotasjon av de første og andre permanentmagneter (82, 84) inne i ankeret (88), og en regulator operativt koplet til den andre permanentmagneten (84) for å regulere den elektriske utgangen ved å variere posisjonen av den andre permanentmagneten (84) i forhold til den første permanentmagneten (82).

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at regulatoren kan variere rotasjonsinnretningen for den andre permanentmagneten (84) i forhold til den første permanentmagneten (82) mellom en første relativ posisjon hvor den elektriske utgangen har en minimumsverdi og en annen relativ posisjon hvor den elektriske utgangen har en maksimumsverdi.

3. Apparat ifølge krav 1-2, karakterisert ved at minimumsverdien er null.

4. Apparat ifølge krav 1 for å generere variabel elektrisk energi i et borehull fra en roterende aksel til et borehullsystem, hvor drivakselen (86) har en første ende og en andre ende langs drivakselens (86) akse, hvor drivakselen (86) har en første og en annen ende langs drivakselens (86) akse, karakterisert ved at en bærer er roterbart montert på drivakselen (86) aksialt nær den første permanentmagneten (82) og som omfatter en annen permanent magnet (84), en regulator som er operativt koplet til bæreren og omfatter en dreiemomentgenerator for å generere et dreiemoment på bæreren i retning motsatt rotasjonsretningen på drivakselen (86), for dermed å regulere den elektriske utgangen ved å variere rotasjonsinnretningen for den andre permanentmagneten (84) i forhold til den første permanentmagneten (82), at regulatoren omfatter en elektrisk kontroller operativt forbundet med hovedankeret (88), momentgeneratoren og borehullsystemet for å overvåke den elektriske utgangen, og å sammenligne den elektriske utgangen med de elektriske behov for borehullsystemet, og å sende styringssignaler til dreiemomentgeneratoren for å modifisere den elektriske utgangen til å tilpasses de elektriske behov for borehullsystemet, og at dreiemomentgeneratoren omfatter (a) et dreieelementet som er roterbart montert på drivakselen (86) og operativt forbundet med bæreren, hvor dreieelementet omfatter et tredje antall langsgående permanentmagnetsegmenter som har magnetiseringene perifert vekslende mellom nord pekende innover mot drivakselens (86) akse og nord pekende utover bort fra drivakselens (86) akse for å skape et første magnetfelt, og (b) en fast dreiearmatur som omgir i det minste en del av dreieelementet og som har viklinger for å bære en elektrisk styringsstrøm som respons på styringssignalene fra kontrolleren, hvor den elektriske styringsstrømmen skaper et annet, roterende magnetfelt motsatt det første magnetfeltet og dermed genererer dreiemomentet.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at det andre, roterende magnetfeltet kan rotere slik at det skaper et motsatt dreiemoment.

6. Apparat ifølge krav 1, for å generere variabel elektrisk energi i et borehull fra en roterende aksel i et borehullsystem, karakterisert ved en drivaksel med en langsgående drivakselakse hvor drivakselen har en første ende og en andre ende langs drivakselens (86) akse, en første permanentmagnet (82) festet til drivakselen og omfattende flere langsgående permanentmagnetsegmenter som har magnetiseringene perifert vekslende mellom nord pekende innover mot drivakselens (86) akse og nord pekende utover bort fra drivakselens (86) akse, en bærer montert roterbart på drivakselen aksialt nær den første permanentmagneten (82) og omfattende en andre permanentmagnet (84) med flere andre langsgående permanentmagnetsegmenter med perifere magnetiseringer vekslende mellom nord pekende innover mot drivakselens (86) akse og nord pekende utover bort fra drivakselens (86) akse, et hovedarmatur som omgir i det minste en del av hver første og andre permanentmagnet (82, 84) og har viklinger for å generere elektrisk utgang basert på rotasjon av første og andre permanentmagneter (82, 84) i hovedarmaturen, og en regulator som er operativt koplet til bæreren og omfatter en dreiemomentgenerator for å generere et dreiemoment på bæreren i retning motsatt rotasjonsretningen på drivakselen, for dermed å regulere den elektriske utgangen ved å variere rotasjonsinnretningen for den andre permanentmagneten (84) i forhold til den første permanentmagneten (82), hvor regulatoren omfatter en elektronisk kontroller operativt forbundet med hovedarmaturen, momentgeneratoren og borehullsystemet for å overvåke den elektriske utgangen, å sammenligne den elektriske utgangen med de elektriske behov for borehullsystemet, og å sende styringssignaler til dreiemomentgeneratoren for å modifisere den elektriske utgangen til å tilpasses de elektriske behov for borehullsystemet, og hvor dreiemomentgeneratoren omfatter (a) et dragelementet som er roterbart montert på drivakselen og operativt forbundet med bæreren, hvor dragelementet omfatter flere tredje langsgående permanentmagnetsegmenter som har magnetiseringene perifert vekslende mellom nord pekende innover mot drivakselens (86) akse og nord pekende utover bort fra drivakselens (86) akse for å skape et første magnetfelt, og (b) en fast dragarmatur som omgir i det minste en del av dragelementet og som har viklinger for å bære en elektrisk styringsstrøm som respons på styringssignalene fra kontrolleren, hvor den elektriske styringsstrømmen skaper et annet, roterende magnetfelt motsatt det første magnetfeltet og dermed genererer dreiemomentet.

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at det andre, roterende magnetfeltet kan rotere slik at det skaper et motsatt dreiemoment.

8. Apparat ifølge krav 1, for å generere variabel elektrisk energi i et borehull fra en roterende aksel i et borehullsystem, karakterisert ved en drivaksel med en første ende og en andre ende langs drivakselens (86) akse, en bærer montert roterbart på drivakselen aksialt nær den første permanentmagneten (82) og omfattende den andre permanentmagneten (84), hvor regulatoren er operativt koplet til bæreren og omfatter en dreiemomentgenerator for å generere et dreiemoment på bæreren i retning motsatt rotasjonsretningen på drivakselen, for dermed å regulere den elektriske utgangen ved å variere rotasjonsinnretningen for den andre permanentmagneten (84) i forhold til den første permanentmagneten (82), hvor regulatoren omfatter en momentomformer operativt forbundet med dreiemoment generatoren og bæreren for å omforme dreiemomentet til et styringsmoment og å overføre styringsmomentet til bæreren.

9. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at momentomformeren omfatter en harmonisk drivmekanisme.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at den harmoniske drivmekanisme omfatter et sirkulært kilespor som er fast montert på bæreren og har flere indre tenner for inngrep med de indre tennene på det sirkulære kilesporet, hvor de eksterne tennene er færre enn de indre tennene, og en bølgegenerator som er fast montert på dreiemoment generatoren og har et elliptisk tynnvegget kulelager operativt engasjert inne i det fleksible kilesporet slik at de eksterne tenner av det fleksible kilesporet engasjerer de indre tennene i det sirkulære kilesporet i hver ende av hovedaksen av det elliptiske lager, og hvor bølgegeneratoren, det fleksible kilesporet og det sirkulære kilesporet samvirker slik at hver omdreining av bølgegeneratoren forårsaker at det sirkelrunde kilespor og bæreren roterer ved bare en del av en omdreining.

11. Apparat ifølge krav 10, karakterisert ved at den harmoniske drivmekanismen omfatter en kilespormontering som er fast montert på drivakselen og som har minst et føringsspor, et sirkulært kilespor som er fast montert på kilespormonteringen og som har flere indre tenner, et fleksibelt kilespor roterbart montert på drivakselen, og med flere eksterne tenner for å engasjere de interne tennene i det sirkulære kilesporet, hvor de eksterne tennene er færre enn antallet indre tenner, en bølgegenerator som er fast montert på dreiemomentgeneratoren og som har et elliptisk, tynnvegget kulelager operativt engasjert inne i det fleksible kilesporet slik at de eksterne tenner i kilesporet engasjerer de indre tennene av det sirkulære kilesporet ved hver ende av hovedaksen for det elliptiske lager, og minst en føringspinne fast festet på det fleksible kilesporet, som passerer fritt gjennom det minst ene føringsspor i kilespormonteringen og festet på bæreren, hvor bølgegeneratoren, det fleksible kilesporet og det sirkulære kilesporet samvirker slik at hver omdreining av bølgegeneratoren forårsaker at det fleksible kilesporet og bæreren roterer bare en del av en omdreining.

12. Apparat ifølge krav 11, karakterisert ved at kilespormonteringen omfatter minst en forspenningspinne, og at apparatet omfatter en forspenningsmekanisme bestående av minst en fjær, som respektivt forbinder forspenningspinnene med føringspinnene.

13. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at momentomformeren omfatter en planetgirmekanisme.

14. Apparat ifølge krav 2, hvor drivakselen har en første ende og en andre ende langs drivakselens (86) akse, karakterisert ved at det omfatter en bærer som er roterbart montert til drivakselen nær den første permanentmagneten (82) og omfatter den andre permanentmagneten (84), og at regulatoren er operativt forbundet med bæreren og omfatter en dreiemomentgenerator for å frembringe dreiemoment mot bæreren i en retning motsatt rotasjonen av drivakselen for derved å regulere den elektriske utgangen ved å variere den rotasjonsmessige innretning av den andre permanente magneten i forhold til den første permanente magneten, og at apparatet omfatter en forspenningsmekanisme for å forspenne den andre permanentmagneten (84) mot den andre relative posisjon.

15. Apparat ifølge krav 14, karakterisert ved at drivakselen har et aksialt hulrom og et transversalt hulrom som krysser det aksiale hulrommet, og at forspenningsmekanismen omfatter (a) en stoppepinne plassert inne i det transversale hulrommet og er operativt forbundet med bæreren, (b) et langsgående forspenningselement plassert inne i det aksiale hulrommet og operativt forbundet med stoppepinnen, og (c) en anordning for å tilføre en torsjonsforbelastning til forspenningselementet slik at stoppepinnen søker å engasjere en del av grensen for det transversale hulrommet.

16. Apparat ifølge krav 14, karakterisert ved at forspenningsmekanismen omfatter en fjær som forbinder drivakselen med bæreren.