DE60201029T2

DE60201029T2 - Generator-drehmomentstütze-kombination für eine bohrvorrichtung

Info

Publication number: DE60201029T2
Application number: DE60201029T
Authority: DE
Inventors: Gregson William Martin Pershore Spring
Original assignee: Individual
Current assignee: Polycomm Ltd Pershore Worcestershire Gb
Priority date: 2001-05-05
Filing date: 2002-05-01
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2022-05-02
Also published as: WO2002091554A1; DE60201029D1; DK1386387T3; EP1386387A1; NO20034918L; NO20034917D0; US7057316B2; ATE274254T1; US20040144570A1; ATE403967T1; GB0111124D0; EP1386386A1; CA2444815C; WO2002091553A1; NO324850B1; US7141901B2; EP1386386B1; NO324225B1; US20040140726A1; NO20034918D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kombination aus einer Drehmomenterzeugungsvorrichtung und einem Generator/Alternator. Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine solche Kombination für den Bohrlocheinsatz bei Bohranwendungen.
Der derzeit bevorzugte Stromgenerator in Ölaufschluss- oder -förderanwendungen ist der Schlammalternator, weil er auf der Oberfläche stromlos und daher sicher zu handhaben ist und nur dann Strom erzeugt, wenn er im Bohrloch ist und im Schlammstrom rotiert. Eines der Hauptprobleme, mit denen die Anbieter und Endbenutzer von Bohrgeräten konfrontiert sind, ist jedoch die Regelung der Laufraddrehzahl von Bohrlochschlammalternatoren.
Alle Schlammalternatoren laufen effektiv im offenen Kreis, und die einzige Möglichkeit, ihre Drehzahl zu regeln, besteht darin, die Durchflussrate von Schlamm zu modifizieren, der am Laufrad vorbei gepumpt wird, oder das Laufrad zu wechseln. Diese Methoden sind jedoch beim Regeln der Alternatordrehzahl und somit des Leistungsausgangs nicht immer erfolgreich. Ein Alternator, der zu schnell rotiert, erzeugt zu viel Spannung für die Bohrlochvorrichtung, was eine Überhitzung der Vorrichtung zur Folge hat. Wenn ein Alternator die Vorrichtung zu lange überhitzt, dann wird diese irgendwann ausfallen, was eine kostspielige Unterbrechung des Bohrprogramms bedeutet. Ein Bohrlochleistungsverlust hat einen Kommunikationsverlust mit der Vorrichtung zur Folge, und der gesamte Bohrstrang muss zur Reparatur aus dem Bohrloch gezogen werden. Bei einem tiefen Loch können Herausziehen, Reparatur und Wiedereinsetzen mehr als zwei Tage in Anspruch nehmen, und ein Bohringenieur wird daher zu hohe Drehzahlen für den Alternator nach Möglichkeit vermeiden.
Um zu gewährleisten, dass der Alternator immer innerhalb sicherer Grenzwerte arbeitet, wird die Alternatordrehzahl oder -ausgangsspannung in regelmäßigen Abständen zur Oberfläche gemeldet, damit der Bohringenieur die Leistung des Alternators überwachen und durch Einstellen der Schlammpumpgeschwindigkeit Korrekturen der Alternatordrehzahl vornehmen kann.
Das bevorzugte Verfahren zum Vermeiden zu hoher Drehzahlen für den Alternator besteht darin, ein geeignetes Laufrad für den Alternator in der Planungsphase eines Bohrauftrags zu wählen. Schlammfließgeschwidigkeiten können sehr stark variieren, z. B. zwischen 150 und 800 US-Gallonen pro Minute. Eine der Planungsaufgaben besteht darin, die Mindest- und Höchstschlammfließgeschwindigkeiten für den Auftrag zu ermitteln, damit ein optimales Laufrad gewählt werden kann. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht darin, dass zuweilen ein falsches Laufrad am Alternator montiert wird. Der Bohringenieur ist dann mit der Entscheidung konfrontiert, ob er die Bohrvorrichtung nicht benutzt, bis das richtige Laufrad eingebaut wird, oder ob er durch eine zu hohe Alternatorleistung verursachte Schäden an der Bohrvorrichtung riskiert.
Es ist daher notwendig, die Alternatordrehzahl regeln zu können, um zu hohe Ausgangsleistungen zu vermeiden.
Ferner ist die vorliegende Vorrichtung für Schlamm- und Schmutzansammlungen empfindlich, die den Mechanismus verstopfen und Ausfälle im Bohrloch verursachen können.
Die US-A-4 713 567 beschreibt eine elektromagnetische Bremsvorrichtung für ein Trainingssportgerät, das einen Läufer (erste Baugruppe) mit einem allgemein zylindrischen Element aus einem magnetisch weichen Material und einer Längsachse sowie einen Ständer (zweite Baugruppe) aufweist, die koaxial in dem Läufer angeordnet ist und eine elektromagnetische Wicklung aufweist. Läufer und Ständer sind relativ zueinander um die Achse drehbar. Die relative Rotation zwischen Läufer und Ständer induziert ein Magnetfeld, das ein Drehmoment zwischen der Läufer- und der Ständerbaugruppe erzeugt, und es ist ein Gleichrichtmittel vorgesehen, um Generatorausgangswechselstrom in Gleichstrom für die elektromagnetischen Wicklungen der Drehmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzielen eines elektromagnetischen Bremseffekts umzuwandeln.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kombination aus einer Drehmomenterzeugungsvorrichtung und einem Alternator/Generator bereitzustellen, die wenigstens einige der obigen Anforderungen erfüllen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination aus einer Drehmomenterzeugungsvorrichtung und einem Alternator/Generator bereitgestellt, wobei die Drehmomenterzeugungsvorrichtung Folgendes umfasst: eine erste Baugruppe mit einem allgemein zylindrischen Element aus magnetisch weichem Material und mit einer Längsachse, eine zweite Baugruppe, die koaxial in der ersten Baugruppe angeordnet ist und eine elektromagnetische Wicklung aufweist, wobei die erste Baugruppe und die zweite Baugruppe relativ zueinander um die Achse gedreht werden können, wobei die Anordnung derart ist, dass eine relative Rotation zwischen der ersten und der zweiten Baugruppe ein Magnetfeld induziert, das ein Drehmoment zwischen der ersten und der zweiten Baugruppe erzeugt, und ein Gleichrichtmittel vorgesehen ist, um einen Ausgangswechselstrom vom Alternator/Generator in Gleichstrom für die elektromagnetischen Wicklungen der Drehmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Bremseffekts umzuwandeln, und dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterzeugungsvorrichtung und der Alternator/Generator axial nebeneinander auf einer gemeinsamen Welle positioniert sind.
Ein „magnetisch weiches Material" ist ein Material, das im Wesentlichen nicht permanent magnetisiert werden kann, das aber magnetisiert wird, während es sich in einem extern anliegenden Magnetfeld befindet.
Die erste Baugruppe kann eine Läuferbaugruppe der Vorrichtung zum Erzeugen von Drehmoment sein und die zweite Baugruppe kann eine Ständerbaugruppe der Drehmomenterzeugungsvorrichtung sein.
Die zweite Baugruppe kann einen magnetisch weichen Stahl umfassen.
Die erste und die zweite Baugruppe können durch einen engen Spalt voneinander getrennt sein.
Die erste Baugruppe kann so angeordnet sein, dass sie die zweite Baugruppe im Wesentlichen umgibt.
Die erste Baugruppe kann im Wesentlichen massiv oder aus einer Mehrzahl von Lamellen gebildet sein.
Die zweite Baugruppe kann im Wesentlichen massiv oder aus einer Mehrzahl von Lamellen gebildet sein.
Eine Reihe von allgemein longitudinalen Rillen kann auf der Innenseite des zylindrischen Elementes der ersten Baugruppe vorgesehen sein. Die Rillen können im Wesentlichen parallel zur Längsachse der ersten Baugruppe verlaufen. Alternativ können die Rillen so vorgesehen sein, dass sie wenigstens eine Teilspirale um die Längsachse der ersten Baugruppe bilden.
Die zweite Baugruppe kann mit einer Reihe von Polstücken versehen sein, die allgemein radial von ihrer Längsachse verlaufen. Die Polstücke der zweiten Baugruppe können mit einer elektromagnetischen Wicklung versehen sein, wobei benachbarte Pole in entgegengesetzten Richtungen magnetisierbar sind. Es können Mittel vorgesehen werden, um den Grad der Magnetisierung zu regeln. Spalte zwischen den Polstücken können mit einem Vergussmaterial gefüllt werden. Die Oberfläche der zweiten Baugruppe kann mit einer Schicht aus weichem magnetischem oder nichtmagnetischem Material bedeckt werden.
Die erste Baugruppe kann mit externen Rotationsmitteln wie z. B. einem Laufrad versehen sein, das die erste Baugruppe dreht, wobei das Laufrad so gestaltet ist, dass es beim Gebrauch in einem sich bewegenden Fluid angeordnet ist, wobei die Bewegung des Fluids auf das Laufrad wirkt, so dass die erste Baugruppe gedreht wird.
Der Alternator/Generator kann mit einem externen Rotationsmittel wie z. B. einem Laufrad versehen sein, das die Aufgabe hat, den Alternator/Generator zu drehen, wobei das Laufrad so gestaltet ist, dass es beim Gebrauch in einem sich bewegenden Fluid angeordnet ist, wobei die Bewegung des Fluids auf das Laufrad wirkt, so dass der Alternator/Generator gedreht wird. Das Laufrad kann integraler Bestandteil eines Magnetträgers des Alternators/Generators sein.
Der Ausgangsstrom des Alternators/Generators kann direkt mit der elektromagnetischen Wicklung der Drehmomenterzeugungsvorrichtung oder indirekt über ein Alternatorspannungsregelungsmittel verbunden sein, um den elektromagnetischen Bremseffekt zu erzeugen.
Wo die elektrische Leistung des Alternators/Generators direkt mit der elektromagnetischen Wicklung der Drehmomenterzeugungsvorrichtung verbunden ist, kann der elektromagnetische Bremseffekt durch Variieren des Widerstands der Wicklung modifiziert werden, z. B. mit einem oder mehreren externen Widerständen oder durch Ändern der Stärke des Wicklungsdrahtes oder durch Variieren des Spalts zwischen der ersten und der zweiten Baugruppe der Drehmomenterzeugungsvorrichtung.
Wo der Ausgangsstrom des Alternators/Generators indirekt mit der elektromagnetischen Wicklung der Drehmomenterzeugungsvorrichtung verbunden ist, da kann das Alternatorspannungsregelungsmittel die Funktion haben, einen progressiven Bremseffekt zu erzeugen und/oder ein Bremsen mit einem vorbestimmten Sollwert zu bewirken. Der vorbestimmte Sollwert kann anhand der Ausgangsspannung des Alternators/Generators bestimmt werden. Der vorbestimmte Sollwert kann variabel sein.
Zur Vermittlung eines besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung und um deutlicher zu zeigen, wie diese umgesetzt werden kann, wird nunmehr beispielhaft auf die Begleitzeichnungen Bezug genommen, die schematisch verschiedene Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeigen. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu. Dabei zeigt:
1 eine Querschnittsansicht einer Ausgestaltung einer Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Endansicht der Kombination von 1 mit Blick in Richtung von Pfeil B;
3 eine Querschnittsansicht der Kombination von 1 entlang der Linie A-A;
4 eine ausführlichere Ansicht eines in 1 gezeigten Ständers;
5 zwei Ansichten eines Ständerpolstücks;
6 einen Querschnitt des in 4 gezeigten Ständers;
7 eine Endansicht des in 4 gezeigten Ständers;
8 eine Schnittansicht eines in 1 gezeigten Läufers;
9 eine Endansicht des Läufers von 8;
10 ein Endansichtsdetail der Läufer- und Ständerbaugruppe;
11 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Läufers ähnlich dem, der in 1 gezeigt ist, die eine Lamellenstruktur zeigt;
12 eine Endansicht mit entfernter Endkappe des Läufers von 11;
13 ein Endansichtsdetail, mit entfernter Endkappe, einer Läufer- und Ständerbaugruppe mit dem Läufer der 11 und 12;
14 eine schematische Zeichnung eines Gleichrichtmittels, das in der Kombination von 1 eingesetzt wird; und
15 eine schematische Zeichnung eines alternativen Gleichrichtmittels, das eine Vorrichtung zum Regulieren der Alternatorspannung aufweist, die in der Kombination von 1 zum Einsatz kommt.
1 zeigt eine Kombination aus einer Drehmomenterzeugungsvorrichtung und einem Alternator/Generator, die für den Einsatz in einer Bohrvorrichtung geeignet ist. Die Drehmomenterzeugungsvorrichtung umfasst eine zweite Baugruppe in der Form eines zylindrischen Ständers 2. Der Ständer 2 ist in den 4 bis 7 ausführlicher dargestellt. Der Ständer besteht aus magnetisch weichem Material und ist mit Ständerwicklungen 4 versehen, die so angeordnet sind, dass, wenn sie magnetisiert werden, der Ständer 2 wie nachfolgend erörtert magnetisiert wird. Der Ständer ist auf einer festen Welle 8 montiert. Um den Ständer herum ist eine erste Baugruppe in der Form eines Läufers 10 aus magnetisch weichem Stahl ausgebildet. Der Läufer 10 ist mit Lagern 6, 11 wie z. B. Drucklagern auf dem Ständer 2 montiert. Die Läufer/Ständer-Baugruppe befindet sich in einem zylindrischen Gehäuse 14, das typischerweise ein Meißelschaftabschnitt ist. Die Baugruppe wird von einem Anker 16 gelagert, der an dem Gehäuse verschraubt ist.
Ein Drehstromalternator 22 ist auf derselben Welle vorgesehen wie die Drehmomenterzeugungsvorrichtung. Der Alternator 22 und die Drehmomenterzeugungsvorrichtung benutzen einen gemeinsamen Läufer.
Die Ausgangsspannung des Alternators ist über Gleichrichtmittel 31 mit den Ständerwicklungen des Drehmomenterzeugers verbunden, so dass der Drehmomenterzeuger negatives Feedback in der Form von progressivem Bremsen gibt, wenn die Drehzahl der gemeinsamen Rotorbaugruppe zunimmt oder wenn die Drehzahl des Läufers einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Die Ständerwicklungen 4 der Drehmomenterzeugungsvorrichtung sind über Zugangslöcher 19 im Kern jeder Vorrichtung wie in 1 gezeigt mit den Wicklungen des Alternators verbunden.
Beim Gebrauch wird die Kombination im Bohrloch eingesetzt und pumpt Schlamm in dem Loch in der angezeigten Richtung. Das sich bewegende Bohrfluid wirkt auf das Laufrad 12 und dreht den Läufer 10.
Schlammalternatoren wie der illustrierte Alternator 22 sind im Allgemeinen elektrische Drehstrommaschinen, die mit einem Vollwellengleichrichter 31 verbunden sind, um die drei Wechselstromwellenformen in eine einzelne Gleichstromversorgung umzuwandeln. Ein typisches Schaltbild ist in 14 dargestellt. Das Laufrad 12 ist integraler Bestandteil eines Magnetträgers 24 des Alternators und rotiert mit mehreren tausend UpM als Reaktion auf die Fließgeschwindigkeit von Schlamm am Laufrad vorbei. Durch elektrisches Verbinden des gleichgerichteten Ausgangs des Alternators 22 mit den Ständerwicklungen 4 der Drehmomenterzeugungsvorrichtung entsteht eine elektromagnetische Bremse zwischen der Drehmomenterzeugungsvorrichtung und dem Alternator. Je nach der Art und Weise der elektrischen Verbindung können zwei verschiedene Bremseffekte erzeugt werden, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird.
Ein elektrisches Verbinden der Ständerwicklungen 4 der Drehmomenterzeugungsvorrichtung mit dem gleichgerichteten Ausgang des Alternators 22 erzeugt einen progressiven Bremseffekt, weil der Alternator 22 die Ständerwicklungen 4 progressiv bestromt. Je höher die gleichgerichtete Alternatorspannung, desto größer der Strom, der in den Ständerwicklungen 4 fließt, und desto größer der elektromagnetische Bremseffekt. Die dadurch geschaffene Feedback-Schleife ermöglicht eine Proportionalregelung des Alternatorausgangs, und die Höchstdrehzahl des Alternators 22 wird unabhängig vom Profil des Laufrads 12 und von der Schlammfließgeschwindigkeit geregelt. Eine solche elektrische Verbindung bietet eine einfachere Methode der Drehzahlregelung in der Alternatorbaugruppe und kann durch Variieren entweder des Widerstands der Ständerwicklungen oder des Luft/Schlamm-Spalts zwischen Ständer und Läufer der Drehmomenterzeugungsvorrichtung feinabgestimmt werden. Der Widerstand der Ständerwicklungen 4 kann durch Hinzufügen externer Widerstände in Reihe mit den Ständerwicklungen oder durch Ändern der Stärke des zum Konstruieren der Ständerwicklungen verwendeten Drahtes modifiziert werden. Der Gesamtwiderstand und somit die durch beide Methoden erzielbare Bremsregelung kann rechnerisch ermittelt werden. Das Ändern des Luft/Schlamm-Spaltes beinhaltet einen Schleifvorgang zum Verbreitern des Spaltes zwischen Läufer und Ständer der Drehmomenterzeugungsvorrichtung, um den Bremseffekt zu verringern.
Alternativ können, wie in 15 gezeigt, die Bremskenngrößen von proportional auf eine andere Regelungsform geändert werden, indem ein Alternatorspannungsregler 33 zwischen Alternator 22 und Drehmomenterzeugungsvorrichtung geschaltet wird. Eine Schaltsteuerung wird bevorzugt, um Verluste im Alternatorspannungsregler minimal zu halten, und bietet die Möglichkeit, die Geschwindigkeitskenngrößen im Bohrloch über Schlammimpulstelemetrie dynamisch zu ändern.
Ein Alternatorspannungsregler kann zum Anwenden von linearen und/oder nichtlinearen Bremskenngrößen auf den Alternator über die Ständerwicklungen der Drehmomenterzeugungsvorrichtung verwendet werden. Eine typische Schaltung, in 15 gezeigt, umfasst einen Alternatorspannungsregler in der Form einer programmierbaren Schaltstromversorgung, die Strom vom gleichgerichteten Alternatorausgang ableitet und die Ständerwicklungen 4 der Drehmomenterzeugungsvorrichtung mit programmierter Ausgangsleistung speist. Eine vorbestimmte oder programmierbare, auf Spannung ansprechende Auslösevorrichtung aktiviert die Schaltstromversorgung. Unterhalb des Auslösepunktes läuft der Alternator im Steuerkreis (offen) und es gibt keine Induktionsbremsung. Oberhalb des Auslösepunktes wird der Kreis geschlossen und Induktionsbremsung wird auf den Alternator angewendet. Auf diese Weise kann der Sollwert zwischen Steuer- und Regelkreis an jeder gewünschten Stelle auf der Alternator-Drehzahlkurve programmiert und so abgestimmt werden, dass die Ausgangsspannung je nach den Anforderungen verschiedener Kunden variiert wird.
Durch Koppeln des Alternators mit einer Drehmomenterzeugungsvorrichtung arbeitet der Alternator nicht mehr im Steuerkreis und kann unbedenklich ohne Aufsicht im Bohrloch gelassen werden, um seinen Ausgang selbst zu überwachen. Hersteller von Bohrlochalternatoren brauchen nur noch ein System für alle Kunden anstatt mehrere Laufrad/Alternator-Paare für unterschiedliche Ausgangsleistungsanforderungen und veränderliche Schlammfließgeschwindigkeiten anzubieten. Eine einzige Kombination aus Alternator und Drehmomenterzeugungsvorrichtung kann so programmiert werden, dass die Ausgangsleistungsprofile entsprechend den verschiedenen Laufrädern reproduziert werden, indem die Ausgangsleistung mit Induktionsbremsung begrenzt wird. Eine solche Anordnung reduziert die Design- und Herstellungskosten, vereinfacht die Betriebserfordernisse der Ingenieure vor Ort und verbessert die Bohrlochzuverlässigkeit der Alternator- und Bohrlochinstrumente.
2 ist eine Endansicht der Vorrichtung von 1. Sie zeigt die feste Welle 8, den Anker 16 und die Laufradschaufeln 12. Die Schlammströmungsrichtung in 2 geht in das Papier und versetzt die Laufradschaufeln in Drehung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht gemäß 1. Der Baugruppenanker 16 ist im Querschnitt, mit dem Meißelschaftgehäuse verschraubt dargestellt. Die Welle 8 ist im Querschnitt zu sehen. Die Blickrichtung in 3 ist in die Baugruppe in der Richtung des einströmenden Schlamms, und die Laufradschaufeln 12 sind hinter dem Baugruppenanker 16 zu sehen.
Die 4 bis 7 sind ausführlichere Ansichten der Ständerbaugruppe. Der Ständer 2 der Drehmomenterzeugungsvorrichtung ist ein einfacher vierpoliger Elektromagnet, der den elektrischen und mechanischen Mittelpunkt der Maschine bildet. Der Ständer 2 hat eine mittlere Welle, von der radial vier Polstücke 35 wie gezeigt vorstehen. Die Zahl der Polstücke braucht nicht auf vier begrenzt zu sein – es kann jede beliebige geeignete Anzahl von Polstücken vorgesehen werden, größere Maschinen benötigen mehr Polstücke.
Um zu verhindern, dass der Ständer 2 durch normale Bohrlochbohrdrücke zerquetscht wird, können die Spalten zwischen den Ständerpolstücken mit einem äußerst kompressionsfesten Material wie z. B. Epoxidfüllmittel (nicht dargestellt) gefüllt werden. So kann der Ständer 2 seine Form beibehalten und Drücke von mehr als 20.000 lbs pro Quadratzoll aushalten.
Der Ständer 2 der Drehmomenterzeugungsvorrichtung wird mit hochtemperaturbeständigem emailliertem Kupferdraht (in den 4 bis 7 nicht dargestellt) gewickelt, um eine abwechselnde Nord- und Südmagnetisierung der Polstücke zu erzeugen. Um die Intaktheit der Ständerwicklung vom Bohrschlamm zu bewahren, ist, wie in den 1 und 10 gezeigt, eine dünne Hülse aus weichem magnetischem oder nichtmagnetischem Material 21 so bearbeitet, dass sie die Ständerwicklungen umgibt. Endbacken am Ständer nehmen die Hülse 21 auf und sie sind daran angeschweißt, um die Baugruppe abzudichten. Dadurch werden die Ränder des Ständers 2 abgedichtet und der Inhalt wird vor Kontamination geschützt. Die Abdeckung, beispielsweise in Form eines Zylinders, ermöglicht eine Rotation der Ständerpole in Bezug auf den Läufer 10, während ein enger Magnetkontakt erhalten bleibt. Ein kleiner Magnetspalt wird benötigt, um die hohen Ausgangsdrehmomentreaktionen von dieser Maschine zu erzeugen.
Ein wichtiges Merkmal der Vorrichtung ist die Nutzung des elektromagnetischen Vorteils, um den Strombedarf des Ständers 2 minimal zu halten. Diese Induktionsmaschine beruht von ihrer Natur her auf hohen Änderungsraten des magnetischen Flusses, um ein Bremsen im Läufer zu bewirken. Somit wird bei hohen Läuferdrehzahlen eine hohe Betriebseffizienz erzielt.
Die 8 bis 10 zeigen den Läufer 10 der Drehmomenterzeugungsvorrichtung ausführlicher. Der Läufer 10 besteht aus einem einfachen Stahlzylinder mit Nuten 20, die in die Innenfläche eingearbeitet sind. Die Nuten 20 haben zwei wichtige Funktionen. Sie ermöglichen es, dass der Läufer 10 und der Ständer 2 einen engen Magnetkontakt behalten, und lassen gleichzeitig einen ausreichenden Fluss von Bohrschlamm durch den ringförmigen Raum zwischen Läufer und Ständer zu. Dies fördert die Schmierung der Läuferlager 6 und 11 und erlaubt Wärmeabführung.
Die Nuten 20 verhüten auch, dass sich Schmutzpartikel im ringförmigen Raum ansammeln und die Vorrichtung verstopfen. Wenn der ringförmige Raum zu klein wäre, dann würden Schlammpartikel aufgrund der niedrigen Schlammfließgeschwindigkeiten eingeschlossen. Die Schlammpartikel würden sich schnell ansammeln, Ständer 2 und Rotor 10 aneinander binden und einen Bohrlochausfall verursachen. Bei konventionellen elektrischen Bohrlochvorrichtungen wie Alternatoren, die mit einem Permanentmagnetläufer arbeiten, kommt es häufig deshalb zu Störungen, weil Schlammmaterial im Raum zwischen Läufer und Ständer eingeschlossen wird und diesen verstopft. Das Verstopfungsproblem wird durch weiche und harte magnetische Partikel noch verschärft, die im Schlamm zirkulieren. Wenn sie durch die starken Magnetfelder im Permanentmagnetläufer eingeschlossen werden, dann fangen die magnetischen Partikel nichtmagnetische Schlammpartikel ein, was die Verstopfung beschleunigt. Die vorliegende Vorrichtung vermeidet diese Ausfallart dadurch, dass sie einen großzügigeren Raum zwischen Läufer und Ständer (aufgrund der Nuten) im Bereich des Drehmomenterzeugers bereitstellt und weil sie aus einem weichen Magnetmaterial besteht, das Partikel nicht im selben Ausmaß einschließt wie ein Permanentmagnet.
Ein wichtiges Merkmal der Drehmomenterzeugungsvorrichtung ist die Nutzung des elektromagnetischen Vorteils und die Verwendung eines Läufers 10, vorzugsweise massiv, um Abwärme von Arbeit der Vorrichtung abzuführen. Die im Läufer 10 induzierten zirkulierenden Ströme ergeben eine I²R-Erhitzung im Läufer, was dessen Arbeitstemperatur erhöht. Weil jedoch der Läufer 10 aus einem magnetisch weichen Material hergestellt ist, bleibt seine Leistung durch diesen Temperaturanstieg unbeeinflusst. Er kann somit bei Temperaturen arbeiten, die viel höher sind als die derzeitige Grenze von 180°C, ohne jeglichen Leistungsverlust. Theoretisch kann der Läufer 10 allein bei Temperaturen bis zur Curie-Temperatur der Permanentmagnete arbeiten.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Läufers 10 der Drehmomenterzeugungsvorrichtung, in den Figuren nicht dargestellt, sind die Nuten 20 mit einer kleinen Riefe oder spiralförmigen Verdrehung über ihre Länge ausgebildet. Auf diese Weise erzeugt jede Rotation des Läufers 10 einen geringen Pumpeffekt, mit dem Schlamm und Schmutzpartikel durch die Vorrichtung gepumpt werden. Diese Merkmale würden harte und weiche magnetische Partikel ausstoßen, die sonst von den Permanentmagneten der Alternatorwicklungen eingeschlossen würden.
Die Polstücke des Ständers 2 und die vorstehenden Abschnitte der Läuferinnenfläche sind so angeordnet, dass sie, ausgerichtet (im Falle einer vierpoligen Vorrichtung), jeder Viertelumdrehung des Läufers 10 entsprechen. Wie erörtert, kann die Anzahl der Polstücke und vorstehenden Abschnitte passend zu einer bestimmten Anwendung variiert werden. Läufer 10 und Ständer 2 sind in diesem Beispiel zwar aus magnetisch weichem Stahl ausgebildet, aber es kann jedes geeignete weiche magnetische Material verwendet werden. Ebenso kann der Schutzüberzug des Ständers 2 aus Eisen- oder Nichteisenmaterial hergestellt sein.
Der normale Gebrauch der Drehmomenterzeugungsvorrichtung kann die Innenfläche des Läufers 10 und/oder des Schutzüberzugs des Ständers 2 erodieren. Dies würde einen allmählichen Ausgangsdrehmomentverlust verursachen. Die Vorrichtung lässt sich jedoch leicht und wirtschaftlich reparieren, da sich mechanische Fehler leicht durch Schweißen, spanende Bearbeitung und/oder Schleifen des relevanten Teils korrigieren lassen.
Die 11 bis 13 zeigen einen alternativen Läufer 25 ausführlicher. Der Läufer 25 besteht aus einem Stahllamellenzylinder mit einer Anzahl von Leitern 29, die über die Länge des Läufers 25 verlaufen. Die Leiter 29 sind mit jedem Ende des Läufers 25 mit einer Leiterendkappe 27 verbunden. Die Anordnung der Leiter 29 und Endkappen 27 bilden eine so genannte Käfigleiterwicklung.
Die Leiter 29 und Leiterendkappen 27 bestehen aus Stäben und Platten aus Berylliumkupfer, das einen ähnlichen spezifischen elektrischen Widerstand hat wie Aluminium, aber ein stärkeres Material ist, das gegenüber mechanischem Abrieb und Chemikalienattacken von Bohrschlämmen widerstandsfähig ist.
Ein enger Magnetkontakt wird weiterhin zwischen Läufer 25 und Ständer 2 aufrechterhalten.
Es ist zu verstehen, dass der Ständer, der in einer massiven oder lamellierten Form vorliegen kann, in Verbindung mit einem massiven oder lamellierten Läufer verwendet werden kann.

Claims

Kombination aus einer Drehmomenterzeugungsvorrichtung und einem Alternator/Generator, wobei die Drehmomenterzeugungsvorrichtung Folgendes umfasst: eine erste Baugruppe (10, 25) mit einem allgemein zylindrischen Element aus magnetisch weichem Material und mit einer Längsachse, eine zweite Baugruppe (2), die koaxial in der ersten Baugruppe angeordnet ist und eine elektromagnetische Wicklung (4) aufweist, wobei die erste Baugruppe (10, 25) und die zweite Baugruppe (2) relativ zueinander um die Achse gedreht werden können, wobei die Anordnung derart ist, dass eine relative Rotation zwischen der ersten (10, 25) und zweiten (2) Baugruppe ein Magnetfeld induziert, das ein Drehmoment zwischen der ersten und der zweiten Baugruppe erzeugt, und ein Gleichrichtmittel (31) vorgesehen ist, um einen Wechselstromausgang vom Alternator/Generator (22) in Gleichstrom für die elektromagnetischen Wicklungen der Drehmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Bremseffekts umzuwandeln, und dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterzeugungsvorrichtung und der Alternator/Generator axial nebeneinander auf einer gemeinsamen Welle (8) positioniert sind.
Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Baugruppe eine Läuferbaugruppe (10, 25) der Drehmomenterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Drehmoments ist, und die zweite Baugruppe (2), die beispielsweise einen magnetisch weichen Stahl umfasst, eine Ständerbaugruppe der Drehmomenterzeugungsvorrichtung umfasst.
Kombination nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (10, 25) und die zweite Baugruppe (2) durch einen engen Spalt voneinander getrennt sind.
Kombination nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Baugruppe (10, 25) so angeordnet ist, dass sie die zweite Baugruppe (2) im Wesentlichen umgibt.
Kombination nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Baugruppe im Wesentlichen massiv (10) oder aus einer Mehrzahl von Lamellen (25) gebildet ist.
Kombination nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Baugruppe (2) im Wesentlichen massiv oder aus einer Mehrzahl von Lamellen gebildet ist.
Kombination nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von allgemein longitudinalen Nuten (20) auf der Innenseite des zylindrischen Elementes der ersten Baugruppe (10) vorgesehen ist, z. B. im Wesentlichen parallel zur Längsachse der ersten Baugruppe (10) oder so vorgesehen, dass sie wenigstens eine Teilspirale um die Längsachse der ersten Baugruppe (10) bilden.
Kombination nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Baugruppe (2) mit einer Anzahl von Polstücken versehen ist, z. B. mit einer elektromagnetischen Wicklung versehen, wobei benachbarte Pole in entgegengesetzten Richtungen magnetisierbar sind, allgemein radial von ihrer Längsachse verlaufend.
Kombination nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um den Grad der Magnetisierung zu regeln.
Kombination nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Spalten zwischen den Polstücken mit einem Vergussmaterial gefüllt sind.
Kombination nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der zweiten Baugruppe (2) mit einer Schicht aus weichem magnetischem oder nichtmagnetischem Material (21) bedeckt ist.
Kombination nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Baugruppe (10, 25) mit einem externen Rotationsmittel (12) wie z. B. einem Laufrad (12) versehen ist, das die Aufgabe hat, die erste Baugruppe (10, 25) zu drehen.
Kombination nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (12) so gestaltet ist, dass es beim Gebrauch in einem sich bewegenden Fluid angeordnet ist, wobei die Bewegung des Fluids auf das Laufrad wirkt, um die erste Baugruppe zu drehen.
Kombination nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alternator/Generator (22) mit einem externen Rotationsmittel (12) wie z. B. einem Laufrad (12) versehen ist, das so gestaltet ist, dass es den Alternator/Generator (22) dreht.
Kombination nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (12) so gestaltet ist, dass es beim Gebrauch in einem sich bewegenden Fluid angeordnet ist, wobei die Bewegung des Fluids auf das Laufrad (12) wirkt, um den Alternator/Generator (22) zu drehen.
Kombination nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (12) integraler Bestandteil eines Magnetträgers des Alternators/Generators (22) ist.
Kombination nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ausgang des Alternators/Generators (22) direkt mit der elektromagnetischen Wicklung (4) der Drehmomenterzeugungsvorrichtung verbunden ist, um den elektromagnetischen Bremseffekt zu erzeugen.
Kombination nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Bremseffekt durch Variieren des Widerstands der elektromagnetischen Wicklung (4) modifiziert werden kann, beispielsweise durch Variieren des Widerstands der elektromagnetischen Wicklung (4) mit einem oder mehreren externen Widerständen oder durch Ändern der Stärke des Wicklungsdrahtes.
Kombination nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Bremseffekt durch Variieren des Spalts zwischen der ersten (10, 25) und der zweiten (2) Baugruppe der Drehmomenterzeugungsvorrichtung modifiziert werden kann.
Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ausgang des Alternators/Generators (22) indirekt mit der elektromagnetischen Wicklung (4) der Drehmomenterzeugungsvorrichtung über den Alternatorspannungsregler verbunden ist, um den elektromagnetischen Bremseffekt zu erzeugen.
Kombination nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Alternatorspannungsregler die Funktion hat, einen progressiven Bremseffekt zu erzeugen oder ein Bremsen an einem vorbestimmten Sollwert zu bewirken.
Kombination nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Sollwert, z. B. ein veränderlicher vorbestimmter Sollwert, durch den Spannungsausgang des Alternators/Generators (22) bestimmt wird.