脉冲器电磁阀的优化设计

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1、学兔兔www.xuetutu.com万方数据脉冲口史宏江器电磁阀的优化口周智勇口李铁军口杨文景设计半口闫国兴中国石油钻井丁程技术研究院北京石油机械厂北京100086摘要：石油钻井用MWD泥浆脉冲发生器是实现随钻测量功能的重要部分，其中的电磁阀是脉冲器的核心部件。如何通过优化设计阀芯形状以获得最大的电磁吸合力是电磁阀设计的关键．重点讨论了不同气隙下电磁吸合力与阀芯形状的关系，通过理论推导得出符合最大吸合力的设计依据。能够有效降低电磁阀的驱动电能。关键词：MWD脉冲器电磁阀优化设计中图分类号：THl22；TM574．6文献标识码：A文章编号：1000—4998f2011)07—0022—04随

2、着油气勘探开发难度的不断加大．定向井及大位移井所占的比例越来越大。随钻MWD(MeasureWhileDrilling)测量工具是这种大难度油井勘探开发的必要工具之一．脉冲发生器是实现随钻测量功能的重要部分．其中的电磁阀是脉冲器的核心部件之一。电磁阀性能的优劣直接关系MWD传输功能的实现．一个优质可靠的电磁阀是MWD可靠工作的重要保证．它必须提供足够大的电磁力．控制脉冲器伺服阀的开关。如何利用有限的电能获得最大的电磁力是电磁阀设计的关键所在．好的电磁阀不仅能够提供电磁阀开关所需的电磁力．还应该具有最小的电能消耗。国内外靠电磁阀驱动的MWD脉冲器．结构不尽相同。但功能都是将电能转化为电磁阀的

3、开关力．电磁阀的电磁铁类型多为螺线管电磁铁。螺管电磁铁的做功部件是阀芯和衔铁．工作时通过阀芯与衔铁之间的电磁力做功．带动伺服阀动作。目前．脉冲器应用的电磁阀阀芯大体分为两类．一类为平端面阀芯．另一类为锥面阀芯。在设计时如何更好地选择阀芯与衔铁的配合．利用最少的电能以获取最大的电磁吸合力是脉冲器电磁阀电磁铁设计的关键技术。1垂直截面吸合力的计算如图1所示．设电磁阀线圈匝数为Ⅳ．励磁电流为，．电磁阀衔铁吸合最大间隙为6，由安培环路定理得：中Hdl=NI(1)设电磁阀磁质材料内部的磁场强度为日．。磁路长度为Z，气隙内的磁场强度为日。，对式(1)展开得到：Ⅳ一+Ht3=NI(2)由于磁隙截面与磁场

4、方向垂直，漏磁可以忽略不计，由磁感应强度法向分量连续的条件可知：}国家“十五”技术装备研制项目(编号：ZZ01—08一Ol一02))收稿日期：2010年12月回2011／7乒￡日l=阪月。(3)式巾：肛和舳分别为磁质材料的磁导率和气隙的磁导率，由式(2)、(3)求得磁质材料的磁场强度为：Hl爿幻Ⅳ，／(彬岬店)(4)根据磁感应强度与磁场强度关系可得磁质内部磁感应强度：B-爿如日-习掣kⅣ，／(础堆6)(5)所以分别得到磁场能和电磁吸合力为：磁场能：W-=}啪$互N㈨IS郴bq堂厂(6)电磁吸合力：肚(导卜一篙2筹22㈩当假设其它参数都不变时．由式(7)可以看出电磁吸合力是关于阀芯间隙6的函

5、数．间隙为零时．电磁力最大。电磁力随间隙的增大而迅速减小。图2为电磁力与阀间隙的关系曲线．2锥形截面吸合力的计算试验发现电磁吸合力相对于气隙的关系类似余割曲线变化．即电磁吸合力随气隙的减小迅速增大．因此在保证电磁阀最大行程不变的条件下可以通过改变阀芯及衔铁的形状以减小气隙来增大电磁阀的吸合力．根据三角函数关系．两个直角边的交点距离斜边的距离小于任何一条直角机械制造49卷第563期盛学兔兔www.xuetutu.com万方数据边．将电磁阀芯和衔铁配合面设计成锥形．锥角为2d．如图3所示。根据三角函数关系可知．阀芯与衔铁的气隙距离减小了．变为8sin“。磁感线在阀芯内部呈平行线与轴线分布。磁感

6、应强度曰的法向分量和磁场强度日的切向分穿过界面连续．则有：Blcos0I=曰2cos02H1sin01=日28in02(8)Blj吐lHlB2巩日2由式(8)得到气隙中的磁感应强度曰：以及入射角与折射角的关系：＼／等等产厂————————f——1r一(9)Itan02=‰缸)tan0I由于阀芯为磁质材料，相对磁导率肛为103数量级，而气隙的相对磁导率‰仅为1，根据正切三角性质，由式(9)可知，磁感线B2的折射角吼一0。由网4可知，0．=(-rr／2)一O／，所以可以近似看作气隙内分布的磁感线都垂直与阀芯的锥面。由式(9)可知：B2一B1、／——}朝lsintY(10)V1+tan口1忽略漏

7、磁影响，根据安培环路定理：Ⅳ，J胡。z+郎iI胆丝+鱼至量迪一(11)由式(11)得到铁心及衔铁内部磁感应强度为：BI=IJ4比NI／(一+／∞sin2a)(12)此时的磁场能为：Wt=争脚pi蕊N埘lSpsli．tno酉(13)电磁力沿轴线方向，表达式为：鼯(詈卜一轰2鬻22筹㈣，3锥形截面最大吸合力的求解电磁阀的电磁力是关于斜角t3t的函数．电磁力F在斜角0