本发明涉及井下旋转导向钻井过程中的无线充电，具体涉及到一种基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置。
背景技术：
1、当前，石油天然气作为人类社会重要的一次能源，影响着社会的繁荣稳定。深井钻井设备的供电电源通常由钻杆内的高压泥浆带动涡轮发电机提供。传统的有线供电方式无法适用钻井情况下能量与信号的传输，而电刷滑环方式在井下存在密封失效问题。相比之下，基于电磁谐振原理的无线电能传输技术能够在完全电气隔离的条件下实现电能传输，具有便捷、可靠等特点，在近几年得到快速发展。
2、对于旋转导向钻井系统机械结构，因为旋转轴与固定套管之间存在相对旋转运动，在电能传输过程中，会对系统的传输效率造成一定影响，如何通过旋转发电装置对静态工作设备进行无线供电是该领域一项重要课题。与此同时，石油井下存在强振动环境以及装置下井过程中的操作误差，极易导致耦合线圈之间错位，引发线圈互感降低，从而降低了系统性能。
3、因此，如何有效地保证无线充电过程中，在旋转周期内耦合线圈的互感波动较小，耦合线圈结构具备较强的抗偏移能力，对于深井旋转导向钻井供电工作具有重要的意义。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置及设定方法，其采用的dd-4d双层正交耦合线圈结构，根据井下旋转导向钻具参数，对其进行合理的线圈绕制，在收发线圈旋转过程中，满足互感值波动较小，在系统偏移情况下保持线圈互感稳定，且设计方法简单、输出稳定。
2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
3、第一方面，本申请提供一种基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，包括：涡轮发电机、高频逆变电路、原边补偿网络、原边双层正交dd线圈、副边dd线圈、副边补偿网络、整流电路和负载；
4、所述高频逆变电路的输入端连接所述涡轮发电机，输出端连接所述原边补偿网络；所述原边补偿网络连接所述原边双层正交dd线圈，所述原边双层正交dd线圈与所述副边dd线圈相耦合，所述副边dd线圈连接所述副边补偿网络，所述副边补偿网络连接所述整流电路的输入端；所述整流电路的输出端连接所述负载。
5、在本发明的一种实现方式中，所述原边双层正交dd线圈由两组dd线圈组成，所述两组dd线圈的结构相同，缠绕位置错位90°，且两组dd线圈相串联。
6、在本发明的一种实现方式中，所述副边dd线圈由单层dd线圈构成，所述单层dd线圈的尺寸大于所述原边双层正交dd线圈中的任一组dd线圈的尺寸。
7、在本发明的一种实现方式中，所述原边补偿网络包括第一电容与第一内阻，所述高频逆变电路的第一输出端与所述第一内阻连接，所述高频逆变电路的第二输出端与所述第一电容连接，所述第一电容、和所述第一内阻分别串联在所述原边双层正交dd线圈的两端。
8、在本发明的一种实现方式中，所述副边补偿网络包括第二电容与第二内阻，所述副边dd线圈的一端与所述第二电容相连，另一端与所述第二内阻相连。
9、在本发明的一种实现方式中，所述整流电路的第一输入端与所述第二内阻连接，所述整流电路的第二输入端与所述第二电容连接，所述第二电容、第二内阻以及副边dd接收线圈串联。
10、在本发明的一种实现方式中，所述原边双层正交dd线圈绕制在所述旋转导向钻井的旋转轴的外表面；所述副边dd线圈绕制在所述旋转导向钻井的固定套管的内表面。
11、在本发明的一种实现方式中，所述原边双层正交dd线圈与所述副边dd线圈同轴放置。
12、在本发明的一种实现方式中，所述原边双层正交dd线圈和所述副边dd线圈的外侧设置铁氧体屏蔽材料。
13、第二方面，本发明提供一种基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置的设定方法，应用于第一方面所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，所述方法，包括：
14、调整原边双层正交dd线圈中的每一组的单层的dd线圈的圆心角度以及线圈组合数量，获得线圈互感值稳定且绕线量较小的线圈圆心角和组合数量参数；
15、原边双层正交dd线圈缠绕在旋转轴外表面，副边dd线圈缠绕在固定套管内表面，根据井下旋转轴和固定套管的内、外径尺寸，保持原边双层正交dd线圈和副边dd线圈与旋转轴和固定套管的尺寸恒定相等；
16、根据ddq线圈解耦原理，为实现线圈间的互感补偿，建立dd-4d双层正交磁耦合线圈结构；
17、保持dd-4d双层正交磁耦合线圈结构不变以及线圈尺寸不变，调整原边双层正交dd线圈中的两组dd线圈之间的错位角度和层间距离，获得在180°旋转周期内，互感波动变化相对平稳的线圈间错位角度值及层间距离值；
18、保持dd-4d双层正交磁耦合线圈结构、尺寸、错位角度和层间距离不发生改变，调整线圈充电场景条件，由于井下存在强振动环境，耦合结构不可避免存在横向偏移、轴向偏移、偏轴角偏移情况，根据仿真软件及实验，验证dd-4d双层正交磁耦合线圈在一定偏移范围内均具有良好的抗横向偏移、轴向偏移以及偏轴角偏移性能；
19、采用全密闭覆盖方式分别在发射线圈内侧和接收线圈外侧铺设铁氧体磁片，更小化线圈互感变化的同时，增大线圈平均互感值以及提高线圈抗偏移性能。
20、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
21、1、本发明在无线充电系统旋转工况下，通过对发射线圈的结构及参数进行优化设计，使得线圈互感值在旋转周期内保持相对稳定，提高了系统的传输性能。
22、2、本发明采用dd线圈结构进行优化，结构相比多维线圈结构更加简单，制造成本较低，在横向偏移、轴向偏移以及偏轴角偏移上具有更好的偏移容忍特性。
23、3、本发明中基于ddq解耦原理提出的发射线圈设计方法具有拓展性以及宽泛用性，适用于其他形状结构的耦合线圈及充电区域。
1.一种基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，包括：涡轮发电机、高频逆变电路、原边补偿网络、原边双层正交dd线圈、副边dd线圈、副边补偿网络、整流电路和负载；
2.根据权利要求1所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，所述原边双层正交dd线圈由两组dd线圈组成，所述两组dd线圈的结构相同，缠绕位置错位90°，且两组dd线圈相串联。
3.根据权利要求2所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，所述副边dd线圈由单层dd线圈构成，所述单层dd线圈的尺寸大于所述原边双层正交dd线圈中的任一组dd线圈的尺寸。
4.根据权利要求3所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，所述原边补偿网络包括第一电容与第一内阻，所述高频逆变电路的第一输出端与所述第一内阻连接，所述高频逆变电路的第二输出端与所述第一电容连接，所述第一电容、和所述第一内阻分别串联在所述原边双层正交dd线圈的两端。
5.根据权利要求4所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，所述副边补偿网络包括第二电容与第二内阻，所述副边dd线圈的一端与所述第二电容相连，另一端与所述第二内阻相连。
6.根据权利要求5所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，所述整流电路的第一输入端与所述第二内阻连接，所述整流电路的第二输入端与所述第二电容连接，所述第二电容、第二内阻以及副边dd接收线圈串联。
7.根据权利要求6所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，所述原边双层正交dd线圈绕制在所述旋转导向钻井的旋转轴的外表面；所述副边dd线圈绕制在所述旋转导向钻井的固定套管的内表面。
8.根据权利要求7所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，所述原边双层正交dd线圈与所述副边dd线圈同轴放置。
9.根据权利要求7所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，所述原边双层正交dd线圈和所述副边dd线圈的外侧设置铁氧体屏蔽材料。
10.一种基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置的设定方法，应用于权利要求1至9任一项所述的基于dd-4d双层正交耦合线圈结构的无线充电装置，其特征在于，所述方法，包括：
