液力—磁耦合傳動巖屑清潔裝置的磁扭矩數(shù)值優(yōu)化

孫曉峰 胡喬波 閆立鵬 陳 燁 張克博 曲晶瑀

1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2. 中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院

0 引言

水平井、大位移井目前已經(jīng)成為陸地和海洋油氣田開發(fā)的常用井型，但鉆井過程中造斜段和水平井段巖屑攜帶困難，易形成巖屑床，導(dǎo)致鉆具的摩阻、扭矩增大，托壓嚴重[1-2]，甚至造成掩埋井眼等井下事故。

針對水平井、大位移井鉆井井眼清潔問題，傳統(tǒng)方法是采用增大鉆井液排量[3]、調(diào)整鉆井液流變性能、提高鉆桿轉(zhuǎn)速或短起下鉆具加以改善。近年來，一些科研院所和石油服務(wù)公司研發(fā)了多種巖屑清潔工具輔助提高巖屑清潔效率。該類型工具根據(jù)水力清潔原理可以分為兩類，一類是在清潔工具主體中加裝水眼噴嘴，利用高速射流輔助井眼清潔，如Samuel[4]設(shè)計的自適應(yīng)的巖屑清潔工具，Tolle[5]發(fā)明的一種分流式水力清屑裝置；第二類清潔工具是在本體外部加裝葉片，工具與鉆桿絲扣連接，由鉆桿提供扭矩與鉆桿同步旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的葉片對環(huán)空鉆井液誘導(dǎo)產(chǎn)生周向速度，懸浮巖屑并抑制巖屑床的形成，如Swielik設(shè)計的兩種在工具本體上加裝直翼形葉片[6]和V型葉片[7]的巖屑清潔工具。Puymbroeck等[8]的論文介紹的VAM Drilling公司HydrocleanTM系列產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)特點是集成了雙螺旋葉片和減阻的滑動軸承，應(yīng)用CFD數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計了葉片剖面形狀[9]，工具扭矩由鉆桿提供，室內(nèi)實驗[10]和現(xiàn)場測試[11-12]表明該工具在40°以下的造斜段和水平段顯示了極好的巖屑床破壞能力，提高井眼清潔程度達60%以上，鉆具摩阻減少30%。HydrocleanTM系列巖屑清潔工具在英國北海、中東地區(qū)、北美地區(qū)[13-15]成功開展了商業(yè)應(yīng)用，取得了良好的巖屑床抑制、鉆桿降阻效果。

上述帶有水眼或噴嘴設(shè)計的巖屑清潔工具，通過鉆井液直接沖洗巖屑，但由于鉆井液是高壓流體，很難保證在使用過程中工具不被刺漏，造成短路循環(huán)或斷鉆具事故，井下風險較高。另一種則是與HydrocleanTM工具類似，由鉆桿提供扭矩旋轉(zhuǎn)來輔助清潔巖屑，這類工具的最大問題是當使用井下動力鉆具[16]造斜期間由于鉆桿不旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致該工具失效。

為解決配合井下動力鉆具使用不能旋轉(zhuǎn)問題，孫曉峰等[17-18]研發(fā)了一種液力—磁耦合傳動的巖屑清潔工具，該工具利用磁傳動將鉆井液壓力勢能轉(zhuǎn)換為巖屑清潔葉片的旋轉(zhuǎn)動能，誘導(dǎo)環(huán)空鉆井液產(chǎn)生周向流速懸浮巖屑。筆者將論述液力—磁傳動巖屑清潔工具工作原理和磁傳動優(yōu)化設(shè)計方法，通過對氣隙磁場的優(yōu)化分析，得到各因素對磁扭矩影響的變化規(guī)律，為這類巖屑清潔工具磁路優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 工作原理

液力—磁耦合傳動巖屑清潔工具由液壓動能轉(zhuǎn)換總成、永磁巖屑清潔葉片總成、殼體及附屬部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液力—磁耦合傳動巖屑清潔工具結(jié)構(gòu)示意圖

工具殼體的作用是通過絲扣與鉆柱連接，形成鉆井液密閉循環(huán)的通道。液壓動能轉(zhuǎn)換總成由單級或多級渦輪、主動磁軸等部件組成，其功能是將鉆井液壓力勢能轉(zhuǎn)換為葉片旋轉(zhuǎn)動能。永磁巖屑清潔葉片外側(cè)加工有螺旋形葉片，內(nèi)側(cè)安裝有永磁鐵從動磁軸，其功能是在井眼環(huán)空旋轉(zhuǎn)懸浮巖屑。當鉆井液正常循環(huán)情況下，工具內(nèi)部液壓動能轉(zhuǎn)換總成將鉆井液的壓力勢能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動能，永磁鐵主、從動磁軸中極性相反的相鄰兩永磁鐵構(gòu)成一對磁偶，磁軸通過磁偶間磁力作用將旋轉(zhuǎn)動能傳遞給永磁巖屑清潔葉片（圖1），實現(xiàn)液壓動能轉(zhuǎn)換總成和永磁巖屑清潔葉片同步旋轉(zhuǎn)，不受鉆桿是否旋轉(zhuǎn)影響。

磁傳動利用永磁鐵間同極相斥，異極相吸的原理，通過磁場，實現(xiàn)鉆柱內(nèi)外無接觸扭矩和能量傳遞。其磁傳動的簡化模型如圖2所示。

當主動磁軸沿速度V方向運動時，從動磁軸永磁體B與主動磁軸永磁鐵A相互排斥，受到斜向右下方的斥力（F1），與主動磁軸永磁鐵C相互吸引，受到斜向左下方的引力（F2），力F1、F2的合力F方向與永磁鐵主動磁軸運動速度方向一致，沿圓周切線方向，實現(xiàn)從動磁軸隨主動磁軸同步運動，完成無接觸扭矩與能量的傳遞。

2 磁傳動扭矩有限元分析

液力—磁耦合傳動巖屑清潔工具的功率大小與磁扭矩和工具轉(zhuǎn)速成正比，磁扭矩大小是確定鉆井液壓力勢能轉(zhuǎn)換比例的參數(shù)之一。因與磁扭矩相關(guān)的計算參數(shù)較多且多為非線性關(guān)系，本文按照該工具永磁鐵布置方案，采用數(shù)值模擬的方法分析確定各種磁場參數(shù)對磁扭矩的影響規(guī)律，優(yōu)化工具磁路配置。

圖2 磁傳動剖面示意圖

2.1 磁場參數(shù)計算方程

磁傳動部分的最大磁扭矩計算是一個非線性的三維問題，計算量大，考慮到力與力矩的傳遞的物理過程主要發(fā)生在氣隙中，氣隙尺寸遠小于永磁鐵徑向長度，可以忽略端部效應(yīng)和磁力變化沿軸向的變化，因此力矩計算可以在磁傳動機構(gòu)橫截面上進行，把三維問題簡化為二維問題。由于隔離套采用無磁鉆鋌，其磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相近，故可將磁傳動模型簡化為由主動磁軸、從動磁軸和氣隙組成（圖3）。

圖3 磁傳動機構(gòu)橫截面圖

在磁傳動模型橫截面上，幾何和物理參量都是周期性變化的，周期數(shù)等于內(nèi)外磁軸上磁偶對數(shù)。因此，在有限元計算中可選用部分模型進行分析，如圖3所示。主、從動磁軸內(nèi)外緣皆是由無磁合金構(gòu)成，從工程計算的角度分析，這即為磁場分界線。

在磁場求解域中，記整個求解域為Ω，Ω為永磁鐵形成場域，圓弧邊界ad和bc為Г1邊界線為L，磁鐵邊界L1。顯然有根據(jù)Maxwell電磁場方程理論知在Ω中有：

式中H表示磁場強度，A/m；B表示磁感應(yīng)強度或磁通密度，T。

為簡化計算，引入矢量磁位（A），把A定義為：

考慮到求解域中不同介質(zhì)的磁導(dǎo)率不同，其磁導(dǎo)率是關(guān)于磁密B（也就是矢量磁位A）的函數(shù)，把式（4）改寫為：

在不同材料的交界線L上，磁場強度矢量H的切向分量Ht在L兩岸連續(xù)，即可以表示為：

對永磁鐵磁極進行分析，其橫斷面如圖4所示。圖4中n為各面外法線方向，J0為磁瓦磁化方向。根據(jù)等效磁荷理論，整個永磁鐵與外界進行的磁力作用，可簡化為AB、BC、CD、AD等4個面上磁荷與外界的作用之和的形式。

圖4 磁瓦上的等效電流模型圖

應(yīng)用電磁場原理，可知在磁瓦的4條邊上都有附面電流在垂直紙面的方向上流動，沿四邊單位長度上的安培數(shù)可由下式計算：

式中j表示等效電流密度，A/m2；μ0表示磁導(dǎo)力，4π×10－7H/m；n表示L和L1的外法線方向。

綜上，在整個求解域上，考慮永磁鐵與邊界的相互作用，求解磁傳動模型的矢量磁位（A）的微分方程組如下：

式（9）求得A（x，y），再根據(jù)式（3）得出B（x，y），即求解域內(nèi)場的分布。由于場分布的復(fù)雜性和磁性材料的非線性，式（9）采用數(shù)值方法進行求解，將其轉(zhuǎn)化為變分問題。與式（9）相同的變分數(shù)學(xué)提法為：

其中X表示函數(shù)區(qū)間，XN表示X中的有限子集。

2.2 變分問題有限元求解

筆者使用一階線性三角形單元進行網(wǎng)格劃分如圖5所示，對單元構(gòu)造插值函數(shù)為：

圖5 有限元三角形單元圖

對于圖5所示三角形單元，通常要求單元的三節(jié)點i、j、m按逆時針方向編號，此時：

式（12）中系數(shù)為：

Δ為三角形單元面積，計算式為：

由于Δ、ah、bh、ch都是僅與三角形三節(jié)點坐標有關(guān)的函數(shù)，故稱Nh為形狀函數(shù)，簡稱形函數(shù)。

將A對x和y分別求一階偏導(dǎo)數(shù)，可得：

對于二維電磁場分析，磁力線全部在xy平面內(nèi)，磁場只有x軸和y軸方向的分量，即

可見，一階線性三角形單元中的磁通密度（B）為常數(shù)，當然，另外一個單元中的B為另一個常數(shù)。即一階三角形單元離散使得場量不連續(xù)。為減小這種誤差，需要采用較密的離散網(wǎng)格或采用高階插值單元。

將插值函數(shù)及其對x、y的一階偏導(dǎo)數(shù)代入式（10）中，變分問題轉(zhuǎn)化為求極值的問題，從而得到節(jié)點函數(shù)的代數(shù)方程組。對一個單元分析的結(jié)果，寫成矩陣的形式為：

式（17）中系數(shù)矩陣中各元素為：

將整個計算域上各單元函數(shù)對同一節(jié)點磁位的一階偏導(dǎo)數(shù)相加，并根據(jù)極值原理令其和為零，得到非線性代數(shù)方程組為：

有限元方程的系數(shù)矩陣是對稱、正定的且具有稀疏性，通常用ICCG法結(jié)合非零元素壓縮存儲求解。但對于非線性問題，由于系數(shù)矩陣中的磁阻率（v）是變量，得到的是一個非線性方程組，通常用牛頓-拉斐森（Newton-Raphson）迭代法來求解非線性方程組。

條件變分問題對應(yīng)的非線性有限元離散化方程組為：

通過牛頓-拉菲森迭代法求解有限元離散后非線性代數(shù)方程組，迭代運算后得到磁場域中任意點的磁矢位A的值。代入式（3），計算各處磁通密度B。

在氣隙中部做封閉從動磁軸（或主動磁軸）的封閉曲面（S），將磁通密度（B）代入下式計算S上每一局部的磁應(yīng)力（F）為：

在S上對磁應(yīng)力進行積分，再乘以極數(shù)、軸向長度和氣隙平均半徑即可得到磁扭矩的數(shù)值，計算式為：

式中S表示積分區(qū)域；L表示軸向長度，m；P表示磁偶對數(shù)；r表示扭矩作用半徑，m。

2.3 磁扭矩數(shù)值模擬

以應(yīng)用于?127.0 mm鉆桿為例，設(shè)計磁傳動部分的尺寸進行實體建模。該鉆桿壁厚9.19 mm，鉆桿接頭外徑161.9 mm，磁傳動模型基本參數(shù)為：永磁鐵厚度10 mm，氣隙厚度10 mm，主動磁軸內(nèi)徑25 mm，磁軸厚度5 mm，主動磁軸外徑40 mm。為了整個模型的建立的準確性和后期處理的有限元分析的便利性，求解利用ANSYS中的APDL參數(shù)化語言建模。

液力—磁耦合傳動巖屑清潔工具參數(shù)化建模步驟如下所述。

2.3.1 前處理

通過ANSYS中的APDL語言建模時，以由內(nèi)而外的建模順序，將主動磁軸內(nèi)徑，磁軸厚度（即永磁鐵內(nèi)緣到磁軸內(nèi)緣厚度），永磁鐵厚度，氣隙厚度等設(shè)置為可變參量。由于磁力作用主要集中在氣隙中，故而在氣隙位置建立三層模型，可更加清晰準確的分析、描述磁場相互作用。

2.3.2 邊界條件

在材料庫中依次添加磁軸材料，空氣材料屬性，將材料賦予有限元模型。模型中最重要的是永磁材料屬性的加載，本模型中共16塊永磁鐵，即設(shè)置16個不同永磁鐵屬性，應(yīng)用相應(yīng)函數(shù)，確保每塊永磁鐵均徑向充磁。在內(nèi)磁軸內(nèi)側(cè)和外磁軸外側(cè)加載磁場邊界，忽略漏磁。選定內(nèi)磁軸和內(nèi)側(cè)8塊永磁鐵為一整體，即轉(zhuǎn)子，用于計算扭矩。

2.3.3 網(wǎng)格劃分與求解

計算域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（圖5），求解器選擇靜態(tài)電磁求解器，求解過程中，先將求解域剖分為一系列子區(qū)域，即區(qū)域離散。再選取分片光滑的插值函數(shù)去逼近整個求解區(qū)域內(nèi)光滑的磁位函數(shù)，即式（9）中矢量磁位（A），把磁位的插值函數(shù)帶入式（10），按照式（11）～（17）對變分問題進行離散化處理，得到以n個節(jié)點磁位為未知數(shù)的n階線性代數(shù)方程組，如式（18）所示。最后結(jié)合邊界條件，求解線性代數(shù)方程組，得到節(jié)點磁位的數(shù)值近似解，由此通過后處理計算出各個節(jié)點和單元的磁感應(yīng)強度值。計算結(jié)果代入式（22）中，得到磁扭矩值，最后輸出磁扭矩。

3 各參數(shù)對氣隙磁場、磁扭矩的影響規(guī)律分析

3.1 相對磁軸偏角對磁扭矩的影響規(guī)律

圖6 不同磁偶對數(shù)下磁扭矩與相對磁軸偏角關(guān)系曲線圖

根據(jù)前述磁傳動模型基本參數(shù)，模擬永磁鐵相對磁軸偏角對磁扭矩的影響規(guī)律。模擬得到不同磁偶數(shù)量模型中相對磁軸偏角與磁扭矩關(guān)系曲線，如圖6所示。從圖6中可知，磁扭矩變化呈正弦周期性，8磁偶模型周期為45°，12磁偶模型周期為30°，16磁偶模型周期為22.5°，綜上模型磁扭矩變化周期為2π/P（P為磁偶對數(shù)）。在一個變化周期內(nèi)，隨著角度的增加磁扭矩不斷升高，在π/P左右時得到磁扭矩最大值。達到峰值后，隨著角度的增加，磁扭矩不斷減少。模型中磁鐵最佳工作角度為π/P，此時扭矩傳遞效率最高。

3.2 磁偶數(shù)量對磁扭矩的影響規(guī)律

根據(jù)磁傳動模型參數(shù)，模擬永磁鐵磁偶對數(shù)單因素對磁扭矩的影響規(guī)律。模擬得到不同工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積下磁偶對數(shù)與磁扭矩關(guān)系曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，在6～12磁偶對數(shù)范圍內(nèi)，磁扭矩隨磁偶對數(shù)的增加而增大，當磁偶對數(shù)為12時，磁扭矩達到最大值，此后逐漸減小。這種變化趨勢與工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積無關(guān)。在磁力傳動中，每一次內(nèi)外磁極的相斥與相吸都是靜磁能儲積的過程，增加磁偶對數(shù)，就是增加靜磁能儲積，有利于提高磁扭矩的傳遞效率，達到提高磁扭矩的目的。但是，磁偶對數(shù)不能一直增加，當磁偶對數(shù)過多時，不同永磁鐵間非必要磁極接觸造成磁力浪費，使模型磁漏大幅度升高，氣隙中磁通密度下降，影響磁扭矩傳遞，降低磁傳動效率。再者，增加磁偶對數(shù)，會使生產(chǎn)零件數(shù)量變多，增加生產(chǎn)成本和裝配難度。綜上，本研究中磁傳動模型磁偶對數(shù)選擇為12對。

圖7 不同工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積下磁偶對數(shù)與最大磁扭矩關(guān)系曲線圖

3.3 工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積對磁扭矩的影響規(guī)律

定義工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積為工具斷面磁鐵覆蓋面積與總面積的比值，根據(jù)前述模擬參數(shù)，保持其他參數(shù)恒定，分析工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積單因素對磁扭矩的影響規(guī)律。

模擬得到不同磁偶對數(shù)下，工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積與磁扭矩關(guān)系曲線，如圖8所示。從圖8可以看出，在一定范圍內(nèi)，磁扭矩隨工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積的增大而升高，達到極限值后，磁扭矩不會繼續(xù)增加轉(zhuǎn)而減小，極值趨勢線近似線性。由曲線可知達到磁扭矩極值時，所對應(yīng)工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積隨磁偶對數(shù)的增加而增大，6磁偶模型在覆蓋面積達到76%時達到最大值，8磁偶模型在工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積為87%時達到最大值，10磁偶模型在覆蓋面積達到93%時達到最大值，12磁偶模型在工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積為96%左右達到最大值。以12磁偶模型為例，工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積由66.7%提高到97.8%，磁扭矩提高為原來的1.266倍。

圖8 不同磁偶對數(shù)下工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積與磁扭矩關(guān)系曲線圖

數(shù)值模擬計算得到不同工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積下磁通密度分布云圖，以12磁偶模型為例，其磁通量云圖如圖9所示。增加永磁鐵的覆蓋面積，有利于提高永磁鐵產(chǎn)生的磁勢，減少磁漏，增加磁通密度。磁通密度的高低直接影響傳遞磁扭矩的大小。

圖9 12磁偶模型不同工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積磁通量分布云圖

從圖9中可以看出，當工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積增加時氣隙中磁通密度有明顯升高，磁扭矩的數(shù)值也相應(yīng)提高。綜上，只考慮工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積對產(chǎn)生磁扭矩的影響，工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積的選擇應(yīng)大于85%，磁偶對數(shù)越多，工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積選擇應(yīng)越大。

3.4 永磁鐵厚度對磁扭矩的影響規(guī)律

保持氣隙厚度恒定，分析永磁鐵厚度單因素對模型傳動磁扭矩的影響規(guī)律。數(shù)值模擬得到不同工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積下永磁鐵厚度與最大磁扭矩關(guān)系曲線，如圖10-a所示，磁扭矩隨永磁鐵厚度的增加而增大，永磁鐵厚度由5 mm增加到12 mm時，模型傳遞最大磁扭矩增加了148%，增加永磁鐵厚度提高了模型傳遞磁扭矩效率。再分別對圖10-a中每條曲線求其斜率，繪制曲線如圖10-b所示，圖10-b中曲線代表的物理意義是磁扭矩關(guān)于磁鐵厚度的增長速率。由圖10-b可知磁扭矩的增長速率隨永磁鐵厚度的增加而減小，以工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積為97.80%為例，永磁鐵厚度由5 mm增加到12 mm，磁扭矩增長速率由120%減小至54.57%。相同磁鐵厚度下，工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積越高，磁扭矩增長率越大，以磁鐵厚度為5 mm為例，工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積由57.80%增長為97.80%，增長率增加51.86%；從已得到的曲線趨勢分析，當磁鐵厚度超過某一極限時，磁扭矩增長率為0，即獲得最大磁扭矩，超過這一極限后，磁鐵厚度的增加會導(dǎo)致磁扭矩減小，其原因是永磁鐵厚度的增加，不可避免地帶來磁阻和漏磁的增加，磁阻與漏磁占總磁勢的比例越來越大，導(dǎo)致最大磁扭矩增速放緩，故永磁鐵厚度不宜過高。

永磁鐵厚度的增加可以提高磁傳動機構(gòu)傳遞的最大磁扭矩，但會帶來永磁鐵用量的上升（磁鐵用量受工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積和磁體厚度雙重影響），每增加單位體積的永磁材料，能否與提高的磁扭矩呈正比，應(yīng)從符合經(jīng)濟利益角度出發(fā)。綜合磁鐵厚度和工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積對單位磁鐵產(chǎn)生磁扭矩的影響，繪制兩參數(shù)影響的磁扭矩等高線圖，如圖11所示，在同一條等高線上，不同磁鐵配置單位磁鐵產(chǎn)生磁扭矩相同，越靠近中心位置磁扭矩越高，當采用磁鐵厚度8.4 mm，覆蓋面積71%磁鐵配置時，可得到最大單位磁鐵產(chǎn)生磁扭矩17.77 Nm。

圖10 不同工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積下永磁鐵厚度與磁扭矩關(guān)系曲線圖

圖11 永磁鐵覆蓋面積與厚度兩參數(shù)對磁扭矩影響的等高線圖

4 數(shù)值模擬模型計算精度的實驗驗證

為驗證數(shù)值模擬模型計算的可靠性與預(yù)測精度，研發(fā)了液力—磁耦合傳動巖屑清潔工具磁扭矩傳遞室內(nèi)實驗平臺，開展磁扭矩測量實驗，實驗中采用8磁偶模型，測量不同磁軸偏角下磁扭矩數(shù)值。

實驗物理模型尺寸如前述所示，選擇8磁偶模型，磁鐵材料選用釹鐵硼（NdFeB）永磁鐵，剩磁0.3 T，矯頑力868 000 A/m，磁鐵長度15 mm，磁鐵厚度10 mm，磁鐵覆蓋面積71%。磁扭矩實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比如表1所示。

表1 磁扭矩實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果誤差表

實驗對比結(jié)果顯示，在磁軸偏角小時，實驗值大于模擬計算值，在磁軸偏角大時，實驗值小于模擬計算值。其可能存在的原因為：實驗中內(nèi)外磁軸相對運動過程中存在摩擦力，而在模擬計算中忽略摩擦力的影響。在剛啟動旋轉(zhuǎn)時，扭矩小，摩擦力近似表現(xiàn)為一種推力，使得實驗值大于模擬值；在高扭矩時，摩擦力表現(xiàn)為一種阻力，使得實驗值小于模擬值。對比誤差值范圍可知數(shù)值模擬計算絕對誤差小于17%，能夠滿足工程計算精度要求。綜上，數(shù)值模擬模型建構(gòu)較為合理，可以用來對工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

5 結(jié)論

筆者采用有限元數(shù)值模擬方法分析了磁路結(jié)構(gòu)和永磁鐵幾何尺寸對磁扭矩的影響規(guī)律，確定最佳磁路結(jié)構(gòu)及磁鐵配置，經(jīng)過室內(nèi)實驗，誤差值范圍可知數(shù)值模擬計算絕對誤差小于17%，建構(gòu)的數(shù)值模擬模型較為合理，可以用來對工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

1）磁扭矩與相對磁軸偏角呈正弦周期性變化，在相對磁軸偏角為π/P（P為磁偶對數(shù)）時取得磁扭矩最大值。

2）磁扭矩隨磁偶對數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢，在磁鐵體積用量相同時，磁偶對數(shù)選擇12對，磁扭矩最大。

3）工具磁偶對數(shù)確定后，有效斷面永磁鐵覆蓋面積對磁扭矩影響規(guī)律曲線近似拋物線，存在極值點。

4）隨著永磁鐵厚度的增加，磁扭矩不斷增大，但增長速率逐漸減小，相同磁鐵厚度下，工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積越高，磁扭矩增長率越大。

5）液力—磁耦合傳動巖屑清潔工具與常規(guī)鉆桿配套使用，建議磁偶對數(shù)選擇為12對，氣隙厚度大于鉆桿壁厚，選擇為9.5～10 mm。當永磁鐵厚度為8.4 mm，工具有效斷面永磁鐵覆蓋面積為71%時，單位體積磁鐵產(chǎn)生最高磁扭矩，實現(xiàn)經(jīng)濟最優(yōu)化。