顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，包括空心主轴、电机和控制机构；电机包括电机上端盖、电机壳体、回转头内套和定子转子机构，所述电机上端盖、电机机壳和回转头内套均套设在空心主轴外侧；所述定子转子机构安装在电机上端盖、电机壳体和空心主轴形成的密封空间内，所述密封空间连通有冷风机构；所述定子转子机构为凸极结构，采用两段式设计；所述控制机构包括速度监测装置和空心主轴上设置的刹车装置。本发明提供的顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，使用空心主轴直接驱动钻杆，不需要中间减速机构，大大简化了顶部驱动钻井装置的结构，减少了大量的附属部件；同时电机结构的设计也使得钻井过程变得更为平稳。
【专利说明】顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种顶部驱动钻井装置，尤其涉及一种顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，属于石油天然气钻机技术。
【背景技术】
[0002]在石油天然气钻井过程中，顶部驱动钻井装置可以从井架上部空间直接旋转钻杆，完成钻进、循环钻井液、接立柱、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。顶部驱动钻井装置显著提高了钻井作业的安全和效率，已成为石油钻井行业的标准产品。
[0003]目前顶部驱动钻井装置大部分均采用直流电动机、交流电动机和液压马达的驱动方式，上述顶部驱动装置需要采用变速箱来实现降低转速和增加扭矩。变速箱的结构比较复杂，过载能力差，需要的相关润滑和冷却设施较多，导致顶部驱动装置的整体故障率较高。对于普通交流电机，可以采用变频器实现顶部驱动系统在低速的运行，但低频运行时电机和变频器的动态特性变差，高次谐波比较严重，输出电压波形严重畸变，引起电机转矩脉动和电机发热，同时容易干扰周边设备。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，具有驱动力矩大、低速特性好、机械结构简单、故障率低等特点。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，包括空心主轴、电机和控制机构；
[0007]所述电机包括电机上端盖、电机壳体、回转头内套和定子转子机构，所述电机上端盖、电机机壳和回转头内套均套设在空心主轴外侧；电机上端盖外缘与电机壳体上端外缘密封固定，电机上端盖内缘通过上端轴承与空心主轴连接，电机上端盖和空心主轴之间的连接部位通过上端密封件密封；所述回转头内套的下端穿过电机壳体的下端口并伸出，回转头内套的上端与电机壳体的下端卡合，电机壳体的下部通过下端轴承与空心主轴连接，电机壳体和空心主轴之间的连接部位通过下端密封件密封；
[0008]所述定子转子机构安装在电机上端盖、电机壳体和空心主轴形成的密封空间内，所述密封空间连通有冷风机构；所述定子转子机构为凸极结构，采用两段式设计，即所述定子转子机构包括两个定子转子子机构，两个定子转子子机构之间存在间隙，每个定子转子子机构均包括定子和转子，所述定子套设在转子的外侧，所述定子固定在电机机壳内，所述转子套设在空心主轴上；
[0009]所述控制机构包括速度监测装置和空心主轴上设置的刹车装置；所述速度监测装置包括齿轮机构、速度编码器和角度编码器，所述齿轮机构包括主动齿轮、齿带和从动齿轮，所述主动齿轮与空心主轴同轴固定，主动齿轮和从动齿轮之间通过齿带连接，所述速度编码器和角度编码器对从动齿轮进行监测。
[0010]当低速直驱电机安装在顶部驱动钻井装置上时，空心主轴的上端连接冲管总成和鹅颈管、下端连接防喷器和保护接头，形成一个完整的泥浆通道；所述回转头内套可以通过连接法兰等部件与顶部驱动钻井装置的回转头和套筒体相连接，回转头是顶部驱动钻井装置的一个部件，安装在回转头内套外侧，可以通过液压马达驱动，回转头可以绕回转头内套旋转，套筒体也是顶部驱动钻井装置的一个部件，其上端与回转头内套固定，下端与用于上卸扣操作的背钳相连接；通过采集角度编码器和速度编码器的信号，控制机构可以实现对电机转速和旋转角度的准确控制，有利于定向钻井中对螺杆钻具工作面的准确定位，从而减少定位次数，提高工作效率和钻井质量。
[0011]由于减速箱在减速时会有能量损耗，所以传动效率肯定小于I ;而本案中没有使用到减速箱结构，所以提高了传动效率；同时，由于去掉了减速箱及其附属设施，也就没有了减速箱及其附属设施的故障问题，降低了故障发生率，提高了整个装置的可靠性。
[0012]优选的，所述刹车装置包括刹车装置壳体、刹车装置上端盖、刹车装置下端盖、刹车内套、刹车盘和液压油缸，所述刹车装置壳体、刹车装置上端盖和刹车装置下端盖均套装在空心主轴上，刹车装置上端盖盖住刹车装置壳体上端，刹车装置下端盖盖住刹车装置壳体下端，所述刹车内套、刹车盘和液压油缸均安装在刹车装置壳体内，所述刹车内套套装在空心主轴上并与空心主轴保持固定，所述刹车盘固定在刹车内套外侧，所述液压油缸的固定端与刹车装置壳体保持固定，所述液压油缸的压紧动作端的两个压板分别位于刹车盘的上下两侧。
[0013]优选的，所述刹车装置上端盖上设置有支架，所述速度编码器和角度编码器安装在支架上。
[0014]优选的，所述电机壳体上设置有提环安装位置，提环通过提环销轴安装在所述提环安装位置上。
[0015]优选的，所述上端轴承为圆锥推力滚子轴承，所述下端轴承为锥面推力滚子轴承。
[0016]优选的，所述定子转子子机构的定子转子极数为32/24极，即定子上有32个定子齿和32个定子槽，转子上有24个转子齿和24个转子槽；所述定子上嵌有永磁体和定子绕组，永磁体和定子绕组共同建立电机内磁场，转子槽内没有绕组，可以作为通风散热的通道；所述定子绕组为集中绕组，由32个线圈组成，按逆时针方向分别记为C01，C02，C03，…，Ci,…，C31，C32 ;每个线圈有a和b两个圈边，即圈边Cia和Cib共同构成线圈Ci ;每个定子齿上嵌有一个线圈，线圈的两个圈边分别嵌在相邻的两个定子槽中；32个线圈分别属于A、B、C、D四相，其中，A相由C01、C05、C09、C13、C17、C21、C25和C29八个线圈构成，B相由 C02、C06、C10、C14、C18、C22、C26 和 C30 八个线圈构成，C 相由 C03、C07、CU、C15、C19、C23、C27和C31八个线圈构成，D相由C04、C08、C12、C16、C20、C24、C28和C32八个线圈构成。
[0017]优选的,所述定子转子机构的额定频率为50Hz,额定转速为125rpm,定子转子机构通过变频器进行调速控制(变频器的调速范围可以设定在0~IOOHz范围内，这样电机的最高转速就可以达到250rpm)，使得电机在0~250rpm之间运行。该设计有利于电机散热，同时也能够提高电机的性能和可靠性。
[0018]如果电机的额定频率设计过低，电机在上卸扣时，变频器输出的频率将会低于1Hz，使得电源高次谐波严重，波形畸变严重，引起电动机转矩脉动和电机发热。电机的额定频率设计在50Hz时，变频器和电机的性能会有较大的改善。[0019]有益效果:本发明提供的顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，使用空心主轴直接驱动钻杆，不需要中间减速机构，大大简化了顶部驱动钻井装置的结构，减少了大量的附属部件，同时提高了顶部驱动钻井装置的传动效率和可靠性；同时电机结构的设计也改善了整个系统的低速特性和动态特性，使得钻井过程变得更为平稳。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的结构示意图；
[0021]图2为定子转子子机构的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0023]如图1所示为一种顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，包括空心主轴1、电机和控制机构。
[0024]所述电机包括电机上端盖14、电机壳体15、回转头内套25和定子转子机构,所述电机上端盖14、电机机壳15和回转头内套25均套设在空心主轴I外侧；电机上端盖14外缘与电机壳体15上端外缘密封固定，电机上端盖14内缘通过上端轴承16与空心主轴I连接，电机上端盖14和空心主轴I之间的连接部位通过上端密封件密封；所述回转头内套25的下端穿过电机壳体15的下端口并伸出，回转头内套25的上端与电机壳体15的下端卡合，电机壳体15的下部通过下端轴承24与空心主轴I连接，电机壳体15和空心主轴I之间的连接部位通过下端密封件密封。
[0025]图1所示结构中，所述上端密封件包括位于上端轴承16上端的电机上端轴承外盖13和位于上端轴承16下端的电机上端轴承内盖19，所述下端密封件包括电机下端轴承内盖23。所述上端轴承16为圆锥 推力滚子轴承，所述下端轴承24为锥面推力滚子轴承，承受轴向和径向推力。
[0026]所述定子转子机构安装在电机上端盖14、电机壳体15和空心主轴I形成的密封空间内，所述密封空间连通有冷风机构；所述定子转子机构为凸极结构(如图2所示，转子21的表面有许多突出的齿)，采用两段式设计，即所述定子转子机构包括两个定子转子子机构，两个定子转子子机构之间存在间隙，每个定子转子子机构均包括定子18和转子21，所述定子18套设在转子21的外侧，所述定子18固定在电机机壳15内，所述转子21套设在空心主轴I上,为空心主轴I提供驱动动力。
[0027]所述冷风机构包括冷却风机22，所述冷却风机22通过螺栓固定在电机壳体15上。
[0028]如图2所示，所述定子转子子机构的定子转子极数为32/24极，即定子18上有32个定子齿和32个定子槽，转子21上有24个转子齿32和24个转子槽33 ;所述定子18上嵌有永磁体28和定子绕组29，永磁体28和定子绕组29共同建立电机内磁场，转子槽33内没有绕组，可以作为通风散热的通道；所述定子绕组29为集中绕组，由32个线圈组成，按逆时针方向分别记为C01，C02，C03，-,Ci,…，C31，C32 ;每个线圈有a和b两个圈边，即圈边Cia和Cib共同构成线圈Ci (圈边COla和COlb共同构成线圈C01，依次类推);每个定子齿上嵌有一个线圈，线圈的两个圈边分别嵌在相邻的两个定子槽中；32个线圈分别属于A、B、
C、D四相，其中，A相由C01、C05、C09、C13、C17、C21、C25和C29八个线圈构成，B相由C02、C06、C10、C14、C18、C22、C26 和 C30 八个线圈构成，C 相由 C03、C07、Cll、C15、C19、C23、C27和C31八个线圈构成，D相由C04、C08、C12、C16、C20、C24、C28和C32八个线圈构成。
[0029]图2中，定子铁芯27由硅钢片冲片后叠压而成；转子铁芯31也是由硅钢片冲片后叠压而成；转子铁芯31的中部设置了主轴孔，空心主轴I嵌在主轴孔内。
[0030]所述定子转子机构的额定频率为50Hz,额定转速为125rpm,定子转子机构通过变频器进行调速控制，在0?250rpm之间运行。
[0031]所述控制机构包括速度监测装置和空心主轴I上设置的刹车装置；所述速度监测装置包括齿轮机构、速度编码器8和角度编码器2，所述齿轮机构包括主动齿轮3、齿带5和从动齿轮4，所述主动齿轮3与空心主轴I同轴固定，主动齿轮3和从动齿轮4之间通过齿带5连接，所述速度编码器8和角度编码器2对从动齿轮4进行监测。
[0032]所述刹车装置包括刹车装置壳体12、刹车装置上端盖7、固定在电机上端盖14上的刹车装置下端盖、刹车内套9、刹车盘10和液压油缸11，所述刹车装置壳体12、刹车装置上端盖7和刹车装置下端盖均套装在空心主轴I上，刹车装置上端盖7盖住刹车装置壳体12上端，刹车装置下端盖盖住刹车装置壳体12下端，所述刹车内套9、刹车盘10和液压油缸11均安装在刹车装置壳体12内，所述刹车内套9通过平键套装在空心主轴I上并与空心主轴I保持固定，所述刹车盘10通过螺栓固定在刹车内套9外侧，所述液压油缸11的固定端与刹车装置壳体12保持固定，所述液压油缸11的压紧动作端的两个压板分别位于刹车盘10的上下两侧。
[0033]所述刹车装置上端盖7上设置有支架6，所述速度编码器8和角度编码器2安装在支架6上，所述速度编码器8和角度编码器2分别通过弹性联轴器与从动齿轮4连接。
[0034]所述电机壳体15上设置有提环安装位置，提环通过提环销轴17安装在所述提环安装位置上。
[0035]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，其特征在于:包括空心主轴(I)、电机和控制机构； 所述电机包括电机上端盖(14)、电机壳体(15)、回转头内套(25)和定子转子机构，所述电机上端盖(14)、电机机壳(15)和回转头内套(25)均套设在空心主轴(I)外侧；电机上端盖(14)外缘与电机壳体(15)上端外缘密封固定，电机上端盖(14)内缘通过上端轴承(16)与空心主轴(I)连接，电机上端盖(14)和空心主轴(I)之间的连接部位通过上端密封件密封；所述回转头内套(25)的下端穿过电机壳体(15)的下端口并伸出，回转头内套(25)的上端与电机壳体(15)的下端卡合，电机壳体(15)的下部通过下端轴承(24)与空心主轴(I)连接，电机壳体(15)和空心主轴(I)之间的连接部位通过下端密封件密封； 所述定子转子机构安装在电机上端盖(14)、电机壳体(15)和空心主轴(I)形成的密封空间内，所述密封空间连通有冷风机构；所述定子转子机构为凸极结构，采用两段式设计，即所述定子转子机构包括两个定子转子子机构，两个定子转子子机构之间存在间隙，每个定子转子子机构均包括定子(18 )和转子(21)，所述定子(18 )套设在转子(21)的外侧，所述定子(18 )固定在电机机壳(15 )内，所述转子(21)套设在空心主轴(I)上； 所述控制机构包括速度监测装置和空心主轴(I)上设置的刹车装置；所述速度监测装置包括齿轮机构、速度编码器(8)和角度编码器(2)，所述齿轮机构包括主动齿轮(3)、齿带(5)和从动齿轮(4)，所述主动齿轮(3)与空心主轴(I)同轴固定，主动齿轮(3)和从动齿轮(4)之间通过齿带(5)连接，所述速度编码器(8)和角度编码器(2)对从动齿轮(4)进行监测。
2.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，其特征在于:所述刹车装置包括刹车装置壳体(12)、刹车装置上端盖(7)、刹车装置下端盖、刹车内套(9 )、刹车盘(IO )和液压`油缸(11)，所述刹车装置壳体(12 )、刹车装置上端盖(7 )和刹车装置下端盖均套装在空心主轴(I)上，刹车装置上端盖(7)盖住刹车装置壳体(12)上端，刹车装置下端盖盖住刹车装置壳体(12)下端，所述刹车内套(9)、刹车盘(10)和液压油缸(11)均安装在刹车装置壳体(12)内，所述刹车内套(9)套装在空心主轴(I)上并与空心主轴(I)保持固定，所述刹车盘(10)固定在刹车内套(9)外侧，所述液压油缸(11)的固定端与刹车装置壳体(12)保持固定，所述液压油缸(11)的压紧动作端的两个压板分别位于刹车盘(10)的上下两侧。
3.根据权利要求2所述的顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，其特征在于:所述刹车装置上端盖(7)上设置有支架(6)，所述速度编码器(8)和角度编码器(2)安装在支架(6)上。
4.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，其特征在于:所述电机壳体(15)上设置有提环安装位置，提环通过提环销轴(17)安装在所述提环安装位置上。
5.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，其特征在于:所述上端轴承(16)为圆锥推力滚子轴承，所述下端轴承(24)为锥面推力滚子轴承。
6.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，其特征在于:所述定子转子子机构的定子转子极数为32/24极，即定子(18)上有32个定子齿和32个定子槽，转子(21)上有24个转子齿(32)和24个转子槽(33);所述定子(18)上嵌有永磁体(28)和定子绕组(29);所述定子绕组(29)为集中绕组，由32个线圈组成，按逆时针方向分别记为C01，C02，C03，…，Ci，…，C31，C32 ;每个线圈有a和b两个圈边，即圈边Cia和Cib共同构成线圈Ci ;每个定子齿上嵌有一个线圈，线圈的两个圈边分别嵌在相邻的两个定子槽中；32个线圈分别属于A、B、C、D四相，其中，A相由C01、C05、C09、C13、C17、C21、C25和C29八个线圈构成，B相由C02、C06、CIO、C14、C18、C22、C26和C30八个线圈构成，C相由 C03、C07、C11、C15、C19、C23、C27 和 C31 八个线圈构成，D 相由 C04、C08、C12、C16、C20、C24、C28和C32 八个线圈构成。
7.根据权利要求1或6所述的顶部驱动钻井装置用低速电机直接驱动机构，其特征在于:所述定子转子机构的额定频率为50Hz,额定转速为125rpm,定子转子机构通过变频器进行调速控制，在0~250rpm之间运行。
【文档编号】H02K7/116GK103607068SQ201310576353
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】胡敏强, 仲伟波, 余海涛, 黄磊, 刘强, 刘春元, 闻程, 陈中显 申请人:东南大学