一种永磁同步电机直驱的顶部驱动石油钻机的制作方法

本实用新型属于钻井装置技术领域，具体涉及一种永磁同步电机直驱的顶部驱动石油钻机。

背景技术：

目前，现有钻机一直沿用转盘式结构，由转盘驱动方钻杆和钻具、钻头旋转进行钻井作业，随着钻井装备技术的不断发展，十九世纪八十年代，由美国研制出一种在井架空间的上部直接驱动钻具、钻头实施钻井作业的顶部驱动式钻机(以下简称顶驱钻机或顶驱)。

顶驱钻机是当今石油钻井的重大前沿技术装备，已经成为深井、复杂井施工的必选装备之一，在海外钻井工程的投标中，是否配备顶驱钻机成了能否中标的重要条件之一。当前，现代顶驱钻机通过N级机械减速器，使顶驱钻机主轴直接驱动钻具、钻头实施钻井作业。上述顶驱钻机通常采用定轴、单速、两级机械减速器，其主要技术缺憾在于：体积大，质量重；驱动电机轴与钻机主轴非同心装配，从而使顶驱吊挂不平衡，需加配重与装复杂的液压平衡装置。所以探索、解决顶驱传动技术是涉及全面提升动力性、降低电耗、提高钻机效率的关键技术，也是钻井科研领域亟待解决的重大课题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种永磁同步电机直驱的顶部驱动石油钻机，所述石油钻机结构简单、体积小、传动扭矩大、传动效率高、能耗低。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种永磁同步电机直驱的顶部驱动石油钻机，包括固定在钻井平台上的井架及竖直导轨，所述井架的顶部设有用于带动游动滑车沿所述导轨上下滑动的绞车，所述游动滑车上设有钻机，所述钻机包括从上到下依次设置的进水装置、钻杆固定装置及钻杆，所述钻杆由固定在所述游动滑车上的永磁同步电机直接驱动，所述永磁同步电机包括相对设置的转子组件及定子组件，所述转子组件包括转子基座以及绕所述钻杆轴线布置在所述转子基座上的永磁体；所述定子组件包括定子铁芯及缠绕在所述定子铁芯上的定子绕组；所述定子铁芯为一体加工成型的环形柱或环形盘；所述钻杆固定装置中设有用于固定所述钻杆顶部的轴承，所述轴承的顶部设有端盖；所述钻杆与所述转子组件之间通过平键连接。

从井架上部空间通过所述永磁同步电机直接驱动并旋转所述钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进。所述永磁同步电机可以在所述钻杆的轴向和/或径向上提供旋转磁场，传动扭矩大，使得所述钻杆旋转过程中的传动效率高、能耗低。所述定子基座的两端可拆卸连接有轴承座，所述钻杆通过第二轴承固定在所述轴承座上，所述轴承座上设有用于固定所述第二轴承的第二端盖；所述轴承座上设有用于固定所述第二端盖的止口，所述第二端盖上设有用于定位所述第二轴承的顶环。

优选地，所述定子组件还包括定子基座，所述定子铁芯固定安装于所述定子基座上，所述永磁体布置在所述转子基座的外侧壁和/或端面；所述定子基座套设在所述转子组件外；所述定子铁芯置于所述定子基座的内侧壁和/或端面，与所述永磁体相对应设置。所述定子基座为所述定子铁芯提供一个安装模板，在组装时，所述定子基座与定子铁芯可以提前装配完成，作为一个整体进入下一步的安装工序，安装方便，提高安装效率，也可防止零散的部件遗漏，解决零部件繁多不好管理的问题。所述定子基座可以是一体加工成型，也可以采用组合的形式。

优选地，所述钻杆为中空结构，所述钻杆内部轴心线上设有水管，所述水管与所述进水装置内的水龙头相连接。在所述钻杆向地下钻进的过程中，通过所述水管灌水，防止因钻进过程中地下结构改变而引起坍塌。

优选地，所述导轨呈“T”型，所述游动滑车与所述导轨相适配。所述游动滑车上设置的滑块套设在所述“T”型导轨上。所述“T”型导轨将所述游动滑车固定在所述导轨上，防止所述游动滑车在所述导轨上上下滑动的过程中脱离所述导轨，这样的结构设计使得所述游动滑车在运动过程中更加安全可靠。

优选地，所述游动滑车上设有调节按钮，所述调节按钮与所述永磁同步电机电连接。

优选地，所述钻机通过挂钩固定在所述绞车上。

优选地，所述永磁同步电机包括编码器，所述编码器包括码盘及所述码盘活动连接的磁感元件。

优选地，所述永磁同步电机外部设有机壳，所述机壳的侧边固定在所述游动滑车上，所述机壳的上端与下端均设有密封结构。所述密封机构位于所述机壳与所述钻杆相接触的部位，用于防止泥浆、油等进永磁同步电机内部，影响电机的性能。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、采用永磁同步电机作为钻杆的驱动电机，电机定子环绕在钻杆周围并固定在导轨上，减少了齿轮、减速箱等驱动中间环节，简化了设备的驱动方式及设备的结构形式，提高驱动效率，减少能源的损耗；此外，永磁同步电机提供轴向和径向上的旋转磁场，传动扭矩大，传动效率高，能源损耗小；

2、直驱的方式大大减小了设备的体积，减轻了设备重量；

3、永磁同步电机直驱的驱动形式具有响应速度快，控制精度高的优点。

附图说明

图1为本实用新型井架的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1所述的一种永磁同步电机直驱的顶部驱动石油钻机的结构示意图；

图3为本实用新型永磁体一的结构示意图

图4为本实用新型定子铁芯一的结构示意图；

图5为本实用新型导轨的结构示意图；

图6为本实用新型实施例2所述的一种永磁同步电机直驱的顶部驱动石油钻机的结构示意图；

图7为本实用新型永磁体二的结构示意图

图8为本实用新型定子铁芯二的结构示意图；

图9为本实用新型实施例3所述的一种永磁同步电机直驱的顶部驱动石油钻机的结构示意图；

图中：1、钻井平台；2、井架；21、绞车；3、导轨；4、钻机；41、进水装置；42、钻杆；43、钻杆固定装置；5、永磁同步电机；51、机壳；6、转子组件；61、转子基座；62、永磁体一；63、永磁体二；7、定子组件；71、定子铁芯一；72、定子铁芯二；73、定子基座；8、平键；9、游动滑车；91、滑块；10、密封结构。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实施例所述的一种永磁同步电机直驱的顶部驱动石油钻机，结合图1～图5进行说明：包括固定在钻井平台1上的井架2及竖直导轨3，井架2的顶部设有用于带动游动滑车9沿导轨3上下滑动的绞车21，导轨3呈“T”型且游动滑车9与导轨3相适配，游动滑车9上设置的滑块91套设在“T”型导轨3上；游动滑车9上设有钻机4，钻机4通过挂钩固定在绞车21上，钻机4包括从上到下依次设置的进水装置41、钻杆固定装置43及钻杆42，钻杆42由固定在游动滑车9上的永磁同步电机5直接驱动，永磁同步电机5包括相对设置的转子组件6及定子组件7，转子组件6包括转子基座61以及绕钻杆42轴线布置在转子基座61上的永磁体一62；定子组件7包括有定子铁芯一71及缠绕在定子铁芯一71上的定子绕组；定子铁芯一71为一体加工成型的环形柱状结构；钻杆固定装置43中设有用于固定钻杆42顶部的轴承，所述轴承的顶部设有端盖；钻杆42与转子组件6之间通过平键8连接。

定子组件7还包括定子基座73，定子铁芯一71固定安装于定子基座73上，永磁体一62布置在转子基座61的外侧壁；定子基座73套设在转子组件6外；定子铁芯一71置于定子基座73的内侧壁，与永磁体一62相对应设置。钻杆42为中空结构，钻杆42内部轴心线上设有水管，所述水管与进水装置41内的水龙头相连接。游动滑车9上设有调节按钮，所述调节按钮与永磁同步电机5电连接；永磁同步电机5包括编码器，所述编码器包括码盘及所述码盘活动连接的磁感元件，用于反馈和控制石油钻机的转速。永磁同步电机5外部设有机壳51，机壳51的侧边固定在游动滑车9上，机壳51的上端与下端均设有密封结构10，密封结构10位于机壳51与钻杆42相接触的部位。

通电后，定子铁芯一71为永磁体一62提供一个径向上旋转的磁场，促使定子组件7为转子组件6提供绕钻杆42轴心线旋转的力矩，通过平键8的传动作用，直接驱动钻杆42工作。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处结合图6～图8进行说明：定子组件7包括定子铁芯二72及缠绕在定子铁芯二72上的定子绕组；定子铁芯二72为一体加工成型的环形盘状结构。

定子组件7还包括定子基座73，定子铁芯二72固定安装于定子基座73上，永磁体二63布置在转子基座61的端面；定子基座73套设在转子组件6外；定子铁芯二72置于定子基座73的端面，与永磁体二63相对应设置。

通电后，定子铁芯二72为永磁体二63提供一个轴向上旋转的磁场，促使定子组件7为转子组件6提供绕钻杆42轴心线旋转的力矩，通过平键8的传动作用，直接驱动钻杆42工作。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处结合图9进行说明：定子组件7包括有定子铁芯一71、定子铁芯二72及缠绕在定子铁芯一71、定子铁芯二72上的定子绕组；定子铁芯一71为一体加工成型的环形柱状结构、定子铁芯二72为一体加工成型的环形盘状结构。

定子组件7还包括定子基座73，定子铁芯一71、定子铁芯二72固定安装于定子基座73上，永磁体一62、永磁体二63布置在转子基座61的外侧壁和端面；定子基座73套设在转子组件6外；定子铁芯一71置于定子基座73的内侧壁、定子铁芯二72置于定子基座73的端面，与永磁体一62、永磁体二63相对应设置。

通电后，定子铁芯一71为永磁体一62提供一个径向上旋转的磁场，定子铁芯二72为永磁体二63提供一个轴向上旋转的磁场，共同促使定子组件7为转子组件6提供绕钻杆42轴心线旋转的力矩，通过平键8的传动作用，直接驱动钻杆42工作。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。