一种用于井下驱动钻具的电动机的制作方法

本发明涉及石油钻井井下钻具动力驱动系统，尤其是涉及一种用于井下驱动钻具的电动机。

背景技术：

在高速发展的现代社会，石油、煤、天然气作为常用的能源和化工原料，一直保持着巨大的需求量，而这些资源都是深埋在地下，其开采通常需要通过钻井和钻具来实现，而钻具的钻头需要电机驱动旋转进行钻孔作业。

目前常用驱动井下钻头旋转有两种方式：一是用地面上的转盘或顶部驱动装置通过钻杆驱动井下钻头旋转，二是先用泥浆泵将泥浆输送到井下，再用螺杆钻具将泥浆的能量转换成旋转动力驱动钻头旋转。以上钻头驱动方式存在有以下不足：1）能量传输路径长，损耗大；2）能量有效利用和转换效率低；3）常规驱动钻头的钻盘、顶部驱动装置以及螺杆钻具工作上限转速一般在300 转/分左右，难以再通过提高钻头转速加快钻井速度；4）另外用螺杆钻具钻井时，螺杆钻具本身寿命短，一般只有一、二百小时，这无疑增加了作业成本，降低了钻井有效时间。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于井下驱动钻具的电动机，不仅能够实现电机的井下安装，同时具有较高的能量利用和转换效率。

为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种用于井下驱动钻具的电动机，该电动机为细长圆柱状，该电动机包括电动机外壳、定子、转子轴、上部转子支承轴承、下部转子支承轴承、上部轴承座、下部轴承座、公头导电环、母头导电环、连接花键套、上部花键定位轴承和下部花键定位轴承；

所述转子轴为空心圆柱状结构，所述转子轴的空心部分为泥浆通道，在所述转子轴前端外侧设有连接花键套，连接花键套前端向外伸出转子轴前端，在连接花键套上设有公头导电环，连接花键套后端连接有上部花键定位轴承，所述上部花键定位轴承通过轴承压紧螺母固定在上部轴承座前端，上部轴承座后端通过轴承压紧螺母固定有上部转子支承轴承；

在所述转子轴中部外侧安装有永磁铁，所述永磁铁外侧的电动机外壳内侧设有定子，所述定子包括定子矽钢片和电枢绕组，所述电枢绕组的前端通过绕组连线与公头导电环相连接；

所述转子轴后端设有与连接花键套相对应的连接花键，所述下部花键定位轴承通过轴承压紧螺母固定在下部轴承座上，在所述转子轴后端安装有下部轴承座，在所述下部轴承座前端通过轴承压紧螺母固定有下部转子支承轴承，在所述下部轴承座后端通过轴承压紧螺母固定有下部花键定位轴承；

所述电动机外壳前端外侧设有连接公螺纹，所述电动机外壳后端底部与转子轴后端底部设有与电动机外壳前端大小相对应的空隙，所述电动机外壳后端内侧设有与连接公螺纹对应的连接母螺纹，所述电动机外壳内侧与连接花键外侧之间留有缝隙，所述缝隙与连接花键套大小相对应，在该缝隙处的电动机外壳内侧设有与公头导电环相对应的母头导电环，所述母头导电环与电枢绕组通过绕组连线相连接。

在上述的本发明一种用于井下驱动钻具的电动机中，所述永磁铁外侧包围有永磁铁保护筒，所述永磁铁保护筒内部充满绝缘耐腐蚀材料密封，所述绝缘耐腐蚀材料包括环氧树脂，不仅对永磁铁实现有效地保护，同时避免永磁铁被腐蚀。

在上述的本发明一种用于井下驱动钻具的电动机中，所述定子外侧设有定子隔离筒，所述定子隔离筒两端分别插在上部轴承座和下部轴承座的通孔上，所述定子隔离筒将定子有效隔离保护。

在上述的本发明一种用于井下驱动钻具的电动机中，所述定子隔离筒与上部轴承座和下部轴承座之间均用耐硫化氢的Ｏ型密封圈密封，防止定子被井筒中的硫化氢等腐蚀性气体腐蚀。

在上述的本发明一种用于井下驱动钻具的电动机中，在所述定子周围空间浇注绝缘耐腐蚀材料，所述绝缘耐腐蚀材料包括环氧树脂，防止被硫化氢等腐蚀性气体腐蚀。

在上述的本发明一种用于井下驱动钻具的电动机中，所述绝缘耐腐蚀材料在浇注后做机加工处理，提高定子内孔的光洁度和尺寸精度。

在上述的本发明一种用于井下驱动钻具的电动机中，在所述连接花键套上设有泥浆通道密封圈。

根据上述技术方案，本发明相比于现有技术具有以下优点：

一、本电动机是一个细长结构，能够有效适应钻井内作业，电动机动力输出端与钻头直接相连，直接驱动钻头旋转，具有较高的能量转换效率，从而有效地提高了钻井作业的工作效率；

二、本电动机的转子轴和定子采用完全隔离密封结构，可防止硫化氢等腐蚀性气体对定子矽钢片、永磁铁以及电枢绕组的腐蚀，保护电动机免受井下环境的影响；

三、本电动机的前端输出轴直接与钻头的支承短节相连，驱动钻头旋转，钻头钻压产生的反力由钻头支承短节来承担，确保电动机转子轴不承受轴向力，从而保证了电动机具有较长的寿命，从而降低了钻井作业成本；

四、本电动机的转子轴为空心圆柱状结构，其内部的中空部分形成一个泥浆通道，保证钻井作业时将泥浆从地面输送到井底，经过钻头后再通过钻杆的外部环形空间送回地面，形成一个泥浆循环，从而保证得钻头不会过热，同时能够将钻头切削下来的岩屑携带至地面；

五、本电动机的前后端连接方式均为标准化设计，电机整体采用模块化设计，能够根据钻井作业的功率需要增添电动机的连接数目，对不同的钻井作业的要求有极高的适应性，从而有效降低了电动机的生产和使用成本，提高电动机性能。

附图说明

图1是本发明实施例一的总体结构示意图。

图2是本发明实施例一转子轴移除后的总体结构示意图。

图3是本发明实施例一的横截面的剖面图。

图4是本发明实施例一的钻头和钻头支承短节的结构示意图。

图5是本发明实施例一的分体视图。

图6是本发明实施例二的总体结构示意图。

图7是本发明实施例二的总体结构的剖面图。

图8是本发明实施例二的分体视图。

图9是本发明实施例三的总体结构示意图。

图10是本发明实施例三转子轴移除后的总体结构示意图。

其中，1－连接花键套，2－公头导电环，3－上部花键定位轴承，4－轴承压紧螺母，5－上部转子支承轴承，6－上部轴承座，7－电动机外壳，8－定子矽钢片，9－转子轴，10－永磁铁，11－定子隔离筒，12－绕组连线，13－下部轴承座，14－母头导电环，15－电枢绕组，16－钻头支承短节，17－钻头，18－定子封闭空间，19－Ｏ型密封圈，20－泥浆通道密封圈，21－泥浆通道，22－连接花键，23－永磁铁保护筒，24－环氧树脂，25－连接公螺纹，26－连接母螺纹，27－下部花键定位轴承，28－下部转子支承轴承，100－第一模块电机,101－第二模块电机。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例对本发明一种用于井下驱动钻具的电动机做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其结构组成和工作方式，但不能以此限制本发明专利的保护范围。

实施例一

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种用于井下驱动钻具的电动机，该电动机总体结构为细长圆柱状，该电动机包括电动机外壳7、定子、转子轴9、上部转子支承轴承5、下部转子支承轴承28、上部轴承座6、下部轴承座13、公头导电环2、母头导电环14、连接花键套1、上部花键定位轴承3和下部花键定位轴承27。

所述转子轴9为空心圆柱状结构，所述转子轴9的空心部分为泥浆通道21，在所述转子轴9前端外侧设有连接花键套1，在所述连接花键套1上设有泥浆通道密封圈20，对泥浆通道21内的泥浆进行密封，放置泥浆进入轴承润滑部位，影响轴承寿命。

连接花键套1前端向外伸出转子轴9前端，在连接花键套1外表面与上部轴承座6前端内孔之间设有公头导电环2，连接花键套1后端连接有上部花键定位轴承3，所述上部花键定位轴承3通过轴承压紧螺母4固定在上部轴承座6前端，上部轴承座6后端通过轴承压紧螺母4固定有上部转子支承轴承5，通过轴承压紧螺母4与上部轴承座6的螺纹连接，固定上部转子支承轴承5的外圈，防止其轴向串动，从而实现对转子轴9进行径向和轴向的定位。

在所述转子轴9中部外侧安装有永磁铁10，所述永磁铁10固定在转子轴9上，所述永磁铁10外侧包围有不带磁性的永磁铁保护筒23，永磁铁保护筒23内部充满环氧树脂24或其他绝缘耐腐蚀材料密封，不仅对永磁铁10实现有效地保护，同时避免永磁铁10被腐蚀。

所述永磁铁10外侧的电动机外壳7内侧设有定子，所述定子包括定子矽钢片8和电枢绕组15，所述定子内侧设有定子隔离筒11，所述定子隔离筒11两端分别插在上部轴承座6和下部轴承座13的通孔上，所述定子隔离筒11将定子有效隔离保护，所述定子隔离筒11与上部轴承座6和下部轴承座13之间均用耐硫化氢的Ｏ型密封圈密封，防止定子被井筒中的硫化氢等腐蚀性气体腐蚀。

所述电动机外壳7和定子隔离筒11之间形成一个环形的定子封闭空间18，所述定子矽钢片8和电枢绕组15均位于定子封闭空间18内，为进一步防止泥浆或危险气体进入定子封闭空间18，在定子封闭空间18内充满绝缘油或环氧树脂24等绝缘填充物。

所述电枢绕组15的前端通过绕组连线12与公头导电环2相连接，所述公头导电环2的定位通过其外圆以及上部轴承座6内孔的紧配合或过渡配合实现，所述公头导电环2上安装的金属环数目可根据电机控制和驱动的要求进行选择。

所述转子轴9后端设有与连接花键套1相对应的连接花键22，所述下部花键定位轴承27通过轴承压紧螺母4固定在下部轴承座13上，在所述转子轴9后端安装有下部轴承座13，在所述下部轴承座13前端通过轴承压紧螺母4固定有下部转子支承轴承28，在所述下部轴承座13后端通过轴承压紧螺母4固定有下部花键定位轴承27，通过轴承压紧螺母4与下部轴承座13的螺纹连接，固定下部转子支承轴承28的外圈，防止其轴向串动，从而实现对转子轴9进行径向和轴向的定位。

转子轴9由上部轴承座6和下部轴承座13支承，由于本发明的转子轴9的长度较长，旋转时转子轴9径向变形较大，为防止转子轴9与定子接触，因此转子轴9和定子矽钢片8之间的间隙需大于常规感应电机的间隙。

所述电动机外壳7前端外侧设有连接公螺纹25，所述电动机外壳7后端底部设有与电动机外壳7前端大小相对应的空隙，所述电动机外壳7后端内侧设有与连接公螺纹25对应的连接母螺纹26，所述电动机外壳7内侧与连接花键22外侧之间留有缝隙，所述缝隙与连接花键套1大小相对应，在该缝隙处的电动机外壳7内侧设有与公头导电环2相对应的母头导电环14，所述母头导电环14与电枢绕组15通过绕组连线12相连接，所述母头导电环14的定位通过其外圆以及下部轴承座13内孔的紧配合或过渡配合实现，所述母头导电环14上的安装的金属接触环数目与公头导电环2上安装的金属接触环数目一致。

所述电动机外壳7与电枢绕组15、定子矽钢片8连接到一起，电动机外壳7与上部轴承座6和下部轴承座13均可通过螺纹或焊接或型煅的方式连接在一起。

该电动机通过母头导电环14、连接花键22和连接母螺纹26与钻头17支承短节16连接为一体，钻头17支承短节16的另一端连接有钻头17，所述钻头17支承短节16可承载钻头17切削岩石时产生的轴向载荷，并能够阻止轴向载荷传递到转子轴9上，可有效提高电动机的寿命。

实施例二

如图6、图7和图8所示，为两台本发明的电动机连接在一起的情况，连接的本发明的电动机数目也可以是一台或多台，其中两台本发明的电动机分别为第一模块电机100和第二模块电机101，本发明的电动机按照标准化和模块化进行设计生产，所述第一模块电机100和第二模块电机101大小结构一致，连接后成为一个整体电机，用以驱动钻头17旋转作业。

一种用于井下驱动钻具的电动机，该电动机总体结构为细长圆柱状，该电动机包括电动机外壳7、定子、转子轴9、上部转子支承轴承5、下部转子支承轴承28、上部轴承座6、下部轴承座13、公头导电环2、母头导电环14、连接花键套1、上部花键定位轴承3和下部花键定位轴承27。

所述转子轴9为空心圆柱状结构，所述转子轴9的空心部分为泥浆通道21，在所述转子轴9前端外侧设有连接花键套1，在所述连接花键套1上设有泥浆通道密封圈20，对泥浆通道21内的泥浆进行密封，放置泥浆进入轴承润滑部位，影响轴承寿命。

连接花键套1前端向外伸出转子轴9前端，在连接花键套1外表面与上部轴承座6前端内孔之间设有公头导电环2，连接花键套1后端连接有上部花键定位轴承3，所述上部花键定位轴承3通过轴承压紧螺母4固定在上部轴承座6前端，上部轴承座6后端通过轴承压紧螺母4固定有上部转子支承轴承5，通过轴承压紧螺母4与上部轴承座6的螺纹连接，固定上部转子支承轴承5的外圈，防止其轴向串动，从而实现对转子轴9进行径向和轴向的定位。

在所述转子轴9中部外侧安装有永磁铁10，所述永磁铁10固定在转子轴9上，所述永磁铁10外侧包围有不带磁性的永磁铁保护筒23，永磁铁保护筒23内部充满环氧树脂24或其他绝缘耐腐蚀材料密封，不仅对永磁铁10实现有效地保护，同时避免永磁铁10被腐蚀。

所述永磁铁10外侧的电动机外壳7内侧设有定子，所述定子包括定子矽钢片8和电枢绕组15，所述定子内侧设有定子隔离筒11，所述定子隔离筒11两端分别插在上部轴承座6和下部轴承座13的通孔上，所述定子隔离筒11将定子有效隔离保护，所述定子隔离筒11与上部轴承座6和下部轴承座13之间均用耐硫化氢的Ｏ型密封圈密封，防止定子被井筒中的硫化氢等腐蚀性气体腐蚀。

所述电动机外壳7和定子隔离筒11之间形成一个环形的定子封闭空间18，所述定子矽钢片8和电枢绕组15均位于定子封闭空间18内，为进一步防止泥浆或危险气体进入定子封闭空间18，在定子封闭空间18内充满绝缘油或环氧树脂24等绝缘填充物。

所述电枢绕组15的前端通过绕组连线12与公头导电环2相连接，所述公头导电环2的定位通过其外圆以及上部轴承座6内孔的紧配合或过渡配合实现，所述公头导电环2上安装的金属环数目可根据电机控制和驱动的要求进行选择。

所述转子轴9后端设有与连接花键套1相对应的连接花键22，所述下部花键定位轴承27通过轴承压紧螺母4固定在下部轴承座13上，在所述转子轴9后端安装有下部轴承座13，在所述下部轴承座13前端通过轴承压紧螺母4固定有下部转子支承轴承28，在所述下部轴承座13后端通过轴承压紧螺母4固定有下部花键定位轴承27，通过轴承压紧螺母4与下部轴承座13的螺纹连接，固定下部转子支承轴承28的外圈，防止其轴向串动，从而实现对转子轴9进行径向和轴向的定位。

转子轴9由上部轴承座6和下部轴承座13支承，由于本发明的转子轴9的长度较长，旋转时转子轴9径向变形较大，为防止转子轴9与定子接触，因此转子轴9和定子矽钢片8之间的间隙需大于常规感应电机的间隙。

所述电动机外壳7前端外侧设有连接公螺纹25，所述电动机外壳7后端底部设有与电动机外壳7前端大小相对应的空隙，所述电动机外壳7后端内侧设有与连接公螺纹25对应的连接母螺纹26，所述电动机外壳7内侧与连接花键22外侧之间留有缝隙，所述缝隙与连接花键套1大小相对应，在该缝隙处的电动机外壳7内侧设有与公头导电环2相对应的母头导电环14，所述母头导电环14与电枢绕组15通过绕组连线12相连接，所述母头导电环14的定位通过其外圆以及下部轴承座13内孔的紧配合或过渡配合实现，所述母头导电环14上的安装的金属接触环数目与公头导电环2上安装的金属接触环数目一致。

所述电动机外壳7与电枢绕组15、定子矽钢片8连接到一起，电动机外壳7与上部轴承座6和下部轴承座13均可通过螺纹或焊接或型煅的方式连接在一起。

所述第一模块电机100的连接母螺纹26与第二模块电机101的连接公螺纹25通过API标准螺纹连接在一起，此时第一模块电机100的母头导电环14与第二模块电机101的公头导电环2相连接，从而使得第一模块电机100的电枢绕组15和第二模块电机101的电枢绕组15相互连接在一起，而此时第一模块电机100的连接花键22与第二模块电机101的连接花键套1相互配合连接在一起，实现了第一模块电机100的转子轴9和第二模块电机101的转子轴9之间的机械对接，从而保证了第一模块电机100和第二模块电机101形成一个整体结构。

所述第二模块电机101的通过母头导电环14、连接花键22和连接母螺纹26与钻头17支承短节16连接为一体，钻头17支承短节16的另一端连接有钻头17，所述钻头17支承短节16可承载钻头17切削岩石时产生的轴向载荷，并能够阻止轴向载荷传递到转子轴9上，可有效提高电动机的寿命。

实施例三

如图9、图10和图4所示，一种用于井下驱动钻具的电动机，该电动机总体结构为细长圆柱状，该电动机包括电动机外壳7、定子、转子轴9、上部转子支承轴承5、下部转子支承轴承28、上部轴承座6、下部轴承座13、公头导电环2、母头导电环14、连接花键套1、上部花键定位轴承3和下部花键定位轴承27。

所述转子轴9为空心圆柱状结构，所述转子轴9的空心部分为泥浆通道21，在所述转子轴9前端外侧设有连接花键套1，在所述连接花键套1上设有泥浆通道密封圈20，对泥浆通道21内的泥浆进行密封，放置泥浆进入轴承润滑部位，影响轴承寿命。

连接花键套1前端向外伸出转子轴9前端，在连接花键套1上设有公头导电环2，连接花键套1后端连接有上部花键定位轴承3，所述上部花键定位轴承3通过轴承压紧螺母4固定在上部轴承座6前端，上部轴承座6后端通过轴承压紧螺母4固定有上部转子支承轴承5，通过轴承压紧螺母4与上部轴承座6的螺纹连接，固定上部转子支承轴承5的外圈，防止其轴向串动，从而实现对转子轴9进行径向和轴向的定位。

在所述转子轴9中部外侧安装有永磁铁10，所述永磁铁10固定在转子轴9上，所述永磁铁10外侧包围有不带磁性的永磁铁保护筒23，永磁铁保护筒23内部充满环氧树脂24或其他绝缘耐腐蚀材料密封，不仅对永磁铁10实现有效地保护，同时避免永磁铁10被腐蚀。

所述永磁铁10外侧的电动机外壳7内侧设有定子，所述定子包括定子矽钢片8和电枢绕组15，在定子矽钢片8和电枢绕组15的周围空间浇注环氧树脂24或其他绝缘耐腐蚀材料，防止被硫化氢等腐蚀性气体腐蚀，同时在浇筑时流出一定的机加工余量，所述环氧树脂24或其他绝缘耐腐蚀材料在浇注后做进一步的机加工处理，提高定子内孔的光洁度和尺寸精度。

所述电枢绕组15的前端通过绕组连线12与公头导电环2相连接，所述公头导电环2的定位通过其外圆以及上部轴承座6内孔的紧配合或过渡配合实现，所述公头导电环2上安装的金属环数目可根据电机控制和驱动的要求进行选择。

所述转子轴9后端设有与连接花键套1相对应的连接花键22，所述下部花键定位轴承27通过轴承压紧螺母4固定在下部轴承座13上，在所述转子轴9后端安装有下部轴承座13，在所述下部轴承座13前端通过轴承压紧螺母4固定有下部转子支承轴承28，在所述下部轴承座13后端通过轴承压紧螺母4固定有下部花键定位轴承27，通过轴承压紧螺母4与下部轴承座13的螺纹连接，固定下部转子支承轴承28的外圈，防止其轴向串动，从而实现对转子轴9进行径向和轴向的定位。

转子轴9由上部轴承座6和下部轴承座13支承，由于本发明的转子轴9的长度较长，旋转时转子轴9径向变形较大，为防止转子轴9与定子接触，因此转子轴9和定子矽钢片8之间的间隙需大于常规感应电机的间隙。

所述电动机外壳7前端外侧设有连接公螺纹25，所述电动机外壳7后端底部设有与电动机外壳7前端大小相对应的空隙，所述电动机外壳7后端内侧设有与连接公螺纹25对应的连接母螺纹26，所述电动机外壳7内侧与连接花键22外侧之间留有缝隙，所述缝隙与连接花键套1大小相对应，在该缝隙处的电动机外壳7内侧设有与公头导电环2相对应的母头导电环14，所述母头导电环14与电枢绕组15通过绕组连线12相连接，所述母头导电环14的定位通过其外圆以及下部轴承座13内孔的紧配合或过渡配合实现，所述母头导电环14上的安装的金属接触环数目与公头导电环2上安装的金属接触环数目一致。

所述电动机外壳7与电枢绕组15、定子矽钢片8连接到一起，电动机外壳7与上部轴承座6和下部轴承座13均可通过螺纹或焊接或型煅的方式连接在一起。

该电动机通过母头导电环14、连接花键22和连接母螺纹26与钻头17支承短节16连接为一体，钻头17支承短节16的另一端连接有钻头17，所述钻头17支承短节16可承载钻头17切削岩石时产生的轴向载荷，并能够阻止轴向载荷传递到转子轴9上，可有效提高电动机的寿命。

毫无疑问，本发明一种用于井下驱动钻具的电动机除了上述实施例一、实施例二和实施例三以外还有其他类似的结构组成和使用方式。总而言之，本发明一种用于井下驱动钻具的电动机还包括其他对于本技术领域技术人员来说显而易见的变换和替代，凡是依据本发明专利的精神、理念和原则上所作的任何修改、等同替换和变形等，均落在本发明专利的保护范围之内。