压裂泵用九相变频调速异步电动机的制作方法

本发明涉及石油开发技术领域，尤其涉及一种压裂泵用九相变频调速异步电动机。

背景技术：

页岩气是以吸附和游离方式赋存于泥页岩层段中的生物成因或热成因气。与常规天然气藏不同，页岩气“生、储、盖”自称一体，也称为“人造气藏”，必须通过大型人工造缝(网)工程才能形成工业生产能力。具有初期产量高、递减快，后期稳产且生产时间长等特点。多分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，且成连续性分布。其开发技术具有低成本、高技术含量的特点。

页岩气藏因其储层物性差、孔隙度和渗透率极低，需要应用水力压裂技术才能经济开采。随着水平井成为页岩气开发的主要钻井方式，水力压裂开始成为页岩气水平井主要增产措施。水力压裂是利用减阻剂、黏土稳定剂和必要的表面活性剂的水作为压裂液，这项技术可以在不减产的前提下节约30％的开发成本，在低渗透油气藏储层改造中取得很好的效果。

目前，用于页岩气开发的压裂泵主要用柴油机驱动，柴油燃烧产生的废气对大气环境造成污染，且开采成本较高，因此，研制电动机替代柴油机驱动压裂泵成为必然的趋势。

技术实现要素：

本发明提供一种压裂泵用九相变频调速异步电动机，以降低页岩气开发对环境的影响，降低开采成本。

本发明提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机，包括机座、穿设在所述机座内的转轴，以及依次套设在所述转轴上的转子装配和定子装配；

所述机座包括筒形结构以及设置在所述筒形结构的一端的外周上的支撑部，所述转轴穿设在所述筒形结构内，所述支撑部的顶部设置有进风装置，所述筒形结构的另一端的侧壁上设置有出风口，所述筒形结构的侧壁上设置有主接线盒；

所述转子装配包括转子铁芯、转子导条和端环，所述转子铁芯套设在所述转轴上，所述转子导条装入所述转子铁芯，并通过所述端环将所述转子导条连接一体；

所述定子装配包括定子铁芯、定子绕组和导电环，所述定子铁芯设置在所述机座的筒形结构内，所述定子绕组为九相绕组，且按照双层叠绕组方式嵌入所述定子铁芯，所述定子绕组通过所述导电环与所述主接线盒连接。

可选的，所述导电环包括：9个绕组导电环；其中

所述9个绕组导电环的引线头按照3y移相20°规则与所述定子绕组的引线头焊接。

可选的，每相绕组设置有绕组温度传感器，所述绕组温度传感器用于检测定子绕组的温度。

可选的，所述筒形结构内部设置有框架式加强筋。

可选的，所述进风装置为冷却风机。

可选的，所述筒形结构的每端设置有端盖，所述端盖的中心设置有轴承，所述转轴从所述轴承穿出。

可选的，位于所述进风装置一端的轴承为定位端轴承，位于所述出风口一端的轴承为浮动端轴承；其中

所述定位端轴承采用圆柱滚子轴承nj240/c3和角圈hj240；

所述浮动端轴承采用圆柱滚子轴承nu240/c3。

可选的，所述压裂泵用九相变频调速异步电动机还包括：

设置在所述定位端轴承上的轴承温度传感器，所述轴承温度传感器与报警装置连接，所述报警装置用于在所述轴承温度传感器测量的当前温度达到预设温度时发出报警信号。

可选的，所述压裂泵用九相变频调速异步电动机还包括：

设置在所述定位端轴承外的所述转轴上的转速传感器，所述转速传感器与所述电动机的变频器连接，所述变频器用于在所述转速传感器测量的实时转速未达到用户输入的目标转速时，调整所述电动机的工作频率。

可选的，所述压裂泵用九相变频调速异步电动机还包括：

辅助接线盒；

所述辅助接线盒设置在所述主接线盒对侧的所述筒形结构的侧壁上；所述辅助接线盒与所述绕组温度传感器、所述轴承温度传感器和所述转速传感器连接。

本发明实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机，包括机座、穿设在机座内的转轴，以及依次套设在所述转轴上的转子转配和定子装配。其中，机座包括筒形结构以及设置在筒形结构的一端外周上的支撑部，支撑部的顶部设置有进风装置，筒形结构的另一端的侧壁上设置有出风口，筒形结构的侧壁上还设置有主接线盒；转子装配包括转子铁芯、转子导条和端环，定子装配包括定子铁芯、定子绕组和导电环，定子绕组为九相绕组，且按照双层叠绕组方式嵌入定子铁芯，定子绕组通过导电环与主接线盒连接。上述电动机可以满足页岩气开采的裂压泵的大功率、高转矩、大过载能力的技术要求，满足页岩气开采对环境保护的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机的主视图；

图2为本发明一实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机的左视图；

图3为本发明另一实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机的左视图。

附图标记：

1-机座；11-筒形结构；12-支撑部；13-进风装置；14-出风口；

2-转轴；

3-转子装配；

4-定子装配；

5-主接线盒；

61-定位端端盖；62-浮动端端盖；

71-定位端轴承；72-浮动端轴承；

8-轴承温度传感器；

9-转速传感器；

10-辅助接线盒。

20-吊耳。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体定义。

图1为本发明一实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机的主视图，图2为本发明一实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机的左视图。如图1和图2所示，本实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机，包括：

机座1、穿设在机座1内的转轴2，以及依次套设在转轴2上的转子装配3和定子装配4；其中，

机座1包括筒形结构11以及设置在筒形结构11的一端的外周上的支撑部12，转轴2穿设在筒形结构11内，支撑部12的顶部设置有进风装置13，筒形结构11的另一端的侧壁上设置有出风口14，筒形结构11的侧壁上设置有主接线盒5；

具体的，本实施例的机座1采用全钢板焊接结构，筒形结构11采用钢板卷制焊接而成，筒形结构11内部设置有框架式加强筋，该框架式加强筋由8道纵筋和3道环筋组成。通过上述设置，在保证机座机械强度的基础上，减轻了机座的重量。

筒形结构11的每端设置有端盖，端盖的中心设置有轴承，转轴2从轴承穿出。

位于进风装置13一端的轴承为定位端轴承71，位于出风口14一端的轴承为浮动端轴承72；其中

定位端轴承71采用圆柱滚子轴承nj240/c3和角圈hj240；浮动端轴承72采用圆柱滚子轴承nu240/c3。其中，

定位端轴承用于限定转子的位置，保证转子铁芯的中心与定子铁芯的中心对齐，同时承受轴向力；浮动端轴承用于保证转子在热胀冷缩时能自由移动。

对应的，位于进风装置13一端的端盖为定位端端盖61；位于出风口14一端的端盖为浮动端端盖62。

可选的，本实施例的端盖采用绝缘端盖，避免产生轴电流。

可选的，本实施例中的进风装置13具体为冷却风机。

冷却风机的作用在于产生冷却气流，气流通过筒形结构11与定子装配4之间的间隙、定子装配4与转子装配3之间的间隙，以及转子装配3与转轴2之间的间隙，从出风口14吹出。通过上述气流通道实现对压裂泵用九相变频调速异步电动机的通风冷却，确保电动机的正常工作。

可选的，本实施例的冷却风机为离心式风机。离心式风机在工作中，气流由风机轴向进入叶片空间，然后在叶轮的驱动下，一方面随叶轮旋转，另一方面在惯性的作用下提高能量，沿半径方向离开叶轮，靠产生的离心力来做功。离心式风机的叶片，按其出口安装角的大小可分为后弯式、前弯式、径向三种形式。后弯式叶片的弯曲方向与叶轮旋转方向相反，出口安装角小于90°；径向叶片的出口方向为径向，出口安装角等于90°；前弯式叶片的弯曲方向与叶轮旋转方向相同，出口安装角大于90°。

进一步的，可在离心式风机上设置雨水防护器，保证离心式风机在下雨天能够正常工作。

可选的，在进风装置的进风口和出风口处可分别安装专用的防护罩，使电机的整机防护等级达到ip44。其中，ip防护等级是将电器依其防尘防湿气之特性加以分级，由两个数字组成，第1个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级(这里所指的外物含工具、人的手指等均不可接触到电器之内带电部分，以免触电)，第2个数字表示电器防湿气、防水浸入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。

本实施例的主接线盒5的安装面与机座1的纵截面呈20°夹角。

转子装配3包括转子铁芯、转子导条和端环，转子铁芯套设在转轴2上，转子导条装入转子铁芯，并通过端环将转子导条连接一体。

本实施例的转子装配3采用带护环的铜导条鼠笼转子结构。具体来说，将转子冲片直接叠压在转轴2上形成转子铁芯，并装入转子导条，采用感应焊接方法，用银焊料将转子导条与端环焊接一体，热套护环后完成转子装配。通过上述设置，确保大直径转子在高转速和高转矩情况下的可靠性。

定子装配4包括定子铁芯、定子绕组和导电环，定子铁芯设置在机座1的筒形结构11内，定子绕组为九相绕组，且按照双层叠绕组方式嵌入定子铁芯，定子绕组通过导电环与主接线盒5连接。

本实施例中的导电环包括：9个绕组导电环；其中

9个绕组导电环的引线头按照3y移相20°规则与定子绕组的引线头焊接。

其中，所谓3y移相20°，就是指三个独立的y型定子连线，分别为(u1、v1、w1、n1)，(u2、v2、w2、n2)，(u3、v3、w3、n3)，其中u1、u2、u3分别相差20°，v1、v2、v3分别相差20°,w1、w2、w3分别相差20°。

u、v、w相导电环结构相同，由集流环、连线、引出线组成。集流环用12×20的铜母线绕制焊接而成；连线选用定子线圈所用3.45×10.6冷拉铜导线；引出线用10×45的铜母线绕制焊接而成；六根连线采用银铜焊垂直均布在集流环的圆周上，引出线水平焊接在集流环上。

n相导电环由集流环、连线组成，不包括引出线，连线增加到18根，同样采用银铜焊垂直均布在集流环的圆周上。集流环与连线所用材料与u、v、w相导电环相同。

由于大功率压裂泵用异步电动机功率大，电压低，导致电机的电流过大。将电机的定子连线设计为3y移相20°，可有效降低每相电流，相应的导电环结构也设计为3y移相20°，引出9根电缆，达到分流的目的。

具体的，本实施的导电环包括9个绕组导电环和3个零环，按照3y移相20°规则将定子绕组的引线头与9个绕组导电环的引线头焊接。

其中，定子绕组包括3个y接绕组，零环用于将3个y接绕组的中性点连接在一起，零环悬空不引入到主接线盒内，且本实施例中的3个零环相互独立。

将引线头焊接后经绝缘包扎，通过支撑柱与绝缘块固定在定子铁芯的端部。随后，整体进行真空压力浸漆，最后经浸水试验和介质损耗检测合格后，完成定子装配4。

可选的，每相绕组设置有绕组温度传感器，绕组温度传感器用于检测定子绕组的温度。

本实施例中的主接线盒5是电机结构中的主要组成部分，是电机内部电气件与外部线路联接的桥梁，最基本要求是防触电、防尘、防雨水。

传统三相电机所用的接线盒由于只有三相电源引入，其内部只需排布三相接线铜排或电缆，并保证安全的电气间隙和爬电距离。而本实施中电机为九相电机，需连接九相电源，其主接线盒5内部需排布九相接线铜排或电缆，数量是三相电机的三倍，同时也需要保证安全的电气间隙和爬电距离，其内部零部件和联线的排布要求更高，应尽量缩小主接线盒5的体积，满足电机安装的外形尺寸要求。

具体的，主接线盒5内部的九相铜排分别与上述导电环连接，对应的，九相铜排分为u1、v1、w1，u2、v2、w2和u3、v3、w3三组，每一组的三相铜排在主接线盒5内部按高度方向分三层排布；三组铜排在主接线盒5内部按宽度方向呈阶梯状排布，安装在绝缘座上，再把绝缘座安装到主接线盒5底部,保证电气间隙和爬电距离。

可选的，主接线盒5内增加两个绝缘固定座，用绝缘块压紧较长的铜排，防止电机振动造成电气间隙的减小和紧固件的松动，保证电气连接的稳定性。

可选的，主接线盒5内部设置接地铜排，并附带接地标识，方便用户随时安装、拆解接地线；主接线盒5外部焊接接地块，用接地电缆引出接地。

可选的，主接线盒5盖板一次性冲压成型折弯焊接，主接线盒5与机座1、盖板间加高弹硅橡胶密封垫，并采用较小的螺栓间距进行紧固，使得主接线盒5外壳满足ip55防护等级要求。

本发明实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机，包括机座、穿设在机座内的转轴，以及依次套设在所述转轴上的转子转配和定子装配。其中，机座包括筒形结构以及设置在筒形结构的一端外周上的支撑部，支撑部的顶部设置有进风装置，筒形结构的另一端的侧壁上设置有出风口，筒形结构的侧壁上还设置有主接线盒；转子装配包括转子铁芯、转子导条和端环，定子装配包括定子铁芯、定子绕组和导电环，定子绕组为九相绕组，且按照双层叠绕组方式嵌入定子铁芯，定子绕组通过导电环与主接线盒连接。上述电动机可以满足页岩气开采的压裂泵的大功率、高转矩、大过载能力的技术要求，满足页岩气开采对环境保护的要求。

基于上述实施例的压裂泵用九相变频调速异步电动机，下面对各部件的安装过程作如下说明：

定位端端盖的轴承室压入定位端轴承的外圈，用螺栓将定位端端盖压入机座的止口内；

浮动端端盖的轴承室压入浮动端轴承的外圈；转轴的右端热套内封环，装上内轴承盖，热套浮动端轴承的内圈，然后将上述装入浮动端轴承外圈的浮动端端盖装在转轴上，再装入外轴承盖，用8个gb/t5782螺栓将内轴承盖、浮动端端盖、外轴承盖拉紧为一体。

转轴的左端热套内封环，装入内轴承盖，热套定位端轴承的内圈；

将转子(包括转子导条和端环)装入定子装配内，用螺栓将浮动端端盖压入机座的止口内；

转轴的左端装入外轴承盖，用8个gb/t5782螺栓将内轴承盖、定位端端盖、外轴承盖拉紧为一体。

需要指出的是，本实施例的轴承室密封采用多道迷宫密封机构设计。

在上述实施例的基础上，本实施例提供一种压裂泵用九相变频调速异步电动机，通过在定位端轴承上设置温度传感器，实现实时监测电机轴承温度。

图3为本发明另一实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机的左视图，如图3所示，本实施例的压裂泵用九相变频调速异步电动机，还包括：

设置在定位端轴承71上的轴承温度传感器8，轴承温度传感器8与报警装置连接，报警装置用于在轴承温度传感器8测量的当前温度达到预设温度时发出报警信号。

其中，报警信号为指示灯信号、语音信号等，对此本实施例不作具体限定。

具体的，本实施例中的温度传感器按照传感器材料以及电子元特性的不同分为热电阻和热电偶两类。其中，

热电阻，即热敏电阻，是半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。热敏电阻的优势在于体积小、有较好的精度，但价格较贵，需要使用电流源。

热电偶是温度测量汇总最常用的温度传感器，其主要优势是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、低价，无需供电。

通过在定位端轴承上设置温度传感器，实现实时检测电机轴承温度，当温度过高时，与该温度传感器连接的报警装置将发出报警信号，避免电动机长期处于异常工作状态。

可选的，本实施例提供的压裂泵用九相变频调速异步电动机还包括：

设置在定位端轴承外的转轴上的转速传感器9，转速传感器9与电动机的变频器连接，变频器用于在转速传感器9测量的实时转速未达到用户输入的目标转速时，调整电动机的工作频率。

具体的，本实施例的转速传感器为霍尔式转速传感器。霍尔式转速传感器由霍尔开关集成传感器和磁性转盘组成，将磁性转盘的输入轴与被测转轴(本实施例的转轴2)相连，当被测转轴转动时，磁性转轴便随之转动，固定在磁性转轴附近的霍尔开关集成传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可测得被测转轴的转速。其中，磁性转盘上的小磁铁数目的多少，决定传感器的分辨率。

可选的，本实施例的转速传感器还可以是磁电式转速传感器、光电式转速传感器，对此本实施例不作具体限定。

本实施例通过在定位端轴承外的转轴上设置转速传感器，且将显示装置与该转速传感器连接，可实时监测电动机的转子转速。

可选的，本实施例的压裂泵用九相变频调速异步电动机还包括：辅助接线盒10，参见图3。

辅助接线盒10设置在主接线盒5对侧的筒形结构11的侧壁上；辅助接线盒10与绕组温度传感器、轴承温度传感器8和转速传感器9连接，用于向上述各温度传感器、转速传感器、报警装置、显示装置提供电源引线。具体的，

辅助接线盒10的安装面与机座1的纵截面呈20°夹角。

可选的，本实施例的压裂泵用九相变频调速异步电动机的筒形结构上设置有4个吊耳20，4个吊耳20的中心在同一水平面上，4个吊耳20用于吊运电动机。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。