CN101317313B - 使用低速直接驱动交流电动机的顶部驱动钻井系统及其它应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动机轴速度为大约300rpm的低速交流电动机，这种电动机应用于例如顶部驱动钻井系统的许多工业和装置中。因为轴转速很低，所以不再需要机械减速装置。另外，电动机轴可为中空的，从而有利于例如钻井泥浆的流体流动。

Description

使用低速直接驱动交流电动机的顶部驱动钻井系统及其它应用

技术领域

本发明总体涉及低速交流电动机，更特别地，涉及在例如顶部驱动装置的直接驱动应用中使用的低速变频交流电动机。

背景技术

多年来，在工业上使用交流电动机作为原动机。典型的交流电动机设计成在3,000到3,600rpm或更高的速度下运转。在电动机提供的动力可以使用之前，使用交流电动机的许多工业应用和过程必须通常通过机械齿轮传动来降低电动机转速。在石油领域中，例如，传统的顶部驱动钻井系统可以使用变频交流电动机作为原动机。尤其是，交流电动机用于在钻井作业期间提供旋转钻柱和钻头所需要的转矩。钻头并且因此顶部驱动装置的旋转速度相对较低，典型地为100到300rpm，更典型地为大约150rpm。在顶部驱动应用中使用的传统的变频交流电动机具有十倍于钻头转速或1000到3000rpm的电动机转速。因此，对于顶部驱动系统而言，通常包括例如变速箱的减速装置以使交流电动机的旋转速度降至更为可用的旋转速度。例如如上所述的变速箱的减速装置增加了系统成本，增加了检修需求，增多了可能失效部件的数目并且增大了系统重量。

本专利申请公开了一种使用低速变频交流电动机的新颖的顶部驱动钻井系统，其不需要附加的减速装置来实现100到300rpm的旋转速度，因此，尤为适合于直接驱动应用。

发明内容

本发明提供了一种使用低速交流电动机的顶部驱动钻井系统，该系统包括：电动机架；定子组件，该定子组件固定到电动机架上并且包括压紧成定子芯的多个定子叠片；转子组件，该转子组件包括空心管状支架(spider)和转子芯，所述空心管状支架具有多个肋材，所述肋材位于外表面上并且定向成使肋材的长度与管长度相符，所述转子芯包括固定到支架肋材的径向外表面上的多个压紧转子叠片；其上联接有转子组件的空心电动机轴；第一和第二轴承组件，其安装在电动机架和电动机轴之间以使得转子芯可以相对于定子组件旋转；和用于产生脉宽调制信号的电动机驱动装置，所述驱动装置使电动机轴以低于大约500rpm的速度旋转从而避免使用减速装置来实现大约100到大约300rpm的电动机轴转速。

根据本发明的一个方面，提供了一种使用低速交流电动机的顶部驱动钻井系统，包括：

电动机架；

低速交流电动机，所述低速交流电动机包括：

定子组件，该定子组件固定到电动机架上并且包括压紧成定子芯的多个定子叠片；

支架，所述支架包括具有多个肋材的空心管，所述多个肋材位于空心管的外表面上并且定向成使肋材的长度与空心管长度相符，其中所述多个肋材中的每一个具有径向外表面；

转子芯，所述转子芯包括固定到支架肋材的径向外表面上的多个压紧转子叠片；

空心电动机轴，支架连接到所述空心电动机轴上；

第一和第二轴承组件，其安装在电动机架和空心电动机轴之间以使得转子芯能相对于定子组件旋转；和

电动机驱动装置，其用于产生可变频率脉宽调制信号以便按0到300rpm的速度驱动交流电动机，从而避免使用减速装置。

优选地，所述交流电动机还包括产生8个电极的三相三角形绕组，并且电动机驱动装置提供10Hz的基础频率。

优选地，所述顶部驱动系统还包括制动组件，所述第一和第二轴承只支撑转子组件和制动组件的重量。

优选地，所述定子组件通过暗销接合到电动机架上以承受500％满载转矩。

优选地，所述支架通过榫接来接收肋材，所述肋材焊接到空心管上并围绕空心管的周边隔开，并且所述肋材的纵向轴线与空心管的纵向轴线对准，使得任何一个肋材都能承受高达500％满载转矩。

优选地，所述第一轴承为球面滚柱轴承并且与转子和电动机架电绝缘，所述第二轴承为柱形滚柱轴承并且与转子和电动机架电绝缘。

附图说明

在结合附图阅读时，可以更好地理解本发明的前述发明内容、具体实施方式及其它方面，其中：

图1显示了根据本发明的直接驱动的顶部驱动钻井系统；

图2显示了可以在图1所示顶部驱动系统中使用的交流电动机的一个实施例；

图3显示了用于根据本发明的交流电动机的定子叠片；

图4显示了用于根据本发明的交流电动机的定子组件；

图5显示了用于根据本发明的交流电动机的定子组件的端视图；

图6显示了位于根据本发明的交流电动机的定子组件内部的转子组件的端视图；

图7显示了根据本发明的交流电动机的剖视图；

图8显示了可以在根据本发明的交流电动机中使用的转子叠片；

图9显示了可以在根据本发明的交流电动机中使用的转子支架；

图10显示了用于根据本发明的交流电动机的转子组件单元的横截面；

图11显示了图2所示交流电动机的端视图。

尽管此处公开的发明易于实现各种改进和可选形式，但是在附图中只以举例方式显示并在下文详细描述了几个特定实施例。这些特定实施例的附图和详细说明不用于以任何方式限制本发明构思或所附权利要求书的广度或范围。相反，本发明提供的附图和详细说明按照35U.S.C.§112所要求为所属技术领域的普通技术人员解释本发明的构思。

具体实施方式

总体地说，申请人发明了一种新的顶部驱动钻井系统，该系统使用无需机械减速装置的低速变频交流电动机。此处公开的交流电动机能够以从0rpm到大约300rpm的速度运转，并且可以由传统的脉宽调制(PWM)变速驱动装置控制，所述变速驱动装置例如为Oilfield-Electric-Marine的市售V3000有效能量管理驱动装置(ActiveEnergy Management Drive)。

本发明中使用的交流电动机可以在例如此处描述的顶部驱动钻井系统、油气勘探工业中使用的绞车系统、用于大型采矿车辆的驱动系统、挖掘设备以及需要高转矩和低速动力的许多其它应用方面得到应用。对于本申请来说，将要对新颖、独特的顶部驱动钻井系统进行详细描述。应当清楚的是，本发明并不因为顶部驱动系统是此处公开的实施例而局限于只在这种顶部驱动系统中使用。

根据本发明的电动机可以构造为具有大约1500马力以及在600伏特电压下以0到大约300rpm的速度运转。电动机可以设计有以Δ(三角形)方式接线的8个电极，以及10Hz的逆变电源频率，从而实现150rpm的基础转速。这种设计使得电磁设计良好平衡，并且考虑了可用空间内的实际槽数。另外，电动机轴可为中空的，从而允许钻井泥浆穿过其中，而不需要单独的管道系统以给电动机设旁路。电动机轴承可以设计为(在优选实施例中设计为)只支撑转子和制动器组件，但是不支撑钻柱的重量。可以通过空气或水循环提供电动机冷却。另外，电动机可以进行机械制动，通过将能量耗散到PWM驱动装置中进行动态制动，通过例如为飞轮的能量回收系统进行制动，或者通过组合方式制动。

图1显示了包括有低速、直接驱动交流电动机12的根据本发明的顶部驱动钻井系统10。图1还显示了能够给电动机12提供PWM驱动信号并动态制动电动机12的传统的变频驱动装置13。可选地，图中还显示了能量回收制动系统15。

电动机12包括转子组件14、定子组件16、电动机外壳18、冷却系统20、rpm编码器22和机械制动系统24。图2显示了适用于本发明的交流电动机的一个优选实施例的透视图。可以看到，定子组件16位于电动机外壳18内。可以看到，中空电动机轴26连同冷却口28和30一起位于电动机12的顶端。图2中没有显示冷却空气排放歧管156，该歧管在暴露的定子组件16上方彼此相对地定位。

现在对定子组件16进行更详细地描述，该定子组件可以包括叠片40(参见图3)，该叠片优选地由50Hz频率下额定为400watts/sqm的0.5毫米厚的预涂覆电工钢片，例如低硅(Losil)碳钢(470-50-A5，具有LS涂层)制成。可以参考英国技术规范British Specification BS6404：Section 8.4。为了使成本降到最低，可以利用单个或连续的环状叠片设计定子。在本发明中可以实施的可选方案为由多个部分(segment)制成定子叠片(未显示)。这个可选方案虽然可行，但不是优选实施例，这是因为该方案增加了部件数量和导致复杂性，从而产生较高的电动机成本。

典型地，申请人发现宽度直到1240毫米的叠片40的材料都是市场上可以买到的。直径大于1240毫米的叠片40可以从这些片材上切割，产生具有四个小平面(small flat)42的改型圆叠片40。优选的设计为真正的圆形叠片，但是图3所示的改型叠片40是可接受的。当使用图3的改型叠片40时，在电气设计计算中可使用大约1260毫米的有效直径。当然，通过将各种直径的改型叠片40与未改型圆叠片的磁性能进行比较可以经验地确定更为精确的有效直径，或者通过根据由于所述平面而损失的面积或其它性能(例如磁通密度)而计算有效直径来分析确定更为精确的有效直径。1240毫米的较小直径对定子芯内的磁通密度产生影响，并因此对磁化电流产生影响，两者都可以并且已经在设计中加以解决。实际上，申请人已经发现由于叠片40的大部分处于较大直径，因此这些小平面42具有很小的影响。叠片40的增大直径由于其增大了可用于冷却的面积因而更为有利。每个叠片40还包括多个齿44和槽46。在所述实施例中，定子叠片40具有144个槽。

如图4所示，定子叠片40优选地组装为多个定子组(stator pack)48，每个定子组包括多个单独的叠片40。在目前描述的实施例中，每个定子组48包括大约132个叠片40，从而使定子组48具有大约66毫米的厚度。每个定子组48可以与其相邻的定子组48隔开以允许冷却空气或流体循环。定子组48可以由多个径向定向的垫片50隔开。在优选实施例中，垫片50为大约10毫米宽乘3毫米厚的金属条材。垫片可以(优选地通过焊接)固定到暴露的相邻叠片40的表面上。在优选实施例中，这些条材形成用于冷却系统的通道。图4所示定子组件16具有18个定子组48。

转向图5，定子组48可以一起固定在两个压紧板60之间，定子组件16的每一端具有一个压紧板。在图5所示实施例中，定子组件16通过一个或多个连接件或杆62连接在一起。具有与叠片40大体上相同轮廓的传送板64放置在第一定子组48和压紧板60之间以及最后一个定子组48和另一压紧板60之间。传送板64帮助将压紧力传送给整个组件16，例如传送给每个叠片齿44，从而保持所希望的芯部压力。在图5所示的优选实施例中，压紧板60和传送板64为分离的结构。可选设计可以包括组合压紧/传送板，其与叠片40的轮廓大体上匹配以将压紧力有效地传送给整个组件16。

所述一个或多个杆62可以固定到叠片40和/或定子组48上，在优选实施例中，杆62焊接到交替的定子组48上。在优选实施例中，定子组件16利用例如液压机压紧到大约100psi，芯杆62在组件被压紧的同时固定到定子组48上。垫片50和/或杆62可例如通过切短而进行改型，其中，它们相交或彼此相邻以确保不会产生对冷却剂循环造成干扰的封闭凹穴(pocket)。

在优选实施例中，完全形成定子线圈，这些定子线圈围绕2.9毫米厚乘8.2毫米宽的铜条材叠绕。定子线圈优选地使用绝缘系统进行绝缘，所述绝缘系统包括位于单个条材上的Kapton和云母绝缘体，其后具有位于整个定子组48上的云母和玻璃层或涂层。铜条材(例如线圈)上使用的绝缘系统适用于至少高达1500伏特的电压。定子组件16上使用的绝缘体提供了附加的介电保护和机械强度。线圈可按传统的方式，例如利用槽衬，插入叠片槽46中。线圈可以固定在适当的位置上并且在优选实施例中利用玻璃楔固定在适当的位置上。卷绕的定子组件可以在真空压力下灌注导电树脂，例如H级树脂、环氧树脂或聚酯。

例如图4和6所示的定子绕组突出部70可以并优选地被支撑以防止短路。定子优选但并非必需地以Δ方式卷绕，具有八个并联电路。在优选实施例中，并联电路在绕组突出部的端部连接到十二个铜集电环上，将定子组件16有效地分成六个部分，每个部分具有两相。电缆可例如通过接线片直接连接到集电环上，并且电缆可以构造成使电动机能按照需要在600V或1200V的电源电压下运转。参见图4。定子组件可以包括温敏装置，在优选实施例中，包括六个热敏电阻和六个RTD，每个定子部分一个。温度传感器可用于给交流电动机驱动装置例如变频驱动装置提供反馈。

定子组件16定位在外壳18内，如图2所示。在优选实施例中，定子组件以略微干涉配合的方式压入电动机外壳18中。干涉配合通常足以使定子相对于框架定位，在优选实施例中，干涉配合位于压紧板60的外径和外壳18之间。定子组件16还可用暗销接合到或按其它方式附接到外壳18上。在优选实施例中，使用适当数目的螺旋暗销，它们具有满载转矩的500％的负荷承载能力。

优选的定子组件16的安装方法包括，沿竖直方向定位外壳18使得定子组件16可以降至外壳中，将外壳18加热到足以克服未加热或冷却的定子组件的干涉配合，使定子组件16相对于外壳18定向，将定子组件16降入外壳18中。如图7所示，外壳18具有一个或多个定子止挡件32，例如肩部，从而将定子组件正确地定位在外壳内部。可以使用附加的固定方式，例如焊接或紧固件，来限制定子组件16相对于外壳18的轴向和/或旋转运动。通过在外壳18和一个或多个定子压紧板60内钻出导孔34可以加上优选实施例的螺旋暗销。

现在转向如图8所示的转子，转子组件14可由与制造定子组件16相同或相似的材料制成。在优选实施例中，转子叠片80为0.5毫米厚的预涂覆叠片，其与定子叠片40所用的材料相似或相同。如下文将要更详细描述的那样，每个转子叠片80可以具有一个或多个定向装置，例如键槽81，从而使叠片相对于转子组件14定向。每个转子叠片80具有多个按照传统交流电动机设计的转子槽。对于这里描述的优选实施例而言，每个转子叠片具有160个转子槽83。

与定子组件16类似，转子组件14包括多个转子组(rotor pack)82，每个转子组包括多个单独的叠片80。参见图9。在目前描述的实施例中，每个转子组82包括大约132个叠片80，从而使每个转子组82具有大约66毫米的厚度。与定子组件16一样，出于传热目的，每个转子组82可与其相邻组82隔开。在优选实施例中，转子组件14在相邻的转子组82之间使用金属条材垫片50，所述垫片具有大约10毫米宽乘3毫米厚的尺寸。垫片可以(优选地通过焊接)固定到暴露的相邻叠片80的表面上。在优选实施例中，这些条材形成用于冷却剂系统的通道84。

转子组82的组装也可以利用传送板86和压紧板88在每端完成从而保持作用于每个转子组82内的各个转子齿上的压力。如同定子一样，压紧板和传送板可以组合。在优选实施例中，压紧板88突出，使得它可以在施加压力时略微成盘状，从而确保压力施加在叠片的质心上。

转子组82的组件装配在转子支架90上，图9和10显示了其一个优选实施例。优选的转子支架90包括具有多个径向延伸的肋条或支腿94的中央空心管92。图9显示了具有六个径向延伸的支架支腿94的转子支架90，所述支腿围绕管92的周边隔开。支腿94的纵向轴线与管92的纵向轴线对准。支腿94可以榫接或槽接到管92中并焊接以便在制造支架时确保几何精度。支架90设计成使一个支腿94可以抵抗电动机满载转矩的500％而不会产生明显的塑性变形。一个或多个支腿94的一端具有肩部96，转子组82抵靠所述肩部定位。支架90具有将该支架隔离成两个冷却回路的中间盘93。如图10所示，在支腿94上可以使用加强肋条从而减小在支架90机加工期间由于间歇切削产生的振动。

优选地，每个叠片80并且因而每个转子组82与支腿94的外表面98具有微小的干涉配合。通过例如在图8中所示的键槽81的若干种方式，可以提供将转子组82固定到支架90上的附加固定。转子组82的组件可以在大约100psi下压紧到支架肩部96上，并且组件被锁定在支架支腿94上的适当位置处。导体(优选地铜杆)定位在转子槽78中，随后固定就位。使用螺旋暗销的传统杆锁定(Barlock)系统适用于这一任务。

转子支架90优选地冷缩配合安装到电动机轴100上(参见图6和7)。支架管92的每个端部处的内径部分102和104提供了干涉配合(图10)，其中所述部分与电动机轴100之间为间隙配合。这种干涉配合方案允许在机加工管92的内径表面期间保持尺寸精度。否则，机械工具的作用范围将非常长，可能导致保持尺寸公差方面的困难。干涉配合设计成按照在最小配合情况下计算的结果，传递最少230％满载转矩。这为经中空电动机轴100行进的钻井泥浆的温度留有余地。轴100和支架90之间的任何温差都将增大轴100和支架90之间的介面压力。在泥浆的最高温度为大约100℃的情况下，设想60℃的温差是可能的。轴100和支架90之间的干涉配合可以设计成(在优选实施例中已经设计成)提供转矩传递和应力之间的平衡。同样，在优选实施例中，利用只位于一个部分102或104上的轴向键106增强冷缩配合(图7)。

图11显示了用于顶部驱动钻井系统10的优选电动机12的驱动端视图。电动机端板160设置有一个或多个附接点162，例如衬垫，以附接机械制动系统(图1中的24)。在优选实施例中，盘式制动器转子142附接到电动机轴100上，一个或多个(四个)优选的卡钳安装到端板160上。圆盘142的边缘可起到用于变频驱动装置13的速度编码器22的记录器的作用。图11还示出了电动机轴100中的内花键170。在优选实施例中，两组花键170由适于接收例如弹性O形环的密封件(未显示)的凹槽或其它结构隔开。花键170允许被驱动的轴或管172相对于电动机轴100运动，密封件防止电动机轴100/被驱动的管172组件以外的流体连通(例如，钻井泥浆)。

回看图7，转子组件14和电动机轴100显示为定位在电动机外壳18中。顶部转子轴承110为球面滚柱轴承，例如SKF型号QJ 1068M。对于卧式电动机应用，例如绞车来说，可以使用SKF型号23068CC/W33M。按照150rpm转速并且只有来自电动机转子推力的情况，这些轴承具有超过100,000小时的设计寿命。这些轴承为脂润滑的，并且润滑脂嘴可以定位成靠近电动机12的边缘以将润滑脂迫入两排滚柱之间。过量的润滑脂可排入润滑脂释放腔112中，所述润滑脂释放腔可在需要时排空。在优选实施例中，轴承110利用轴螺母114连同锁定突片垫圈(tab washer)116固定就位。在螺母114之下具有甩水圈以防止雨水聚集在轴承密封的顶部。在优选实施例中，轴承与电动机之间没有密封。顶部轴承架120具有绝缘以防止可能损坏性的电流通过轴承传导。保持轴承架的紧固件装有绝缘垫圈和衬套以防止绝缘体桥接。轴承架还安放于突起的平台上以减小绝缘体与滞水发生桥接的可能性。

底部转子轴承130可以为柱形滚柱轴承，例如SKF型号NU1072M，其适用于立式或卧式电动机12。这种轴承也具有超过100,000小时的寿命。这种轴承的润滑脂布置方案与顶部轴承110类似。底部轴承130具有内侧密封132以防止轴承免受由于电动机内积聚而造成的进水的影响。底部轴承可以装有简单的夹钳136以将轴承锁定在适当的位置上，从而防止传递过程中的振动损坏。夹钳136只是在其间隙内推动轴承尽量靠一边。夹钳136必须在电动机12运转之前移开。

应当考虑钻井泥浆温度对轴承110和130的影响。流过电动机轴100的泥浆影响将提高内轴承座圈的温度，从而有可能减小轴承内的间隙。尽管人们试着增大轴承间隙来克服这种影响，但是，当轴承冷却(即，未由钻井泥浆加热)时，轴承间隙有可能过大，从而使轴承受损。在优选实施例中，由于电动机轴100的较低转速，使用标准轴承间隙。

电动机12可以按各种方式冷却，但是在这里公开的优选的顶部驱动装置实施例中，电动机12通过强制空气循环而冷却。环境空气或冷却空气从电动机12的顶端或非驱动端通过冷却口28和30引入。在优选实施例中，分别供电的15马力离心风扇150安装在电动机12的顶部以提供冷却空气。每个风扇可按大约3,000cfm的转速运转。如果一个风扇失效，这种布置方案允许电动机可能以较低的输出继续运转。每个冷却口28和30具有导流板150，其有效地将气流分成两部分，一部分用于电动机12的上半部，另一部分用于电动机12的下半部。根据热传递分析，在每个风扇中可以设置附加导流以分配由导流板150分开的空气量。空气在定子端部绕组上方流过并从每个端部流入饼形支架部分159。空气随后通过位于转子组82之间的径向通道排出并流入定子组件16中的相邻径向通道。

允许空气从两个点进入电动机12的顶部和底部改进了冷却空气在电动机12中的分布。空气通过沿着电动机12并离开电动机12的排放歧管156(图7)在两侧从电动机排出，从而降低空气再循环的风险。排放歧管设计成防止雨水进入电动机12。

这里描述的电动机12可以在例如顶部驱动钻井系统、钻井绞车系统、泵、挖泥机设备、采矿车辆和需要低速(例如，0到300rpm)动力的许多其它应用的各种装置中使用。本发明无需昂贵且高度维护的减速装置。

以上对优选及其它实施例的描述不限制或局限由申请人设想的发明构思的范围或应用。作为公开本发明的优选实施例的交换，申请人要求为专利法所允许的所附权利要求书的最广泛的范围。

Claims (6)

1.一种使用低速交流电动机的顶部驱动钻井系统，包括：

电动机架；

低速交流电动机，所述低速交流电动机包括：

定子组件，该定子组件固定到电动机架上并且包括压紧成定子芯的多个定子叠片；

支架，所述支架包括具有多个肋材的空心管，所述多个肋材位于空心管的外表面上并且定向成使肋材的长度与空心管长度相符，其中所述多个肋材中的每一个具有径向外表面；

转子芯，所述转子芯包括固定到支架肋材的径向外表面上的多个压紧转子叠片；

空心电动机轴，支架连接到所述空心电动机轴上；

第一和第二轴承组件，其安装在电动机架和空心电动机轴之间以使得转子芯能相对于定子组件旋转；和

电动机驱动装置，其用于产生可变频率脉宽调制信号以便按0到300rpm的速度驱动交流电动机，从而避免使用减速装置。

2.如权利要求1所述的顶部驱动钻井系统，其中，所述交流电动机还包括产生8个电极的三相三角形绕组，并且电动机驱动装置提供10Hz的基础频率。

3.如权利要求1所述的顶部驱动钻井系统，还包括制动组件，所述第一和第二轴承只支撑转子组件和制动组件的重量。

4.如权利要求1所述的顶部驱动钻井系统，其中，所述定子组件通过暗销接合到电动机架上以承受500％满载转矩。

5.如权利要求1所述的顶部驱动钻井系统，其中，所述支架通过榫接来接收肋材，所述肋材焊接到空心管上并围绕空心管的周边隔开，并且所述肋材的纵向轴线与空心管的纵向轴线对准，使得任何一个肋材都能承受高达500％满载转矩。

6.如权利要求1所述的顶部驱动钻井系统，其中，所述第一轴承为球面滚柱轴承并且与转子和电动机架电绝缘，所述第二轴承为柱形滚柱轴承并且与转子和电动机架电绝缘。

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