顶驱液冷电机、顶驱电机液冷系统及反馈控制方法与流程

本发明涉及石油钻采设备，具体而言，涉及一种顶驱液冷电机、顶驱电机液冷系统及反馈控制方法。

背景技术：

1、在石油钻井顶部驱动装置（简称顶驱）中，电动机是核心动力部件。目前顶驱多采用三相异步或永磁同步电动机，并配强迫风冷系统。这类电机虽具有恒功率区宽、效率高等优点，但为满足钻井功率需求，通常体积大、重量重，且风冷系统缺陷显著：冷却效率易受空气密度与环境温度影响，高海拔或高温环境下效率降低。此外，风机连接结构在长期剧烈振动下易松动，致使风道密封失效、降低散热效率，风机内部的高速气流也会剥离绕组表面的绝缘层，导致绝缘失效，损坏电机，大大增加了顶驱的故障风险。

2、液冷电机凭借其高效散热、高功率密度和可靠性等优势，已在汽车、航空航天、工业自动化等多个领域应用。但在钻井行业，针对顶驱电机所采用的现有液冷方案不仅较少，且仍存在一定不足。例如，专利cn220291787u 顶部驱动钻井用液冷电机中的液冷电机冷却流道仅能冷却定子外壳，无法有效覆盖转子、轴承等关键热源，在钻井高热负荷下效率有限，且系统集成与智能化程度也较低。

3、因此，现有风冷方案环境适应性差、可靠性不足，而液冷方案又存在冷却盲区且未能与顶驱装置实现深度集成。目前，针对顶驱特定工况，能够对电机进行全方位高效冷却的集成化液冷系统仍处于空白状态，亟需一种能够同时对电机定子、转子、轴承进行协同散热的方案。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述背景技术中的至少一个技术问题，提出了一种顶驱液冷电机、顶驱电机液冷系统及反馈控制方法。

2、本发明的一个方面，提供了一种顶驱液冷电机，该顶驱液冷电机包括：电机外壳、设置于所述电机外壳内的电机定子和电机转子、穿设于所述电机转子并沿上下方向延伸的转子转轴，以及分别设置于所述转子转轴上端和下端的上端轴承室和下端轴承室，所述电机定子包括定子铁芯和设置于所述定子铁芯上的定子绕组；

3、所述电机外壳内设置有上端冷却室和下端冷却室，所述顶驱液冷电机的上端设置有与所述上端轴承室连通的冷却液进口，所述顶驱液冷电机的下端设置有冷却液出口；

4、所述转子转轴为中空结构，所述转子转轴的内部形成沿所述转子转轴的轴向延伸的主冷却流道，所述上端轴承室与所述主冷却流道的上端连通，以使从所述冷却液进口进入的冷却液流经所述上端轴承室后进入所述主冷却流道；

5、所述转子转轴在不同轴向位置分别设置有第一分流通道和第二分流通道，所述第一分流通道和所述第二分流通道分别从所述主冷却流道向所述转子转轴的外周侧延伸，所述第一分流通道与所述上端冷却室连通，所述第二分流通道与所述下端冷却室连通；

6、所述上端冷却室对应所述电机转子的上端部和所述定子绕组的上端部设置，以使经所述第一分流通道流入的冷却液对所述电机转子的上端部、所述定子绕组的上端部以及所述电机外壳的上部内壁进行冷却；所述下端冷却室对应所述电机转子的下端部和所述定子绕组的下端部设置，以使经所述第二分流通道流入的冷却液对所述电机转子的下端部、所述定子绕组的下端部以及所述电机外壳的下部内壁进行冷却；

7、所述主冷却流道的下端与所述下端轴承室连通，以使经所述第一分流通道和所述第二分流通道分流后继续沿所述主冷却流道流动的冷却液进入所述下端轴承室；

8、流经所述上端冷却室、所述下端冷却室和所述下端轴承室的冷却液在所述顶驱液冷电机的下端汇集，并经所述冷却液出口排出。

9、本发明的另一方面，还提供了一种顶驱电机液冷系统，该顶驱电机液冷系统包括：上述的顶驱液冷电机、冷却液循环回路、数据采集层、智能控制与决策层以及执行与调节层；

10、所述冷却液循环回路包括低温冷却液箱、下端冷却液箱、高温冷却液箱、循环泵、换热器、过滤器以及连接管路，所述低温冷却液箱与所述顶驱液冷电机的冷却液进口连通，所述顶驱液冷电机的冷却液出口与所述下端冷却液箱连通，所述下端冷却液箱与所述高温冷却液箱连通，所述高温冷却液箱依次经所述换热器和所述过滤器与所述低温冷却液箱连通，从而使所述冷却液循环回路形成闭式循环，所述循环泵设置于所述冷却液循环回路中，用以驱动冷却液循环流动；

11、所述数据采集层用于分别采集所述顶驱液冷电机的电机状态数据和所述冷却液循环回路的回路状态数据，并接收顶驱工况信号；所述电机状态数据包括定子绕组温度数据、上端轴承温度数据和下端轴承温度数据，所述回路状态数据包括所述冷却液进口和所述冷却液出口处的冷却液温度数据、所述冷却液循环回路中的压力数据和流量数据以及所述低温冷却液箱和所述高温冷却液箱的液位数据；

12、所述智能控制与决策层分别与所述数据采集层和所述执行与调节层通信连接，用于根据所述电机状态数据、所述回路状态数据和所述顶驱工况信号生成冷却调节指令；

13、所述执行与调节层包括流量与方向控制单元以及动力与热交换单元，所述流量与方向控制单元设置于所述冷却液循环回路中，用以根据所述冷却调节指令调节冷却液的流量和流动路径；所述动力与热交换单元包括所述循环泵和所述换热器，用于根据所述冷却调节指令控制所述循环泵运行，并通过所述换热器调节冷却液温度。

14、本发明的另一方面，还提供了一种反馈控制方法，该反馈控制方法应用于上述的顶驱电机液冷系统，该反馈控制方法包括：

15、获取所述顶驱工况信号，并根据所述顶驱工况信号确定顶驱工作状态；

16、根据所述顶驱工作状态确定对应的冷却模式，并获取所述冷却模式对应的冷却液目标温度、冷却液基准流量和控制初始参数，所述控制初始参数包括初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数；

17、获取所述数据采集层采集的冷却液实时温度，并根据所述冷却液实时温度和所述冷却液目标温度确定温度偏差；

18、根据所述控制初始参数和所述温度偏差，采用比例积分微分控制算法计算反馈流量修正量，并根据所述冷却液基准流量和所述反馈流量修正量确定冷却液目标流量；

19、生成用于使冷却液流量达到所述冷却液目标流量的流量调节参数，并根据所述冷却模式确定换热控制参数，生成包括所述流量调节参数和所述换热控制参数的冷却调节指令；

20、将所述冷却调节指令发送至所述执行与调节层，以使所述执行与调节层根据所述流量调节参数调节冷却液流量，并根据所述换热控制参数控制所述换热器对冷却液进行换热，以调节冷却液温度。

21、本发明的有益效果为：

22、本发明实施例通过在转子转轴内部设置轴向延伸的主冷却流道，并利用第一分流通道和第二分流通道将主冷却流道内的冷却液分别引入上端冷却室和下端冷却室，使冷却液在流经上端轴承室后，能够分别对电机转子的上下端部、定子绕组的上下端部以及电机外壳的上下部内壁进行冷却，分流后继续沿主冷却流道流动的冷却液还能够对下端轴承室进行冷却，从而扩大电机内部液冷结构的冷却覆盖范围，实现对转子端部、定子绕组端部、上下端轴承和电机外壳的协同散热，有利于减少局部冷却盲区和热量积聚；同时，主冷却流道和分流通道集成于转子转轴，且各冷却室设置于电机外壳内，有利于提高液冷结构与顶驱电机本体的集成程度。