顶驱钻井装置是自20世纪80年代问世以来迅猛发展,并在石油钻井特别是深井钻井、复杂井钻井和海洋钻井中获得了广泛的应用。它是当今石油钻井的前沿技术与装备,已成为石油钻井行业的标准产品,代表着钻井工艺技术、机电液一体化石油专用设备的最高水平和21世纪钻井设备的发展方向。近年来,国外顶驱技术发展呈现出多种趋势:顶驱结构从固定式向可拆卸式发展;外形体积向小型化方向发展;采用反扭矩梁;驱动形式向AC变频电驱动方向发展。目前,我国与国外相比仍有一定差距,主要表现为顶驱电机还基本依靠进口,且整体尺寸大、质量大、低速时电机功率因数低等。因此,研究顶驱钻井装置动力驱动系统,提高钻井设备的性能和功率利用率,具有重要的意义。开关磁阻电机调速系统在性能上日臻完善,在调速领域显示了其独特的优越性,如起动电流小、起动转矩大、低速过载能力强等,因此,以开关磁阻电机作为顶驱电机具有很大的发展潜力。为提高顶驱钻井装置传动系统的效率,以三轴式星型内齿行星齿轮传动系统作为顶驱钻井装置的动力传动系统,其突出优点是构件少,体积小,结构简单,效率高,承载能力强,这符合顶驱钻井装置的发展要求。本文分析了顶驱钻井装置的负载特性,设计了基于三轴式星型内齿行星齿轮传动系统的顶驱减速装置,对其重要部件进行了分析校核,并针对内齿行星齿轮传动系统进行了效率分析;设计了基于四相8/6极开关磁阻电机的顶驱电机总体结构和冷却系统,以Motorola DSP56F805为控制核心设计了基于直接转矩控制策略的顶驱电机软硬件控制系统,并在实验室内进行了模拟试验。试验结果表明,以三轴式星型内齿行星齿轮传动系统作为顶驱减速箱,工作正常,运行平稳,全速时振动小,主轴运行效果理想。开关磁阻电机动态跟随性能好,抗干扰性能优良,可靠性好,控制灵活,满足顶驱钻井的性能要求。