指向式旋转导向系统是目前国际上最先进的导向钻井工具,而我国至今没有可用于生产的指向式旋转导向系统,井下大功率发电机的研制是技术难点之一。井下发电机的难点有:在高温和有限空间内保证输出功率最大的情况下,如何使得发电机损耗达到最小,以及如何稳定井下发电机的输出电压。本文对井下大功率发电机的设计和优化问题进行了深入研究。首先,根据指向式旋转导向系统井下发电机的安装位置和工作环境提出了指向式旋转导向系统井下发电机整机的拓扑结构和内部结构的选取方法。并考虑在不同频率和磁感应强度的情况下的铜耗和铁耗的计算方法,进一步提高了永磁同步发电机损耗计算的精确度,为进一步的研究提供了理论基础。其次,提出变磁链法,以解决井下发电机输出电压随着钻井液排量变化而大幅度变化的问题。建立了永磁同步发电机派克方程,求得发电机在不同转速下定转子需要耦合的长度数值,利用Ansoft有限元分析软件验证了该方法的正确性,为井下自稳压发电机的研制打下了理论基础。为实现井下发电机输出功率最大化和损耗最小化,采用田口实验分析法,分别以井下发电机的输出功率最大化、损耗最小化等为目标,对发电机结构参数进行了优化设计,验证了这种优化方法可以快速地实现单目标结构优化。进一步,为实现井下发电机输出功率最大化和损耗最小化的最优组合,将模糊控制法与田口实验分析法相结合,对额定输出功率3kw的井下永磁同步发电机样机进行多目标优化,找到多目标下发电机结构参数的最优组合,达到了既能满足井下系统用电需求,又实现损耗相对较低的目的。最终经过实验室高温考核和负载实验,验证了井下发电机优化效果。在150度高温环境下实现长期工作,且永磁体无退磁,绝缘无降低,输出电压调整率低于10%。通过北京石油机械厂泥浆环路实验测试,可以驱动指向式旋转导向系统在清水环路中实现导向作业,各项指标满足系统供电需求。