在指向式旋转导向工具中,电磁离合器起到控制偏心机构动力传输,间接改变主轴方位角和偏心距离的重要作用。而与常规工况不同,用于导向钻井作业中的电磁离合器需额外满足适用于井下高温、油浴、有限安装空间及大速差下稳定结合的条件,且需具有失电自动制动功能。基于以上要求,参考市面已有的电磁离合器形式,对基于导向工具的失电制动式电磁离合器进行了结构方案设计。经过对可传递扭矩的计算验证,排除以摩擦片为结合元件的电磁离合器方案,确定采用梯形牙嵌式结合元件。以啮合齿盘齿面挤压应力和齿根弯曲应力为优化目标,优化得到离合端和制动端齿盘的齿数、齿面倾角、内外径、齿高等牙形参数。针对优化得到的齿盘模型,对其结合过程进行动力学分析,得到了离合器失电制动过程中齿盘的冲击应力、位移等动态参数的变化规律,结合过程中,啮合齿最大等效应力始终小于其材料的屈服应力,满足材料强度要求。在满足机械结构强度要求的前提下,针对已确定的离合器结构,分析得到从动件运动到不同轴向位置时所需的电磁力大小。以电磁力最大化为准则,选择有滑环型电磁离合器。基于电磁分析理论,利用等效磁路分析法对已建立的电磁离合器模型进行电磁力分析计算,在确定磁槽径向尺寸和局部轴向尺寸的前提下,利用MATLAB软件,计算得出不同线圈长度方案下满足动态电磁力要求所需的最小磁势和对应线圈长度下能提供的理论最大磁势,结果表明只有线圈长度处于50～80mm之间时,磁势才能满足理论要求。以此理论计算结果作为输入参数,利用Maxwell电磁分析软件,进行电磁力相关的仿真计算,优选得到满足动态电磁力要求的线圈规格,即线圈长度为50mm,总匝数为252匝,导线导体半径为0.579mm。对该线圈规格下的离合器电磁场进行分析,可知主要的磁饱和区域集中于磁轭内外圈底部区域,越靠近磁极端部,漏磁通越明显,且当气隙越小时,磁路中的漏磁通和边缘磁通越小,主磁通量越大。此外,考虑温度场-电磁场-结构场之间的耦合作用关系,利用Workbench平台建立了多场耦合分析系统。对热累积前这一阶段进行了电磁场-结构场耦合分析,结果表明电磁力随时间呈指数型增长趋势,最快在通电后3.58ms内即可完成啮合。另外,对热累积后系统稳态时的电磁力大小、温度分布及考虑材料热膨胀性影响下的应力分布等参数规律进行了分析,结果表明在考虑温度场影响的前提下,使有效电压最低保持为4V的水平,即可满足稳定结合的电磁力要求,且最大热应力小于10MPa,满足离合器使用要求。