井下电动钻具钻井效率高,可显著降低油气开采成本,是实现深井油气资源高效低成本开发的重要途径,具有良好的应用前景。井下潜油电机作为电动钻具的核心部件,需具备高转矩密度和高可靠性等特性。永磁游标电机结构简单、转矩密度高,但传统的表贴式永磁游标电机存在功率因数偏低以及转子结构可靠性较差等问题。低功率因数会导致变频器容量加大从而增加成本,而表贴式转子在装配和运行过程中存在永磁体破碎或脱落隐患,其可靠性难以保证。本文以电动钻具为应用背景,提出采用交替极永磁游标电机作为井下电动钻具电机,并围绕其槽极配合、绕组型式选择以及定转子尺寸优化等方面开展系统深入的设计研究。首先,阐述了交替极永磁游标电机的结构和工作原理,通过与传统表贴式永磁游标电机的对比,揭示了交替极永磁游标电机结构更为可靠、永磁体用量更少和极间漏磁更少等优势。根据磁动势和磁导简化磁路模型,推导了交替极永磁游标电机的磁动势、气隙比磁导、气隙磁密、反电势以及电磁转矩的解析表达式。与传统表贴式永磁游标电机相比,交替极永磁游标电机磁动势含有偶次谐波,且气隙磁导和磁密谐波含量更高。进一步对两者的气隙磁密、空载反电势、电磁转矩和功率因数等电磁特性进行对比研究。结果显示交替极永磁游标电机在减少一半永磁体用量情况下可以获得与表贴式方案相同的转矩性能,但功率因数会变得更低。然后,针对交替极永磁游标电机功率因数低和结构可靠性的问题,开展进一步的电磁设计和优化。在综合考虑转矩和功率因数性能的条件下选择槽极配合和绕组型式,并分析定子主要尺寸对电磁性能的影响。在此基础上,对三种不同结构的交替极转子分别进行设计与优化。针对内置式交替极转子中永磁体外围极靴漏磁大的问题,提出非导磁极靴转子的设计方案,有效提高了输出转矩。通过对三种优化后的交替极转子方案进行综合性能对比研究,发现在同样输出转矩条件下,采用内置式交替极转子结构,可靠性最高,而且电机功率因数相比传统表贴式永磁游标电机提高了约12%,满足井下电动钻具电机性能要求。最后,设计并研制了一台定子18槽4对极、转子14对极的内置式交替极永磁游标小型样机,通过空载和负载实验分别测试了样机的空载反电势、输出转矩、功率因数和效率,并与有限元仿真结果进行了对比分析,验证了所提出的内置式转子交替极永磁游标电机方案的可行性以及电磁设计的准确性。