基于峰谷交替散热结构的直驱式海上永磁同步发电机热性能优化研究

为解决大功率海上永磁风力发电机（OIR-PMWG）在斜轴通风结构（DA-VS）下的散热难题，研究人员提出两种峰谷交替散热结构（PartB/PartC），通过流体-热耦合三维模型分析发现，PartC方案使散热片间流速提升11.5%、绕组温度降低9.6°C，为海上风电装备冷却设计提供新思路。

　　

随着全球海上风电向深远海发展，单机容量已突破18MW，但高温、高湿、盐雾环境及变负荷运行导致发电机面临绝缘老化、永磁体性能退化等严峻挑战。传统径向通风结构虽能缓解散热压力，却会牺牲电磁性能，而水冷系统又因结构复杂难以推广。如何在不影响发电效率的前提下提升大功率直驱永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG）的散热能力，成为制约海上风电可靠性的关键瓶颈。

北京交通大学的研究团队以5MW斜轴通风结构海上内转子永磁风力发电机（Offshore Inner Rotor-PMWG, OIR-PMWG）为对象，通过建立考虑旋转效应的三维流体-热耦合模型，首次揭示了机壳表面散热片结构对内部温度场的调控机制。研究发现，传统散热片会在发电机内部形成6个主要涡流区，导致气流分布不均。团队创新性提出峰谷交替散热结构，通过调整散热片风阻实现流量重分配。有限体积法计算表明，PartC方案使散热片间空气流速提升至11.5%，关键部位绕组温度降低9.6°C，显著提升斜轴通风系统效率。该成果发表于《Sustainable Energy Technologies and Assessments》，为深远海大功率风电装备的轻量化散热设计提供理论依据。

研究采用三大关键技术：1）基于流体动力学与传热学的三维多物理场耦合建模；2）有限体积法（Finite Volume Method）求解旋转工况下的温度-流场；3）通过参数化对比分析PartB/PartC两种峰谷交替散热片的风阻特性。

【Flow patterns and distribution of fluids inside the generator】
通过1/16对称模型仿真发现，斜轴通风结构在机壳内形成6个特征涡流区（标记为1-6），其中转子侧涡流导致20%的冷却气流滞留，是制约散热效率的主因。

【Influence of heat sink structure on generator temperature rise】
对比传统结构，峰谷交替设计的PartC方案通过优化气流路径，使散热片间平均流速从2.3m/s提升至2.56m/s，峰值流速增幅达11.5%，绕组热点温度从98.4°C降至88.8°C。

【Conclusion】
该研究证实，机壳表面散热片结构能显著改变内部流场分布，峰谷交替设计通过打破气流对称性抑制涡流产生。相较于复杂的水冷系统，这种低成本结构改造方案更适合恶劣海洋环境应用，为未来20MW级海上风电散热设计提供新范式。

Weili Li团队指出，该方案在保持电磁性能的同时，将散热片加工成本降低15%，其成果已应用于中国东部某5MW海上风场。研究同时发现，盐雾沉积对散热片间隙的长期影响仍需进一步验证，这将是团队下一步重点攻关方向。