相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)于2015年9月25日作為pct國際專利申請(qǐng)?zhí)峤?，并且要求?014年9月25日提交的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)62/055,373的權(quán)益，所述美國專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容通過引用全部并入到本文中。

本公開涉及可用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備應(yīng)用(例如體積膨脹壓縮裝置、齒輪系、泵和混合裝置)中的旋轉(zhuǎn)部件和由旋轉(zhuǎn)部件構(gòu)成的組件。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)子通常用于需要壓縮或移動(dòng)流體的應(yīng)用中以及期望從流體中去除能量的應(yīng)用中。在一個(gè)實(shí)例中，壓縮機(jī)或增壓器利用一對(duì)轉(zhuǎn)子來增加進(jìn)入到內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣口的氣流。在另一個(gè)實(shí)例中，體積流體膨脹器包括一對(duì)轉(zhuǎn)子，所述一對(duì)轉(zhuǎn)子使工作流體膨脹以在輸出軸處產(chǎn)生有用功。在其它應(yīng)用中，例如在齒輪系、泵和混合裝置中，也利用旋轉(zhuǎn)部件。在許多此類應(yīng)用中，已知提供具有帶固體橫截面積的單體構(gòu)造的機(jī)加工的或鑄造的旋轉(zhuǎn)部件。

典型的根式裝置具有圍繞相應(yīng)軸線旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)轉(zhuǎn)子。所述轉(zhuǎn)子包括彼此相互嚙合的突齒。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)被定時(shí)，使得轉(zhuǎn)子不會(huì)彼此接觸。典型的轉(zhuǎn)子由被精加工成所需形狀的擠壓鋁制成?？梢栽谵D(zhuǎn)子上使用可磨耗涂層，以提供轉(zhuǎn)子與其相應(yīng)的轉(zhuǎn)子殼體之間的緊密公差。

使用鋁制造根式轉(zhuǎn)子存在許多問題。例如，鋁相對(duì)較重，這導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)時(shí)間和寄生損失減小。另外，與鋁轉(zhuǎn)子相關(guān)的重量可能存在離合器耐久性的問題。此外，擠出然后精加工鋁可能是相當(dāng)昂貴的工藝。與鋁相關(guān)的優(yōu)勢(shì)包括制造極其精密的零件的能力。另外，鋁構(gòu)造在根式轉(zhuǎn)子的根部提供很大的強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本教導(dǎo)通常包括一種復(fù)合轉(zhuǎn)子組件，所述復(fù)合轉(zhuǎn)子組件包含軸和安裝到所述軸上的轉(zhuǎn)子本體。所述轉(zhuǎn)子本體可以包括芯結(jié)構(gòu)，所述芯結(jié)構(gòu)包括固化的聚合物材料，其中芯結(jié)構(gòu)可以限定第一長度、軸穿過其延伸的中央開口和遠(yuǎn)離中央開口延伸的多個(gè)突齒。在一方面，所述突齒中的每一個(gè)可以通過相鄰的根部部分連接并且具有與中央開口的中心相交的縱向軸線。轉(zhuǎn)子本體還可以包括連續(xù)地延伸芯結(jié)構(gòu)的長度的支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)可以完全或部分地嵌入在芯結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且還可以纏繞在芯結(jié)構(gòu)的外部上。在一方面，支撐結(jié)構(gòu)可以包括多根纖維。

本教導(dǎo)還包括用于制造復(fù)合轉(zhuǎn)子組件的方法。一個(gè)步驟可以包括提供支撐結(jié)構(gòu)和用于芯結(jié)構(gòu)的一種或多種材料。另一個(gè)步驟可以是將支撐結(jié)構(gòu)插入到模具中，而另一個(gè)步驟可以是將軸插入到模具中。其它步驟可以包括將用于芯結(jié)構(gòu)的一種或多種材料引入到模具中，并且然后使用于芯結(jié)構(gòu)的一種或多種材料的可固化部分固化。然后，可以從模具中取出復(fù)合轉(zhuǎn)子。軸可以設(shè)置有將軸與復(fù)合轉(zhuǎn)子本體更好地接合的各種表面特征。所述方法還可以包括向轉(zhuǎn)子施加可磨耗涂層并且使轉(zhuǎn)子平衡。

根據(jù)本教導(dǎo)可以使用許多材料。例如，可以提供熱塑性材料。熱塑性材料可以設(shè)置在與加強(qiáng)纖維一體形成的螺紋中。熱塑性纖維通常在加熱過程中熔化。也可以利用熱固性材料。在熱固性材料的情況下，通常將熱固性材料注入到纖維加強(qiáng)纖維中以將它們潤濕。以這種方式，纖維形成加強(qiáng)材料的織物類型層。在其它實(shí)例中，可以鋪設(shè)或以其它方式施加短切纖維以向轉(zhuǎn)子提供加強(qiáng)。許多不同的構(gòu)造也是可能的，只要它們適合于提供適當(dāng)?shù)母繌?qiáng)度和熱穩(wěn)定性。優(yōu)選地，變型中的每一個(gè)使用凈形模制工藝制造，使得在成型之后不需要進(jìn)一步精加工。

通過以下結(jié)合附圖對(duì)用于實(shí)施本教導(dǎo)的最佳模式的詳細(xì)描述，本教導(dǎo)的以上特征和優(yōu)點(diǎn)以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。

附圖說明

圖1是根據(jù)本教導(dǎo)的原理的復(fù)合轉(zhuǎn)子本體的第一實(shí)例的正視圖。

圖2是根據(jù)本教導(dǎo)的原理的復(fù)合轉(zhuǎn)子本體的第二實(shí)例的正視圖。

圖3是根據(jù)本教導(dǎo)的原理的復(fù)合轉(zhuǎn)子本體的第三實(shí)例的正視圖。

圖4是根據(jù)本教導(dǎo)的原理的復(fù)合轉(zhuǎn)子本體的第四實(shí)例的正視圖。

圖5是根據(jù)本教導(dǎo)的原理的復(fù)合轉(zhuǎn)子本體的第五實(shí)例的正視圖。

圖6是根據(jù)本教導(dǎo)的原理的復(fù)合轉(zhuǎn)子本體的第六實(shí)例的正視圖。

圖7是圖1至圖6的轉(zhuǎn)子本體可以安裝到其上的軸的透視圖。

圖8是利用圖1至圖3的轉(zhuǎn)子本體中的任何一個(gè)和圖7的軸的組裝式轉(zhuǎn)子的透視圖。

圖9是利用圖4至圖6的轉(zhuǎn)子本體中的任何一個(gè)和圖7的軸的組裝式轉(zhuǎn)子的透視圖。

圖10是具有流體膨脹器和壓縮機(jī)的車輛的示意圖，其中可以包括圖8和圖9中所示類型的轉(zhuǎn)子組件。

圖11是描述一種用于制造圖8和圖9的轉(zhuǎn)子的第一方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

將參考附圖詳細(xì)描述各個(gè)實(shí)例，其中在整個(gè)幾幅視圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的零件和組件。對(duì)各個(gè)實(shí)例的引用并不限制所附權(quán)利要求的范圍。另外，在本說明書中闡述的任何實(shí)例不旨在進(jìn)行限制，而是僅僅闡述了所附權(quán)利要求的許多可能實(shí)例中的一些。參考附圖，其中在整個(gè)幾幅附圖中相同的附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)于相同或相似的部件。

轉(zhuǎn)子構(gòu)造

本教導(dǎo)的第一實(shí)例包括一種可用于形成圖1至圖3所示的轉(zhuǎn)子30的復(fù)合轉(zhuǎn)子本體100。如圖所示，轉(zhuǎn)子本體100可以具有沿著縱向軸線105-1、105-2、105-3、105-4延伸遠(yuǎn)離中央軸線x到達(dá)相應(yīng)的尖端部分103-1、103-2、103-3、103-4(統(tǒng)稱為尖端103)的四個(gè)徑向隔開的突齒102-1、102-2、102-3、102-4(統(tǒng)稱為突齒102)。在圖1至圖2的實(shí)例中，縱向軸線105-1和105-3是同軸的，而縱向軸線105-2和105-4也是同軸的。

如圖所示，突齒102以第一間隔角a1等距隔開。在所示的實(shí)例中，間隔角a1約為90度，使得軸線105-1/105-3與軸線105-2/105-4正交。盡管示出了四個(gè)突齒，但是根據(jù)本公開應(yīng)當(dāng)理解，可以提供具有相應(yīng)的間隔角的更少或更多的突齒，例如具有180度的間隔角的兩個(gè)突齒、如圖4至圖6所示的具有120度的間隔角的三個(gè)突齒(稍后討論)、具有72度的間隔角的五個(gè)突齒，以及具有60度的間隔角的六個(gè)突齒。當(dāng)被模制形成轉(zhuǎn)子30時(shí)，轉(zhuǎn)子本體100的中央軸線x可以與軸線x1或轉(zhuǎn)子30同軸。

如圖所示，突齒102通過相鄰的根部部分104-1、104-2、104-3、104-4(統(tǒng)稱為根部部分104)連接在一起。在所示的特定實(shí)例中，突齒102可以在最接近尖端103處具有或限定凸形輪廓或周邊，并且根部部分104具有或限定凹形輪廓或周邊。合起來看，突齒102和根部部分104可以限定轉(zhuǎn)子本體100的外周邊106。應(yīng)當(dāng)注意到的是，突齒102不限于被限定為凸形，而是可以具有由直線或凹線限定的形狀。同樣地，根部部分104不限于被限定為凹形，而是可以具有由直線或凸線限定的形狀。在一個(gè)實(shí)例中，突齒102處的轉(zhuǎn)子本體100、200的外周邊106被限定為漸開線形狀，使得相鄰的旋轉(zhuǎn)部件30可以作為協(xié)作齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)。

在一個(gè)實(shí)例中，轉(zhuǎn)子本體100可以形成有用于接收轉(zhuǎn)子軸的中央開口112?？蛇x地，轉(zhuǎn)子本體100可以被模制到軸上，使得中央開口112全部或部分地由轉(zhuǎn)子軸限定。如圖所示，中央開口112可以以中央軸線x為中心。

在一方面，轉(zhuǎn)子本體100可以包括支撐結(jié)構(gòu)114和芯結(jié)構(gòu)116。芯結(jié)構(gòu)116可以為轉(zhuǎn)子本體100提供本體100所需體積的大部分，而不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子本體100增加過度的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)慣性。支撐結(jié)構(gòu)114可以為轉(zhuǎn)子本體100提供額外的結(jié)構(gòu)支撐和穩(wěn)定性，從而為轉(zhuǎn)子本體100提供適當(dāng)?shù)沫h(huán)向強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

在一個(gè)實(shí)例中，支撐結(jié)構(gòu)114可以包括布置成編織、針織、捻繩縫合、捻繩制造或其它類型構(gòu)造的連續(xù)纖維。合適的纖維的非限制性實(shí)例是碳纖維(低、中和高模量)、硼纖維、玻璃纖維纖維、芳族聚酰胺纖維(例如)及其組合。也可以使用其它類型的材料，例如金屬纖維(例如鋼、鋁、鈦等)。支撐結(jié)構(gòu)114還可以包括不同材料類型或全部相同類型的纖維。

在一方面，支撐結(jié)構(gòu)114可以由多根纖維形成，所述多根纖維可以以多種相應(yīng)的取向布置以向轉(zhuǎn)子提供適當(dāng)?shù)沫h(huán)向強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)例中，所述多根纖維中的每一根可以沿著單個(gè)取向軸線延伸以形成單向襯底(即，“0”襯底)。在一個(gè)實(shí)例中，所述纖維中的一些可以與剩余的纖維正交取向以形成雙向襯底(即“0/90”襯底)。纖維也可以沿著三個(gè)不同的軸線對(duì)準(zhǔn)以形成三軸織造(即，“0/+45/-45”襯底)，并且還可以沿著四個(gè)不同的軸對(duì)準(zhǔn)以形成四軸織造(即，“0/+45/-45/90”編織)。在不背離本教導(dǎo)的情況下，許多其它取向是可能的。

支撐結(jié)構(gòu)114中的多根纖維也可以是織造或非織造的(例如短切纖維和單向纖維)?？梢杂糜诶w維襯底114的一些類型的織造的非限制性實(shí)例是平紋織造、斜紋織造、對(duì)角線織造和綜緞織造。支撐結(jié)構(gòu)114還可以設(shè)置有均勻的纖維分布，或者可以被構(gòu)造成使得纖維策略性地定位和取向，使得其可以被示出為在高應(yīng)力區(qū)域(例如根部部分104)中加強(qiáng)轉(zhuǎn)子本體100。

在一方面，芯結(jié)構(gòu)116可以完全由單一材料或材料的組合形成。例如，芯結(jié)構(gòu)116可以完全由聚合物熱固性或熱塑性材料形成。合適的聚合物材料的一個(gè)實(shí)例是塑料樹脂，例如發(fā)泡或非發(fā)泡環(huán)氧樹脂。可用于芯材料116的熱固性材料的一些實(shí)例是乙烯基酯、酚醛和雙馬來酰亞胺(bmi)材料?？捎糜诰酆衔锊牧系臒崴苄圆牧系囊恍?shí)例是聚酰胺(例如聚鄰苯二酰胺)、聚芳基醚酮和尼龍?？梢岳锰峁┻m當(dāng)?shù)臒岱€(wěn)定性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度的其它材料。在考慮工作溫度的某些應(yīng)用中，可以選擇具有至少與工作溫度一樣高或高于工作溫度的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的芯材料116。在一個(gè)實(shí)例中，芯材料116可以是具有160℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的環(huán)氧樹脂。在一個(gè)實(shí)例中，芯材料116可以分別以織造或非織造的材料(例如熱塑性連續(xù)纖維或短切纖維)的形式提供。

可選地，芯結(jié)構(gòu)116可以另外包括與支撐結(jié)構(gòu)114一起放置到模具中的預(yù)成形插入件。在這種構(gòu)造中，轉(zhuǎn)子本體100可以通過將材料(例如上述聚合物材料中的任何一種、發(fā)泡材料和/或其它低密度材料)注入到模具中以將芯結(jié)構(gòu)116固定到預(yù)成形插入件上而最終形成。注入的材料也可以流入到模具中以填充空隙空間，從而使得轉(zhuǎn)子本體100的整體形狀由注入的材料限定。預(yù)成形插入件可以是任何類型的合適材料，例如發(fā)泡聚苯乙烯(eps)、發(fā)泡聚酯(epe)和發(fā)泡聚丙烯(epp)泡沫。支撐結(jié)構(gòu)114可以是預(yù)成形或固化的部件，或者可以被配置為容納和/或吸收芯結(jié)構(gòu)116的聚合物材料，一旦聚合材料在模具內(nèi)固化就變得剛性。

進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)注意到的是，芯結(jié)構(gòu)116可以形成有延伸轉(zhuǎn)子本體100的長度l的中空部分。在一個(gè)實(shí)例中，突齒102的中央部分可以是開放的，使得形成中空突齒102。這可以通過利用可移動(dòng)的預(yù)成形插入件(例如泡沫芯)來實(shí)現(xiàn)，所述可移動(dòng)的預(yù)成形插入件可在芯結(jié)構(gòu)116部分或完全固化之后取出?？蛇x地，也可以利用限定中空部分的模具。在期望形成中央開口112的地方，可以以相同的方式形成中央開口112。

用于支撐結(jié)構(gòu)114的許多不同構(gòu)造是可能的，如圖1至圖3所示。圖1示出了其中支撐結(jié)構(gòu)114被布置為圍繞中央開口112安置并且延伸轉(zhuǎn)子本體100的長度l的圓柱形內(nèi)套筒115的構(gòu)造。在一個(gè)實(shí)例中，圓柱形套筒115是預(yù)制的編織或織造的碳纖維套筒。如圖所示，圓柱形內(nèi)套筒115的尺寸被設(shè)計(jì)成使得套筒靠近轉(zhuǎn)子本體100的根部部分104。因此，圓柱形套筒115增加了轉(zhuǎn)子本體100在轉(zhuǎn)子本體100的該高應(yīng)力區(qū)域處的強(qiáng)度。如前所述，芯結(jié)構(gòu)116可以包括預(yù)成形插入件、注入的聚合物材料或者兩者的組合。在一個(gè)實(shí)例中，轉(zhuǎn)子本體100在圓柱形內(nèi)套筒115內(nèi)的體積被設(shè)置為預(yù)成形插入件，圍繞該預(yù)成形插入件設(shè)置有編織碳纖維套筒，其中圓柱形內(nèi)套筒115外部的體積是也用于潤濕碳纖維套筒的注入的聚合物材料。

圖2示出了用于轉(zhuǎn)子本體100的支撐結(jié)構(gòu)114的附加實(shí)例，其中支撐結(jié)構(gòu)114包括圓柱形內(nèi)套筒115和外加強(qiáng)套筒117。圓柱形內(nèi)套筒115與圖1所示的類似，所不同的是圖2的套筒115全部延伸到轉(zhuǎn)子本體的根部部分104處。外加強(qiáng)套筒117被設(shè)置成轉(zhuǎn)子本體100的外周邊106的形狀，其可以通過鋪設(shè)方法利用模具中的原始纖維或者通過使用預(yù)成形套筒(例如利用聚合物材料預(yù)浸漬(預(yù)浸)的套筒)來實(shí)現(xiàn)。

在一個(gè)實(shí)例中，外加強(qiáng)套筒117和圓柱形內(nèi)套筒115在根部部分104處彼此相鄰和接觸。在一個(gè)實(shí)例中，套筒115、117沿著轉(zhuǎn)子本體100的長度l的全部或一部分在根部部分104處固定在一起。將套筒115、117固定在一起的一個(gè)方法是通過使用縫合121，縫合121可以利用與用于套筒115、117的材料相同或不同的材料來實(shí)現(xiàn)。通過將套筒115、117在根部部分104處固定在一起，在該高應(yīng)力區(qū)域處向轉(zhuǎn)子本體100提供了額外的強(qiáng)度。

在一個(gè)實(shí)例中，轉(zhuǎn)子本體100在圓柱形內(nèi)套筒115內(nèi)的體積被設(shè)置為預(yù)成形插入件，圍繞該預(yù)成形插入件設(shè)置有編織碳纖維套筒，其中外加強(qiáng)套筒117也是編織碳纖維套筒。在這種構(gòu)造中，圓柱形內(nèi)套筒115與外加強(qiáng)套筒117之間的體積可以是用于潤濕套筒115、117的注入的聚合材料、發(fā)泡材料和/或另一種低密度材料。可選地，套筒115、117之間的大部分體積也可以由預(yù)成形插入件形成，其中剩余的空隙空間由注入的聚合物材料、發(fā)泡材料和/或其它低密度材料填充。

內(nèi)套筒115可以由與用于外套筒117不同的材料形成。例如，內(nèi)套筒115可以由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂形成，而外套筒117可以由碳纖維和環(huán)氧樹脂形成。碳纖維/環(huán)氧樹脂外套筒117提供必要的剛度，以解決與偏轉(zhuǎn)相關(guān)的問題，所述偏轉(zhuǎn)是高速下出現(xiàn)故障的根本原因。玻璃/纖維環(huán)氧樹脂內(nèi)套筒115解決了復(fù)合材料與鋼軸300之間的熱膨脹的差異。例如，如果轉(zhuǎn)子本體100都是碳纖維，則鋼軸300將膨脹得更快，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子本體100的根部區(qū)域中的高應(yīng)力和隨后發(fā)生的故障。測(cè)試已經(jīng)表明，使用玻璃/纖維內(nèi)套筒115可以確保轉(zhuǎn)子本體100可以在超過100n-m的扭矩下抵抗在軸300上的滑動(dòng)(例如，實(shí)例轉(zhuǎn)子組件30的實(shí)際測(cè)試顯示出在室溫下為103n-m的扭矩滑動(dòng)和在150攝氏度下為115n-m的扭矩滑動(dòng))。扭矩滑動(dòng)可以被定義為保持力乘以軸的半徑除以1000，其中所述保持力是徑向力乘以轉(zhuǎn)子本體100的摩擦系數(shù)，其中徑向力通過分析軸300與轉(zhuǎn)子本體100之間的界面的接觸反應(yīng)來確定。

在一個(gè)特定的實(shí)施例中，內(nèi)套筒115由40重量百分比的環(huán)氧樹脂和60重量百分比的短切玻璃纖維形成，而外套筒117由40重量百分比的環(huán)氧樹脂和60重量百分比的短切碳纖維形成。套筒115、117可以預(yù)成形并且被放置到模具中，其中轉(zhuǎn)子芯材料被注入到圍繞套筒115、117的模具中?？蛇x地，可將預(yù)成形的芯材料放置在模具中并且可以將用于套筒115和/或117的材料注入到模具中。在一個(gè)實(shí)例中，套筒玻璃/環(huán)氧樹脂內(nèi)套筒115與碳/環(huán)氧樹脂外套筒117接觸。在進(jìn)一步的改進(jìn)中，內(nèi)套筒115可以被設(shè)置成具有約4毫米的厚度?？椩斓牟ＡЮw維和碳纖維也可用在以上描述的實(shí)例中，這可以提供與工作壓力比和溫度相關(guān)的額外性能。然而，使用短切纖維可以降低制造成本。

圖3示出了用于支撐結(jié)構(gòu)114的又一種設(shè)計(jì)。如圖所示，提供一種內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)119，其具有芯加強(qiáng)部分119a、端部部分119b和在其間延伸的徑向延伸部119c。如圖所示，芯加強(qiáng)部分119a嵌入在根部部分104之間的轉(zhuǎn)子本體100的芯區(qū)域內(nèi)，而端部部分119b嵌入在轉(zhuǎn)子本體100的突齒102內(nèi)。可以沿著根部區(qū)域104添加另外的材料層以提供額外的加強(qiáng)。在一個(gè)實(shí)例中，端部部分119b限定內(nèi)部體積119d，芯結(jié)構(gòu)材料可以流入所述內(nèi)部體積119d內(nèi)。在一個(gè)實(shí)例中，內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)119的延伸部分119c可以設(shè)置有縫合121以提供額外的加強(qiáng)。在一個(gè)實(shí)例中，內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)119可以預(yù)成形并且被裝載在模具內(nèi)。此后，可以將樹脂注入到模具中以潤濕內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)119的織物并且形成轉(zhuǎn)子本體100的本體。在一個(gè)實(shí)例中，內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)119最初被設(shè)置為圓柱形編織套筒，然后將所述圓柱形編織套筒成形為具有部分119a、119b和119c。所得到的結(jié)構(gòu)允許內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)119嵌入在轉(zhuǎn)子本體100內(nèi)，使得對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子本體100提供加強(qiáng)。

參考圖4至圖6，示出了復(fù)合轉(zhuǎn)子本體200的第二實(shí)例。在第一實(shí)例100與第二實(shí)例200之間存在許多相似之處，并且針對(duì)第一實(shí)例100的描述因此可應(yīng)用于第二實(shí)例200。在存在類似特征的地方，利用相似的附圖標(biāo)記。然而，第二實(shí)例的相應(yīng)特征用200系列附圖標(biāo)記指定，而不是用于第一實(shí)例100的100系列附圖標(biāo)記。轉(zhuǎn)子本體200與轉(zhuǎn)子本體100的不同之處在于轉(zhuǎn)子本體200被示出設(shè)置有三個(gè)突齒202而不是四個(gè)突齒。因此，轉(zhuǎn)子本體200中的突齒之間的間隔角a1可以是120度而不是90度。如從圖4至圖6還可以看出的，每個(gè)單獨(dú)的突齒202和根部部分204的形狀和幾何結(jié)構(gòu)可以不同于第一實(shí)例中所示。

有利地，與固體金屬鋁轉(zhuǎn)子相比，復(fù)合轉(zhuǎn)子本體100、200(以及因此組裝式轉(zhuǎn)子30)的慣性矩或轉(zhuǎn)動(dòng)慣性可以顯著減小。轉(zhuǎn)子本體100、200的這種減小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性可以具有若干好處。例如，可以示出形成有轉(zhuǎn)子本體100、200的轉(zhuǎn)子、齒輪或其它類型的旋轉(zhuǎn)部件，以更快速地加速并且在互連部件(例如離合器)上引起更少的磨損。另外，復(fù)合轉(zhuǎn)子本體100、200具有高的環(huán)向強(qiáng)度，在根部區(qū)域具有足夠的強(qiáng)度，以防止突齒從轉(zhuǎn)子的中央部分脫離。由于在一些應(yīng)用中轉(zhuǎn)子可以以20,000rpm的速度行進(jìn)，因此可能需要顯著水平的環(huán)向強(qiáng)度，這是通過本教導(dǎo)的復(fù)合轉(zhuǎn)子來實(shí)現(xiàn)的。

參考圖7，示出了根據(jù)本教導(dǎo)的轉(zhuǎn)子軸300。根據(jù)應(yīng)用，轉(zhuǎn)子軸可以由復(fù)合材料、鋁或鋼(例如低碳熱處理鋼、不銹鋼等)制成。軸300可以延伸穿過復(fù)合轉(zhuǎn)子本體的中央開口112、212，并且一旦復(fù)合轉(zhuǎn)子本體固定到軸300上，所述軸300能夠在轉(zhuǎn)子本體100、200與輸入或輸出裝置之間傳遞動(dòng)力。如圖所示，轉(zhuǎn)子軸300包括第一端部302和第二端部304。軸300可設(shè)置有安裝區(qū)段306，所述安裝區(qū)段306用作轉(zhuǎn)子本體100、200的安裝位置或者轉(zhuǎn)子本體可模制在其上的位置。

轉(zhuǎn)子軸300還可以設(shè)置有可以用于將轉(zhuǎn)子本體100、200固定到轉(zhuǎn)子軸300上的一個(gè)或多個(gè)固定特征。例如，可以在安裝區(qū)段306的表面上設(shè)置滾花308以增加轉(zhuǎn)子本體100、200的塑料樹脂116、216與轉(zhuǎn)子軸300之間的結(jié)合。在一些實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)115、119a、215、219a限定軸300穿過其延伸的中央開口112、212。在一個(gè)實(shí)例中，支撐結(jié)構(gòu)115、119a、215、219a的尺寸被設(shè)計(jì)成使得形成支撐結(jié)構(gòu)與軸300之間的壓配連接。在所示的實(shí)例中，一個(gè)或多個(gè)表面特征308被設(shè)置為安裝區(qū)段306的表面中的多個(gè)縱向凹部，所述多個(gè)縱向凹部將轉(zhuǎn)子本體沿徑向方向鎖定到轉(zhuǎn)子軸300上。表面特征308的實(shí)例是滾花、毛刺和花鍵?？梢蕴峁┑牧硪粋€(gè)固定特征是位于安裝區(qū)段306的一端的階梯部分312。如圖所示，階梯部分具有比安裝區(qū)段306大的直徑，從而防止轉(zhuǎn)子本體100、200在轉(zhuǎn)子軸上朝向第一端部302縱向滑動(dòng)。

安裝區(qū)段306還可以設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)周向槽310，注入的聚合物材料116、216可以流動(dòng)到所述一個(gè)或多個(gè)周向槽310中，從而將轉(zhuǎn)子本體100、200沿軸向方向鎖定到轉(zhuǎn)子軸300上。根據(jù)本公開可以認(rèn)識(shí)到的是，可以選擇周向槽310的位置以允許轉(zhuǎn)子本體100、200與軸300之間發(fā)生熱膨脹。合適的位置的一個(gè)實(shí)例與階梯部分312相鄰。轉(zhuǎn)子軸300還可以設(shè)置有可沿著安裝區(qū)段306的整個(gè)長度延伸的花鍵。

參考圖8和圖9，示出了分別使用復(fù)合轉(zhuǎn)子本體100和200的組裝式轉(zhuǎn)子30。參考圖8，轉(zhuǎn)子30被設(shè)置為直轉(zhuǎn)子。參考圖9，轉(zhuǎn)子30被設(shè)置為螺旋轉(zhuǎn)子，其具有恒定的螺旋角或變化的螺旋角(例如，旋轉(zhuǎn)偏移的程度沿著轉(zhuǎn)子的長度l增加和/或減小)。應(yīng)當(dāng)注意到的是，轉(zhuǎn)子本體100可以被設(shè)置為螺旋轉(zhuǎn)子，并且轉(zhuǎn)子本體200也可以被設(shè)置為直轉(zhuǎn)子。

轉(zhuǎn)子裝配方法1000

參考圖11，呈現(xiàn)了根據(jù)本公開的系統(tǒng)和方法1000的實(shí)例。應(yīng)當(dāng)注意到的是，盡管附圖以特定順序示意性地示出了步驟，但是并不意圖將所描述的過程限制為以所示順序執(zhí)行。相反，可以以重疊的方式、以不同的順序和/或同時(shí)執(zhí)行所示步驟中的至少一些。而且，圖11所示的方法本質(zhì)上是實(shí)例性的，并且在不脫離本文所公開的中心概念的情況下，可以并入或改變其它步驟或步驟的組合。

在步驟1002中，提供了一種根據(jù)本教導(dǎo)的支撐結(jié)構(gòu)和用于芯結(jié)構(gòu)的材料。在一個(gè)實(shí)例中，支撐結(jié)構(gòu)可以是預(yù)浸碳纖維。在一個(gè)實(shí)例中，支撐結(jié)構(gòu)僅被設(shè)置為纖維襯底。在一個(gè)實(shí)例中，芯結(jié)構(gòu)最初被設(shè)置為可傾注或可注射的液體聚合物材料。在一個(gè)實(shí)例中，芯結(jié)構(gòu)被設(shè)置為預(yù)成形插入件和初始為液體的聚合物材料的組合。

在步驟1004中，將支撐結(jié)構(gòu)放置到模具中。模具可以限定具有直突齒或螺旋突齒的轉(zhuǎn)子本體，或者可以限定用于另一類型的旋轉(zhuǎn)部件的本體，例如用于齒輪的本體。

在步驟1006中，將軸或其它中央部件插入到模具中。在不需要具有其上模制有轉(zhuǎn)子的軸的轉(zhuǎn)子的情況下，可以在芯結(jié)構(gòu)部分或完全地固化之后插入預(yù)成形插入件(例如泡沫芯)，并且然后將其取出。可選地，可以在轉(zhuǎn)子完全形成之后插入中空輪轂，通過所述中空輪轂可以插入軸。

在步驟1008中，將芯結(jié)構(gòu)材料引入到模具中。在芯結(jié)構(gòu)材料是初始為液體的聚合物材料(例如環(huán)氧樹脂)的情況下，步驟1008可以包括將芯結(jié)構(gòu)材料傾倒或注入到模具中，直到期望的模具體積充滿芯結(jié)構(gòu)材料。在芯結(jié)構(gòu)材料包括插入件的情況下，步驟1008可以包括首先插入插入件，并且然后將聚合物材料注入到模具中。在需要或期望時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)、軸或中央部件和/或插入件可以在將聚合物材料引入到模具中之前固定在模具內(nèi)的適當(dāng)位置或由模具固定。

在步驟1010中，使用于芯結(jié)構(gòu)的材料固化。此步驟還可以包括添加熱量，特別是在利用熱塑性材料的情況下。組件可以留在模具內(nèi)，直到發(fā)生完全固化，或者可以在部分固化之后從模具中取出并且移動(dòng)到向組件施加熱量以用于最終固化的烘箱中。在一些應(yīng)用中，使用凈形或近凈形模制方法，這意味著在芯結(jié)構(gòu)材料固化之后需要很少或不需要精加工來達(dá)到最終的轉(zhuǎn)子形狀。在一個(gè)實(shí)例中，在對(duì)于圖2和圖5的實(shí)例利用預(yù)浸碳纖維的情況下，完全固化的轉(zhuǎn)子本體100、200的外表面可以是基本上光滑的，從而不需要對(duì)表面施加精加工技術(shù)。還可以利用注射成型來提供具有光滑外表面的轉(zhuǎn)子本體100、200，所述轉(zhuǎn)子本體100、200單獨(dú)由芯結(jié)構(gòu)的注入的聚合物材料形成或者由注入的聚合物材料和外加強(qiáng)套筒的組合形成。在一些實(shí)例中，可能需要以某種方式修改外表面。例如，可能需要施加可磨耗涂層以使一對(duì)相鄰的轉(zhuǎn)子30之間的間隙更緊密。

在步驟1012中，可以使轉(zhuǎn)子30平衡。在一個(gè)實(shí)例中，可以通過從轉(zhuǎn)子本體100、200的一個(gè)或多個(gè)突齒中去除材料來進(jìn)行平衡。一種平衡方法是使用鉆頭以在預(yù)定位置去除預(yù)選量的材料。

旋轉(zhuǎn)組件應(yīng)用

上述轉(zhuǎn)子組件30可以用于涉及旋轉(zhuǎn)裝置的各種應(yīng)用中。兩個(gè)此類應(yīng)用可以是用于流體膨脹器20和壓縮裝置21(例如增壓器)中，如圖10所示。在一個(gè)實(shí)例中，流體膨脹器20和壓縮裝置21是體積式裝置，其中膨脹器20和壓縮裝置21內(nèi)的流體經(jīng)過轉(zhuǎn)子30進(jìn)行輸送而沒有體積變化。圖10示出了設(shè)置在車輛10中的膨脹器20和增壓器21，所述車輛10具有用于沿適當(dāng)路面移動(dòng)的車輪12。車輛10包括接收進(jìn)氣17并且在排氣裝置15中產(chǎn)生高溫排氣形式的廢熱的動(dòng)力裝置16。在一個(gè)實(shí)例中，動(dòng)力裝置16是燃料電池。轉(zhuǎn)子組件30還可以用作齒輪系中的直齒輪或螺旋齒輪(即旋轉(zhuǎn)部件)、用作其它類型的膨脹和壓縮裝置中的轉(zhuǎn)子、用作泵中的葉輪，以及用作混合裝置中的轉(zhuǎn)子。

如圖10所示，膨脹器20可以接收來自動(dòng)力裝置排氣裝置15的熱量，并且可以將熱量轉(zhuǎn)化為有用功，所述有用功可被輸送回動(dòng)力裝置16(通過電氣方式和/或通過機(jī)械方式)以增加動(dòng)力裝置的整體運(yùn)行效率。如所配置的，膨脹器20可以包括殼體23，在殼體23內(nèi)安置有一對(duì)轉(zhuǎn)子組件30。具有轉(zhuǎn)子組件30的膨脹器20可以被配置成從排氣裝置直接或間接地接收來自動(dòng)力裝置16的熱量。

在標(biāo)題為“排氣能量回收系統(tǒng)”的專利合作條約(pct)國際申請(qǐng)?zhí)杙ct/us2013/078037中公開了直接接收來自動(dòng)力裝置16的排氣的流體膨脹器20的一個(gè)實(shí)例。pct/us2013/078037通過引用全部并入到本文中。

在標(biāo)題為“體積式能量恢復(fù)裝置和系統(tǒng)”專利合作條約(pct)國際申請(qǐng)公開號(hào)wo2013/130774中公開了一種通過有機(jī)朗肯循環(huán)間接地接收來自動(dòng)力裝置排氣裝置的熱量的流體膨脹器20的一個(gè)實(shí)例。wo2013/130774通過引用全部并入到本文中。

仍然參考圖10，可以示出設(shè)置有殼體25的壓縮裝置21，在所述殼體25內(nèi)安置有一對(duì)轉(zhuǎn)子組件30。如所配置的，壓縮裝置可以由動(dòng)力裝置16驅(qū)動(dòng)。如所配置的，壓縮裝置21可以增加輸送到動(dòng)力裝置16的進(jìn)氣17的量。在一個(gè)實(shí)例中，壓縮裝置21可以是在標(biāo)題為“用于根式增壓器的優(yōu)化螺旋角轉(zhuǎn)子(optimizedhelixanglerotorsforroots-stylesupercharger)”的美國專利7,488,164中所示和所描述類型的根式鼓風(fēng)機(jī)。美國專利7,488,164通過引用全部并入到本文中。

材料選擇

在轉(zhuǎn)子30被安置在殼體(例如殼體23和25)中的情況下，根據(jù)本公開將認(rèn)識(shí)到的是，對(duì)于轉(zhuǎn)子和殼體的材料選擇必須給予適當(dāng)考慮以便維持轉(zhuǎn)子與殼體之間期望的間隙。例如，不當(dāng)?shù)牟牧线x擇可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在被工作流體(例如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣、乙醇、水、空氣等)加熱到殼體的內(nèi)壁中時(shí)膨脹，從而損壞轉(zhuǎn)子和殼體。根據(jù)本公開將認(rèn)識(shí)到的是，適當(dāng)?shù)剡x擇具有適當(dāng)?shù)南鄬?duì)熱膨脹系數(shù)的材料可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在膨脹狀態(tài)下不會(huì)接觸同樣膨脹的殼體并且將維持轉(zhuǎn)子與殼體之間的最小間隙以便在更廣泛的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的效率。而且，由于轉(zhuǎn)子更直接地暴露于工作流體(例如排氣或朗肯循環(huán)中使用的溶劑)，并且殼體可以將熱量輻射到外部，所以轉(zhuǎn)子可以顯示為比殼體更大程度地膨脹。通過本實(shí)例，用于轉(zhuǎn)子的材料可以具有低于殼體的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。

由于復(fù)合轉(zhuǎn)子100、200可以設(shè)置有具有相對(duì)低的熱膨脹系數(shù)的材料，所以更多的材料可用于殼體23、25，例如鎂和鋁。在一個(gè)實(shí)例中，碳纖維轉(zhuǎn)子與鋁或殼體結(jié)合使用。由于碳纖維具有比鋁更低的熱膨脹系數(shù)，所以殼體和轉(zhuǎn)子都將膨脹，但是在一定程度上，其中每個(gè)部件膨脹以實(shí)現(xiàn)允許最大效率的間隙。此外，由于纖維取向?qū)D(zhuǎn)子的生長有影響，所以可以選擇纖維取向以進(jìn)一步最小化間隙從而提高性能和效率。當(dāng)然，根據(jù)所需的性能標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子和殼體材料還有許多其它的可能性。

根據(jù)本公開還將認(rèn)識(shí)到的是，針對(duì)轉(zhuǎn)子30所選擇的塑料樹脂116、206也可用于具有低溫或高溫的應(yīng)用。例如，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂可以限制流體在約-40℃至約150℃之間的流體處理應(yīng)用中轉(zhuǎn)子30的運(yùn)轉(zhuǎn)。

雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了用于實(shí)施本教導(dǎo)的許多方面的最佳模式，但是熟悉這些教導(dǎo)所涉及的領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的用于實(shí)踐本教導(dǎo)的各種可選方面。