复合旋转部件的制作方法

本申请在2015年5月29日作为PCT国际专利申请提交，并且要求2014年12月4日提交的美国专利申请序列号62/087,281的优先权，要求2014年8月29日提交的美国专利申请序列号62/043,525的优先权，要求2014年5月30日提交的美国专利申请序列号62/005,357的优先权。申请62/087,281；62/043,525；和62/005,357的全部内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及旋转部件以及由可用于旋转设备应用(例如体积膨胀，压缩装置，齿轮系，泵和搅拌装置)中的旋转部件构造的组件。

背景技术：

转子通常用于期望压缩或移动流体和期望从流体去除能量的应用中。在一个示例中，压缩机或增压器利用一对转子来增加进入内燃机的进气口的气流。在另一个示例中，体积流体膨胀器包括一对转子，其使工作流体膨胀以在输出轴处产生有用功。旋转部件还用于其它应用中，例如在齿轮系、泵和搅拌装置中。在许多这样的应用中，已知提供具有实心横截面积的整体结构的机加工或铸造旋转部件。

技术实现要素：

本教导总的包括一种转子组件，该转子组件包括安装到一轴上的多个转子片或多个转子层。在一个方面，转子片或层中的每一个可以具有由第一厚度分隔开的第一侧面和第二相对侧面。每个转子片或层还可以设置有在第一和第二侧面之间延伸的中央开口，所述轴穿过该中央开口延伸。在另一方面，转子片或层可以设置有远离中央开口延伸的多个凸角/叶瓣，并且每个凸角具有在第一和第二侧面之间延伸的凸角开口。多个转子片或层可以堆叠并固定在一起以形成转子组件，使得一个转子片的第一和第二侧面中的至少一个与另一个转子片的第一和第二侧面中的至少一个相邻并接触。在一个示例中，转子片或层可以直接堆叠在彼此上，使得一个转子片的整个一侧面被相邻的转子片或层完全覆盖。在一个示例中，转子片或层可以旋转地堆叠以形成螺旋转子，使得一个转子片或层不完全覆盖相邻的转子片或层。本教导还包括体积流体膨胀器和包括一对上述转子的压缩机或增压器。在一个示例中，多个转子片或层是由缝合在一起以限定多个凸角、根部段和/或中央开口的单个连续纤维束形成的转子层片。

在本教导的一个方面中，旋转部件或转子层各自由一捆丝状材料形成的丝束形成，例如碳纤维丝束。连续纤维丝束可以用缝合材料缝合在一起以形成转子的形状。例如，可以通过布置具有大致圆形中心段的丝束来限定中央开口，并且可以通过布置具有至少第一凸角段和第二凸角段的丝束来限定每个凸角。每个凸角之间的根段也可以由丝束形成。在一个示例中，每个根段被缝合到中心段。在一个示例中，第一和第二凸角段中的纤维通常从中心段朝向每个凸角的尖端部分延伸，中心段中的纤维大致围绕中央开口沿周向延伸，并且根段中的纤维的至少一部分大致平行于中心段中的相邻纤维的一部分延伸。第一和第二凸角段也可以布置成在每个凸角内形成凸角开口。丝束还可以布置成形成具有任何数量的期望的凸角或齿的转子或旋转部件，例如三个凸角或齿或者四个凸角或齿。

本教导还包括用于制造层叠转子组件的方法。在该方法的一个步骤中，提供多个转子片。在一个示例中，转子片可以是包括纤维基底和聚合材料的预固化的复合转子片。在一个示例中，转子片可以是包括纤维基底和聚合材料的未固化的复合转子片。在一个示例中，转子片包括纤维基底而没有聚合材料。在一个示例中，提供多个转子层或层片，其由连续丝状材料的丝束形成。在一个步骤中，转子片或层可以堆叠在一起以形成直转子或螺旋转子。该方法可包括在片或层彼此堆叠时在每个转子片或层之间施加粘合剂，使得一旦粘合剂固化，转子片或层就固定在一起。粘合剂可以是聚合材料。该方法还可包括加热和/或压紧转子叠层以固化聚合材料和/或粘合剂。该方法还可以包括将片、层或层片放置到模腔中，并将树脂材料注入到模腔中以限定转子或旋转部件。在一个步骤中，转子安装到轴以形成层叠转子组件。轴可以被打磨以使轴与堆叠的转子片更好地接合。该方法还可以包括将可磨耗的涂层施加到转子上。

本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点将从下面结合附图对用于执行本教导的最佳模式的详细描述显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的原理的复合转子片的第一示例的前视图。

图2是图1所示的转子片的侧视图。

图3是根据本发明的原理的复合转子片的第二示例的前视图。

图4是图2所示的转子片的侧视图。

图5是图1-4所示的转子片的第一堆叠构造的示意性侧视图。

图6是图1-4所示的转子片的第二堆叠构造的示意性侧视图。

图7是可安装图1-4的转子片的轴的透视图。

图8是利用多个图1-2的转子片和图7的轴的组装转子的透视图。

图9是利用多个图3-4的转子片和图7的轴的组装转子的透视图。

图10是具有流体膨胀器和压缩机的车辆的示意图，其中可包括图8和9所示类型的转子组件。

图11是描述用于制造图8和图9的转子的第一过程的流程图。

图12是描述用于生产层叠转子的第二过程的流程图。

图13是可安装图1-4的转子板的轴的示意性透视图。

图14是图13所示的轴在模具成型过程中的示意性端视图。

图15是根据本发明原理的由连续丝状材料丝束形成的转子层片的透视图。

图16是图15所示的转子层片的一部分的俯视图。

图17是由图15所示的多个转子层片形成的转子的透视图。

图18是描述用于生产转子的第三过程的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述各种示例，其中在所有附图中相同的附图标记表示相同的部件和组件。参考各种示例并不限制所附权利要求的范围。另外，本说明书中阐述的任何示例并非旨在限制，而是仅仅阐述了所附权利要求的许多可能示例中的一些示例。参考附图，其中在所有附图中相同的附图标记对应于相同或相似的部件。

转子构造

本教导的第一示例包括可以用于形成图1-2所示的转子30的复合转子片100。如图所示，转子片100可以具有四个径向间隔开的凸角102-1、102-2、102-3、102-4(统称为凸角102)，所述凸角沿着纵向轴线105-1、105-2、105-3、105-4远离中心轴线X延伸到相应的末端部分103-1、103-2、103-3、103-4(统称为末端103)。在图1-2的示例中，纵向轴线105-1和105-3是同轴的，而纵向轴线105-2和105-4也是同轴的。

如图所示，凸角102以第一分离角a1等距间隔开。在所示的示例中，分离角a1为大约90度，使得轴105-1/105-3与轴105-2/105-4正交。虽然示出了四个凸角，但是根据本发明应当理解，可以提供具有相应的分离角度的更少或更多的凸角，例如，具有180度分离角度的两个凸角、如图3-4(稍后讨论)所示的具有120度分离角度的三个凸角、具有72度的分离角的五个凸角，以及分离60度的六个凸角。当堆叠在一起以形成转子30时，每个转子片100的中心轴线X可以与轴线X1或转子30同轴。

如图所示，凸角102通过相邻的根部部分104-1、104-2、104-3、104-4(统称为根部部分104)连结在一起。在所示的特定示例中，凸角102可以具有或限定最接近末端103的凸轮廓或周边，并且根部部分104具有或限定凹轮廓或周边。总之，凸角102和根部部分104可以限定转子片100的外周边106。应当注意，凸角102不限于被限定为凸形，并且可以具有由直线或凹线限定的形状。同样，根部部分104不限于被限定为凹形，并且可以具有由直线或凸线限定的形状。在一个示例中，在凸角104处的转子片100、200的外周边106被限定为渐开线形状的形式，使得相邻的旋转部件30可以作为协同作用的齿轮操作。

参考图2，每个转子片100还具有由第一厚度t1分隔开的第一侧面108和第二侧面110。在一个示例中，厚度t1为约0.25毫米(mm)。然而，应当注意，可以使用其它厚度；例如，厚度在约0.15mm和约1mm之间。每个片100还示出为设置有在第一和第二侧面108、110之间延伸的中央开口112。中央开口112可以在中心轴线X上居中。

在该示例中，复合转子片100可以由纤维增强复合材料形成，该纤维增强复合材料包括具有多个纤维(即丝状材料)的纤维基底114和聚合材料116，例如热固性或热塑性材料。合适的纤维/长丝的非限制性示例是碳纤维(低、中和高模量)、硼纤维、玻璃丝纤维、芳纶纤维(例如)及其组合。在一个示例中，聚合材料116可以是复合转子片100的重量的约百分之50。

也可以使用其它类型的材料，例如金属纤维(例如钢，铝，钛等)。纤维基底114还可以包括不同材料类型或全部相同类型的纤维。在复合转子片100内使用不同的材料类型可以优选地是用复合转子片100与非复合转子板(例如，全部金属转子板)交替，因为在前者中可以更容易地控制膨胀率。然而，在某些应用中，包括堆叠在复合转子片100之间的金属转子板能够表现出是有利的。在这种应用中，塑料树脂116可以被引导，使得非复合转子板或片被聚合材料116封装。

合适的聚合材料116的一个实例是塑料树脂，例如环氧树脂。可用于聚合材料116的热固性材料的一些示例是乙烯基酯、酚醛树脂和双马来酰亚胺(BMI)材料。可用于聚合材料的热塑性材料的一些示例是聚酰胺(例如聚邻苯二甲酰胺)、聚芳醚酮和尼龙。可以使用能提供足够的热稳定性和足够的强度的其它材料。在涉及操作温度的某些应用中，可以选择具有至少与操作温度一样高或比操作温度更高的玻璃化转变温度的聚合材料116。在一个示例中，聚合材料116可以是玻璃化转变温度为160℃的环氧树脂。在一个示例中，聚合材料116可以预浸渍在纤维基底中以形成“预浸渍”片，可以从该“预浸渍”片中切割出单独的转子片。在一个示例中，聚合材料116可以以热塑性纤维的形式提供，该热塑性纤维与纤维基底114编织在一起或编织到纤维基底114中以形成预浸渍片，转子片可从该预浸渍片中切出或形成。替代地，热塑性纤维可以以非预浸渍方式的短切纤维提供。

纤维基底114可以由多个纤维形成，这些纤维可以以各种各样的取向布置以向转子提供足够的环向强度。在一个示例中，多个纤维中的每一个可以沿单个取向轴线延伸以形成单向基底(即“0”基底)。在一个示例中，一些纤维可以与剩余的纤维正交地定向以形成双向基底(即“0/90”基底)。纤维还可以沿着三个不同的轴线对齐以形成三轴编织物(即“0/+45/-45”基底)，并且也可以沿着四个不同的轴对齐以形成四轴编织物“0/+45/-45/90”编织物)。根据本发明的教导可以理解，在不脱离本教导的情况下，许多其它取向是可能的。

纤维基底114中的多个纤维也可以是编织或非编织的(例如，短切纤维和单向纤维)。可用于纤维基底114的一些类型的织物的非限制性示例是平纹织物、斜纹织物、对角线织物和缎纹织物。纤维基底114还可以设置有均匀分布的纤维，或者可以构造成使得纤维被策略性地定位和定向，使得其可以被示出为在高应力区域(例如根部部分104)中加强转子片100。此外，单个转子片100、200可以通过从较大的基底材料片冲压、模切、激光切割或水射流切割所述片100、200而形成。

如图1中示意性地示出，纤维基底114可以由多个纤维形成，所述多个纤维以双向布置编织在一起以导致至少一些纤维沿着第一取向轴线114-1延伸，并且至少一些纤维沿着第二取向轴线114-2延伸。在一个示例中，第一取向轴线114-1平行于轴105-1/105-3并且第二取向轴线114-2平行于轴105-2/105-4，使得至少一些纤维沿着每一个凸角102的纵向轴线105延伸。这样的布置可以显示出在纵向105增加凸角102的强度，这是期望的，因为当转子片100作为完全成形的转子30的一部分绕中心轴线X旋转时在这个方向上存在相当大的力。

纤维也可以被定向以通过降低期望的方向上的树脂泄漏而控制沿特定方向上的生长，因为通常沿纤维的取向方向的热膨胀更少。例如，0/90织物控制在0和90两个方向上的膨胀，而单向带将只控制在0方向的膨胀。

参考图1所示的转子片100，可以看到，凸角102可被材料完全覆盖，使得穿过转子的厚度t1延伸的唯一开口是中央开口112。这种类型的凸角可被称为实心凸角并且具有这种凸角102的转子片100可被称为实心凸角转子片。然而，转子片100可在每一个凸角内设置有一个或多个开口。这种类型的凸角可被称为空心凸角并且具有这种凸角的转子片可被称为空心凸角转子片100。

参考图3-4，其示出了复合转子片200的第二个示例。在第一和第二示例100、200之间存在许多相似之处并且用于第一示例100的描述因而适用于第二示例200。在存在相似特征时，使用相似的参考标号。然而，第二示例的相应特征被指定用200系列参考标号而不是用于第一示例100的100系列参考标号。因此，这部分将被限制在第一和第二示例之间的差异。

转子片200在两个主要方面与转子片100不同。首先，如前面所讨论的，转子片200可以设置有三个凸角202，而不是四个凸角。因此，在转子片200中的凸角之间的分离角a1可以是120度，而不是90度。还如图3中可见，每个单独的凸角202和根部部分204的形状和几何特征可以与第一示例所示的不同。

第二个主要区别在于，转子片200被示意性地示出为设置有编织的三轴纤维基底214，该纤维基底具有可定向在0度、+60度和-60度的纤维，使得基底214中的至少一些纤维与每个凸角202的长度大致对齐。因此，至少一些纤维沿第一取向轴线214-1(0度)延伸，一些纤维沿第二取向轴线214-2延伸，并且一些纤维沿第三取向轴线延伸。在一个示例中，第一取向轴线214-1可以平行于纵向轴线205-1，第二取向轴线214-2可以平行于纵向轴线205-2，且第三取向轴线214-3可以平行于纵向轴线205-3，使得至少一些纤维可沿着每个凸角202的纵向轴线205延伸。如同第一示例，这种布置可以显示出在纵向205上增加凸角202的强度，这是期望的，因为当转子片200绕中心轴线X旋转时在这个方向上存在相当大的力。

在一个示例中，基底214设置有沿至少一个取向轴线方向延伸的纤维并且转子片200被堆叠并相对于彼此旋转，使得取向轴线交替地与旋转部件30所形成的凸角中的至少一个的纵向轴线205对齐。例如，第一转子片200的纤维取向轴线可与第一凸角202-1对齐，第二相邻转子片200的纤维取向轴线可与第二凸角202-2对齐，第三相邻转子片200的纤维取向轴线可与第三凸角202-3对齐，等等。根据本教导，应理解的是，单独的转子片200(或100)可以同样地形成并且在被堆叠到相邻的转子片之前简单地转动。

例如，可以为每个转子片200提供单向纤维(0取向)基底214并且这些基底214被交替地堆叠(即每个片相对于相邻的片旋转120度)，使得叠层中的片200的三分之一的纤维沿轴线205-1对齐，叠层中的片200的三分之一的纤维沿轴线205-2对齐，并且叠层中的片200的三分之一的纤维沿轴线205-3对齐。相对于图1的四个凸角的转子片100的示例，单向纤维(0取向)基底114可为每个转子片100提供并交替堆叠(即每个片相对于相邻的片旋转90度)，使得叠层中的片100的一半纤维沿轴线105-1/105-3对齐并且叠层中的片100的另一半纤维沿轴105-2/105-4对齐。根据本发明应理解的是，其他纤维取向和堆叠构造也是可能的，而不偏离本文提出的教导。

参考图15-17，示出了复合转子片400的第三个示例。在本教导的第三示例中，复合转子片400可以被称为转子层和/或转子层片。在第一和第三示例100、400之间存在许多相似之处，并且用于第一示例100中的描述因而适用于第三示例400。存在相似的特征时，使用相似的参考标号。然而，第二示例的相应特征被指定以400系列参考标号，而不是用于第一示例100的100系列参考标号。因此，这部分将被限制在第一和第三示例之间的差异。

转子片400与转子片100的区别主要在于，转子层或层片400由纤维414的丝束形成，所述纤维通过缝合415以限定多个凸角402(402-1,402-2,402-3,402-4)、末端段403(403-1,403-2,403-3,403-4)、根部段404(404-1,404-2,404-3,404-4)和中央开口412而结合。如图所示，层片400包括由纤维414的单一连续丝束形成的四个凸角402，但也可以使用任何其它数量的凸角，如本教导的其它方面所述。存在许多适合的材料用于纤维束414，例如碳纤维、玻璃纤维(例如，S-2玻璃，E玻璃等)、热塑性纤维，金属纤维和芳纶纤维(例如，KEVLAR)。在一个方面中，丝束414包括多个单独的纤维，数量在大约12,000(12K)和大约610,000(610K)个纤维之间，但是可以使用更少或更多的纤维。在一个优选示例中，丝束414包括60,000(60K)个单独的碳纤维。

如图15可见，缝合过程在第一凸角402-1处开始和停止，在该处可见，丝束的第一端414a和丝束的第二端414b缝合在一起。在第一和第二端414a、414b之间，丝束414可根据需要来定向以限定凸角402、根部404和中央开口412。如图所示，中央开口412通过使丝束414布置有一个或多个大致圆弧形或圆形的中心段417来限定。在一个示例中，中心段417的纤维通常围绕中央开口412周向延伸。中央开口412可通过围绕整个开口412的连续的段来限定，或者可以通过多个中心段417来限定，所述多个中心段共同限定中央开口412。

在一个示例中，凸角402通过使丝束414布置有凸角段418来限定，凸角段418大致从中心段朝向每个凸角402的末端部分403(403-1,403-2,403-3,403-4)延伸。在所示的示例中，每个凸角402设置有四个凸角段418。凸角段418可以成对缝合在一起以限定每个凸角402内的凸角开口407(407-1,407-2,407-3,407-4)。为了适应缝合过程，每个凸角402可以形成有尾部405(405-1,405-2,405-3,405-4)以允许丝束被双倍折回以形成下一个凸角段418。缝合可以在末端部403和凸角段418的交界处增加，使得尾部405可在缝合过程后切掉，而留下末端部405全面完整。

丝束414也可定向成限定在每一个凸角402之间延伸的根段420。在所示的示例中，根段404被缝合到中心段417并且根段420的至少一部分纤维可以大致平行于相邻的中心段417的一部分纤维延伸。在一个示例中，提供单个连续丝束414，其中，中心段417、凸角段418、尾部405和根段420是相同的丝束414的一部分。在一个示例中，转子层片400通过使丝束400定向成在所述段和部分405、417、418和420之间交替而形成。例如，丝束414的一部分可以包括凸角段418，凸角段418邻接根部420，根部420进而邻接另一凸角402的凸角段。

在一个示例中，丝束414可通过缝合材料515缝合到基底422上。基底422可以是载体膜、织物或有助于将丝束414缝合成所需形状的任何其它类型的材料。在一个示例中，基底422是具有低熔融温度的背衬膜，该膜可在转子模制过程中熔掉。在一个示例中，基底422是可以显示增加额外的强度和刚度的结构性织物。结构性织物的示例是已经为转子片材料讨论过的类型的织造或非织造的碳纤维和玻璃纤维织物。形成转子之后在转子中仍存在的纤维还可以用于增加每个单独层片400的膨胀(loft)或体积(bulk)以便减少所需层片400的总数量。缝合后，基底422可以修剪成转子层片400的形状。

缝合材料515也可以选择成在模制过程中熔到整体结构内的低熔点材料。在一个方面，控制缝合的间距/密度和位置以实现转子层片400在模制过程之前的期望刚度。在特定位置增加缝合通常将导致在该位置增大刚度并降低层片顺从另一形状的能力(即，更高的缝合密度降低“悬垂性”)。在转子凸角端403和尾部408的交点处，提供附加的缝合，使得当尾部408从凸角端部403切离时，形成端部403的凸角段418保持由缝合部415连结。

有利地，转子片100、200(并且因此组装转子30)的惯量或转动惯量与实心材料金属转子相比可大大减小。在所示的示例中，转子片100、200在由碳纤维制成时的转动惯量可以比具有相同的几何构造的由铝制成的实心转子少约35％。转子片100、200的这种减小了的转动惯量可以有多个好处。例如，由片100、200形成的转子、齿轮或其它类型的旋转部件可以表现出更迅速地加速，并且对互连部件如离合器引起的磨损更少。另外，所公开的转子片100、200可构造成表现出具有足够的环箍强度以承受其中转子30以每分钟20,000转或更高的速度旋转的应用。

可以意识到利用转子层400形成组装转子430的更多优点。例如，可以产生较少的废料，因为丝束414可设置成转子层400的各部分的具体形状。与那些需要将转子片切割成期望的形状的方法相比，这减少了总体材料成本。成本节约还体现在纤维束通常比织物片式产品的成本更低。由于切断纤维可以显着降低材料的强度(在某些情况下高达百分之五十)，避免进一步切割增强了转子层400和进而转子430的强度。甚至当凸角段417定向成限定每个凸角402中的开口407时，性能没有发生显着变化，因为凸角段417的纤维保持未切割并完好无损。实现了附加强度优势，因为丝束414的纤维策略性地定向以在转子周边提供增大的根部强度和环箍强度。利用缝合的丝束414来形成转子层400导致相对成本较低且较轻的转子430，其几乎没有收缩并且转子430的内径和外径具有良好的尺寸稳定性。

参考图7，根据本教导示出转子轴300。根据应用，转子轴可以由复合材料、铝或钢(例如低碳热处理钢，不锈钢等)制成。轴300可以通过转子片的中央开口112、212延伸，并且一旦转子片100、200堆叠并固定到轴300，则能够在堆叠的转子片和输入或输出装置之间传输动力。如图所示，转子轴300包括第一端302和第二端304。轴300可设置有安装部段306，其用作待安装的转子片100、200的位置。

转子轴300还可以设置有一个或多个固定特征，其可以用于将转子片100、200固定在转子轴300上。例如，滚花308可以设置在安装部段306的表面上以增加转子片100、200的塑料树脂116、206和转子轴300之间的结合。在所示的示例中，滚花308设置成安装部段306的表面上的多个纵向凹槽，该纵向凹槽使转子片在径向锁定到转子轴300上。可以提供的另一个固定特征是位于安装部段306的一端的台阶部312。如图所示，台阶部具有比所述安装部段306更大的直径，从而阻止转子片100、200在转子轴上朝向第一端302纵向滑动。

安装部段306也可以设置有一个或多个周向沟槽310，塑料树脂116、206可流入周向沟槽中，从而将转子片100、200在轴向方向上锁定到转子轴300。根据本发明应理解的是，周向沟槽310的位置可以选择成允许转子片100、200和轴300之间发生热膨胀。适当位置的一个示例是邻近台阶部312。轴300还可以设置有与转子片100、200的键槽特征113、213接合接合的花键。轴300上的花键可设置有与键槽特征113数量相同并且具有相同形状的花键。花键也可以沿安装部段306的全长延伸。

参考图8和9，分别示出了使用堆叠的转子片100和200的组装的转子30。参考图7，层压转子30通过堆叠转子片100使得相邻的片100完全相互覆盖而设置成直堆叠转子。图17示出了其中转子层片400被用于形成转子430的相似的示例。参考图8，层压转子30包括多个可安装在共同的轴300上的堆叠的转子片200。在所示的示例中，堆叠的转子片200旋转地堆叠，使得转子组件30可具有包括恒定的螺旋角或着可变螺旋角的螺旋转子(例如相邻的片之间的旋转偏移程度沿着转子的长度增加大/或减小)。使用术语“旋转地堆叠”是指片材关于彼此旋转地偏移，使得一个转子片不完全覆盖相邻的转子片。应注意的是，片100和层400可以设置成旋转堆叠结构，并且转子片200也可以设置成直堆叠结构。

转子组件方法1000

参考图11，其示出了根据本发明的系统和过程1000的示例。应注意的是，虽然图中示意性地示出特定的顺序下的步骤，所描述的方法并不旨在限于以所示顺序执行。而所示步骤的至少一部分可以以重复的方式、以不同的顺序和/或同时执行。另外，图11所示的过程在本质上是示例性的，可以结合其它步骤或步骤的组合或者变型而不脱离本文公开的本教导的各方面。

在步骤1002中，提供了根据本教导的多个转子片100或200。在一个示例中，转子片100、200可以是预浸渍的碳纤维片。在一个示例中，转子片100、200可以最初设置成仅有基底片114、214并且可将聚合材料116、216注入到湿的基底片114、214中。在步骤1004中，所提供的转子片100、200中的每一个都可以被堆叠到轴300上，使得转子片侧面208、210中的一个的至少一部分与转子片侧面208、210中的另一个相邻并接触。在所示的示例中，每个转子片200的侧面208、210可以是完全平坦的，使得在被堆叠时，相邻的转子片之间不存在间隙。参考图5和图8所示的示例，每个转子片100可以直接堆叠在相邻的转子片100或200的顶部上以形成一个直的转子30。参考图9所示的示例，每个转子片200可从围绕中心轴线X的相邻转子片200稍微偏移以形成螺旋转子30。步骤1002可替代地包括将转子片100、200堆叠到空心的毂上，该毂然后可被安装到轴300。步骤1002还可以包括转子片100、200被围绕预成形的插件、例如泡沫芯堆叠或成形，该插件可在聚合材料116、216部分或完全固化之后移除。

根据本发明应理解的是，堆叠的转子片100、200的许多构造是可能的。例如，叠层可以完全由空心凸角转子片、完全由实心凸角转子片或由其组合制成。叠层还可以是：大多数片材为复合片，其中非复合转子板(例如铝板)被逐渐插入整个叠层，例如，每第十片可以是非复合转子片，其余的片材是复合转子片。叠层还可以是：转子片100的一部分具有短切纤维用于纤维基底114，转子片的另一部分具有连续纤维、例如单向或编织纤维用于纤维基底114。叠层还可以是：转子片100的一部分具有第一取向模式(例如0/90)的纤维用于纤维基底114，转子片100的具有不同的第二纤维取向(0/+45/-45)的另一部分用于纤维基底114。在一个示例中，单独的转子片100、200可以在堆叠在一起之后缝合或缝纫在一起。

在步骤1006中，转子片100、200可被压紧，并且可以被加热到使转子片变成彼此紧密接触，并导致树脂116、206在整个转子片100、200之间流动并进入滚花308和周向沟槽310。在一个示例中，堆叠的片100、200和轴300被放置在具有筒形件的模制工具中并由柱塞压紧。模制工具可设置有凹槽，该凹槽可以使轴300穿过该工具延伸以使堆叠的片100、200的两端可以在工具和柱塞之间直接压紧。当需要螺旋转子时，柱塞可构造成随着压紧转子片100、200而旋转，这表现为辅助保持所需的形状。在一个示例中，堆叠的转子片100、200可被施加压紧模制过程，其中约8至12吨的压紧压力被施加到转子片叠层，并且其中所述转子片叠层暴露至大约320至325华氏温度的空气中约10分钟。

在步骤1008中，允许树脂116、206固化。此步骤可以包括从所述模制工具移除堆叠的片100、200和轴300并且在部分或完全固化后从组件中除去压力和/或热。在一个示例中，部分固化之后，堆叠的片100、200与轴一起从模制工具移除并移动到向组件施加热以用于最终固化的烘箱。

在过程1000的一个示例中，使用网形或近似网形模制方法意味着聚合材料固化之后几乎不需要或完全不需要精加工来获得最终转子形状。例如，利用预浸渍的碳纤维时，完全固化的堆叠片100、200的外表面可以是大致光滑的，因此不需要向表面施用精加工技术。也可以使用注射模制方法。然而，在一些示例中，可能希望以某种方式修整表面。例如，可能需要施用耐磨涂层以允许一对相邻的转子30之间的间隙更紧密。

在步骤1010中，转子30可以被平衡。在一个示例中，可以通过从转子片100、200的一个或多个凸角去除材料来进行平衡。一种平衡方法是使用钻头去除预定位置的材料的预选的量。

转子组件方法2000

参考图12，示出了根据本教导的转子组件2000的第二示例。应注意的是，虽然图中示意性地示出特定顺序下的步骤，所描述的方法并不旨在限于以所示顺序执行。而所示步骤的至少一部分可以以重复的方式、以不同的顺序和/或同时执行。另外，图12所示的过程在本质上是示例性的，可以结合其它步骤或步骤的组合或者变型而不脱离本文公开的本教导的各方面。

应注意的是，在第一和第二方法1000、2000之间存在许多相似性，对于第一方法1000的描述因此适用于第二方法2000。因此，这部分将主要限于第一和第二方法1000、2000之间的差异。第二方法2000和第一方法1000之间的主要区别是第二方法2000中使用了分别施加的粘合剂101、201(见图6)以使转子片100、200粘结在一起，而不是依赖用于复合转子片本身的聚合材料。这种方法允许使用预固化的转子片，这可以减少和/或消除模型和生产所需的专用工具并且还通过减少周期时间而增加产量。

在第二方法2000的步骤2002中，可以提供多个预固化的复合转子片。使用术语“预固化”意味着包括复合结构，其中聚合材料大致固化或完全固化。在一个示例中，步骤2002可包括提供预固化的复合片，从该复合片例如通过激光切割、水射流切割\和高速冲压切出多个转子片。

在步骤2004中，向转子片施加粘合剂。粘合剂可以单独地施加到转子片或者可以施加到转子片的组。也可以在从预固化的复合片切出转子片之前例如通过喷雾将粘合剂施加到预固化的复合片。粘合剂也可以作为预固化的复合片的一侧或两侧上的涂层提供。在一个示例中，粘合剂是聚合材料，例如具有与已经描述的聚合材料116相同的性质的聚合材料。粘合剂的非限制性示例是丙烯酸、环氧树脂、氨基甲酸乙酯和紫外线固化性粘合剂。由于具有用于复合转子片的聚合材料，可基于匹配将要使用层压转子的操作环境的适当玻璃化转变温度选择粘合剂。

根据应用和转子片位置，粘合剂可被施加到转子片的每一侧面或施加到转子片的单个侧面。在一个示例中，在转子的端部的转子片不会具有施加到其外表面的粘合剂，而具有施加到其内表面的粘合剂。在一个示例中，每个中间的转子片可以使粘合剂仅施加到单侧。在一个示例中，每个中间的转子片可以使粘合剂施加到转子片的两侧。在一个示例中，粘合剂可被施加到每隔一个转子片的两侧，而它们之间的转子片没有涂覆粘合剂。如前所述，图6示出用粘合剂粘结所述片。

在步骤2006中，转子片被堆叠在一起以形成层压转子，使得每个相邻的转子片之间存在一定量的粘合剂，如图6所示。如本文中所使用的，术语“相邻”包括隔着粘合剂彼此堆叠的转子片。如第一方法1000，转子可具有被堆叠在一起以形成直的转子或具有恒定的或可变的螺旋角的螺旋转子的转子片，并且可专有复合转子片或复合与非复合(如金属)转子片的组合。应注意的是，步骤2004和2006可以交替执行，使得粘合剂被施加到转子片，然后转子片堆叠到转子，然后向下一个待堆叠的转子片添加粘合剂。替代地，所有转子片可以在堆叠之前施加粘合剂。另一种合适的方法是首先将转子片堆叠到转子上，然后将转子片放置在叠层上，然后向转子片施加粘合剂。

在步骤2008中，允许粘合剂固化。根据所选择的粘合剂的类型，步骤2008可包括加热该堆叠转子和/或压紧该堆叠转子以促进粘合剂的固化。

在步骤2010中，如果需要的话，转子的外表面可被机加工以提供指定的光洁度。在一个示例中，通过转子片形成螺旋转子，堆叠的转子片的边缘被机加工以消除任何由于偏移的片而可能存在的台阶特征，从而提供光滑的外表面。此步骤也可与第一种方法1000结合使用。

在步骤2012中，转子轴被插入并固定到转子，使得轴通过每个转子片中央开口延伸。在一种方法中，在步骤2010之前，转子片被堆叠以形成转子，轴被插入完全组装的转子。在另一方法中，转子片被堆叠到轴上，使得步骤2008和2010一起执行。在一个示例中，以及如图13和14中可见，转子轴38由充压模具形成，因而在围绕输出轴38的90度增量上有多个痕纹542。痕纹542的高度设置成当轴38插入其中时与形成转子30的板100、200的中央开口112、212干涉配合。这允许从转子板100、200向轴38传递动力。转子还可以安装到花键轴和/或通过粘结介质例如粘合剂粘结到轴。在一个示例中，转子的一端不是刚性地连接到轴的一端，从而容纳轴和转子之间的任何热膨胀的差异。在一种方法中，在转子的一端提供转子和轴之间的花键压配合，在转子的中心提供一个浮凸部，在转子的另一端的轴和转子之间提供滑动或滑配合。这些方法也可以与第一方法1000结合使用。当与第一方法1000结合使用时，转子片可安装在空心毂上，或者可以堆叠到空心毂而不是轴上。

在步骤2012中，可以向转子的转子片施加涂层。在一个示例中，施加了可磨损的涂层。如果转子不是在步骤2010进行最终加工，其他类型的适合用于转子的涂层是等离子体或火焰喷涂材料。可选择地，可以向转子施加导电涂层。

在步骤2014中，转子可以被平衡。在一个示例中，可以通过从转子片的一个或多个凸角去除材料来进行平衡。一个平衡的方法是使用钻头在预先确定的位置(多个)去除预选的量的材料。

转子组件方法3000

参考图18，示出了根据本教导的转子组件3000的第三示例。应注意的是，虽然图中以特定顺序示意性地示出步骤，所描述的程序并不旨在限定于以图示的顺序来执行。而至少一些所示步骤可以以重复方式、以不同的顺序和/或同时进行。另外，在图17所示的过程在本质上是示例性的，其它步骤或步骤的组合可并入或改变而不脱离本文公开的本教导的方面。

应注意的是，在第一和第三方法1000、3000之间存在许多相似性，因此用于第一方法1000的描述适用于第三方法3000。因此，这一部分将主要限于第一和第三方法1000、3000之间的差异。第三方法3000和第一方法1000之间的主要区别是，每一个转子层首先由丝状材料、例如碳纤维的丝束形成，该丝束缝制成转子层的形状。如前所述，这种方法的优点是，当形成单独的层或层片时不产生废料，并且在该缝合过程允许纤维在转子的每个位置被最佳地对准以提高转子的整体强度。

在第二种方法3000的步骤3002中，提供连续丝状材料的丝束。在一个示例中，连续丝状材料是碳纤维。在步骤3004中，丝束被缝合成单独的转子层片，每个层片具有多个远离中央开口延伸的凸角。在一个示例中，所述层片被缝合以限定空心凸角(即具有开口的凸角)。与实心凸角结构相比，这种方法导致转子的质量减小。在一个示例中，丝束被缝到基底上，过量的丝束都可以随后修剪掉以匹配转子层片的形状。在步骤3006中，转子层片在模腔中彼此堆叠，而在步骤3008中，轴通过每个堆叠的转子层片的对准的中央开口插入。在步骤3010中，聚合材料被注入模腔以润湿形成层片的丝状材料。合适的聚合材料的一个示例是塑料树脂，例如，环氧树脂。可用于该聚合材料116的热固性材料的一些示例是乙烯基酯、酚醛树脂和双马来酰亚胺(BMI)材料。树脂涂敷和模制过程可包括树脂浸渍技术，例如树脂传递模塑(RTM)或真空辅助树脂传递模塑(VARTM)。步骤3010可包括压缩所述层叠转子层400和向模腔施加热。通常，转子层400可被表征为具有膨松性，这意味着该层400与片100、200相比通常更厚和相对更可压缩。因此，在模制期间可能期望一些压缩来巩固该结构。在步骤3012中，可以使树脂固化以形成转子，如图17所示。转子可在完全或部分固化后从腔中移除。

旋转组件应用

上述转子组件30、430(统称为转子组件30)可以在涉及旋转装置的多种应用中使用。两个这样的应用可以用于流体膨胀器20和压缩装置21(例如增压器)中，如图10所示。在一个示例中，流体膨胀器20和压缩装置21是体积装置，其中膨胀器20和压缩装置21内的流体横跨转子30传输而体积不变。图10示出了设置在具有用于沿着适当路面移动的车轮12的车辆10中的膨胀器20和增压器21。车辆10包括接收吸入空气17并产生废热的动力设备16，废热的形式为排放15中的高温排气。在一个示例中，动力设备16是燃料电池。转子组件30、430也可以被用作齿轮系中的直齿轮或螺旋齿轮(即旋转部件)，用作传动齿轮，用作其它类型的膨胀和压缩装置中的转子，用作泵的叶轮，和用作搅拌装置的转子。

如图10所示，膨胀器20可从动力设备排气15接收热量，并且可以使热量转换为可被送回动力设备16(电地和/或机械地)的有用功，从而增加动力设备的整体运行效率。如所配置的，膨胀器20可以包括壳体23，一对转子组件30设置在壳体23内。具有转子组件30的膨胀器20可以配置成从动力设备16直接接收热量或从排气间接接收热量。

从动力设备16直接接收排气的流体膨胀器20的一个示例在题为EXHAUST GAS ENERGY RECOVERY SYSTEM的专利合作条约(PCT)国际申请号PCT/US2013/078037中公开。PCT/US2013/078037在此通过引用整体并入本文。

经由有机Rankine循环从动力设备排气间接接收热量的流体膨胀器20的一个示例在题为VOLUMETRIC ENERGY RECOVERY DEVICE AND SYSTEMS的专利合作条约(PCT)国际申请公开号WO 2013/130774中公开。WO 2013/130774通过引用整体并入本文。

仍然参考图10，压缩装置21可以示出具有壳体25，一对转子组件30被设置在壳体25内。如所配置的，该压缩装置可以由动力设备16驱动。如所配置的，压缩装置21可以增加输送到动力设备16的吸入空气17的量。在一个示例中，压缩装置21可以是在题为OPTIMIZED HELIX ANGLE ROTORS FOR ROOTS-STYLE SUPERCHARGER的美国专利7,488,164中示出和描述的类型的Roots式鼓风机。美国专利7,488,164在此通过引用整体并入本文。

材料选择

当转子30被设置在壳体、例如壳体23和25中时，在本发明的教导下应理解的是，必须适当考虑对转子和壳体的材料选择，以便维持转子和壳体之间的期望的间隙。例如，不合适的材料选择可导致转子在通过工作流体(例如发动机排气，乙醇，水，空气等)加热时膨胀到壳体的内壁中，从而损坏转子和壳体。在本发明的教导下应理解的是，适当选择具有正确的热膨胀相对系数的材料可导致转子在膨胀状态下不接触也膨胀的壳体，并将维持转子与壳体之间的最小间隙，用于在更广泛的温度范围内的最高效率。此外，由于转子更直接地暴露至工作流体(例如，排气或在Rankine循环中使用的溶剂)并且壳体可辐射热量到外部，转子可以设置成膨胀到比壳体更大的程度。通过本示例的方式，用于转子的材料的热膨胀系数可以比壳体的热膨胀系数低。

由于复合转子100、200、400可设置成使用热膨胀系数较低的材料，更多材料可以用于壳体23、25，例如镁和铝。在一个示例中，碳纤维转子与铝壳体一起使用。由于碳纤维比铝的热膨胀系数低，外壳和转子都将膨胀，但膨胀到使得可以显示每个部件膨胀达到允许最大效率的间隙的程度。另外，由于纤维取向对转子的生长的作用，可以选择纤维取向以使间隙进一步降到最小，从而提高性能和效率。当然，根据所需的性能标准，转子和壳体的材料存在许多其他的可能性。

在本发明教导下还应理解的是，为转子30、430选择的塑料树脂116、206也可以用于具有低温或高温的应用。例如，标准环氧树脂可限制转子30在流体处于约-40℃至约150℃之间的流体处理应用中的操作。

尽管已经详细描述了实施本教导的许多方面的最佳方式，但是熟悉本教导所涉及的领域的技术人员将认识到各种替代方面，以在所附权利要求的范围内实施本教导。