低惯量叠片式转子的制作方法

低惯量叠片式转子的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有安装在轴上的多个转子片的转子组件，和一种制造转子组件的方法。组件中每个转子片具有在第一侧和第二侧之间延伸的中心开口，轴延伸穿过中心开口。在一个方案中，所述转子片具有延伸离开中心开口的多个凸角，其中每个凸角具有延伸穿过所述片的厚度的凸角开口。在一个实施例中，转子片被旋转地堆叠形成螺旋转子。
【专利说明】低惯量叠片式转子
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月15日提交的美国专利申请61/798，137的优先权，其全文通过引用结合入本文。

【技术领域】
[0003]本发明涉及转子组件，其可以用于旋转设备例如容积式膨胀和压缩装置中。

【背景技术】
[0004]转子通常用于需要压缩或驱动流体以及需要从流体中提取能量的应用中。在一个例子中，压缩机或增压器利用一对转子来增加内燃机吸入的空气流。在另一个例子中，容积式流体膨胀机包括使工作流体膨胀以在输出轴上产生有用功的一对转子。在这类应用中，已知的是提供一种具有固定横截面积的一体式结构的机加工或铸造转子。因此对改进存在需要。


【发明内容】

[0005]本发明涉及一种包括安装在轴上的多个转子片的转子组件。在一个方面，每个转子片具有由第一厚度分隔开的第一侧和相对的第二侧。每个转子片还可以具有在第一和第二侧之间延伸的中心开口，轴穿过该中心开口。在另一方面，转子片具有延伸离开中心开口的多个凸角，其中每个凸角具有在第一和第二侧之间延伸的凸角开口。多个转子片堆叠并固定在一起形成转子组件，使得一个转子片的第一侧和第二侧中的至少一个与另一个转子片的第一侧和第二侧中的至少一个相邻并接触。在一个实施例中，转子片直接堆叠在彼此上，从而使得一个转子片的整个一侧被相邻转子片完全覆盖。在一个实施例中，转子片旋转地堆叠以形成螺旋转子，从而使一个转子片不完全覆盖相邻转子片。本发明还包括一种具有一对上述转子的容积式流体膨胀机和压缩机或增压器。
[0006]本发明还涉及一种制造叠片式转子组件的方法。在所述方法的一个步骤中，提供多个前述的转子片。在一个步骤中，转子片堆叠在一起形成一种直转子或螺旋转子。在一个步骤中，转子片例如通过焊接固定在一起。在一个步骤中，转子安装到轴上以形成叠片式转子组件。所述轴可形成毛边以更好地接合所述轴与叠片式转子组件。所述方法还可以包括给转子施加耐磨涂层。
[0007]本发明的以上特征和优点以及其它特征和优点通过下面参考附图关于实施本发明的最佳方式的详细描述更容易理解。

【专利附图】

【附图说明】
[0008]图1是根据本发明原理的低惯量叠片式转子组件的透视图。
[0009]图2是可用于图1所示的转子组件中的转子片的俯视图。
[0010]图3是图2中的转子片的侧视图。
[0011]图4是可用于图1所示的转子组件中的转子片的俯视图。
[0012]图5是可用于图1所示的转子组件中的转子片的俯视图。
[0013]图6是去除轴后一体式转子的透视图。
[0014]图7是其上可以安装图2-5中的转子片的轴的透视图。
[0015]图8是在模锻工艺中图7所示轴的端视图。
[0016]图9是制造叠片式转子的方法的示意图。
[0017]图10是具有包括图1所示类型的转子组件的流体膨胀机和压缩机的车辆的示意图。

【具体实施方式】
[0018]将参考附图对多个实施例进行详细描述，其中在附图中相同/相似的附图标记代表相同的部件和组件。提到的多个实施例并不限制后附权利要求的范围。另外，说明书中给出的任何例子不打算限制本发明，而仅仅是给出后附权利要求的一些较为可行的实施例。参考附图，其中在附图中相同/相似的附图标记代表相同的部件和组件。
[0019]转子结构
[0020]参见图1，示出了完整的叠片式转子组件5。如图所示，叠片式转子组件30包括被安装到公共轴38上的多个堆叠转子片200。在所示的实施例中，转子片200被旋转地堆叠，从而使转子组件30具有带恒定螺旋角的螺旋转子。采用的术语“旋转地堆叠”表示所述片相对彼此旋转地错开，从而使得一个转子片不完全覆盖相邻转子片。叠片式转子30还通过堆叠转子片200从而使得相邻转子片200完全覆盖彼此以直转子的形式被提供。
[0021]图2-5中示出了转子片200的多个例子。如图所示，转子片200具有从中心轴线X延伸到相应的顶端部203-1，203-2，203-3 (统称203)的三个径向间隔开的凸角202-1，202-2，202-3 (统称为凸角202)。在一个方面，凸角202具有或限定出凸形轮廓，且根部204具有或限定出凹形轮廓，它们共同限定出转子片200的外周206。
[0022]如所示，凸角202，204，206被相邻的根部204-1，204-2，204-3 (统称为根部204)以第一分隔角al等间距隔开。在所示实施例中，分隔角al大约120度。虽然示出了三个凸角，应当理解，可以相应分隔角提供更少或更多的凸角，例如，分隔角为180的两个凸角，分隔角为90度的四个凸角，分隔角为72度的五个凸角，以及分隔角为60度的六个凸角。当被堆叠在一起以形成转子30时，每个转子片200的中心轴线X分别与轴线XI，X2同轴。
[0023]每个转子片200还具有由第一厚度tl分隔开的第一侧208和第二侧210。在一个实施例中，厚度tl为大约0.25毫米(_)。然而，应当明白也可以使用其它厚度其它，例如，在大约0.1mm到大约Imm之间的厚度,和在大约0.1mm到大约0.5mm之间的厚度。每个片200还被示出设有在第一侧和第二侧208，210之间延伸的中心开口 212，其中该中心开口212以中心轴线X为中心。
[0024]参见图2所示的转子片200，能看到凸角202是完全实心的材料，从而使得只有延伸穿过转子的厚度tl的开口是中心开口 212。这种类型的凸角被称为实心凸角，具有这种凸角的转子片被称为实心凸角转子片。然而，转子片200可设有在每个凸角内的一个或多个开口。这种类型的凸角可称为空心凸角，而具有这种凸角的转子片称为空心凸角转子片。
[0025]参见图4，示出了空心凸角转子片200的一个例子，其中每个凸角202设有相应的开口 205-1，205-2，205-3(统称205)。在一个方面，每个开口 205的面积占据由凸角202的外周所限定的凸角202的表面积的大部分。在一个方面，开口 205和中心开口 212所限定的总开口面积大于转子片200的外周206所限定的(转子片)总面积。在一方面，开口205配置成使与外周206相邻且靠近顶端部203的凸角202的其余材料具有大致恒定的宽度wl。在根部204附近，材料宽度被示出为大于第一宽度wl以提高强度。
[0026]在图4所示的实施例中，凸角205和中心开口 212的总开口面积为外周206所限定的总面积的大约50%，使得转子片200相比具有同样中心开口尺寸的实心凸角转子片少了大约50%的材料。转子片200中的开口 205的尺寸和构型可配置成使得总开口面积为总外周面积的O %到70 %，优选为总外周面积的大约30 %到大约60 %。换句话说，转子片200上的开口 205的尺寸和构型配置成使总材料减少占总外周面积的0%到大约70%，优选大约30%到大约60%。
[0027]在凸角204上设置开口 205，如图10所示，大大减少了形成转子30所需的材料量。因此，转子片200的重量以及转子30的重量明显低于实心转子或采用实心凸角片的叠片式转子。重要的是，转子片200和组装好的转子30的惯量力矩或转动惯量相比实心材料转子明显降低。在所示实施例中，转子片200和转子30的转动惯量比相同材料制成具有相同几何构型的实心转子低大约45%。转子片200上的开口 205的尺寸和构型配置成使得相比实心转子，转动惯量降低0%到大约45%，优选降低大约25%到55%。
[0028]参见图11，开口 205-1，205-2，205-3作为可用于在组装期间确定转子片200的几何中心的较小圆形开口设置。虽然图10和11中所示的转子片200被示出在每个凸角202上有一个开口 205，但是根据需要可以在每个凸角上设置多于一个的开口，例如，每个凸角202上设有两个、三个、或四个开口 205。
[0029]由于在转子30由至少一些空心凸角转子片200构成的情况下质量下降，转子片200可由这样一种材料制成，其足以在高温和高负载情况下保持结构完整性，比如具有转子组件5的容积式流体膨胀机20直接接收来自内燃机的排气的情况(后面讨论)。在某些例子中，每个转子片200由一种金属如不锈钢、碳钢或铝薄板被精冲切、冲压、激光或水射流切割而成。所述材料采用丝网印刷工艺被预涂铜或镍。
[0030]转子纟目装方法1000
[0031]参见图9，给出了根据本发明的转子组件系统和方法1000。注意到虽然附图按特定顺序图示地给出了步骤，但是所述流程不必限制为按所示顺序实施。而是至少某些所示步骤可以按重复的方式、不同的顺序和/或同时执行。另外，图8所示的方法实质上是示意性的，在不脱离本发明中心思想的前提下可以结合或更换其它步骤或步骤的组合。
[0032]在步骤1002中，提供根据之前描述的多个转子片200。在步骤1004中，堆叠每个提供的转子片200，使得转子片侧208，210之一的至少一部分与另一个转子片侧208，210相邻并接触。在所示实施例中，每个转子片200的所述侧208，210完全平坦，从而使得在堆叠时相邻转子片间没有间隙。如图所示，每个转子片200与相邻转子片关于中心轴线X稍微错开，从而形成一种螺旋转子30。
[0033]注意到堆叠转子片200的其它构型也是可行的。例如，所述堆叠完全由图3所示的空心凸角转子片构成。或者，所述堆叠包括图2所示的实心凸角转子片，在每端具有图3所示的空心凸角转子片。在另一种构型中，所述堆叠包括交替的实心凸角转子片和空心凸角转子片。或者，所述堆叠包括大部分是空心凸角转子片的片，带有沿整个堆叠被间隔地插入的实心凸角转子片，例如，每第十个片中有一个实心凸角转子片，而其余的是空心凸角转子片。
[0034]在步骤1006中，多个转子片200被固定在一起。堆叠的转子片200例如通过焊接固定在一起。在一个例子中，多个片200通过激光焊接固定在一起。在另一个例子中，多个转子片200在真空式或连续带式炉中焊接在一起。或者，所述片200被电镀然后电阻焊接在一起。在一个实施例中，转子片200通过沿着转子片顶端203以及沿着转子凸角202的每一侧延伸的焊缝固定，总共有横过转子长度的九条焊缝。其它焊接构型和其它附接手段例如粘合剂也是可行的。图6示出了在所述片已经堆叠并固定在一起后的转子30。
[0035]一旦所述转子片200比如通过上述焊接工艺之一固定在一起，在步骤1008中转子轴38被压到转子30上，从而产生图1所示的转子组件5。在一个实施例中，并从图7和8能看出，转子轴38由模具540形成，以包括围绕输出轴38以90度间隔设置的多个毛边/毛刺(burrs) 542。毛边542的高度设定成与在轴38被插入后与形成转子30的片200上的中心开口 212形成干涉配合。这允许动力从转子片200传递到轴38。
[0036]在步骤1010中，给转子30的转子片200施加涂层。在一个实施例中，所述涂层是耐磨涂层，以允许一对相邻转子30之间有较为紧密的间隙，这对于高温应用尤其有用。
[0037]转子组件应用
[0038]上述转子组件5可以被用于涉及旋转装置的多种应用。两种这样的应用是用于流体膨胀机20和压缩装置21 (例如增压器)，如图10所示。在一个实施例中，流体膨胀机20和压缩装置21是容积式装置，其中膨胀机20和压缩装置21内的流体输送经过转子30，而体积不变。图10示出了设置在具有车轮12以沿着合适道路表面运动的车辆10中的膨胀机20和增压器21。车辆10包括接收空气17并产生呈排气15的高温废气形式的动力装置
16。动力装置16可以是内燃(IC)机或燃料电池。
[0039]如所示，膨胀机20接收来自动力装置排气15的热量，并将热量转换成有用功，该有用功被输送回动力装置16以提高动力装置的整体运行效率。如所配置的，膨胀机20包括壳体23，壳体内设置有具有相互啮合的转子30和轴38的一对转子组件5。具有转子组件5的膨胀机20配置成直接或间接地从排气接收来自动力装置装置16的热量。
[0040]直接接收来自动力装置16的排气的流体膨胀机20的一个例子在名称为“EXHAUSTGAS ENERGY REVOCERY SYSTEM(排气能量回收系统)”的 PCT 国际申请 PCT/US2013/078037中公开。PCT/US2013/078037整体通过引用结合入本文。
[0041]通过有机朗肯循环间接接收来自动力装置排气的热量的流体膨胀机20的一个例子在名称为“VOLUMETRIC ENERGY RECOVERY DEVICE (容积式能量回收装置)”的PCT国际申请W02013/130774中公开。W02013/130774整体通过引用结合入本文。
[0042]仍参见图10,压缩装置21被不出具有壳体25,壳体内布置有一对具有相互卩齿合的转子30和轴38的转子组件5。如所配置的，压缩装置由动力装置16驱动。如所配置的，压缩装置21增加了被输送给动力装置16的吸入空气17的量。在一个实施例中，压缩装置21 是在名称为“OPTIMIZED HELIX ANGLE ROTORS FOR R00TS-STYLE SUPERCHARGER(用于罗茨式增压器的优化螺旋角转子)”的美国专利US7，488，164中示出并描述的罗茨式鼓风机。美国专利US7，488，164整体通过引用结合入本文。
[0043]材料诜择
[0044]在转子30被布置在壳体诸如壳体23和25内的情况下，必须考虑对转子和壳体的材料做出正确的选择，从而保持转子和壳体之间的理想间隙。例如，不正确的材料选择会导致转子在被工作流体(例如，发动机排气)加热时膨胀进入壳体的内壁，由此损坏转子和壳体，并导致装置不能工作。具有合适的相对热膨胀系数的正确材料的选择将使得膨胀状态下的转子不会接触同样处于膨胀状态的壳体，并且能保持转子和壳体间的最小间隙以在更宽的温度范围内实现最大效率。另外，因为转子被更加直接地接触工作流体(例如排气或朗肯循环中使用的溶剂)，且壳体可将热量辐射给外部，所以可料到所述转子的膨胀程度大于所述壳体。因此，选择使转子的热膨胀系数小于壳体的热膨胀系数的材料是理想的。
[0045]因为转子可具有空心凸角，所以转子所用的具有相对较低热膨胀系数的材料的选择更加广泛，因为由相对高密度的转子片所制成的空心凸角转子的转动惯量等于或低于由相对低密度材料所制成的实心凸角铸造、机加工、或叠合式转子。例如，带空心凸角的不锈钢转子能够产生的转动惯量基本上类似于铝制的实心凸角转子。同样，所公开的转子设计允许更大的转子材料选择度，这进一步拓宽了用于壳体的多种材料的适用性。
[0046]在一种特定的应用中，转子组件5被用于接收内燃机排气的膨胀机中。在这种应用中，转子片200必须由适合于在高排气温度下运行的材料形成，例如不锈钢、钨、钛、和碳素钢。因为转子30具有空心凸角，所以这些材料能用于高温膨胀机应用，而不会导致转子30的转动惯量对于高效运行来说太高。在一个实施例中，不锈钢转子结合铝壳体使用。因为不锈钢具有比铝低的热膨胀系数，所以壳体和转子会膨胀到使每个部件膨胀到实现允许最大效率的间隙的程度。当然，基于期望的性能标准，可用于转子和壳体的材料存在很多其它可能的组合。
[0047]虽然实施本发明多种方案的最佳模式被详细地描述，但是本领域技术人员能明白在后附权利要求的范围内还有多种实施本发明的替换方案。
【权利要求】
1.一种转子组件，包括: a.多个转子片，每个转子片包括: 1.由第一厚度分隔开的第一侧和相对的第二侧； ?.在所述第一侧和第二侧之间延伸的中心开口 ； ii1.延伸离开该中心开口的多个凸角； iv.其中所述多个转子片中的至少部分转子片的凸角具有在所述第一侧和第二侧之间延伸的凸角开口 ；和 b.延伸穿过所述多个转子片中的每一个转子片的中心开口的轴； c.其中所述多个转子片堆叠并固定在一起形成该转子组件，使得一个转子片的第一侧和第二侧中的至少一个与另一个转子片的第一侧和第二侧中的至少一个相邻并接触。
2.如权利要求1所述的转子组件，其中，所述转子片相对彼此旋转以形成螺旋转子。
3.如权利要求2所述的转子组件，其中，所述多个转子片中的每一个包括等角度径向间隔开的第一凸角、第二凸角和第三凸角。
4.如权利要求3所述的转子组件，其中，所述多个转子片中的每一个还包括第四凸角，其中所述第一凸角、 第二凸角、第三凸角和第四凸角等角度径向间隔开。
5.如权利要求2所述的转子组件，其中，所述螺旋转子的总长度基本上等于多个堆叠的转子片的所述第一厚度的总和。
6.如权利要求2所述的转子组件，其中，所述转子片中的每一个由金属材料形成。
7.如权利要求6所述的转子组件，其中，所述转子片通过焊接固定在一起。
8.一种旋转装置，包括: a.壳体； b.布置在该壳体内的第一转子组件；和 c.布置在该壳体内且与该第一转子组件相互啮合的第二转子组件； d.其中所述第一和第二转子组件各具有由多个转子片形成的转子，每个转子片包括: 1.由第一厚度分隔开的第一侧和相对的第二侧； i1.在所述第一侧和第二侧之间延伸的中心开口； ii1.延伸离开该中心开口的多个凸角，每个凸角具有在所述第一侧和第二侧之间延伸的凸角开口 ；以及 e.其中所述多个转子片堆叠并固定在一起形成该转子组件，使得一个转子片的第一侧和第二侧中的至少一个与另一个转子片的第一侧和第二侧中的至少一个相邻并接触。
9.如权利要求8所述的旋转装置，其中，所述第一和第二转子组件中的每一个的转子片相对彼此旋转以形成螺旋转子。
10.如权利要求9所述的旋转装置，其中，该旋转装置为增压器。
11.如权利要求9所述的旋转装置，其中，该旋转装置为配置成接收来自内燃机的排气的容积式流体膨胀装置。
12.如权利要求11所述的旋转装置，其中，每个转子片由热膨胀系数小于形成所述壳体的材料的热膨胀系数的材料形成。
13.如权利要求8所述的旋转装置，其中，所述第一转子组件的转子片通过焊接固定在一起，和所述第二转子组件的转子片通过焊接固定在一起。
14.如权利要求8所述的旋转装置，其中，所述多个转子片中的每一个包括等角度径向隔开的第一凸角、第二凸角和第三凸角。
15.如权利要求14所述的旋转装置，其中，所述多个转子片中的每一个还包括第四凸角，其中所述第一凸角、第二凸角、第三凸角和第四凸角等角度径向隔开。
16.一种制造叠片式转子的方法，所述方法包括以下步骤: a.提供多个转子片，每个转子片包括: 1.第一侧和相对的第二侧； ?.在所述第一侧和第二侧之间延伸的中心开口 ； ii1.沿径向延伸离开该中心开口的多个凸角，其中至少部分转子片具有带凸角开口的凸角； b.堆叠所述多个转子片中的每一个，使得每个转子片的第一侧和第二侧中的至少一个与另一个转子片的第一侧或第二侧相邻； c.将所述转子片固定在一起；以及 d.将轴插入所述转子片的中心开口。
17.如权利要 求16所述的制造叠片式转子的方法，其中，将转子片固定在一起的步骤包括将转子片焊接在一起。
18.如权利要求16所述的制造叠片式转子的方法，其中，还包括在将轴插入转子片的中心开口的步骤之前在所述轴上形成毛边的步骤。
19.如权利要求16所述的制造叠片式转子的方法，其中，插入轴的步骤在将转子片固定在一起的步骤之后执行。
20.如权利要求16所述的制造叠片式转子的方法，其中，还包括通过冲压、精冲切、激光切割、和水射流切割之一来形成多个转子片中的每一个的步骤。
【文档编号】H02K15/02GK104052175SQ201410158490
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】W·N·埃博根, M·L·基利安, M·J·福尔蒂尼 申请人:伊顿公司