Мотор-колесо на базе ролико-лопастной машины
MOTOR-WHEEL BASED ON A ROLLER-VANE MACHINE

Изобретение относится к транспортным средствам и касается привода их ведущих колес.
Известен аналог устройства – мотор-колесо транспортного средства – SU765036, 23.09.1980, содержащее ротор, выполненный в виде обода колеса, установленный внутри ротора статор и боковые крышки, а также электродвигатель, расположенный в опорном стакане, и планетарный редуктор.
Недостатками аналога являются большие габариты устройства, а также множество деталей, что повышает сложность изготовления, повышает вероятность выхода устройства из строя, и повышает сложность его обслуживания.
Известен аналог устройства – ролико-лопастной двигатель – RU 2491432, 15.09.2011, содержащий корпус с впускными и выпускными отверстиями, ротор, размещенный в корпусе с возможностью вращения, ротор с наружной стороны имеет лопасть первого типа для преобразования давления рабочего тела в крутящий момент ротора, лопасть первого типа расположена в замкнутом пространстве, образованном радиальным зазором между ротором и корпусом, имеется ролик-разделитель, расположенный в корпусе с возможностью вращения, ролик-разделитель сопряжен с ротором с обеспечением разделения объёма в зазоре между ротором и корпусом на камеры, ролик-разделитель имеет впадину для прохождения лопасти при ее движении через него.
Недостатком аналога является сложность применения двигателя для мотор-колеса.
Известен близкий аналог устройства – мотор-колесо – SU 1050920, 30.10.1983, принятое в качестве прототипа устройства, содержащее ротор, выполненный в виде обода колеса, установленный внутри ротора статор, в статоре смонтирован воздухораспределитель, который сообщен с источником сжатого газа, а между статором и ротором выполнены две замкнутые герметичные полости, образованные двумя шарнирно установленными на статоре подпружиненными заслонками, причем в пространстве между статором и ротором установлен жестко смонтированный на поверхности ротора поршень, запоршневое пространство которого через выполненное в роторе отверстие сообщено с атмосферой, при этом указанные полости сообщены через выполненные в статоре радиальные каналы с упомянутым источником сжатого газа.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности привода мотор-колеса в двух направлениях, а также отсутствие функций торможения и торможения с рекуперацией энергии. Другим недостатком является наличие заслонок – элементов осуществляющих обратно-поступательное движение. При больших оборотах ротора возвратно-поступательные движения неблагоприятно воздействуют на механизм, возможны ударные нагрузки, что в целом снижает надежность устройства.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функционала мотор-колеса с обеспечением его привода в двух направлениях, обеспечении торможения и торможения с рекуперацией энергии, а также повышении надежности путем исключения деталей устройства, осуществляющих возвратно-поступательные движения.
Технический результат достигается в мотор-колесе на базе ролико-лопастной машины, содержащем ротор, выполненный в виде обода колеса, внутри ротора установлен статор с возможностью вращения ротора относительно статора, в замкнутом пространстве, образованном радиальным зазором между ротором и статором, на роторе имеется лопасть, функционально выполненная в виде поршня с возможностью преобразования давления рабочего тела в крутящий момент ротора, имеются каналы подвода рабочего тела в замкнутое пространство между статором и ротором и отвода из него, замкнутое пространство в зазоре между ротором и статором разделено на рабочие камеры, имеется ролик-разделитель, расположенный в статоре с возможностью вращения, ролик-разделитель сопряжен с ротором с обеспечением разделения замкнутого пространства в зазоре между ротором и статором на рабочие камеры, ролик-разделитель имеет впадину для прохождения лопасти при ее движении через него, каналы подвода и отвода рабочего тела расположены в статоре на расстоянии друг от друга по направлению движения лопасти ротора, каждый канал подвода и отвода рабочего тела связан с распределительным клапаном, выполненным с возможностью сообщения канала либо с источником рабочей среды под давлением, либо и с атмосферой.
В качестве рабочего тела может быть использован азот.
Мотор-колесо может содержать один трехпозиционный распределительный клапан на каждый канал подвода и каждый канал отвода рабочего тела.
Мотор-колесо может содержать по два запорных распределительных клапана на каждый канал подвода и каждый канал отвода рабочего тела.
Мотор-колесо может содержать контроллер для управления распределительными клапанами.
На фиг.1 изображено сечение мотор-колеса на базе ролико-лопастной машины, перпендикулярное оси вращения ротора.
На фиг.2 изображено сечение мотор-колеса на базе ролико-лопастной машины в месте расположения распределительного клапана.
На фиг.3 изображена пневматическая схема мотор-колеса на базе ролико-лопастной машины в варианте исполнения с двумя трехпозиционными распределительными клапанами.
На фиг.4 изображена пневматическая схема мотор-колеса на базе ролико-лопастной машины в варианте исполнения с четырьмя запорными распределительными клапанами.
с
с
Мотор-колесо на базе ролико-лопастной машины содержит ротор 1, как показано на фиг.1, выполненный в виде обода колеса, внутри ротора 1 установлен статор 2 с возможностью вращения ротора 1 относительно статора 2. В замкнутом пространстве 3, образованном радиальным зазором  между ротором 1 и статором 2, на роторе 1 имеется лопасть 4, функционально выполненная в виде поршня с возможностью преобразования давления рабочего тела (сжатого газа) в крутящий момент ротора 1. Имеются каналы подвода 5 рабочего тела в замкнутое пространство между статором и ротором и отвода 6 из него, замкнутое пространство 3 в зазоре  между ротором 1 и статором 2 разделено на рабочие камеры 7, 8, имеется ролик-разделитель 9, расположенный в статоре 2 с возможностью вращения, ролик-разделитель 9 сопряжен с ротором 1 с обеспечением разделения замкнутого пространства в зазоре 10 между ротором 1 и статором 2 на рабочие камеры 7 и 8. Ролик-разделитель 9 имеет впадину 11 для прохождения лопасти 4 при ее движении через него. Каналы подвода 5 и отвода 6 рабочего тела расположены в статоре 2 на расстоянии друг от друга по направлению движения лопасти 4 ротора 1. Каждый канал подвода 5 и отвода 6 рабочего тела связан с распределительным клапаном 12, расположенном в статоре, как показано на фиг.2, выполненным с возможностью сообщения канала 5 (6) с источником 13 рабочей среды под давлением и с атмосферой 14, как показано на фиг.2, 3.
Мотор-колесо может содержать один трехпозиционный распределительный клапан 12 на каждый канал подвода 5 и отвода 6 рабочего тела, как показано на фиг.3.
Мотор-колесо может содержать по два запорных распределительных клапана 15 на каждый канал подвода 5 и отвода 6 рабочего тела, как показано на фиг.4.
Мотор-колесо может содержать контроллер для управления распределительными клапанами 12 и 15.
Рассмотрим пример реализации мотор-колеса на базе ролико-лопастной машины. Ротор 1 и статор 2 и ролики-разделители 9 изготовлены из стали. На ротор 1 установлена резиновая покрышка 15, как показано на фиг.1. Ротор 1 имеет восемь лопастей 4, как показано на фиг.1. Лопасть 4 может быть одна или их может быть несколько. В качестве рабочего тела использован азот. Каналы подвода 5 рабочего тела в замкнутое пространство между статором и ротором и отвода 6 из него выполнены в виде отверстий, просверленных в статоре 2. Устройство содержит два трехпозиционных распределительных клапана 12, которые расположены в статоре 2, как показано на фиг.2. Каждый клапан содержит золотник 17 с электромагнитным приводом (на фиг. не показан), управляемым контроллером. Привод обеспечивает поворот золотника 17, связывая канал 5 (6) с источником 13 рабочей среды под давлением или с атмосферой 14. В третьем, промежуточном, положении золотник перекрывает каналы 18, 19, связывающие мотор с источником 13 рабочей среды под давлением или с атмосферой 14.
с
1
Рассмотрим пример работы мотор-колеса на базе ролико-лопастной машины. Мотор-колесо устанавливают на автомобиль вместо одного или нескольких колес. Через каждый из каналов 5 в статоре 1 в каждую замкнутую камеру 7, образованную в зазоре  лопастью 4 и роликом 9, подают рабочее тело. В качестве рабочего тела используют азот, который запасен в криогенных емкостях (баллонах) в сжиженном состоянии на автомобиле. Также в качестве рабочего тела может быть применен, к примеру, сжатый воздух или аргон. Жидкий азот, нагреваясь от окружающей среды в теплообменнике, переходит в газообразное состояние и начинает расширяться, создавая давление в камере 7.  Это давление создает силу F на поверхности лопасти 4, как показано на фиг.1. Через канал 6 в статоре 2 газ вытекает из камеры в атмосферу 14. В результате воздействия указанной силы F на лопасти 4 ротора 1 на нем образуется крутящий момент М.
2
При необходимости осуществления реверса мотор-колеса с обеспечением вращения ротора 1 в обратном направлении водитель подает управляющий сигнал на контроллер, контроллер формирует сигнал распределительным клапанам 12 на поворот золотника 17. После поворота золотников 16 клапанов 12 каналы 5 и 6 меняются местами – канал 6 сообщается с источником сжатого газа 12, а канал 5 с атмосферой 14. Давление газа при таком подключении каналов действует на противоположную поверхность лопасти 4, создавая силу F. В начальный момент после переключения золотников 17 ротор 1 имеет инерцию, поэтому вращаясь, он засасывает воздух из атмосферы 14 и сжимает его перед лопастью 4, увеличивая его давление. А так как камера 7 перед набегающей лопастью 4 уже сообщена с источником сжатого газа 13, то происходит рекуперация энергии сжатого газа, с возвращением части сжимаемого газа обратно в баллон 13. При этом происходит торможение мотор-колеса.
При необходимости полного торможения при нажатии водителем тормоза до упора, контроллер подает сигнал на поворот золотника 17 в промежуточное положение, при котором он перекрывает  оба канала 18 и 19 (фиг.2), один из которых сообщен с источником сжатого газа 12, второй с атмосферой 14.
Такой же режим торможения в варианте устройства с четырьмя запорными распределительными клапанами 15 реализуется путем закрытия всех запорных клапанов 15.
Опционально может быть реализован режим холостого хода путем перекрытия золотником 17 каналов 18 и 19 и открытия байпасного клапана 20, изображенного на фиг.3, что обеспечивает соединение камер 7 и 8 для вращения ротора 1 с минимальным сопротивлением для движения накатом.
Мотор-колесо может содержать по два запорных распределительных клапана 15 на каждый канал подвода 5 и отвода 6 рабочего тела, как показано на фиг.4. В этом случае для перенаправления потоков рабочего тела для смены направления вращения ротора 1 один из клапанов каждого канала закрывают, второй открывают.
Управление клапанами 12, 15 и 20 может быть выполнено механическим приводом, а не сигналом с микроконтроллера, а также золотники клапанов могут поворачиваться вручную.