Dlaczego silniki w piastach kół wciąż nie upowszechniły się?

Silnik w kole to architektura napędu, w której silnik elektryczny jest umieszczany bezpośrednio w piaście koła, eliminując wszystkie elementy układu napędowego, takie jak skrzynia biegów, dyferencjał i wał napędowy. Chociaż jego zalety na papierze są bardzo mocne, ze względu na rosnącą masę nieresorowaną, trudne zarządzanie ciepłem, problemy z uszczelnieniem i wysokie koszty, do dziś nie upowszechnił się w seryjnie produkowanych samochodach elektrycznych.

Jak działa silnik w kole?

Zasada działania opiera się, jak w każdym silniku elektrycznym, na indukcji elektromagnetycznej. Moment zasilania prądem uzwojeń stojana reguluje kontroler fazowy; wirujące pole magnetyczne, wytwarzane na podstawie sygnałów z czujników położenia, oddziałuje z magnesami trwałymi w wirniku i obraca wirnik - czyli koło. Nie ma łańcucha składającego się ze sprzęgła, skrzyni biegów, dyferencjału i wału napędowego; moc jest przekazywana do koła w miejscu, w którym powstaje.

Nowoczesny silnik w kole to coś więcej niż sama jednostka napędowa. W tej samej kompaktowej obudowie łączą się napęd bezpośredni, hamowanie rekuperacyjne wraz z odzyskiwaniem energii z hamowania tarciowego, elektroniczna kontrola prędkości różnicowej oraz chłodzenie powietrzem lub wodą. Po stronie sterowania wyróżniają się dwa podejścia: silniki z czujnikami Halla zapewniają bardzo precyzyjną kontrolę przy niskich obrotach, natomiast silniki bezczujnikowe szacują położenie wirnika poprzez pomiar SEM (BEMF) i mają trudności z wytwarzaniem momentu obrotowego przy bardzo niskich obrotach.

Konstrukcje z wirnikiem zewnętrznym i wirnikiem wewnętrznym

W silnikach w kołach istnieją dwie podstawowe architektury. W konstrukcji z wirnikiem zewnętrznym wirnik otaczający koło obraca się z niską prędkością - około 1.000–1.500 obr/min - i oferuje cichy, bezpośredni napęd; konstrukcja jest prosta, ale gęstość mocy jest ograniczona. Konstrukcja z wirnikiem wewnętrznym natomiast pracuje z wysokimi obrotami dochodzącymi do 10.000 obr/min i za pomocą planetarnej skrzyni biegów o stałym przełożeniu redukuje te obroty do prędkości koła. Wprowadzone między nimi koła zębate pozwalają wytwarzać tę samą moc mniejszym i lżejszym silnikiem; kompaktowe przekładnie planetarne sprawiają, że typy z wirnikiem wewnętrznym są poważnie konkurencyjne pod względem gęstości mocy. Dyskusja nad wyborem architektury trwa jednak nadal: prostota czy gęstość mocy?

Technologia uzwojenia to kolejny czynnik określający gęstość mocy. Tak zwane hairpiny - miedziane druty w kształcie spinki o prostokątnym przekroju - w porównaniu z uzwojeniem z drutów okrągłych zapewniają znacznie gęstsze upakowanie, lepsze odprowadzanie ciepła, a co za tym idzie, wyższą gęstość mocy. Uzyskanie większej mocy z jednostki objętości to najbardziej bezpośredni sposób ułatwienia pracy silnika w ciasnej przestrzeni wewnątrz koła.

Dlaczego ta architektura jest atrakcyjna? Usunięte elementy i zyskane przewagi

Przeniesienie silnika do kół w samochodzie elektrycznym radykalnie upraszcza konstrukcję mechaniczną. Sprzęgło, skrzynia biegów, dyferencjał i wał napędowy całkowicie znikają; co redukuje straty mechaniczne w łańcuchu napędowym do zera. Moment obrotowy jest przekazywany bezpośrednio do koła - bez wałów przegubowych, ani Cardana, ani przegubów homokinetycznych - i odpowiada w tym samym momencie, w którym porusza się noga kierowcy.

Skutki uproszczenia widać jeszcze wyraźniej na liście:

• Dzięki niezależnemu napędzaniu każdego koła napęd przedni, tylny i stały 4x4 łatwo zrealizować jedną architekturą.
• Przestrzeń w podwoziu przeznaczona dotąd na silnik i skrzynię biegów się opróżnia; a ten obszar zamienia się w miejsce dla pasażerów, bagażu lub dodatkowej pojemności baterii.
• Ponieważ liczba ruchomych części maleje, praca staje się cichsza, a zużycie mechaniczne i potrzeby serwisowe spadają.
• Ponieważ masa rozkłada się na cztery narożniki, środek ciężkości się obniża, co przyczynia się do stabilności.

Po stronie efektywności też rachunki wychodzą na plus: w porównaniu z układem z centralnym silnikiem, pojazdy elektryczne z silnikami w kołach oferują wyższą sprawność układu i niższe straty mechaniczne. Pojazd uproszczony mechanicznie jest elektrycznie znacznie inteligentniejszy - ponieważ moment obrotowy czterech silników można zarządzać niezależnie w skali milisekund.

Problem masy nieresorowanej: Ciężar pozostawiony pod kontrolą zawieszenia

Najbardziej dyskutowanym kosztem silnika w kole jest jego wkład w masę nieresorowaną. Masa resorowana to ta, którą przenosi nadwozie, natomiast masa nieprzechodząca przez resor to ta, którą koło i zawieszenie kierują bezpośrednio. Gdy silnik zostaje przeniesiony do wnętrza felgi, ta druga masa znacznie rośnie, a skutki stają się mierzalne: przyczepność, komfort jazdy, czułość zawieszenia i trwałość komponentów ulegają pogorszeniu.

Fizyka jest prosta i bezwzględna. Rosnąca masa nieresorowana osłabia zdolność koła do podążania za profilem drogi, zwiększa dynamiczne obciążenie koła i drgania zawieszenia oraz uwypukla drugorzędny mod rezonansowy w paśmie około 7–10 Hz, psując komfort. Ze względu na efekt filtrujący rozstawu osi oddziaływanie tego zjawiska na nadwozie różni się w zależności od pojazdu, ale każdy dodatkowy kilogram, którego zawieszenie nie kontroluje, jest ostatecznie opłacany przez oponę pozostającą w kontakcie z drogą.

W tym miejscu pojawia się pogląd przeciwny, którego nie wolno ignorować. Producenci tej technologii twierdzą, że wpływ masy nieresorowanej jest wyolbrzymiany, a dobrze zestrojone zawieszenie i aktywne amortyzatory mogą w dużej mierze zrównoważyć ten efekt. Jednak recenzowane badania z ostatnich lat potwierdzają, że wzrost masy nieresorowanej w mierzalny sposób zwiększa dynamiczne obciążenie koła i drgania zawieszenia. Realistyczny obraz jest taki: problem nie jest nie do pokonania, ale nie należy go też lekceważyć - rekompensata jest możliwa dzięki bardziej zaawansowanej i droższej konstrukcji zawieszenia.

Zarządzanie ciepłem i szczelność: Wrogie środowisko wewnątrz koła

Pułapka cieplna w ciasnej obudowie

W pojeździe z silnikiem centralnym silnik znajduje się w strefie z łatwym dostępem do układu chłodzenia i w kontakcie z czystym powietrzem. Wewnątrz koła ten sam silnik pracuje w ciasnej obudowie, nagrzewanej ciepłem hamulców i narażonej na zachlapania z drogi. W tej przestrzeni odprowadzanie ciepła jest trudne; przegrzanie najpierw obniża sprawność silnika, a następnie szybko niszczy izolację i może prowadzić do awarii elektroniki, sięgających nawet zwarcia. Próg krytyczny jest jasny: Powyżej 140 °C magnesy trwałe mogą stracić swoje właściwości magnetyczne - czyli jeden długi podjazd pod obciążeniem może trwale osłabić silnik. Dodatkowe obciążenie hamulców wynikające z masy nieresorowanej jeszcze bardziej zwiększa wytwarzane ciepło. Kierunek rozwiązania jest znany: kanały chłodzenia cieczą, zaawansowane pochłaniacze ciepła i materiały uzwojenia o niskiej rezystancji. Odprowadzanie ciepła w dużym silniku w kole klasy 35 kW za pomocą wewnętrznego układu chłodzenia zostało zweryfikowane eksperymentalnie; czyli technicznie jest to problem do rozwiązania, ale każde rozwiązanie dodaje kosztów i masy.

Walka uszczelek: Woda, kurz i drgania

Drugim problemem środowiskowym jest szczelność. Silnik znajduje się wewnątrz części obracającej się z prędkością jazdy; otaczają go wilgoć, kurz, błoto, słona woda i ciągłe drgania. Podczas gdy każdy komponent nad resorami jest od tego środowiska w pewnym stopniu chroniony, silnik w kole walczy na najbardziej zewnętrznej linii, przy zderzaku. Zadanie uszczelki wymaga dwukierunkowej równowagi: zapewniając wysoką szczelność, nie może dodawać strat tarcia do obracającej się części. Dlatego uszczelki silników w kołach są specjalnie projektowane tak, aby zmniejszać straty tarcia przy rosnących prędkościach; skalowalne geometrie uszczelek oraz rozwiązania uszczelniające odprowadzające ciepło tarcia na zewnątrz i obniżające temperaturę uszczelki są rozwijane na poziomie patentowym.

Potwierdzają to również wyniki analiz awarii: wpływ masy nieresorowanej na dynamikę jazdy, trudności z uszczelnieniem i akustyka to jedne z najczęstszych źródeł awarii silników w kołach. Jest też wymiar ekonomiczny: piasta koła to jeden z obszarów najbardziej narażonych na uszkodzenia w wypadku; uszkodzona część to już nie prosta felga, lecz drogi zespół zawierający silnik, elektronikę mocy i uszczelki. Nie dziwi więc, że koszt wydajnego, lekkiego układu z czterema silnikami w kołach nadal jest wysoki.

Porównanie z silnikiem centralnym: Rachunek dwóch architektur

Dziś niemal wszystkie elektryczne samochody na drogach wykorzystują architekturę z jednym lub dwoma silnikami centralnymi. W tym układzie silnik i przekładnia znajdują się na osi, w strefie chronionej przez nadwozie; oferuje dojrzały łańcuch produkcyjny, sprawdzoną termikę i akceptowalną masę nieresorowaną. Silnik w kole wykonuje tę samą pracę czterema kompaktowymi zespołami i bierze na siebie wymienione powyżej wyzwania. Najlepiej będzie podsumować różnice w tabeli:

Tabela ta wyjaśnia również, dlaczego ta technologia wciąż pozostaje niszowa. W świecie rowerów elektrycznych i skuterów silnik w piaście stał się już standardem dzięki prostocie i niskim kosztom; w lekkiej mobilności nieresortowana masa i obciążenie termiczne stanowią znacznie mniejszy problem niż w samochodzie. W skali samochodu kalkulacja się jednak zmienia: wraz ze wzrostem masy, mocy i energii hamowania wszystkie cztery problemy nasilają się w tym samym stopniu.

Wektoryzacja momentu obrotowego: Najmocniejszy atut tej technologii

Spośród zalet silnika w kole najmniej kontrowersyjna jest zdolność kontrolowania. Gdy każde koło ma własny silnik, zastosowanie różnego momentu obrotowego do różnych kół jest kwestią parametru w oprogramowaniu. Wektoryzacja momentu obrotowego wspomaga pokonywanie zakrętów, przyspieszając zewnętrzne koło i zwalniając wewnętrzne, co może znacząco poprawić przyczepność. Mechaniczny dyferencjał nie jest potrzebny; elektroniczny dyferencjał niezależnie reguluje prędkości wewnętrznego i zewnętrznego koła na zakręcie.

Strategie sterowania również dojrzewają: łącząc zintegrowaną wektoryzację momentu obrotowego z aktywnym układem kierowniczym przedniej osi, opracowano kontrolę stabilności dla pojazdów elektrycznych z silnikami w kołach. Z drugiej strony w środowiskach inżynierskich wciąż pozostaje znakiem zapytania, jak szybko rosnąca złożoność sterowania oraz moc obliczeniowa wymagana przez algorytmy kontroli trakcji i wektoryzacji wpłynie na koszt systemu. Krótko mówiąc, najmocniejszy atut tej technologii jest jednocześnie uzasadnieniem jej najbardziej złożonego podsystemu.

Czy otwiera się okno upowszechnienia? Aktualna sytuacja

Historia dziwnie spina się w cykl. Pierwszy patent na elektryczny silnik w piaście otrzymano w 1884 roku, patent na rower elektryczny z silnikiem w piaście przedniego koła w 1895 roku, a w 1899 roku opracowano jeden z pierwszych samochodów hybrydowych, łączący silnik spalinowy z czterobateryjnym silnikiem w piaście. Technologia jest więc równolatkiem samochodu; problemy nieresortowanej masy i baterii, które w blokowały jej rozwój, od ponad stulecia czekają na rozwiązanie.

Dziś sytuacja zaczyna się ożywiać. W ostatnich latach jeden z producentów ogłosił gotowy do produkcji system silnika w kole, którego uruchomienie produkcji seryjnej planowane jest na 2026 rok, a jesienią 2025 roku zaprezentował nowy silnik w piaście o mocy 220 kW, przekazując, że europejski producent planuje zastosować tę technologię w elektrycznym samochodzie sportowym. Homologowana technologia silnika kołowego, jako pierwsza stosowana w pojazdach produkcyjnych od konkurencyjnego dostawcy, zebrała ponad 1,5 mln mil przebiegu testowego w ponad 100 pojazdach; ta sama firma w październiku 2025 roku zaprezentowała nowy model dedykowany wysokowydajnym pojazdom elektrycznym. Prezentowane na CES 2026 rozwiązanie napędu kołowego ze zintegrowanym amortyzatorem zinterpretowano jako odpowiedź technologii na znany problem obciążenia łożysk koła.

Prognozy rynkowe należy jednak czytać ostrożnie. Przewidywania dla rynku silników kołowych, opublikowane z rokiem bazowym 2026, wahają się w szerokim przedziale około 2,17-4,55 miliarda dolarów; cele na 2034 rok mieszczą się w zależności od prognozy w przedziale 31-70 miliardów dolarów, a roczny wskaźnik wzrostu szacowany jest na 28-41%. To rozproszenie pokazuje, że rynek nie ustandaryzował jeszcze definicji ani zakresu - ale kierunek w każdej prognozie jest ten sam: w górę. Najnowszy recenzowany przegląd podsumowuje sytuację: pomimo zalet związanych z przestrzenią i wydajnością silniki kołowe z napędem bezpośrednim nie zostały jeszcze powszechnie zintegrowane z pojazdami elektrycznymi.

Dlaczego więc nie każdy samochód elektryczny ma cztery silniki kołowe?

Odpowiedzi nie da się zamknąć w jednym zdaniu, ale mieści się w czterech punktach: masa nieresorowana, ciepło, szczelność i koszt. Silnik centralny rozwiązuje te cztery problemy jednym ruchem; w zamian płaci pewną częścią sprawności mechanicznej i elastyczności pakowania. Silnik kołowy dokonuje natomiast wymiany dokładnie odwrotnej: zyskuje brak strat przeniesienia napędu, objętość pakowania i zdolność wektoryzacji momentu obrotowego; w zamian komplikuje projektowanie zawieszenia, podnosi na wyższy poziom inżynierię termiczną i szczelności oraz zwiększa koszt komponentów.

Na stan na 2026 rok technologia stoi u progu produkcji seryjnej: zrealizowano pierwsze homologowane zastosowania, ogłoszono systemy gotowe do produkcji, a klasyczne słabości, takie jak obciążenie łożysk i zarządzanie ciepłem, doczekały się odpowiedzi inżynieryjnych. Kluczem do upowszechnienia nie jest jednak pojedynczy wynalazek; lecz zbiegnięcie się w jednym punkcie taniego zawieszenia adaptacyjnego kompensującego masę nieresorowaną, produkcji osiągającej ekonomię skali oraz apetytu producentów samochodów na ryzyko. Gdy do tego zbiegnięcia dojdzie, architektura przeniesienia napędu, niezmienna od stu lat, zostanie po raz pierwszy gruntownie odnowiona.

Źródła

• Types, Pros & Cons - What is a Hub Motor & How Does It Work
• Principle, Advantages & Disadvantages of Hub Motor
• In-Wheel Motors and Unsprung Mass. Does It Matter?
• Making the Case for In-Wheel Motors
• Evaluation of the Unsprung Mass Effect on Ride Comfort of In-Wheel Motor Vehicles
• Temperature Field Analysis and Heat Dissipation of In-Wheel Motors
• Hub Motors' Heat Dissipation Problems and Solutions
• Sealing the Future of In-Wheel Motors: Low Friction and Maximum Protection
• Critical Review of Direct-Drive In-Wheel Motors in Electric Vehicles
• Protean Electric prezentuje nowy silnik piasty koła o mocy 220 kW
• Elaphe Propulsion Technologies
• Rynek silników w piastach kół
• Rynek silników w piastach kół
• Silniki elektryczne w piastach kół znów zyskują na popularności