Tại Sao Động Cơ Trong Bánh Vẫn Chưa Phổ Biến?

Động cơ được giấu bên trong bánh xe loại bỏ mọi thứ từ hộp số đến trục truyền động, nhưng khối lượng không được giảm chấn và các vấn đề về nhiệt vẫn khiến nó chưa thể rời khỏi xưởng.
Động cơ được giấu bên trong bánh xe loại bỏ mọi thứ từ hộp số đến trục truyền động, nhưng khối lượng không được giảm chấn và các vấn đề về nhiệt vẫn khiến nó chưa thể rời khỏi xưởng.

Chia sẻ trang này

Động cơ trong bánh xe là một kiến trúc truyền động trong đó động cơ điện được đặt trực tiếp vào moay-ơ bánh xe, loại bỏ tất cả các bộ phận truyền động như hộp số, vi sai và trục truyền động. Mặc dù những ưu điểm trên giấy rất mạnh mẽ, do khối lượng không được treo tăng lên, quản lý nhiệt khó khăn, các vấn đề về độ kín và chi phí cao, nó vẫn chưa trở nên phổ biến trong ô tô điện sản xuất hàng loạt cho đến nay.

Điểm nổi bật

  • Tổ tiên của động cơ trong bánh xe có thể truy ngược về một bằng sáng chế năm 1884; trong khi ứng dụng ô tô hybrid có từ năm 1899.
  • Loại động cơ phổ biến nhất là DC không chổi than (BLDC); tuổi thọ ở mức khoảng 5.000 giờ so với 20.000 giờ của loại có chổi than.
  • Nhiệt độ trên 140 °C có thể khiến nam châm vĩnh cửu mất vĩnh viễn tính từ tính của chúng.
  • Khối lượng không được treo tăng lên làm rõ ràng cộng hưởng thứ cấp ở dải khoảng 7–10 Hz trong hệ thống treo.
  • Tính đến năm 2026, những bước đầu tiên về sản xuất hàng loạt đang được thực hiện: một nhà sản xuất nhằm mục tiêu đưa động cơ trong bánh xe hạng 220 kW vào sản xuất hàng loạt.

Động Cơ Trong Bánh Xe Hoạt Động Như Thế Nào?

Nguyên lý dựa trên cảm ứng điện từ như trong mọi động cơ điện. Bộ điều khiển pha điều chỉnh thời điểm dòng điện trong cuộn dây stato; từ trường quay được tạo ra theo tín hiệu từ các cảm biến vị trí tương tác với nam châm vĩnh cửu trên rô-to và làm quay rô-to - tức là bánh xe. Không có chuỗi ly hợp, hộp số, vi sai và trục truyền động; công suất được truyền tới bánh xe ngay tại nơi nó được tạo ra.

Một động cơ trong bánh xe hiện đại đơn thuần là nhiều hơn một đơn vị truyền động. Lái trực tiếp, phanh tái tạo, thu hồi năng lượng cùng với phanh ma sát, kiểm soát tốc độ vi sai điện tử và làm mát bằng không khí hoặc nước được kết hợp trong cùng một vỏ nhỏ gọn. Về mặt điều khiển, hai cách tiếp cận nổi bật: động cơ có cảm biến Hall cung cấp khả năng điều khiển rất chính xác ở vòng tua thấp, trong khi động cơ không cảm biến ước tính vị trí rô-to bằng cách đo lực điện động ngược (BEMF) và gặp khó khăn khi tạo mô-men xoắn ở vòng tua rất thấp.

Cấu Trúc Rô-To Ngoài Và Rô-To Trong

Động cơ trong bánh xe có hai kiến trúc cơ bản. Trong cấu trúc rô-to ngoài, rô-to bao quanh bánh xe quay ở vòng tua thấp - khoảng 1.000–1.500 vòng/phút - và mang lại khả năng lái trực tiếp, êm ái; cấu trúc đơn giản nhưng mật độ công suất bị giới hạn. Cấu trúc rô-to trong hoạt động ở vòng tua cao lên tới 10.000 vòng/phút và giảm vòng tua này xuống tốc độ bánh xe thông qua một hộp số hành tinh tỷ số cố định. Bộ bánh răng xen vào cho phép tạo ra cùng công suất với động cơ nhỏ hơn và nhẹ hơn; bánh răng hành tinh nhỏ gọn khiến các loại rô-to trong trở nên cạnh tranh đáng kể về mật độ công suất. Cuộc tranh luận về lựa chọn kiến trúc vẫn đang tiếp diễn: đơn giản hay mật độ công suất?

Công nghệ cuộn dây cũng là một biến số khác quyết định mật độ công suất. Các dây đồng hình chữ nhật dạng kẹp tóc gọi là hairpin cho phép xếp chồng dày đặc hơn nhiều so với dây quấn tròn, tản nhiệt tốt hơn và do đó mang lại mật độ công suất cao hơn. Việc lấy nhiều công suất hơn từ một đơn vị thể tích là con đường trực tiếp nhất giúp động cơ dễ làm việc trong không gian hẹp bên trong bánh xe.

Vì sao kiến trúc này hấp dẫn? Những bộ phận bị loại bỏ và lợi ích thu được

Trong một chiếc ô tô điện, việc chuyển động cơ ra các bánh xe đơn giản hóa căn bản cơ cấu cơ khí. Ly hợp, hộp số, cầu vi sai và trục truyền động hoàn toàn biến mất; điều này đưa tổn thất cơ khí trong chuỗi truyền động về bằng không. Mô-men xoắn được truyền thẳng tới bánh xe mà không qua khớp nối trung gian - không phải khớp các-đăng cũng không phải khớp cardan - và phản hồi cùng lúc với bàn chân của người lái.

Tác dụng của sự đơn giản hóa đọc càng rõ hơn trong danh sách:

  • Nhờ mỗi bánh xe được dẫn động độc lập, cầu trước, cầu sau và 4x4 toàn thời gian đều dễ dàng triển khai với một kiến trúc duy nhất.
  • Không gian dành cho động cơ và hộp số bên trong khung gầm được giải phóng; khoảng chỗ này chuyển thành không gian cho hành khách, hành lý hoặc dung lượng pin bổ sung.
  • Số lượng bộ phận chuyển động giảm nên vận hành êm hơn, mài mòn cơ khí và nhu cầu bảo dưỡng giảm.
  • Trọng lượng phân bổ đều bốn góc nên trọng tâm thấp xuống, góp phần tăng độ ổn định.

Về hiệu suất, phép tính cũng nghiêng về phía có lợi: so với hệ thống động cơ đặt trung tâm, các xe điện dùng động cơ trong bánh xe mang lại hiệu suất hệ thống cao hơn và tổn thất cơ khí thấp hơn. Xe được đơn giản hóa về cơ khí lại là một chiếc xe thông minh hơn nhiều về mặt điện học - bởi vì mô-men xoắn của bốn động cơ có thể được quản lý độc lập ở thang milisecond.

Vấn đề khối lượng không được giảm xóc: Trọng lượng trao vào tay của hệ thống treo

Süspansiyonun kontrol edemediği her ek kilogram, sonunda lastiğin yolla temasından ödenir.

Chi phí bị tranh luận nhiều nhất của động cơ trong bánh xe chính là phần đóng góp của nó vào khối lượng không được giảm xóc. Khối lượng có lò xo là phần thân xe mang, còn khối lượng không qua lò xo là phần bánh xe và hệ thống treo trực tiếp quản lý. Khi động cơ được chuyển vào bên trong mâm xe, khối lượng thứ hai này tăng lên đáng kể và hậu quả trở nên đo lường được: độ bám đường, êm dịu khi lái, độ nhạy của hệ thống treo và độ bền của các bộ phận đều bị ảnh hưởng tiêu cực.

Vật lý đơn giản và tàn nhẫn. Khối lượng không được giảm xóc tăng lên làm suy yếu khả năng bánh xe bám theo hồ sơ mặt đường, khuếch đại tải trọng động của bánh xe và biên độ dao động hệ thống treo, đồng thời làm nổi bật mode cộng hưởng thứ cấp trong dải khoảng 7-10 Hz, từ đó làm xấu đi sự êm dịu. Mặc dù ảnh hưởng này lên thân xe thay đổi tùy từng xe do hiệu ứng lọc của khoảng cách trục xe, nhưng mỗi ki-lô-gam thêm mà hệ thống treo không kiểm soát được cuối cùng cũng phải trả giá bằng lốp xe tiếp xúc với mặt đường.

Tại điểm này cũng tồn tại một quan điểm đối lập và không nên bị bỏ qua. Các nhà sản xuất công nghệ cho rằng tác động của khối lượng không được giảm xóc đã bị thổi phồng, và hệ thống treo được chỉnh tốt cùng giảm xóc chủ động có thể bù đắp phần lớn tác động này. Tuy nhiên, các nghiên cứu bình duyệt trong những năm gần đây xác nhận rằng sự gia tăng khối lượng không được giảm xóc làm tăng đáng kể tải trọng động của bánh xe và biên độ dao động hệ thống treo một cách đo lường được. Bức tranh thực tế là như thế này: Vấn đề không phải là không thể khắc phục, nhưng cũng không thể xem nhẹ - việc khắc phục đòi hỏi một thiết kế hệ thống treo tiên tiến hơn và đắt tiền hơn.

Quản lý nhiệt và độ kín: Môi trường thù địch bên trong bánh xe

Bẫy nhiệt trong khoang chật hẹp

Trên xe có động cơ tập trung, động cơ nằm ở vùng tiếp xúc với không khí trong lành và dễ dàng kết nối với mạch làm mát. Còn bên trong bánh xe, cùng động cơ đó lại hoạt động trong một khoang chật hẹp, bị nóng lên bởi nhiệt của phanh và chịu tác động của nước bắn từ mặt đường. Trong khu vực này, việc tản nhiệt rất khó khăn; quá nhiệt trước hết làm giảm hiệu suất động cơ, sau đó nhanh chóng phá hủy lớp cách điện và có thể gây ra các hư hỏng cho linh kiện điện tử, thậm chí đến mức chập mạch. Ngưỡng tới hạn cũng rất rõ ràng: Trên 140 °C, nam châm vĩnh cửu có thể mất từ tính - nghĩa là chỉ một lần leo dốc dài với tải nặng cũng có thể làm suy yếu động cơ vĩnh viễn. Tải trọng cộng thêm mà khối lượng không được giảm xóc gây lên phanh càng làm tăng nhiệt lượng sinh ra. Hướng giải quyết đã được biết đến: các kênh làm mát bằng chất lỏng, bộ tản nhiệt tiên tiến và vật liệu cuộn dây có điện trở thấp. Việc tản nhiệt của động cơ trong bánh xe công suất lớn tầm 35 kW với hệ thống làm mát tích hợp đã được xác thực qua thực nghiệm; tức là về mặt kỹ thuật đây là bài toán có thể giải quyết được, nhưng mỗi giải pháp đều làm tăng chi phí và trọng lượng.

Cuộc chiến của gioăng làm kín: Nước, bụi và rung động

Vấn đề môi trường thứ hai là độ kín. Động cơ nằm bên trong một bộ phận quay với tốc độ bằng tốc độ xe chạy trên đường; bị bao vây bởi hơi ẩm, bụi bẩn, bùn, nước muối và rung động liên tục. Trong khi mọi bộ phận nằm phía trên hệ thống treo đều được bảo vệ phần nào khỏi môi trường này, thì động cơ trong bánh xe lại chiến đấu ở tuyến ngoài cùng, nơi va đập đầu tiên. Nhiệm vụ của gioăng đòi hỏi sự cân bằng hai chiều: vừa đảm bảo độ kín cao, vừa không được tạo thêm tổn thất ma sát cho bộ phận quay. Vì vậy, gioăng của động cơ trong bánh xe được thiết kế đặc biệt để giảm tổn thất ma sát ở tốc độ ngày càng cao; các hình học gioăng có khả năng mở rộng quy mô và các cấu trúc làm kín đẩy nhiệt ma sát ra ngoài nhằm hạ nhiệt độ gioăng đang được phát triển ở cấp độ bằng sáng chế.

Các phân tích hỏng hóc cũng xác nhận những kết luận này: tác động của khối lượng không được giảm xóc đến động lực học lái, khó khăn trong việc làm kín và độ ồn là những nguồn gây hỏng hóc nổi bật ở động cơ trong bánh xe. Còn có một khía cạnh kinh tế: moay-ơ bánh xe là một trong những bộ phận dễ bị hư hỏng do tai nạn nhất; khi bị hư hại, bộ phận cần sửa chữa không còn là một vành xe đơn thuần, mà là một cụm đắt tiền chứa động cơ, điện tử công suất và các gioăng làm kín bên trong. Thật không đáng ngạc nhiên khi chi phí của một hệ thống bốn động cơ bánh xe hiệu suất cao, trọng lượng nhẹ vẫn còn rất cao.

So sánh với động cơ tập trung: Bài toán của hai kiến trúc

Hầu hết tất cả các ô tô điện trên đường ngày nay đều sử dụng kiến trúc một hoặc hai động cơ tập trung. Trong bố cục này, động cơ và hộp giảm tốc nằm trên trục xe, trong vùng được thân xe bảo vệ; cung cấp chuỗi sản xuất đã trưởng thành, quản lý nhiệt đã được kiểm chứng và khối lượng không được giảm xóc ở mức chấp nhận được. Động cơ trong bánh xe thì thực hiện cùng công việc đó bằng bốn cụm gọn nhẹ và gánh lấy những thách thức đã kể ở trên. Tóm tắt sự khác biệt bằng bảng sẽ rất hợp lý:

Đặc điểm Động cơ tập trung Động cơ trong bánh xe
Hệ thống truyền động Hộp số, vi sai, trục truyền động Không có - dẫn động trực tiếp
Tổn thất cơ khí Có tổn thất trên chuỗi truyền động Không có tổn thất truyền dẫn
Cách bố trí Trên trục xe, chiếm không gian Trong lòng moay-ơ, giải phóng khung gầm
Khối lượng không được giảm chấn Thấp Tăng lên đáng kể
Môi trường nhiệt và kín Vùng được bảo vệ Tiếp xúc trực tiếp với điều kiện đường
Phân phối mô-men xoắn (torque vectoring) Yêu cầu cơ cấu bổ sung Đặc tính tự nhiên - kiểm soát từng bánh xe
Chi phí và độ trưởng thành Đã được chứng minh trong sản xuất hàng loạt Chi phí cao, kinh nghiệm sản xuất hạn chế

Bảng này cũng giải thích tại sao công nghệ vẫn còn nằm trong các phân khúc ngách. Trong thế giới xe đạp điện và xe máy điện, động cơ moay-ơ đã trở thành tiêu chuẩn nhờ sự đơn giản và chi phí thấp; trong giao dịch nhẹ, khối lượng không giảm chấn và tải nhiệt là vấn đề nhỏ hơn nhiều so với ô tô. Nhưng ở cấp độ ô tô, phép tính thay đổi: khi khối lượng, công suất và năng lượng phanh tăng lên, cả bốn vấn đề cũng trở nặng theo tỷ lệ tương ứng.

Phân phối mô-men xoắn: Con bài mạnh nhất của công nghệ

Trong số các ưu điểm của động cơ trong bánh xe, khả năng kiểm soát là điểm ít tranh cãi nhất. Khi mỗi bánh xe có động cơ riêng, việc áp mô-men xoắn khác nhau cho các bánh khác nhau chỉ là vấn đề tham số trong phần mềm. Phân phối mô-men xoắn giúp xe vào cua bằng cách tăng tốc bánh ngoài và giảm tốc bánh trong, có thể cải thiện rõ rệt độ bám đường. Không cần vi sai cơ khí; vi sai điện tử điều chỉnh độc lập tốc độ bánh trong và bánh ngoài khi vào cua.

Các chiến lược điều khiển cũng đang trưởng thành: bằng cách kết hợp phân phối mô-men xoắn tích hợp và lái trước chủ động, hệ thống kiểm soát ổn định cho xe điện dùng động cơ trong bánh xe đã được phát triển. Tuy nhiên, việc điều khiển nhanh chóng trở nên phức tạp và sức mạnh xử lý mà các thuật toán kiểm soát bám đường cùng phân phối mô-men xoắn đòi hỏi sẽ ảnh hưởng thế nào đến chi phí hệ thống vẫn là dấu hỏi trong giới kỹ thuật. Nói ngắn gọn, con bài mạnh nhất của công nghệ này đồng thời cũng là lý do tồn tại của hệ thống phụ phức tạp nhất.

Cửa sổ phổ biến có đang mở ra không? Bức tranh hiện tại

Lịch sử vận hành theo vòng lặp một cách thú vị. Bằng sáng chế động cơ moay-ơ điện đầu tiên được cấp vào 1884, bằng sáng chế xe đạp điện có động cơ moay-ơ bánh trước vào 1895, và vào năm 1899, một trong những chiếc ô tô hybrid đầu tiên kết hợp động cơ xăng với động cơ moay-ơ bốn ắc quy đã được phát triển. Nói cách khác, công nghệ này cùng tuổi với ô tô; trong những năm đầu, khối lượng không đàn hồi và các vấn đề về pin từng cản trở nó đã đợi được giải quyết hơn một thế kỷ qua.

Hôm nay, bức tranh đã bắt đầu chuyển động. Những năm gần đây, một nhà sản xuất đã công bố hệ thống động cơ trong bánh xe sẵn sàng sản xuất với mục tiêu đưa vào sản xuất hàng loạt vào năm 2026, và vào mùa thu 2025 đã giới thiệu động cơ moay-ơ mới công suất 220 kW, đồng thời cho biết một nhà sản xuất châu Âu có kế hoạch sử dụng công nghệ này trên một chiếc ô tô thể thao điện. Công nghệ động cơ trong bánh xe đầu tiên được chứng nhận homologation và sử dụng trên xe sản xuất của một nhà cung cấp đối thủ đã tích lũy được hơn 1,5 triệu dặm chạy thử trên hơn 100 xe; cùng công ty đó đã giới thiệu một mẫu mới chuyên dụng cho xe điện hiệu năng cao vào tháng 10 năm 2025. Một giải pháp truyền động trong bánh xe tích hợp giảm xóc được trưng bày tại CES 2026 được đánh giá là câu trả lời cho vấn đề tải trọng vòng bi bánh xe quen thuộc của công nghệ này.

Các dự báo về phía thị trường cần được đọc một cách thận trọng. Các dự báo công bố cho thị trường động cơ trong bánh xe lấy năm 2026 làm năm cơ sở dao động trong khoảng rộng 2,17-4,55 tỷ đô la; mục tiêu năm 2034 cũng nằm trong dải 31-70 tỷ đô la tùy theo dự đoán, với tốc độ tăng trưởng hàng năm được dự báo ở mức 28-41%. Sự phân tán này cho thấy thị trường chưa ổn định về định nghĩa và phạm vi - nhưng hướng đi trong mọi dự đoán đều như nhau: hướng lên. Một bài tổng quan cập nhật đã được bình duyệt cũng tóm tắt tình hình: mặc dù có lợi thế về không gian và hiệu suất, động cơ trong bánh xe dẫn động trực tiếp chưa được tích hợp rộng rãi vào xe điện.

Tại Sao Không Phải Xe Điện Nào Cũng Có Bốn Động Cơ Trong Bánh Xe?

Câu trả lời cho vấn đề này không vừa một câu nhưng vừa bốn điểm: khối lượng không được giảm chấn, nhiệt độ, độ kín và chi phí. Động cơ tập trung giải quyết cả bốn vấn đề này trong một nước đi; đổi lại là chấp nhận một phần hiệu suất cơ khí và sự linh hoạt trong bố trí không gian. Động cơ trong bánh xe thì thực hiện sự đánh đổi ngược lại: đạt được việc giảm tổn thất truyền động, thể tích bố trí và khả năng vectơ mô-men xoắn; đổi lại là làm phức tạp thiết kế hệ thống treo, đẩy kỹ thuật nhiệt và độ kín lên cấp độ cao cũng như làm tăng chi phí linh kiện.

Tính đến năm 2026, công nghệ này đang đứng ngay ngưỡng sản xuất hàng loạt: các ứng dụng homologation đầu tiên đã được thực hiện, các hệ thống sẵn sàng sản xuất đã được công bố, và các giải pháp kỹ thuật cho những điểm yếu kinh điển như tải trọng vòng bi và quản lý nhiệt độ đã được tạo ra. Chìa khóa cho việc phổ biến không phải là một phát minh duy nhất; mà là sự hội tụ tại cùng một thời điểm của hệ thống treo thích ứng giá rẻ bù đắp khối lượng không giảm chấn, sản xuất đạt hiệu quả quy mô và khẩu vị rủi ro của các nhà sản xuất ô tô. Khi cuộc hội ngộ đó diễn ra, kiến trúc truyền động gần một thế kỷ qua không thay đổi của chiếc ô tô sẽ lần đầu tiên được đổi mới triệt để.

Nguồn tham khảo