Så funkar tekniken bakom Teslas nya Plaid-motor

Teslas nya Model S och X Plaid har fått extrem prestanda tack vare deras nya elmotorer med kolfiberklädda rotorer. Men vad exakt är det som är nytt med dessa motorer och vilka fördelar har de? Elbilen reder ut.

Läs om provkörningen: Tesla Model S Plaid – inte bara snabbast

Tesla Model S Plaid har tre elmotorer. Framhjulen drivs av en motor på framaxeln. Bakhjulen har fått var sin separat elmotor så att bilens elektronik kan driva dem helt oberoende av varandra, så kallad ”torque vectoring”. Bilen kan då rotera vänster och höger bakhjul med olika hastighet och med olika mycket kraft i till exempel snäva svängar.

Motorerna levererar 1 020 hästkrafter (760 kW) som kan accelerera Tesla Model S Plaid 0–100 km/h på otroliga 2,1 sekunder. Toppfarten är 322 km/h. Utan växellåda.

För att kunna uppnå dessa extrema specifikationer har Tesla klätt rotorerna i bilarnas elmotorer med kolfiber. En slags kolfiberstrumpa som vävs utanpå rotorn av specialmaskiner utvecklade av Tesla och som håller ihop den även vid extremt höga varvtal.

Elmotorer består av två delar: en rotor i mitten – namnet kommer av att den roterar – och en stillastående så kallad stator runt om den.

Rotorn i många av Teslas tidigare motorer bestod av en metallcylinder med starka neodymmagneter som kilades in i V-formade hål i den. I statorn runt den satt starka elektromagneter i form av kopparspolar som genererade magnetfält som fick rotorn att snurra.

Rotorn hölls ihop av ett starkt stålhölje som hindrade den från att utvidgas, dels av värmen som alstras när motorn körs och framför allt av de höga g-krafterna som uppstår när rotorn roterar flera tusen varv i minuten. Statorn sitter bara någon millimeter ifrån rotorn som aldrig får expandera så mycket att den skrapar emot, annars kan hela elmotorn skära ihop eller i värsta fall till och med splittras.

När Tesla bytte stålhöljet runt rotorn mot kolfiber vann de flera fördelar. Kolfiber är ett extremt styvt material som varken expanderar av värme eller under belastning. Till skillnad från stål behåller den exakt samma mått oavsett temperatur och mekanisk belastning. Rotorn behåller därför samma yttermått oberoende av temperatur och varvtal. Rotorn försöker expandera när den snurrar men kolfiberhöljet runt den blir som en extremt kraftig korsett som klämmer ihop den. Påfrestningarna på kolfibern runt rotorn blir enorma vid varvtal uppemot 20 000 varv per minut.

Kolfibern eliminerar dessutom virvelströmmarna. I traditionella elmotorer med stålhölje runt rotorn stör stålet motorns magnetfält. I och med att metall leder elektricitet uppstår det så kallade virvelströmmar i stålhöljet, framför allt vid höga varvtal. De starka magnetfälten från spolarna i statorn genererar ström i metallhöljet. Virvelströmmarna genererar i sin tur nya magnetfält som motverkar motorns rotation.

Kolfiber är däremot en dålig elektrisk ledare, speciellt vinkelrätt mot fibrerna. Det uppstår därför inga virvelströmmar, magneterna inuti rotorn kan samarbeta med elektromagneterna i statorn utan störningar.

Tesla verkar dessutom ha lyckats höja motorernas effekt genom att montera större magneter i rotorn och höja strömstyrkan i kopparspolarna i statorn. Högre strömstyrka medför dock mer värme, därför har Tesla även byggt om Plaid-bilarnas kylsystem med effektivare värmepumpar och dubbelt så stora kylare som förut.

Många känner till att elmotorer kan leverera höga vridmoment redan från start, på låga varvtal. Det är kanske mindre känt att de börjar tappa kraft på höga varvtal, runt tiotusen varv per minut. Med sin kolfiberklädda rotor har Tesla lyckats få till en nästan helt plan kraftkurva. Inte ens vid extremt höga varvtal tappar elmotorn kraft. Med kol­fiberhöljet kan rotorn rotera med högre varvtal och slipper även problemen med virvelströmmar som brukar sänka elmotorers uteffekt då. Bilens motorer kan därför leverera tusen hästkrafter även när de roterar med 23 000 varv per minut, vilket motsvarar maxhastigheten på 322 km/h.

Tesla har varit ganska hemlighets­fulla om den nya motorn, som de kallar ”den mest avancerade elmotorn i världen”. När Elon Musk till exempel tillfrågades hur de lyckades applicera kolfiber som brukar härda vid runt 100–130 grader ovanpå neodymmagneter som tappar styrka om de hettas upp över 80 grader svarade han bara ”Vi måste få behålla lite hemligheter!”.

Tack och lov har experter som Sandy Munro plockat isär motorerna och visat upp dem på Youtube. Det är tack vare dem vi har fått en inblick i det tekniska underverk Teslas nya kolfiberklädda elmotorer är.

Även företagets kommande supersportbil Roadster kommer använda sig av samma teknologi. ”Vi har några idéer för att öka vridmomentet och maxvarvtalet ytterligare för nya Roadster”, skrev Elon Musk i en tweet. ”Definitivt kul och spännande ingenjörskonst framöver!”