Vem uppfann synkronmotorn med permanentmagneter?

Nu när Tesla verkar byta elmotortyp från asynkrona växelströmsmotorer till synkron växelströmsmotor med permanentmagneter uppstår frågan vem som egentligen uppfann dessa motorer?

Att Tesla Motors hette just Tesla Motors var nämligen ingen slump. Den asynkrona växelströmsmotorn som sitter i Tesla Roadster, Tesla Model S och Model X uppfanns nämligen just av Nikola Tesla, som patenterade den 1887. Det satt därför bokstavligen Tesla motorer i Tesla Motors bilar. Alla övriga elbilsbiltillverkare satsade istället på synkrona växelströmsmotorer.

Så om det var Nikola Tesla som uppfann den asynkrona växelströmsmotorn, vem uppfann då den synkrona?

Innan vi besvarar frågan en snabbkurs i skillnaden mellan motortyperna.

Båda motorerna kräver att de matas med växelström. Inga elbilar använder sådana likströmsmotorer du labbade med i högstadiet. De hade en spole som roterade mellan två magneter.

Den synkrona växelströmsmotorn är tvärtom, massa spolar runt en magnet. Magneten sitter på rotorn som kan rotera, spolarna sitter i statorn som är statisk, står stilla.

Genom att skicka trefas växelström till spolarna uppstår ett roterande magnetfält där alltid spolen framför magneten som har starkast ström, starkast magnetfält. När magneten har vridit sig fram till den spolen har nästa spole börjat få mer ström och drar magneten vidare runt i cirkeln. Magneten börjar rotera i samma takt som växelströmmens frekvens, i samma takt = synkront.

Asynkrona växelströmsmotorn tog bort magneten i mitten och ersatte den med vad som mest liknar ett hamsterhjul med små ekrar. Samma spolar runt rotorn skapar samma magnetfält som för synkrona växelströmsmotorn. Men hur ska de påverka omagnetiska metallen i mitten? Jo, magnetfältet inducerar ström i “hamsterhjulets” ekrar, magnetism inducerar ju ström i ledare (kommer du ihåg fysiklektionen?). Och ström i sin tur inducerar magnetism. Så magnetfältet runt om inducerar ett magnetfält i metallhjulet också, som då börjar bete sig som en magnet och börja snurra runt på liknande sätt som i synkronmotorn. På grund av dessa induktioner heter motortypen ibland även induktionsmotor. Rotationen är dock lite långsammare än växelströmmens frekvens. Ej samma takt = asynkront.

Så nu när du vet allt om skillnaden emellan motortyperna, vem uppfann dem?

Enkla svaret är att båda uppfanns av Nikola Tesla. Långa svaret är “it’s complicated”.

När Nikola Tesla patenterade sin asynkrona växelströmsmotor (den med “hamsterhjulet”) beskrev han den i detalj i sin patentansökan. Men som vanligt när man söker patent försöker man täcka in så mycket som möjligt med patentet. Därför skrev han som en fotnot till figur 15 i sin patentansökan att rotorn kan även bestå av en permanent eller elektromagnet. Presto! Därmed patenterade han även synkrona växelströmsmotorn med permanentmagnet.

Men år 1888 när patentet trädde i kraft fanns det ett stort problem med elmotorer som använde sig av permanentmagneter. Den tidens magneter var ganska så svaga av sig, vilket resulterade i svaga elmotorer. Alla dåtidens elmotorer använde sig istället av elektromagneter. Elektromagneter kunde göras hur starka som helst, bara man matade dem med tillräckligt starkt ström.

Det var inte förrän på 1930-talet som forskare upptäckte att genom att addera aluminium, nickel och kobolt till järnet i magneten kunde upp till 100 gånger starkare sk Alnico magneter framställas. (Alnico efter just “aluminium, nickel, cobalt”.) Starkare magneter gav starkare motorer.

De moderna magneter som sitter i dagens elbilar uppfanns först på 1980-talet. Genom att blanda in Neodym och Boron i järnet kunde ännu starkare magneter framställas, så kallade neodym-magneter. Neodym (som förresten upptäcktes av svensken Carl Gustaf Mosander år 1841) är dock en sällsynt jordartsmetall. Ca 95 procent av världens neodym-utvinning görs i Kina.

För att kunna göra en användbar, stark synkron växelströmsmotor med permanentmagneter behövs det väldigt starka magneter. Så medan Nikola Tesla nog står för originalpatentet var motortypen inte kommersiellt gångbar på hans tid utan tillräckligt starka magneter att ta till. Därför koncentrerade han sig på asynkrona växelströmsmotorer, och på synkrona – men med elektromagneter i rotorn. Den långa tiden, hundra år mellan första patentet och praktiskt användbara permanentmagnetsmotorer gör att man får många olika svar på vem som egentligen uppfann den moderna fungerande motorn.

Vi har sett tidigare att moderna elbilen har kommit först nu för att innan 1980-talet fanns det inga tillräckligt bra batterier. Nu visar det sig att motorerna behövde också vänta till 80-talet tills de har fått tillräckligt starka magneter. Och de starkströmstransistorer som behövdes till motorstyrningen fanns inte heller innan.

Fram till 1980-talet då praktiska, billiga transistorer som tålde höga strömmar började dyka upp var det svårt att reglera varvtalet på växelströmsmotorer. Anslöt du en synkron växelströmsmotor till trefas började den snurra med 50 varv per sekund, samma som elnätets frekvens. Asynkrona motorn snurrade några varv långsammare. Du fick en stark och stabil motor – men du kunde inte reglera dess varvtal. Och den var lämplig endast till stationära installationer, med tillgång till trefas el.

I en elbil får man likström från batterierna som måste omvandlas till växelström. Växelriktaren i en elbil gör om likströmmen till växelström av varierande frekvens. Trampar du i gasen genereras det först växelström med låg, sedan ökande frekvens. Elmotorns varvtal följer frekvensen så elbilen accelererar.

Asynkronmotorns fördel är att den innehåller inga magneter och därmed inga sällsynta jordartsmetaller som behövs för att göra magneterna starka. Och de kan bättre överbelastas. Överhettade synkronmotorer blir mindre effektiva då varma magneter tappar i styrka. Asynkronmotorer som saknar magneter kan överbelastas långt mer än synkronmotorer. Det är den egenskapen Teslas ludicrous acceleration utnyttjar, där bilens motor får 5-6 gånger mer ström en kort tid än vad den egentligen är avsedd för. Motorn blir varm utan att magneterna påverkas – för det finns inga magneter. Sedan kan motorn kylas ner med kylvatten igen. En motor med permanentmagneter skulle behöva antingen vara mycket större eller ha mycket mer kylning för att klara av samma bedrift.

Nackdelen med asynkronmotorer är att de är mindre effektiva än de med permanentmagneter, då en del av tillförda energin till motorn går åt att generera magnetfältet i rotorn. Och motorns styrning är mer krånglig då motorn inte exakt följer den matade växelströmmens frekvens utan släpar något efter. Det måste vägas in i alla hastighetsförändringar man vill göra av motorn.

Tesla använde asynkrona växelströmsmotorer till Roadstern, Model S och X just på grund av deras överbelastningsförmåga. Man kunde bygga sportiga elbilar med imponerande kraft och acceleration. Model 3 är en annorlunda, mer folklig bil där accelerationskraven inte är lika viktiga. (0-100 km/h på 5.1 sekunder är fortfarande väldigt bra, men inget “ludicrous”.) Däremot skulle bilen bli så effektiv som möjligt, komma så långt som möjligt på mindre batterier. Då är synkron växelströmsmotor med permanentmagneter att föredra.

TCS två år sedan: Så trimmar man en elmotor

Vill du veta mer om elmotorer bör du läsa vår artikel från Februari 2015 där vi berättade hur man trimmar en elmotor.