Insumo ontwikkelde een motor voor elektrisch varen op basis van magnetische levitatie. Het systeem is klaar voor de watersport, maar volgens de Friese start-up vooral geschikt voor de binnenvaart en zeeschepen.
Het Friese Insumo introduceert over twee weken op de Electric & Hybrid Marine Expo Europe 2023 in Amsterdam een baanbrekend motorconcept voor elektrisch varen. Het is de natte variant van de motor-in-wiel: een cilindervormige elektromotor levert het koppel aan de ronddraaiende propellerbladen.
De tunnelmotor is inmiddels getest op speedboten, maar het principe is volgens Insumo goed op te schalen voor de binnenvaart en zelfs voor zeeschepen. De startup uit Leeuwarden heeft niet de ambitie om in grootschalige productie te stappen, maar biedt de technologie aan in licentie.
Het is een tikje overdreven om meteen naar hyperbolen te grijpen als ‘de heilige graal in watervoortstuwing’, maar het concept is intrigerend. Zo is de motor door de afwezigheid van een aandrijf- of schroefas vrij immuun voor vervuiling en incidenten als verstrengeling van kabels, visnetten of waterplanten. In het geval de boel toch verstopt raakt, dan is het probleem meestal snel op te lossen door de motor in zijn achteruit te zetten.
Ook is de elektrische aandrijving stil en milieuvriendelijk doordat er geen organische smeermiddelen in contact komen met het oppervlaktewater. Daarnaast is het systeem zeer onderhoudsvriendelijk.
Het principe is niet nieuw. Researchers van grote spelers in watersport en vervoer op het water, zoals Yamaha en Veth Propulsion stoeien al jaren met de uitdaging om een elektrische tunnelmotor te maken. Ook zijn er al commerciële aanbieders van het rim drive-concept, zoals Kongsberg en Rim Drive Technology.
Insumo komt nu met een technologie die de problemen in bestaande tunnelmotoren oplost. Het is een principe waar Nederland bij uitstek in uitblinkt: magnetische levitatie. Het Friese bedrijf denkt dat zijn technologie prijstechnisch vooral voor toekomstig zwaar vervoer aantrekkelijk zal zijn.
Stil aandrijfprincipe
Het begon in 2014. Toen kreeg Bauke Kalma de vraag van een investeerder of hij zich wilde verdiepen in tunnelmotoren voor de pleziervaart. De geldschieter zag potentieel in het stil aandrijven van kleine sloepen en bootjes.
Kalma had als werktuigbouwkundige veel ervaring opgedaan met vermogenselektronica. Hij werkte jarenlang bij Philips Drachten aan motoren voor scheerapparaten en aan robotica. Op het moment dat de vraag kwam, was hij net een paar jaar voor zichzelf begonnen en had al kennisgemaakt met propellersystemen voor schepen. Kalma zag al snel dat hij zijn aandacht voor de tunnelmotor moest richten op de elektromotor, een geschikte propeller en als derde een lagersysteem. ‘De eerste twee, daar komen we wel uit’, dacht hij, maar de technicus realiseerde zich dat het lagersysteem een breinbreker zou worden.
Bij de eerste verkenningen kwam hij er snel achter dat gerenommeerde partijen al jaren worstelden met vloeistoflagersystemen. Verschillende ontwikkelteams waren er al op stukgelopen. ‘De kunst is om de vrijheidsgraden van de rotor te beperken’, zegt Kalma. ‘Het centrale draaiende deel moet op zijn plaats blijven. De propeller mag zich niet in het draaivlak verplaatsen en ook niet uit de vatting naar voren komen.’
Vaste lageras niet onderscheidend genoeg
In 2017 deed Kalma een pilot met vier elektromotoren die werden voorzien van dataloggers op elektrische boten in de professionele verhuur in Zaandam en Amsterdam. Bij de proef zette hij motoren met standaard kogellagers in met afdichtingen op een vaste as in het midden van de propeller. ‘We zijn destijds gestart vanuit het perspectief van productontwikkeling en niet vanuit de technologie. Daarom gingen we in eerste instantie uit van techniek die voorhanden was. De complexe watersmering hebben we toen buiten beschouwing gelaten’, zegt Kalma. ‘We wilden met de pilot kijken hoe mensen de aandrijving ervoeren. We kregen de watersmering technisch niet snel genoeg voor mekaar.’
Het eerste systeem kon daardoor niet worden voorzien van een asloze propeller. ‘Na honderden uren logging was de conclusie onontkoombaar, het werkte, maar we waren van oordeel dat dit product op basis van een vaste as met kogellagers niet onderscheidend genoeg was’, zegt Kalma. Kortom, pilot gelukt, businesscase afwezig. Overigens vaart een van de sloepjes nog steeds met de proefmotor.
Maar intussen had Insumo wel ervaring opgedaan. Gebruikers waren enthousiast over de stille voortstuwing. ‘De straaltunnel zit onder water en dat maakt een boot extreem manoeuvreerbaar. Je hebt geen schroefas, geen machinekamer, niets’, zegt Kalma. ‘Je draait de boot snel met een motor op zijn plek, laat staan dat je met een boegschroef of twee of vier motoren gaat werken.’
Water echt anders dan olie
Het team van zes Insumo-technici ging in de jaren na de pilots aan de slag met de uitwerking van een ontwerp. Ze deden Triz-achtige sessies en concludeerden dat ze een asloos ontwerp wilden maken, met een gat in het midden. Ook wilden ze een motor op basis van watersmering en gingen voor advies langs bij de universiteiten van Delft en Aken. ‘Want water is echt anders dan olie. Uiteindelijk hebben we het zonder hulp van de technische universiteiten gedaan en alles zelf ontwikkeld, ook de software en testmiddelen. Het kostte ons een jaar voor we de goede technologie hadden.’
Vloeistoflagering met omgevingswater was een voor de hand liggende oplossingsrichting waarop tot dan toe iedereen in het vakgebied was uitgekomen. ‘Kogellagers vallen vaak af doordat ze de hoge omloopsnelheiden niet aankunnen en afgedicht moeten worden. Bovendien slijten deze afdichtingen in vervuild water’, zegt Kalma. ‘Je komt dus al snel uit bij smering met omgevingswater.’
Kantelende blokjes
In 2018 en 2019 ontwikkelde het Insumo-team een lagertechnologie waarbij kantelende blokjes de interne rotor met propellerbladen op zijn plaats houden met een waterfilm van een honderdste millimeter. Kalma: ‘Die tilting pads kun je zien als kleine surfplankjes. Door drukopbouw vangt je de stuwkracht op.’
De blokjes van deze zogenaamde kantelblokjeslager zitten voor en achter de propeller om ervoor te zorgen dat het draaiende onderdeel niet naar voor of achter kan. Daarnaast zitten ze ook in een cirkel rondom de cilinder om het centrale draaiende deel op zijn plaats te houden, ook weer met een nauwkeurigheid van een honderdste millimeter.
Magnetische levitatie
Ook al loste het team veel problemen met watersmering op, het product was nog niet marktrijp gezien de relatief hoge complexiteit en kosten van dit systeem. Dat zette Kalma op het spoor van magnetische levitatie. ‘We vroegen ons af wat we nog meer zouden kunnen met onze elektromotor. We leverden er een koppel mee, maar we vroegen ons af of we de krachten ook konden gebruiken om de rotor op de goede plaats in het XY-draaivlak te duwen.’
Kalma sloeg aan het rekenen. ‘Het gaat om complexe besturing. Ik heb een simulatiemodel gemaakt om te kijken of we de rotor in het midden zouden kunnen houden. Je kunt je voorstellen dat de magneten graag naar het omringende ijzer toe willen. Het is een instabiel systeem, als het balanceren van een bezem op je hand.’
Voor de verfijning van zijn control-loop vroeg hij ook advies aan experts die zweeftreinen bouwen. ‘Al met al hebben we een prototype gebouwd waarmee we vorig jaar in open water konden varen.’
Totaal nieuwe oplossing
In het huidige systeem zitten alleen nog kantelblokjeslagers om de rotor in de voortstuwrichting op zijn plaats te houden. In radiale richting gebruikt Insumo nu elektromagnetische levitatie waarvan de kracht kan oplopen tot 1000 Newton. Kalma: ‘Het is een totaal nieuwe oplossing die we ook gepatenteerd hebben.’
In de lagers bevindt zich tussen kantelblokjes en binnenring een waterfilm van een honderdste millimeter. De binnenring is van een polymeer die vervuiling zoals zandkorrels kan opvangen door ze in te bedden. De kantelblokjes zijn van gehard staal met een laagje keramiek. ‘De blokjes en hun tegenloopvlak zijn makkelijk te monteren en zijn te wisselen, mochten ze vol met zand zitten.’ Op dit moment zijn de eerste duurproeven al met succes afgerond.
De lagering in het XY-vlak vangt de Insumo-motor volledig met de elektromotor op. ‘Omdat je de rotor keurig in midden houdt, kost het in theorie nauwelijks energie. Wat we eerst met mechanica en water oplosten, doen we nu met motion control.’
In een volgende stap wil Insumo een systeem ontwikkelen dat volledig is gebaseerd op maglev, dus zonder waterlagering in de voortstuwingsrichting. ‘We hebben nu een hybride waterlagering-maglev-systeem van 48 volt en 4 tot 5 kilowatt vermogen en kunnen naar een volledig gecertificeerd systeem van 20 tot 30 kilowatt bij 380 volt. Daar kun je al vrij grote schepen mee aandrijven. Daarna willen we naar een volledig maglev-systeem van ongeveer 100 kW voor onder meer binnenvaartschepen. Die oplossing is meer hightech en past ook bij hogere investeringen.’
‘Uiteindelijk willen we motoren maken van 100en kW en mogelijk meer die je onder binnenvaartschepen kunt zetten of motoren waarmee je boorplatformen kunt laten draaien. Daarvoor moeten we nog een stap maken. Maar uiteindelijk willen we helemaal af van wat nu nog mechanische waterlagering is.’
