Insumo introduceert magnetische levitatie voor elektrisch varen
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 introduceerde afgelopen zomer een baanbrekend motorconcept voor elektrisch varen op de beurs Electric & Hybrid Marine Expo Europe 2023 in Amsterdam. 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 sloepen en speedboten, maar het principe is volgens Insumo goed op te schalen voor de binnenvaart en zelfs voor zeeschepen. De start-up 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 wel degelijk intrigerend. De motor heeft geen aandrijf- of schroefas en dat levert meerdere voordelen. Zo is de aandrijving 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.
Tweede voordeel is dat met de afwezigheid van een centrale as ook geen kogel- of vetlagers met organische smeermiddelen nodig zijn. Bij de Insumo-motor fungeert omgevingswater als smeermiddel, om precies te zijn een film van tien micron die het centrale cilindervormige deel met vaste magneten en schoepen op zijn plaats houdt en soepel laat draaien. Daarmee is de aandrijving helemaal milieuvriendelijk, want in tegenstelling tot de huidige wateraandrijvingen komen organische smeermiddelen niet langer in contact met het oppervlaktewater. Daarnaast is het systeem stil en zeer onderhoudsvriendelijk.
‘De straaltunnel zit onder water en dat maakt een boot extreem manoeuvreerbaar. Je hebt geen schroefas, geen machinekamer, niets’, zegt Bauke Kalma van Insumo. ‘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.’
Het principe is niet nieuw. Researchers van grote spelers in de 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 vloeistof-lagersystemen. 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.
Over dat verkennende onderzoek: ’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 vooral kijken hoe mensen de aandrijving ervoeren. Eerlijk gezegd kregen we de watersmering technisch ook 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.
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 voor asloze systemen 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.’
In het eerste concept zaten de zogenaamde kantelblokjeslagers in een cirkel om het centrale draaiende deel en daarnaast (in de voortstuwrichting) voor en achter de propeller. Die lagers in de cirkel zorgden voor een centrale positie van de rotor, de tweede zorgden ervoor dat het draaiende onderdeel niet naar voor of achter kon. Het centrale draaiende deel kon zo met een nauwkeurigheid van een honderdste millimeter op zijn plaats worden gehouden.’
Magnetische levitatie
Ook al loste het team veel problemen met watersmering op, men kwam al snel tot de conclusie dat dit eerste concept het niet zou halen tot de markt. De complexiteit was relatief hoog, met bijbehorende hoge kosten voor alle systeemdelen. 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 al 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 een complexe besturing. Ik heb een simulatiemodel gemaakt om te kijken of we de rotor met levitatie in het midden zouden kunnen houden. Dat ligt niet voor de hand. Je kunt je voorstellen dat de magneten graag naar het omringende ijzer toe willen. Het is een instabiel systeem, te vergelijken met 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 hebben gepatenteerd.’
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 het 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 magnetische levitatie, dus ook in de voortstuwingsrichting maglev en geen waterlagering (al is er wel een waterfilm aanwezig). ‘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.’
Stap naar hogere vermogens niet evident
Kalma realiseert zich dat de stap naar hogere vermogens niet evident is. ‘De waterspleet schaalt niet mee. Voor een tien keer grotere motor hebben we nog steeds slechts tien micron speling tot onze beschikking.’ Dit zal de komende jaren dan ook een van de grootste ontwerpuitdagingen worden.
Als deze exercitie slaagt, dan twijfelt het team niet aan een gouden toekomst. De motor is heel eenvoudig aan te brengen. Vooral op zee zijn er legio toepassingen. Dit soort systemen wordt niet alleen ingezet voor voortstuwing, maar ook voor de stabilisatie van drijvende platforms, luxe-jachten en andere schepen waarop de bemanning rustig wil slapen. Een volledig stille aandrijving is in het laatste geval een extra pre.
Dat elektrisch varen en autonoom vervoer op het water de toekomst is, daar twijfelt Kalma niet aan. De vraag is alleen hoe de markt zich de komende jaren ontwikkelt en of de technologie van Insumo deel zal uitmaken van de oplossing. Op dit moment zet de hogeschool Zeeland de Insumo-motor in bij een project voor autonoom varen. ‘Het is iets eenvoudiger dan elektrische autorijden, maar je hebt te maken met een remweg van soms honderden meters’, zegt Kalma.
Voor vrachttransport is een boot tussen twee punten laten pendelen niet moeilijk, maar als het een veerboot is, kom je weer op verschillende usecases. ‘Voor dynamische omgevingen is er nog geen echte oplossing’, zegt Kalma, die op dit punt graag wil samenwerken met onderzoeksinstituut Marin in Wageningen. ‘Aanmeren en afmeren is bijvoorbeeld complex in woeste omstandigheden, maar het is wel zo dat ons motorprincipe uitermate geschikt is om in deze situaties goed te manoeuvreren.’
Tienduizend uren continu
De echt grote kansen voor de Insumo-technologie liggen dus in het grote vrachtvervoer en zware toepassingen. Kalma sprak al met werven, scheepsbouwers en mensen van defensie. ‘Dit is wel de richting die ze op willen. Zonder vaste schroefassen is onderhoud veel eenvoudiger. Een schip hoeft niet naar een dok. Service of vervanging is een kwestie van de motor afkoppelen. Dat is een groot voordeel in een markt die verwacht dat schepen 24/7 varen en waar de motoren tienduizend uur continu moeten draaien.’
Om kans te maken om in deze markt te gaan leveren, moet het Friese bedrijf wel een motorprincipe ontwikkelen dat volledig leunt op magnetische levitatie. Dat deze markt behoorlijk traditioneel is, zal een extra uitdaging met zich meebrengen. Maar in theorie zijn de plussen intrigerend. ‘Onze motor werkt volledig frictieloos’, onderstreept Kalma. ‘Met de natte vinger scheelt het makkelijk twintig procent op de gebruikte energie. Onze motor is ook van buiten te bevestigen. Je hebt binnenin het vaartuig wel batterijen, brandstofcellen of andere energieopslag nodig, maar geen ruimte voor de motor.’
