DC-Motoren Landwirtschaft 4.0: Auf den richtigen Antrieb kommt es an

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Die Landwirtschaft stellt die erste und wichtigste Stufe in der Nahrungsmittelproduktion dar. Der Sektor steht jedoch ­unter ständigem Druck, seine Produktivität und Effizienz zu steigern und sich den Herausforderungen einer sich wandelnden ­Politik zu stellen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, setzt Landwirtschaft 4.0 auf die Integration moderner Technologien wie Robotik und automatisierte Methoden, die über Cloud-Computing mit Echtzeitdaten gesteuert und ­überwacht werden.

Dreh- und Angelpunkt des technischen Fortschritts in der Landwirtschaft 4.0 ist der DC-Motor, der neben kompakten Abmessungen und geringem Wartungsaufwand auch präzise Bewegungen ermöglicht. DC-Motoren eignen sich am besten für die effiziente Umsetzung von Drehbewegungen in batteriebetriebenen Geräten und Maschinen. Vor allem lassen sie sich leicht in IoT-Technologien integrieren, die Echtzeitanpassungen und datengestützte Entscheidungen ermöglichen.

Landwirtschaft 4.0: Roboter mit DC-Motoren 

Der autonome mobile Roboter (AMR) oder Agrarroboter ist ein Paradebeispiel für die Vorteile der neuen Technologien in der Landwirtschaft 4.0. Der zunehmende Einsatz und die Wirtschaftlichkeit dieser Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Methoden werden das Gesicht der Landwirtschaft nachhaltig verändern. Agrarroboter sind auf dem Markt auf dem Vormarsch, was auf Faktoren wie hohe Kosten für Herbizide und Arbeitskräfte, aber auch auf immer strengere Umweltauflagen zurückzuführen ist. Diese Roboter sind für Aufgaben wie mechanisches Unkrautjäten, Obsternte, Präzisionssaat und sogar für das Ausmisten und Füttern in der Viehwirtschaft konzipiert.

Obwohl viele AMR mit hochentwickelten bild- und geodatenbasierten Navigationssystemen ausgestattet sind, müssen sie dennoch sicher und relativ einfach zu bedienen sein. Für den Antrieb ihrer Räder und um Werkzeuge oder Ausrüstung zu bedienen, sind Agrarroboter auf DC-Motoren angewiesen. Diese Motoren und ihre Steuerungen müssen präzise arbeiten und sehr langlebig sein, da sie je nach Jahreszeit den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.

Landwirtschaftliche Drohnen bieten viele Vorteile

Gleichzeitig haben Fortschritte bei unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) dazu geführt, dass landwirtschaftliche Drohnen immer häufiger für das Spritzen, Säen, Kartieren und Inspizieren von Nutzpflanzen und Vieh zum Einsatz kommen. Unwegsames Gelände stellt für Drohnen keine Herausforderung dar. Überdies können sie dazu beitragen, Kosten sowie den Wasserverbrauch zu senken, indem sie eine gezielte und präzise Ausbringung von Spritz- und Düngemitteln auf der Grundlage von Echtzeitdaten ermöglichen. Drohnen verursachen keine Bodenverdichtung und sind umweltfreundlich, da der Chemikalien- und Wasserverbrauch durch selektive Sprühtechniken minimiert wird.

DC-Motoren treiben die Drohne über die Propeller an und versorgen auch Zusatzausrüstung wie Sprühpumpen oder bewegliche Kameraaufhängungen mit Strom. Sicherheit und Zuverlässigkeit sind daher neben der Energieeffizienz die wichtigsten Faktoren bei der Auswahl des Motors.

Ein weiteres Wachstumsfeld, das sich aus den Vorteilen der Landwirtschaft 4.0 ergibt, ist die vertikale Landwirtschaft. Obwohl dieser Ansatz derzeit noch auf hochwertige Agrarprodukte wie Blattgemüse, Kräuter, Erdbeeren und Tomaten beschränkt ist, ermöglicht er eine ganzjährige, wetterunabhängige Produktion und lässt sich im urbanen Raum umsetzen, wodurch der Weg vom Bauernhof bis auf den Tisch verkürzt wird. Hier sind anpassungsfähige Beleuchtungs- und Belüftungssysteme erforderlich, die für optimale Licht- und Klimabedingungen sorgen. In diesen Anwendungen benötigt man DC-Motoren in der Regel für den Antrieb von Lüftungs- und Klimaanlagen sowie von intelligenten Bewässerungs-, Dreieckspflanz- und Ernterobotern.

Anforderungen an Bewegungssysteme in der Landwirtschaft 4.0

Die Anforderungen dieser Anwendungen stellen neue Ansprüche an die für Antrieb und Steuerung verantwortlichen Bewegungssysteme. Um die Bewegungen eines Robotergreifers so zu koordinieren, dass er eine Erdbeere pflücken kann, ohne sie zu beschädigen, ist eine hochpräzise Steuerung des Bewegungssystems erforderlich. Motorisch gesehen weisen Obstpflückroboter trotz ihrer offensichtlichen Unterschiede oft interessante Ähnlichkeiten mit Prothesen auf. Beide Systeme erfordern ein hohes Maß an Geschicklichkeit und Präzision. Dies lässt sich durch den Einsatz von Sensoren und Feedbacksystemen erreichen. Anstelle von konventionellen Motorkonstruktionen mit Eisenläufern wird zunehmend auf die Technologie des kompakten, kernlosen DC-Motors gesetzt. Die kernlose Konstruktion zeichnet sich durch ein niedriges Rastmoment und eine ruckfreie Steuerung aus, wodurch eine präzise und vorsichtige Handhabung ermöglicht wird.

Höhere Effizienz und Ausfallsicherheit

Statt weniger, sehr großer Maschinen kommen Roboter zunehmend in Schwärmen zum Einsatz, die sich aus kompakteren und leichteren Maschinen zusammensetzen. Diese Strategie steigert die Effizienz und sorgt durch Redundanz für eine höhere Ausfallsicherheit. So werden beispielsweise bei Drohnen zunehmend Bewegungssysteme mit einem hohen Drehmoment-Masse-Verhältnis benötigt. Dadurch kann der Roboter eine größere Nutzlast tragen und die Batterie wird weniger beansprucht. Kompakte DC-Motoren mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad, die kleiner und leichter sind als ihre AC-Pendants, spielen daher auch weiterhin eine wichtige Rolle in der Landwirtschaft 4.0. Ebenso wie kernlose Bauformen, die mit einer zusätzlichen Gewichtsreduzierung einhergehen.

Aus den gleichen Gründen ist auch die Energieeffizienz entscheidend, weshalb bürstenlose DC-Motoren (BLDC) mit elektronischer Kommutierung von Bedeutung sind. Diese Motorkonstruktion, wie beispielsweise die EC-Motorenreihe von Maxon, verwendet eine elektronische Kommutierung, welche die Energieverluste im Vergleich zur Bürstenkommutierung minimiert.

Wichtig ist, dass sich die Roboter zu jeder Jahreszeit, bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen und an verschiedenen Orten weltweit einsetzen lassen. Bewegungssysteme müssen dafür wiederholbare Leistung, eine lange Lebensdauer und minimale Ausfallzeiten gewährleisten.

Der Autor Martin Leahy ist Sales Engineer bei Maxon UK.