Die meisten modernen Mähroboter verwenden bürstenlose Gleichstrommotoren. Ein typisches Gerät verfügt über einen schnelllaufenden BLDC-Motor für das Mähsystem und zwei Getriebemotoren für die Antriebsräder. Zusätzliche kleine Getriebemotoren können für die Höhenverstellung oder Hilfsmechanismen zum Einsatz kommen.

Der Mähmotor wird vor allem nach Drehzahl, stabiler Leistung unter Last, Wirkungsgrad und geringer Vibration ausgewählt. Die Radmotoren werden vor allem nach Drehmoment, Übersetzungsverhältnis, Steigfähigkeit und präziser Bewegungssteuerung ausgewählt.

BLDC-Motoren sind aufgrund ihrer Effizienz, Langlebigkeit, präzisen Steuerung und kompakten Bauweise sehr beliebt. Dennoch bestimmt der Motortyp allein nicht die Leistung des Mähers.

In einem Mähroboter verwendete Hauptmotoren

Die meisten Mähroboter verfügen über zwei Hauptmotorengruppen:

• Schneidmotoren, die die Messerscheibe oder die Schneidmesser antreiben
• Antriebsmotoren, die die Räder antreiben und die Bewegung steuern

Einige Geräte verwenden zudem kleinere Motoren oder Aktuatoren für die Schnitthöhenverstellung, Lenkmechanismen, Reinigungssysteme oder bewegliche Schutzabdeckungen.

Motorposition	Hauptfunktion	Typischer Motortyp	Hauptanforderung
Mähsystem	Dreht Klingen oder Trennscheibe	BLDC-Motor	Hohe Drehzahl und konstante Leistung
Linkes Antriebsrad	Bewegt den Mäher und lenkt ihn	Getriebener Gleichstrom- oder BLDC-Motor	Hohes Drehmoment und präzise Steuerung
Rechtes Antriebsrad	Bewegt und lenkt den Mäher	Getriebener Gleichstrom- oder BLDC-Motor	Hohes Drehmoment und präzise Steuerung
Höhenverstellung	Hebt oder senkt die Mäheinheit	Kleiner Getriebemotor oder Stellantrieb	Positionsgenauigkeit
Hilfsmechanismus	Steuert Abdeckungen, Bürsten oder Anbaugeräte	Kleiner Gleichstrommotor	Kompakte Bauweise und einfache Steuerung

Die Schneid- und Radmotoren werden in der Regel unabhängig voneinander gesteuert. Dadurch kann der Mäher die Schnittgeschwindigkeit an die Grasbedingungen anpassen und gleichzeitig die Radgeschwindigkeit entsprechend den Navigationsanforderungen variieren.

Bürstenlose Gleichstrommotoren

Roboter-Rasenmäher verwenden üblicherweise BLDC-Motoren mit elektronischer statt mechanischer Kommutierung. Stattdessen wird der Motor durch elektronische Schaltung gesteuert.

Diese Bauweise bietet mehrere Vorteile für autonome Geräte im Außenbereich.

• Geringerer mechanischer Verschleiß
• Längere Lebensdauer
• Höhere Energieeffizienz
• Geringere elektrische Störungen
• Bessere Drehzahlregelung
• Geringerer Wartungsaufwand
• Verbessertes Leistungs-Gewichts-Verhältnis

Ein Mähroboter kann mehrere Stunden am Tag in Betrieb sein und wiederholt anfahren, anhalten, beschleunigen, rückwärts fahren und wenden. Unter diesen Betriebsbedingungen sind Langlebigkeit und Effizienz besonders wichtig.

Da der Motor bürstenlos ist, entfallen Leistungsverluste, die durch den Verschleiß der Bürsten entstehen. Ein BLDC-Motor erfordert jedoch eine geeignete elektronische Steuerung, ein Verfahren zur Erfassung der Rotorposition sowie eine Motorsteuerungsstrategie. Das gesamte Antriebssystem ist daher komplexer als ein einfaches System mit Bürstenmotor.

Mähmotoren

Der Schneidmotor treibt die Messerscheibe, die rotierende Stange oder das einzelne Messersystem an. Er läuft in der Regel mit einer deutlich höheren Drehzahl als die Radmotoren.

Seine Hauptaufgabe besteht darin, eine ausreichende Messerspitze-Drehzahl aufrechtzuerhalten, um das Gras sauber zu mähen. Der Leistungsbedarf des Motors hängt von mehreren Faktoren ab:

• Messer-Durchmesser
• Anzahl der Messer
• Masse der Messer
• Schnittbreite
• Grasdichte
• Grasfeuchte
• Schnittlänge
• Fahrgeschwindigkeit des Mähers
• Ausführung der Mähscheibe

Eine leichte Mähscheibe mit kleinen, schwenkbaren Messern benötigt ein geringeres Anlaufdrehmoment als ein schweres, massives Messer. Dennoch kann eine hohe Drehzahl erforderlich sein, um ein akzeptables Mähergebnis zu erzielen.

Aus diesem Grund werden die Mähmotoren von Mährobotern in der Regel so ausgelegt, dass ein Gleichgewicht zwischen Drehzahl, Drehmoment, Wirkungsgrad, Vibration und Geräuschentwicklung hergestellt wird.

Warum BLDC-Motoren für Mähsysteme geeignet sind

Ein BLDC-Motor eignet sich gut für den Einsatz mit Messern, da er in kompakter Bauweise eine stabile, hohe Drehzahl liefern kann. Die Steuerung kann zudem die Motordrehzahl anpassen, wenn das Messer auf dichteres Gras trifft.

Beispielsweise kann der Mäher den Schneidmotor bei geringer Belastung mit mäßiger Drehzahl laufen lassen, um Energie zu sparen. Steigt der Stromverbrauch aufgrund von dichtem Gras, kann die Steuerung das Drehmoment erhöhen oder die Fahrgeschwindigkeit anpassen.

Diese Art der reaktionsschnellen Steuerung kann die Schnittqualität verbessern, ohne dass der Motor kontinuierlich mit maximaler Leistung betrieben werden muss.

Der Motor sollte nicht allein anhand seiner Leerlaufdrehzahl ausgewählt werden. Ein Motor, der ohne Messer eine hohe Drehzahl erreicht, kann beim Kontakt mit Gras übermäßig verlangsamen. Auch sein Dauerdrehmoment, sein Spitzendrehmoment, seine thermische Kapazität und die Strombegrenzung des Reglers müssen geprüft werden.

Radantriebsmotoren

Radmotoren bewegen den Mähroboter über den Rasen. Bei den meisten Konstruktionen wird ein Motor für das linke Antriebsrad und ein weiterer für das rechte Antriebsrad verwendet.

Durch die unabhängige Änderung von Drehzahl und Drehrichtung dieser beiden Motoren kann der Mäher:

• sich vorwärts bewegen
• rückwärts fahren
• allmählich abbiegen
• sich auf engstem Raum drehen
• einer Begrenzung folgen
• Richtung korrigieren
• Hindernissen ausweichen

Radmotoren laufen in der Regel mit niedrigeren Drehzahlen als Schneidmotoren, benötigen jedoch ein höheres Drehmoment. Getriebe reduzieren die Motordrehzahl und erhöhen gleichzeitig das Abtriebsdrehmoment.

Gleichstrommotoren mit Getriebe

Ein Gleichstrommotor mit Untersetzungsgetriebe kombiniert einen Elektromotor mit einem Untersetzungsgetriebe. Der Motor kann bürstenbehaftet oder bürstenlos sein, doch in Maschinen, die eine längere Lebensdauer erfordern, werden zunehmend bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) bevorzugt.

Das Getriebe ermöglicht es einem kompakten Motor, ein ausreichendes Raddrehmoment zu erzeugen für:

• Das Anfahren auf Gras
• Das Befahren von Steigungen
• das Befahren unebener Oberflächen
• Das Wenden auf weichem Boden
• Das Befahren dichter Vegetation
• Überwindung kleiner Hindernisse

Das erforderliche Drehmoment wird durch das Gewicht des Mähers, den Raddurchmesser, den Steigungswinkel, den Bodenwiderstand und die erforderliche Beschleunigung beeinflusst.

Ein Radmotor, der ausschließlich für ebenes, trockenes Gras ausgelegt ist, kann auf nassen Hängen Schwierigkeiten haben. Andererseits kann ein überdimensionierter Motor Kosten, Gewicht und Stromverbrauch erhöhen, ohne einen nennenswerten Vorteil zu bieten.

Motoren mit Bürsten vs. bürstenlose Motoren

Gebürstete Gleichstrommotoren können nach wie vor in kostengünstigeren Mährobotern eingesetzt werden. Sie sind einfach zu steuern und weisen in der Regel geringere Anschaffungskosten auf.

Allerdings nutzen sich ihre Bürsten im Betrieb allmählich ab. Der Bürstenkontakt kann zudem elektrische Störungen, Reibung, Wärmeentwicklung und Wirkungsverluste verursachen.

Merkmal	Gleichstrommotor mit Bürsten	Bürstenloser Gleichstrommotor
Anschaffungskosten	Im Allgemeinen niedriger	Im Allgemeinen höher
Steuerungssystem	Einfacher	Fortschrittlicher
Wartung	Ein Austausch der Bürsten kann erforderlich sein	In der Regel gering
Lebensdauer	Durch Bürstenverschleiß begrenzt	Im Allgemeinen länger
Wirkungsgrad	Mäßig	Höher
Drehzahlregelung	Akzeptabel	Präziser
Elektrische Störgeräusche	Höher	Geringer
Eignung für häufigen Betrieb	Mäßig	Stark
Typische Anwendung	Einsteigergeräte	Maschinen der Mittel- und Oberklasse

Für einen Mähroboter, der voraussichtlich über mehrere Saisonen hinweg regelmäßig im Einsatz sein wird, bietet ein BLDC-Motor in der Regel eine insgesamt leistungsstärkere Lösung. Die höheren Kosten für Komponenten und Steuerung lassen sich durch verbesserte Effizienz, geringeren Wartungsaufwand und eine längere Lebensdauer rechtfertigen.

Bürstenmotoren können nach wie vor sinnvoll sein, wenn die Betriebsstunden begrenzt sind und das Produkt ein strenges Kostenziel einhalten muss.

Motorspannung

Die Motoren von Mährobotern werden über wiederaufladbare Akkusysteme mit Strom versorgt. Gängige Mäherplattformen verwenden je nach Produktdesign Akkuspannungen von 18 V, 20 V, 24 V oder mehr.

Ein System mit höherer Spannung kann die gleiche Leistung bei geringerem Strom liefern. Ein geringerer Strom kann Kabelverluste, die Erwärmung der Steckverbinder und die Belastung der Steuerung verringern. Die Spannung allein bestimmt jedoch nicht die Motorqualität oder die Leistung des Mähers.

Die Motorwicklung, die Steuerung, der Akku, das Getriebe und das Schutzsystem müssen als eine einheitliche Plattform konzipiert sein.

Beispielsweise führt der Einbau eines 24-V-Motors in eine Maschine, die ursprünglich für eine Batterie mit niedrigerer Spannung ausgelegt war, nicht automatisch zu einer Verbesserung des Drehmoments. Der Regler unterstützt die Spannung möglicherweise nicht, und die Motorwicklung ist möglicherweise nicht auf die vorgesehene Drehzahl abgestimmt.

Die Motorauswahl sollte daher von der gesamten elektrischen Architektur ausgehen und nicht von einem isolierten Spannungswert.

Anforderungen an Drehmoment, Drehzahl und Leistung

Drehmoment und Drehzahl spielen bei einem Mähroboter unterschiedliche Rollen.

Der Schneidmotor benötigt in der Regel eine höhere Drehzahl, da sich die Messer schnell genug bewegen müssen, um das Gras zu schneiden. Die Radmotoren benötigen eine niedrigere Drehzahl, aber ein höheres Drehmoment, da sie die gesamte Maschine antreiben müssen.

Die Motorleistung lässt sich als Verhältnis zwischen Drehmoment und Drehzahl verstehen. Ein schnelllaufender Motor mit sehr geringem Drehmoment kann die Messerdrehzahl unter Last möglicherweise nicht aufrechterhalten. Ein Radmotor mit hohem Drehmoment und falschem Übersetzungsverhältnis bewegt den Mäher möglicherweise zu langsam.

Bei der Konstruktion sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Dauerbetriebsdrehmoment
• Kurzzeitiges Spitzendrehmoment
• Leerlaufdrehzahl
• Drehzahl unter Last
• Untersetzungsverhältnis
• Anlaufstrom
• Blockierstrom
• Strombegrenzung des Reglers
• Dauerleistung
• Temperaturanstieg

Das Spitzendrehmoment ist besonders wichtig beim Anfahren, beim Befahren von Steigungen, beim Wenden und bei Blattstößen. Das Dauerdrehmoment ist wichtiger bei der Bewertung des Temperaturanstiegs und der Langzeitzuverlässigkeit.

Motorsteuerung und Rückkopplung

Roboter-Rasenmäher erfordern eine präzisere Motorsteuerung als herkömmliche Handrasenmäher. Das Steuerungssystem muss die Bewegung mit Sensoren, Navigationssoftware, Begrenzungserkennung und Hindernisvermeidung koordinieren.

Radmotoren können Hall-Sensoren oder Encoder verwenden, um Drehzahl und Position zu messen. Diese Rückmeldung hilft dem Mäher, die zurückgelegte Strecke abzuschätzen und eine kontrollierte Fahrbahn einzuhalten.

Die Steuerung kann die vorgegebene Raddrehzahl mit der tatsächlichen Raddrehzahl vergleichen. Eine Abweichung kann auf Folgendes hinweisen:

• Radschlupf
• Ein blockiertes Rad
• Unebenes Gelände
• Übermäßigen Widerstand durch das Gras
• Einen mechanischen Defekt

Schneidmotoren können auch über Strom-, Drehzahl- oder Temperatursignale überwacht werden. Ein plötzlicher Stromanstieg kann auf verheddertes Gras, ein beschädigtes Messer oder eine blockierte Schneidscheibe hinweisen.

Die Rückmeldung verbessert nicht nur die Leistung. Sie unterstützt auch die Fehlererkennung und den Motorschutz.

Motoreffizienz und Akkulaufzeit

Der Wirkungsgrad des Motors wirkt sich direkt auf die Akkulaufzeit aus. Energie, die im Motor verloren geht, wird in Wärme umgewandelt, anstatt in nützliche mechanische Leistung.

Es reicht jedoch nicht aus, den Motor mit dem höchsten Wirkungsgrad für einen bestimmten Betriebspunkt auszuwählen. Ein Mähroboter arbeitet unter wechselnden Bedingungen. Die Radlasten ändern sich je nach Gelände, während sich die Schnittlasten je nach Grashöhe und -dichte ändern.

Der am besten geeignete Motor sollte über den gesamten typischen Arbeitsbereich des Mähers hinweg effizient arbeiten.

Ein gut konzipiertes System kann die Laufzeit verbessern durch:

• Effiziente BLDC-Motoren
• Geeignete Übersetzungsverhältnisse
• Leichte Schneidkomponenten
• Wälzlager mit geringem Reibungswiderstand
• Adaptive Steuerung der Messerdrehzahl
• Sanfte Beschleunigung
• Reduzierung unnötiger Drehbewegungen
• Richtige Radauslegung

Der Wirkungsgrad des Motors sollte daher gemeinsam mit der mechanischen Konstruktion und der Steuerungssoftware berücksichtigt werden.

Geräusche und Vibrationen

Roboter-Rasenmäher für den privaten Gebrauch werden oft in der Nähe von Wohnhäusern, Gärten, Büros oder öffentlichen Plätzen eingesetzt. Eine geringe Geräuschentwicklung ist daher ein wichtiges Konstruktionsziel.

Motorgeräusche können durch elektromagnetische Kräfte, Lager, Kontakt im Getriebe, strukturelle Resonanz oder das Schalten der Steuerung entstehen. In vielen Fällen verursachen das Messersystem und der Kontakt mit dem Gras mehr Geräusche als der Motor selbst.

Ein leiser Motor kann dennoch wahrnehmbare Geräusche erzeugen, wenn er an einem flexiblen Gehäuse montiert ist, das Schwingungen verstärkt.

Zur Geräuschreduzierung kann Folgendes erforderlich sein:

• Ausgewuchtete Rotoren
• Präzise Messerscheiben
• Vibrationsarme Lager
• Optimiertes magnetisches Design
• Geeignete Schaltlogik des Controllers
• Steife Motorlagerungen
• Schwingungsdämpfende Komponenten
• Gut ausgelegte Zahnradzähne

Die Struktur aus Motor und Mäher sollte als komplettes Schwingungssystem betrachtet werden.

Anforderungen an den Schutz im Außenbereich

Die Motoren von Mährobotern arbeiten in einer Umgebung, die Feuchtigkeit, Staub, Graspartikel, Düngerrückstände und Temperaturschwankungen aufweist. Der Motor muss daher vor Verunreinigungen und Korrosion geschützt werden.

Wichtige Konstruktionsaspekte sind:

• Abgedichtete Lager
• Geschützte Kabelausgänge
• Korrosionsbeständige Wellen
• Beschichtete elektrische Komponenten
• Zuverlässige Steckverbinder
• Feuchtigkeitsbeständige Isolierung
• Entwässerung rund um das Motorgehäuse
• Kontrollierte Belüftung, wo erforderlich

Ein vollständig abgedichteter Motor mag ideal erscheinen, doch die Abdichtung beeinträchtigt auch die Wärmeableitung. Wenn die Wärme nicht entweichen kann, kann die Wicklungstemperatur bei intensiven Mäharbeiten oder im Hangbetrieb ansteigen.

Die richtige Lösung besteht nicht einfach darin, die Abdichtung zu maximieren. Der Motor muss ein praktisches Gleichgewicht zwischen Umweltschutz und Wärmemanagement erreichen.

Radmotoren sollten unter den schwierigsten zu erwartenden Start- und Steigbedingungen bewertet werden. Schneidmotoren sollten mit der tatsächlichen Messerbauweise und realistischen Graslasten getestet werden.

Wird der Motor nur auf einem Laborteststand geprüft, können Probleme verborgen bleiben, die durch das Getriebe, das Gehäuse, eine Unwucht des Messers, Radschlupf oder einen eingeschränkten Luftstrom verursacht werden.