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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Trennen einer Materialbahn mit einem quer zur
Laufrichtung der Materialbahn angeordneten Trennelement, das durch
einen Antrieb translatorisch in Richtung der Materialbahn bewegbar
ist.
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In
EP 1 025 307 B1 wird eine Bahntrennvorrichtung
beschrieben, bei der an einen beweglichen Kolben in einer Kolbenkammer
eine Abtrennklinge angebracht ist. Dabei erstrecken sich die Abtrennklinge,
der Kolben und die Kolbenkammer über
die gesamte Breite der abzutrennenden Bahn. Mit Hilfe von Verbindungskanälen zwischen
der Kolbenkammer und Druckkammern und auch mit dem Kolben, der gleichzeitig
als ein Ventil zwischen der Kolbenkammer und einer der Druckkammern
wirkt, werden Unter- und Überdrücke erzeugt.
Durch das Öffnen von
Ventilen, die Kanäle
mit unterschiedlichen Drücken
verbinden, steigt der Luftdruck unterhalb des Kolbens in einer sehr
kurzen Zeitspanne stark an, so daß der Kolben eine schnelle
Bewegung in Richtung der Materialbahn ausführt. Die am Kolben befestigte Abtrennklinge
wird ebenfalls in Richtung der Materialbahn beschleunigt, schlägt gegen
die Bahn und trennt sie an der gewünschten Stelle ab.
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Aus
EP 1 063 087 B1 ist eine Vorrichtung zum
Schneiden von Materialbahnen bekannt, bei der mit Hilfe eines Druckluftzylinders
ein Schneidelement mit Messer beschleunigt wird. Mit zwei Dreiwege-Ventilen
und einer Steuereinheit wird ein Luftdruck von etwa 4,8 bar auf
einer ersten Seite des Druckluftzylinders vorgegeben. Mit einer
Steuereinheit wird ein Übergang
des Druckluftzylinders vom nicht schneidenden Zustand zum Schneidevorgang gesteuert.
Dabei herrscht im Druckluftzylinder auf einer zweiten Seite des
Zylinders ein zweiter Druck von etwa 6,2 bar. Mit Schnellausströmventilen
wird der zweite Druck zur Einleitung des Schneidevorgangs schnell
auf einen Wert unter dem ersten vorgegebenen Druck reduziert. Ein
mit dem Druckluftzylinder verbundenes und von diesem angetriebenes
Schneidelement trennt die Materialbahn.
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Bei schnellaufenden Materialbahnen,
die Laufgeschwindigkeiten von beispielsweise 2.000 m/min aufweisen,
wird an das Trennen der Materialbahn besondere Anforderungen gestellt.
Es wird angestrebt, die Materialbahn im laufenden Betrieb ohne ein
Verlangsamen oder Anhalten der Bahn zu trennen. Dabei ist es wichtig,
daß der
Trennvorgang keine Beschädigung
der Materialbahn oder sogar eine Beeinflussung des Herstellungsprozesses
her vorruft. Es wird angestrebt, den Trennvorgang in Bruchteilen von
Sekunden durchzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
steuerbare Vorrichtung zum Trennen von Materialbahnen zu schaffen,
bei der das Trennelement eine hohe Beschleunigung erfährt.
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Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Antrieb als elektromagnetischer
Antrieb ausgebildet ist, mit dem elektromagnetische Kräfte in Bewegungsrichtung
des Trennelementes erzeugbar sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird das Trennelement mit Hilfe eines elektromagnetischen Antriebs
in einer Translationsbewegung in Richtung der Materialbahn beschleunigt.
Der elektromagnetische Antrieb stellt elektromagnetische Felder bereit,
die entweder abstoßend
oder anziehend wirken. Die elektromagnetischen Felder verursachen abstoßende bzw.
anziehende Kräfte,
die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
genutzt werden, um das Trennelement zu beschleunigen. Elektromagnetische
Felder sind sehr gut steuerbar. Dies betrifft sowohl ihre räumliche
Gestalt als auch ihre zeitliche Veränderbarkeit. Die räumliche
Gestalt ist durch die Art der Anordnung von elektromagnetischen
Elementen und deren Geometrie beeinflußbar. Die zeitliche Veränderbarkeit
wird durch Strom- und Spannungsverläufe an den elektrischen Anschlüssen des
elektromagnetischen Antriebs festgelegt. Ein weiterer Vorteil des
elektromagnetischen Antriebs ist, daß elektromagnetische Felder
mechanisch trägheitslos aufgebaut,
abgebaut und verän dert
werden können. Diese
Eigenschaft wirkt sich günstig
auf den Beschleunigungsvorgang des Trennelements aus, da die Ursache
der Beschleunigung ohne weitere Bewegungen von Massen sofort verfügbar ist.
Auch ist es nicht notwendig, vor dem Beschleunigungsvorgang der
Vorrichtung mechanische Energie bereit zu stellen, da das Trennelement
aus einer Ausgangsposition im unbewegten Zustand beschleunigt wird.
Dies ist für
das schnelle Trennen von Materialbahnen mit einem elektromagnetischen
Antrieb möglich,
da die elektromagnetischen Felder mechanisch trägheitslos aufgebaut werden
können.
Elektromagnetische Felder wirken außerdem berührungslos. Dies bedeutet, daß Elemente,
die miteinander in elektromagnetischer Wirkung stehen, keinen mechanischen
Kontakt haben müssen.
Dieser Effekt hat den Vorteil, daß der Antrieb zusätzlich zwischen
den sich abstoßenden bzw.
anziehenden elektromagnetischen Elementen verschleißfrei arbeitet.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, daß der
elektromagnetische Antrieb mindestens einphasig ausgeführt ist.
Dies bedeutet, daß sowohl
eine einphasige als auch mehrphasige Ausführung der Vorrichtung möglich ist.
Bei einer mehrphasigen Ausführung,
die beispielsweise dreiphasig sein kann, steht auch pro Phase ein Trennelement
zur Verfügung.
Diese Trennelemente können
synchron eingesetzt werden, als auch zum mehrmaligen Trennen zeitlich
abwechselnd eingesetzt werden. Bei einem synchronen Trennen aller
installierten Trennelemente können
so beispielsweise mindestens zwei Bahnabschnitte in einem Arbeitsvorgang
abgetrennt werden. Auch ist es vorstellbar, daß jedes Trennelement einer
Materialbahn zugeordnet ist, so daß beispielsweise drei Materialbahnen gleichzeitig
abgetrennt werden können.
Bei einer nicht synchronisierten Bewegung der Trennelemente können beispielsweise
eventuelle Ladevorgänge
zur Bereitstellung der elektromagnetischen Energie, die eine bestimmte
Zeit benötigen,
abwechselnd bei den Trennelementen vorgenommen werden, so daß mindestens
immer eines der zur Verfügung
stehenden Trennelemente sofort einsetzbar ist.
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Vorzugsweise weist der Antrieb zwei
elektromagnetische Elemente pro Phase auf, wobei mindestens eines
der Elemente bewegbar ist. Die Abstoßungskräfte oder Anziehungskräfte zwischen
den beiden Elementen werden durch elektromagnetische Felder hervorgerufen.
Die abstoßende
bzw. anziehende Wirkung der elektromagnetischen Felder wird genutzt,
um ein Element in Richtung der Materialbahn zu beschleunigen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der
Erfindung sind die beiden elektromagnetischen Elemente pro Phase
durch zwei elektrische Spulen ausgebildet. Durch die Anwesenheit
von mindestens einer Spule kann ein elektromagnetisches Feld erzeugt
werden. Das elektromagnetische Feld der ersten Spule erzeugt in
der zweiten Spule ein Gegenfeld durch Induktionswirkung. Es wirken
somit abstoßende
bzw. anziehende Kräfte
auf die beiden elektrischen Spulen.
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Gemäß einer Ausführungsform
ist ein elektromagnetisches Element der Phase als kurzgeschlossene
Spule ausgebildet. Eine kurzgeschlossene Spule ist ein einfaches
Element, das zur Funktion beweglich installiert sein kann, da es
an der Spule keine Zuleitungen gibt. Vorhandene Zuleitungen müßten bei
einer Bewegung der Spule mitgeführt werden,
um ein Abreißen
der Zuleitungen zu verhindern. Diese Vorkehrungen sind bei einer
kurzgeschlossenen Spule nicht notwendig.
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Vorzugsweise sind elektromagnetische
Felder über
einen Eisenkern zwischen den beiden elektromagnetischen Elementen
pro Phase koppelbar sind. Dies hat den Vorteil, daß die elektromagnetischen
Felder effektiv genutzt werden können
und Streuungen der Felder gering gehalten werden können.
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Zweckmäßigerweise ist der Antrieb
mit einer Anregungseinrichtung verbindbar. Die Anregungseinrichtung
kann den elektromagnetischen Elementen des Antriebs Energie liefern,
so daß elektromagnetische
Felder entstehen können.
Eine solche Anregungseinrichtung kann beispielsweise eine Spannungsquelle
mit einer Frequenz sein, die größer als Null
ist, wie z.B. eine Wechselspannungsquelle oder ein Impulsgenerator.
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Vorteilhafterweise ist mit der Anregungseinrichtung
eine impulsförmige
Stromänderung
erzeugbar. Die Beschleunigung der elektromagnetischen Elemente hängt von
der zeitlichen Änderung
des magnetischen Flusses durch die Fläche der elektromagnetischen
Elemente ab. Eine impulsförmige
Stromänderung
an einem elektromagnetischen Element induziert in dem zweiten elektromagnetischen
Element eine große
Flußänderung,
so daß plötzlich eine Kraft
auf das zweite elektromagnetische Element wirkt, die dieses elektromagnetische
Element von dem ersten elektromagnetischen Element weg beschleunigt
bzw. zum ersten elektromagnetischen Element hin beschleunigt.
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In einer alternativen Ausgestaltung
ist vorgesehen, daß die
Anregungseinrichtung mindestens einen Energiespeicher aufweist,
der über
ein Schaltelement pro Phase mit mindestens einem der elektromagnetischen
Elemente des Antriebs der Phase verbindbar ist. Ein Energiespeicher
kann die elektromagnetische Energie zunächst bereithalten und bei Betätigung des
Schaltelements wird diese Energie an den Antrieb weitergegeben.
Auf diese Weise steht die Energie bereit, so daß sie sofort für die elektromagnetischen
Elemente zur Beschleunigung des Trennmessers zur Verfügung steht.
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In besonders einfacher praktischer
Ausführung
weist die Anregungseinrichtung einen Kondensator auf, der mindestens
mit einem der beiden elektromagnetischen Elemente des Antriebs verbindbar ist.
Der Kondensator speichert elektrische Energie, die bei einem Entladungsvorgang
impulsförmig
an ein angeschlossenes elektromagnetisches Element abgegeben werden
kann, bildet also einen Impulsgenerator.
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In einer ersten Ausführungsvariante
ist die Anregungseinrichtung mit einer Gleichspannungsquelle verbindbar.
Mit einer Gleichspannungsquelle kann beispielsweise ein Kondensator
direkt aufgeladen werden, der wiederum als Energiespeicher zur Bereitstellung
der elektromagnetischen Energie für den Antrieb eingesetzt werden
kann.
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In einer zweiten Ausführungsvariante
ist die Anregungseinrichtung mit einer Wechselspannungsquelle verbindbar.
Wechselspannung ist die übliche Form
der allgemein zur Verfügung
stehenden Energieversorgung. Die Wech selspannung kann einphasig
oder mehrphasig zur Verfügung
stehen und über ein
Schaltelement pro Phase den elektromagnetischen Elementen zugeführt werden.
Wird eine Gleichspannung benötigt,
so kann beispielsweise mit Hilfe von Dioden die Wechselspannung
auch in eine Gleichspannung umgewandelt werden. Dies kann genutzt
werden, wenn ein Kondensator als Energiespeicher geladen werden
soll und keine Gleichspannung zur Verfügung steht.
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Vorzugsweise ist die Wechselspannungsquelle
pro Phase über
einen Transformator mit mindestens einem der elektromagnetischen
Elemente des Antriebs verbindbar. Ein Transformator bewirkt eine
galvanische Entkopplung zwischen den Eingangs- und den Ausgangsklemmen
des Transformators. Je nach gewähltem Übersetzungsverhältnis kann
der Transformator nur die Funktion der galvanischen Trennung übernehmen
oder auch zusätzlich Spannung
und Strom in einer gewünschten
Höhe bereitstellen,
die für
den elektromagnetischen Antrieb nutzbar sind.
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Bevorzugterweise ist die Anregungseinrichtung
steuerbar. Es kann somit der Beschleunigungsvorgang der sich abstoßenden bzw.
anziehenden elektromagnetischen Elemente zu einem wählbaren Zeitpunkt
eingeleitet werden. Die Steuereinheit kann auch elektrische Bauteile
enthalten, die den zeitlichen Verlauf der Potentialänderung
beeinflussen, z.B. elektrische Widerstände, elektrische Kondensatoren
und Funkenstrecken. Bei der Verwendung eines Kondensators als Energiespeicher
kann dieser zuvor mit beispielsweise einer Wechselspannungsquelle
aufgeladen werden. Für
den Ladevorgang sind dann üblicherweise
gleichrichtende Elemente, wie z.B. Dioden notwendig. Das Entladen
des Kondensators kann beispielsweise mit Hilfe eines Schalters eingeleitet
werden. Die bei dem Entladevorgang bereitgestellte Energie wird
durch die Kapazität
des Kondensators festgelegt. Mit Hilfe von elektrischen Widerständen in
Verbindung mit der Kapazität
des Kondensators ist der zeitliche Verlauf der Entladung steuerbar.
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Es ist besonders bevorzugt, daß das Trennelement über ein
bewegbares Führungselement
mit dem Antrieb in Verbindung steht. Mit Hilfe des Führungselementes
wird die Bewegung des beschleunigten Trennelements kontrolliert
und zu einer definierten Stelle der Materialbahn geführt. Mit
dem Führungselement
wird auch die Genauigkeit der Trennposition verbessert. Außerdem ist
es durch das Verwenden eines Führungselements
nicht erforderlich, den Antrieb direkt an der Materialbahn zu installieren.
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Vorteilhafterweise stehen die beweglichen Elemente
der Vorrichtung mit einem Dämpfungselement
in Verbindung. Es kann somit beispielsweise die Bewegung des Trennelements,
des Führungselements
und der abgestoßenen
Spule nach dem Trennen der Materialbahn gedämpft und schließlich abgebremst
werden. Beim Verbringen der beweglichen Elemente in ihrer Ausgangsposition
kann ebenfalls das Dämpfungselement
wirken.
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Bevorzugterweise ist das Dämpfungselement
zumindest in den Endbereichen der Hin- und Rückbewegungen wirksam. Nach
dem Trennen der Materialbahn soll das Trennelement in seiner Ausgangsposition
zurückgelangen.
Zur Unterstützung des
Abbremsens der Beschleunigungsbewegung, die für den Trennvorgang zunächst notwendig
ist, wird das Dämpfungselement
eingesetzt, so daß das Trennelement
in seiner Bewegung verlangsamt und schließlich gestoppt wird. Die Rückwärtsbewegung des
Trennelements in seine Ausgangslage wird ebenfalls vom Dämpfungselement
abbremsend unterstützt
bis das Trennelement an seiner Ausgangsposition ankommt und dort
solange unbewegt bleibt, bis der nächste Trennvorgang eingeleitet
wird.
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Vorzugsweise ist der Antrieb von
einem elektromagnetischen Schirm umgeben. Dies hat den Vorteil,
daß die
elektromagnetischen Felder, die durch den Antrieb hervorgerufen
werden, nicht als Störfelder
in der Umgebung des Antriebs wirken. Störfelder können bei weiteren installierten
Geräten
Fehlfunktionen auslösen.
Auch wirkt ein elektromagnetischer Schirm in umgekehrter Richtung,
d.h. er verhindert, daß fremderzeugte
Felder die Vorrichtung zum Trennen der Materialbahn beeinflussen.
Mit einem elektromagnetischen Schirm, beispielsweise in Form einer
metallischen Umhüllung
oder auch in Form von Schirmen in den Zuleitungen der Vorrichtung,
wird die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Erfindung,
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2 eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung und
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3 ein
Beispiel für
eine mehrphasige Ausführung
der Erfindung.
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In 1 in
der Nähe
der Materialbahn 1 ist der elektromagnetische Antrieb 2 mit
zwei elektromagnetischen Elementen installiert. Diese zwei Elemente
sind in Form von elektrischen Spulen 3, 4 realisiert, wobei
die erste Spule 3 ortsfest ist und die zweite Spule 4 mit
einem Führungselement 5 bewegbar
ist. Die zweite Spule 4 ist als kurzgeschlossene Spule ausgebildet.
Die erste Spule 3 kann an ihren Anschlüssen 6 an eine Anregungseinrichtung 7 angeschlossen
werden.
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In der dargestellten Ausführungsform
ist in der Anregungseinrichtung 7 ein Kondensator 8 für eine impulsförmige Stromänderung
vorgesehen. Der Kondensator 8 wird über eine Ladeeinrichtung 9,
die beispielsweise aus einer Diode 10 und einem elektrischen
Widerstand 11 besteht, aufgeladen. An den Anschlüssen 12 der
Ladeeinrichtung 9 ist als Energiequelle ein Erzeuger einer
Wechselspannung 13 angeschlossen. Zur Ladung des Kondensators 8 kann
auch eine beliebig andere Ladeeinrichtung 9 verwendet werden,
beispielsweise ist ein direktes Anschließen einer Gleichspannungsquelle
an den Kondensator 8 möglich.
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Sobald der Kondensator 8 ausreichend
geladen ist, wird ein Schalter 14 geschlossen und der Trennvorgang
der Materialbahn 1 eingeleitet. Durch das Schließen des
Schalters 14 entlädt
sich der Kondensator 8 impulsförmig und es fließt durch
die erste Spule 3 ein Strom. Dieser Strom bewirkt ein elektromagnetisches
Feld, das an der zweiten Spule 4, die an der ersten Spule 3 ange ordnet
ist, ebenfalls vorhanden ist. Die zweite Spule 4 baut in
Folge der Induktionswirkung ein zweites elektromagnetisches Feld
auf, das dem ersten Feld entgegenwirkt. Es entsteht zwischen den
beiden Spulen 3, 4 eine abstoßende Kraft. Da die erste Spule 3 hier
ortsfest ist, wird die zweite Spule 4 in Richtung der Materialbahn 1 beschleunigt.
Mit der zweiten Spule 4 bewegt sich ebenfalls das Führungselement 5 und
ein am Führungselement 5 befestigtes
Trennelement 15. Die Länge
des Trennelements 15 weist in dieser Ausführungsvariante
die Breite der Materialbahn 1 auf, so daß das Trennelement 15 durch
den Beschleunigungsvorgang die Materialbahn 1 trifft und
diese in einem Arbeitsvorgang trennt. Das Führungselement 5 gibt
die Richtung der Bewegung des Trennelements 15 vor. Außerdem ist
das Führungselement 5 an
seinem dem Trennelement 15 gegenüberliegenden Ende mit einem
Dämpfungselement 16 verbunden.
Das Dämpfungselement 16 dämpft sowohl
die Bewegung der beschleunigten Elemente, hier die zweite Spule 4,
das Führungselement
S und das Trennelement 15, unmittelbar nach dem Trennen
der Materialbahn 1, als auch die Bewegung der Elemente in
ihre Ausgangslage zurück.
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Der elektromagnetische Antrieb 2 mit
der ersten Spule 3 und der zweiten Spule 4 und
hier auch der Kondensator 8 mit Ladeeinrichtung 9 werden
mit einem elektromagnetischen Schirm 17 umhüllt, so daß weder
elektromagnetische Felder des Antriebs umgebende Geräte der Materialbahnherstellung
beeinflussen, noch elektromagnetische Fremdfelder die erfindungsgemäße Vorrichtung
beeinflussen.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung dargestellt. Ein Energiespeicher 18, der zuvor
mit einer Gleichspannungsquelle oder einer Wechselspannungsquelle 13 mit
Hilfe des Schaltelements 14 verbunden wurde, stellt bei
Betätigung des
Schaltelements 14 elektromagnetische Energie an der ersten
elektrischen Spule 3 bereit. Durch die Wirkung der elektromagnetischen
Felder der ersten Spule 3 wird die zweite Spule 4 in
Bewegung versetzt. Die Kopplung der elektromagnetischen Felder zwischen
den beiden elektrischen Spulen 3, 4 geschieht über einen
Eisenkern 20.
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3 stellt
eine mögliche
mehrphasige Anordnung dar. Hierbei wird der Antrieb 2 mit
den elektrischen Spulen 3, 4 über einen Drehstromanschluß L1, L2,
L3 versorgt. Es ist jedoch auch denkbar, daß jede Phase des Antriebs 2 an
ein und derselben Phase eines Energieversorgungssystems oder auch
jede Phase an einer verschiedenen Energiequelle angeschlossen ist.
Der Drehstromanschluß L1,
L2, L3 ist über
die Schaltelemente 14 mit den elektrischen Spulen 3 verbindbar.
Zwischen den Schaltelementen 14 und den drei elektrischen
Spulen 3 befindet sich ein Transformator 19. Dieser
trennt galvanisch den Antrieb 2 vom Drehstromanschluß L1, L2,
L3 und kann auch je nach gewähltem Übersetzungsverhältnis Spannung
und Strom in einer gewünschten
Höhe bereitstellen.
Der Transformator 19 ist hier dreiphasig ausgeführt, auch
sind statt dessen drei einzelne Transformatoren 19 möglich. Die
damit bereitgestellte Energie wird über den Eisenkern 20 den
ersten elektrischen Spulen 3 an die zweiten elektrischen Spulen 4 übertragen,
die sich durch die abstoßende Wirkung
zwischen den elektrischen Spulen 3, 4 von den
ersten Spulen 3 weg bewegen und so Trennvorgänge einleiten.