TWI494514B - 軸向被動式磁浮軸承系統 - Google Patents

Description

軸向被動式磁浮軸承系統

本發明是有關於軸向被動式磁浮軸承系統，特別是有關於可以減少軸向負荷及減少因摩擦而導致之能量損耗的軸承系統。

機構中不同結構之間的相對運動無論是在工業或是一般生活中都是相當普及的，而只要有移動或轉動往往就必須使用軸承(bearing)來穩定並支撐轉軸的動作，例如普遍被使用的滾珠式軸承與滾柱式軸承。軸承之基本機制是在轉子與定子之間提供滾動接觸的支撐，使得轉子與定子二者不會直接接觸，同時透過軸承的滾動/轉動來減少轉子/定子之相對運動所引起之摩擦、振動、噪音與損耗等。

一般來說，軸承之損耗與軸承相對於轉子/定子之轉動與移動有關係，軸承的轉動速率越高，軸承與轉子/定 子之動摩擦損耗也就越大。除此之外，由於轉子/定子會直接接觸到軸承，軸承與轉子/定子之間的靜摩擦係數也會影響到轉軸何時開始被轉子/定子帶動而開始運動。軸承的損耗也與軸承兩側之轉子/定子之間的相對運動方式有關，在軸承兩側的二個結構(轉子/定子)之間的相對運動只有繞著同一個軸心轉動的狀況，軸承設計僅需針對軸向運動之需求，在軸承兩側的二個結構(轉子/定子)之間的相對運動同時有繞著某軸心之轉動與在垂直於此軸心之徑向之移動的狀況，軸承設計需同時針對軸向運動與徑向運動之需求。顯然地，不同軸承設計對軸承之損耗可能不同。

特別是，在直立式機構中，由於軸承兩端之兩個結構(轉子/定子)是一個在另一個的上方，在上方的結構，或甚至位於上方結構之上方的其它元件，會施加重量在軸承上。而在水平式機構中，由於軸承兩端之兩個結構是在同一個水平平面上，並不會有額外的重量施加在軸承上。顯然地，在直立式機構中，軸承的摩擦、損耗、振動與噪音等等會更嚴重。綜上所述，有必要發展新的軸承系統來改善習知在二結構之間提供滾動接觸支撐之軸承系統的缺失，此仍為當前產業亟需發展之重要標的。

鑒於上述之發明背景中，為了符合產業上特別之需求，本發明提供一種使用非接觸式永磁軸承之軸向被動式磁浮軸承系統，其可用以解決上述傳統技藝未能達成之標的。

本發明之一較佳實施例為一種軸向被動式磁浮軸承系統，至少包含相互分離之第一結構與第二結構，以及位於二者之間且機械性地接觸該此二結構之一或多機械性軸承。另外，第三結構與第四結構分別機械性地連接至第一結構與第二結構，且分別再機械性到連接第一磁鐵與第二磁鐵，但此二磁鐵皆與機械性軸承相互分離。在此，在第一結構、機械性軸承與第二結構分別依序排列之軸向上，並且第一磁鐵與第二磁鐵的材料係為永磁材料。

藉由調整這些結構之間的相對位置與連結關係，還有藉由調整二個磁鐵之間的磁場作用(磁場斥力或磁場吸力)，可以減輕機械式軸承(像是滾珠式軸承與滾柱式軸承)所受到的力量，藉以減少機械性軸承的耗損與變形，從 而減少整個系統所需要之維護與延長系統之使用壽命。例如，在直立式機構中，若第一結構位於第二結構的上方，第三結構、第四結構與這二個磁鐵之組合係讓磁場作用與第二結構/機械式軸承所承受之重量相反，從而減輕機械式軸承所受到的力量。

根據本發明上述之目的，本發明據以提供一種軸向被動式磁浮軸承系統，軸向被動式磁浮軸承系統包含一第一結構；一第二結構，該第二結構係與該第一結構相互分離；至少一機械性軸承，位於該第一結構與該第二結構之間，並機械性地接觸該第一結構與該第二結構；一第三結構，該第三結構與該第一結構相互機械性連結，但與該第二結構相互分離；一第四結構，該第四結構與該第一結構、該第二結構與該第三結構皆相互分離；一第一磁鐵，該第一磁鐵機械性地連接到該第三結構之一第一表面；以及一第二磁鐵，該第二磁鐵機械性地連接到該第四結構之一第二表面，該第二表面面對該第一表面，該第二磁鐵與該第一磁鐵相互分離；在此，該第一結構、該機械性軸承與該第二結構係沿一軸向依序排列。

其中上述之第一磁鐵與該第二磁鐵的材料皆係為一永磁材料。該永磁材料係選自下列之一：鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合。該第一磁鐵之磁化方向係垂直於該第一表面，而該第二磁鐵之磁化方向係垂直於該第二表面。該第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相反。該第一結構係位於該第二結構之上方，而該第一磁鐵之磁化強度與該第二磁鐵之磁化強度係使得該第三結構與該第四結構之間的磁斥力量相當於該第一結構所施加在該機械性軸承與該第二結構之重力力量，使得該第一結構施加之重力力量被該些磁鐵間之磁斥力量所抵銷。該第一磁鐵之空間分佈係等於該第二磁鐵之空間分佈。

根據本發明上述之目的，本發明提供另一種軸向被動式磁浮軸承系統，本發明之另一種軸向被動式磁浮軸承系統包含一第一結構；一第二結構，該第二結構係與該第一結構相互分離；至少一機械性軸承，位於該第一結構之一第一表面與該第二結構之一第二表面之間，並機械性地接觸該第一表面與該第二表面，在此該第一表面與該第二表面係彼此相面對；一第一磁鐵，該第一磁 鐵機械性地連接到該第一表面；以及一第二磁鐵，該第二磁鐵機械性地連接到該第二表面，該第一磁鐵皆相互分離；其中上述之第一結構、該機械性軸承與該第二結構係沿一軸向依序排列；其中上述之第一磁鐵與該第二磁鐵的材料皆係為一永磁材料。該永磁材料係選自下列之一：鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合。

其中上述之第一磁鐵之磁化方向係垂直於該第一表面，而該第二磁鐵之磁化方向係垂直於該第二表面。該第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相反。其中上述之該第一結構係位於該第二結構之上方，而該第一磁鐵之磁化強度與該第二磁鐵之磁化強度係使得該第一結構與該第二結構之間的磁斥力量相當於該第一結構所施加在該第二結構之重力力量。其中上述之第一磁鐵之空間分佈係等於該第二磁鐵之空間分佈。其中上述之第一磁鐵之空間分佈係環繞該些機械性軸承在該第一表面之分佈，該第二磁鐵之空間分佈係環繞該些機械性軸承在該第二表面之分佈。

根據本發明上述之目的，本發明提供再一種軸向被動式磁浮軸承系統，本發明之再一種軸向被動式磁浮軸承系統包含一第一結構；一第二結構，該第二結構係與該第一結構相互分離；至少一機械性軸承，位於該第一結構與該第二結構之間，並機械性地接觸該第一結構與該第二結構；一第三結構，該第三結構與該第一結構位於該第二結構之相對兩側，該第三結構與該第二結構相互分離但與該第一結構相互機械性連結；一第一磁鐵，該第一磁鐵機械性地連接到該第二結構之一第一表面，該第一磁鐵與該第一表面位於該第二結構背對該機械性軸承之一側；以及一第二磁鐵，該第二磁鐵機械性地連接到該第三結構之一第二表面，該第二表面面對該第一表面，該第二磁鐵與該第一磁鐵相互分離；在此，該第一結構、該機械性軸承、該第二結構與該第三結構係沿一軸向依序排列；在此，該第一磁鐵與該第二磁鐵的材料皆係為一永磁材料。

此外，其中上述之永磁材料係選自下列之一：鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合。其中上述之第一磁鐵之磁化方向係垂直於該第一表面，而該第二磁鐵之磁化方向係垂直於該第二表面。其中上 述之第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相同。其中上述之第一結構係位於該第二結構之上方，而該第一磁鐵之磁化強度與該第二磁鐵之磁化強度係使得該第二結構與該第三結構之間的磁吸力量相當於該第一結構所施加在該機械性軸承與該第二結構之重力力量，使得該第一結構施加之重力力量被該些磁鐵間之磁斥力量所抵銷。其中上述之第一磁鐵之空間分佈係等於該第二磁鐵之空間分佈。

根據本發明上述之目的，本發明提供又一種軸向被動式磁浮軸承系統，本發明之又一種軸向被動式磁浮軸承系統包含一第一結構；一第二結構，該第二結構係與該第一結構相互分離；至少一機械性軸承，位於該第一結構與該第二結構之間，並機械性地接觸該第一結構與該第二結構；一第三結構，機械性地連接至該第一結構且與該第二結構相互分離；一第四結構，其與該第一結構以及該第三結構皆相互分離；一第一磁鐵，該第一磁鐵機械性地連接到該第三結構，並與該機械性軸承相互分離；以及一第二磁鐵，該第二磁鐵機械性地連接到該第四結構且面對該第一磁鐵，並與該機械性軸承及該第一磁鐵皆相互分離；在此，該第一結構、該機械性軸承與 該第二結構係沿一軸向依序排列；在此，該第一磁鐵之磁化方向與該第二磁鐵之磁化方向至少有一者在該軸向上有不為零的分量，並且該第一磁鐵與該第二磁鐵的材料係為一永磁材料。

其中上述之永磁材料係選自下列之一：鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合。該第一磁鐵之空間分佈係等於該第二磁鐵之空間分佈。當該第三結構與該第四結構在該軸向之排列順序與該第一結構與該第二結構在該軸向之排列順序相同時，該第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相反。當該第三結構與該第四結構在該軸向之排列順序與該第一結構與該第二結構在該軸向之排列順序相反時，該第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相同。

本發明在此所探討的方向為軸向被動式磁浮軸承系統，為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出 詳盡的結構及其元件與方法步驟。顯然地，本發明的施行並未限定於軸向被動式磁浮軸承系統之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的結構及其元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。此外，為提供更清楚之描述及使熟悉該項技藝者能理解本發明之發明內容，圖示內各部分並沒有依照其相對之尺寸而繪圖，某些尺寸與其它相關尺度之比例會被突顯而顯得誇張，且不相關之細節部分亦未完全繪出，以求圖示之簡潔。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其它的實施例中，且本發明範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。

參考第一圖所示，在一先前技術之機械式軸承系統中，沿著軸向上機械式軸承10係位於相互分離之第一結構11與第二結構12之間，並機械性地接觸到此二結構11/12。當第一結構11與第二結構12相對運動時(例如滑動或轉動)，機械性軸承10可以轉動或滑動以提供此二結構11/12之間的滾動接觸支撐，進而減少摩擦、振動、噪音與損耗等等。顯然地，第一結構11與第二結構12二者與機械式軸承10的接觸力量越大，此二結構11/12與機械性軸承10的摩擦與損耗也隨之越大； 而第一結構11與第二結構12二者與機械式軸承10的接觸力量越小，此二結構11/12與機械性軸承10越可能因為未緊密接觸而出現振動與噪音等等。因此，如第一圖所示，此二結構11/12與機械性軸承10之間通常都有一較佳接觸力量Fo，其係在最大化滾動接觸支撐與最小化摩擦/損耗/振動/噪音等缺點之間達到一個較佳平衡。這個較佳接觸力量Fo係取決於此機械式軸承系統本身結構及此機械式軸承系統之運作狀況，例如機械性軸承10之材料與尺寸、此二結構11/12與機械性軸承10之間動/靜摩擦係數、此二結構11/12之相對旋轉速率等等。

然而，在不同的機構中，即便是相同的機械式軸承系統，由於機械式軸承系統與機構中其它部份之組合方式不同，此二結構11/12與機械性軸承10之間的實際接觸力量往往有不同變化。舉例來說，在一直立式風力發電機中，若機械性軸承系統係用來連接轉動風扇、轉動軸、發電機轉子與固定基座時，此二結構11/12之空間配置係沿垂直軸向排列。此時，至少轉動風扇與轉動軸之重力力量(重量)會直接施加在第一結構11，從而增加此二結構11/12與機械性軸承10之間的實際接觸力量。亦即，如第二A圖所示，當機械式軸承系統應用 在實際的機構，此二結構11/12與機械性軸承10之間的實際接觸力量往往是較佳接觸力量Fo與外部力量Fe(例如重力力量)的總和。

顯然地，外部力量Fe的存在會影響機械性軸承系統之運作，例如增加機械性軸承所承受之摩擦力而加速其損毀與變形，或是增加此二結構11/12相對運動時的能量損耗。一般的改善方式包括增加對機械性軸承10之潤滑次數、使用較好之潤滑油、使用耐磨損材料來製造機械式軸承10，讓此二結構11/12與機械性軸承10接觸之表面更光滑更少摩擦等等。然而，這些改善方式也伴隨著軸承系統硬體成本增加、維修成本增加、維修次數增加而降低整個機構之產能(throughput)等等的缺點。

然而，本發明係從另一個角度來改善外部力量Fe所帶來的缺失。由於外部力量Fe是實際機構中難以避免地，因此斧底抽薪的解決之道是讓這個外部力量Fe不會影響到此二結構11/12與機械性軸承10之間的實際接觸力量，或是，至少減少外部力量Fe對實際接觸力量的影響。如第二B圖所示，一額外力量Fa被施加到此軸承系統且Fa之方向與Fe相反。此時，實際接觸力量與Fo的差別將不再是Fe而是Fe扣掉Fa(Fe-Fa)， 亦即，藉由適當地配置產生Fa之裝置，整個軸承系統之運作狀況可以接近或甚至達到最佳的狀況(實際接觸力量等於Fo)。提供額外力量Fa之修正裝置係機械性地連接到第一結構11與第二結構12，如此一方面不需要變動到此二結構11/12與機械性軸承10，另一方面又可以簡單有效地施加額外力量Fa到此二結構11/12與機械性軸承10。

本發明係利用由永磁材料所形成之多數磁鐵相互之間的磁場作用(磁場斥力或磁場吸力)來提供額外力量Fa。永磁材料相當穩定，可以長時期地持續地產生穩定磁場；並且，近年來商業化永磁材料已經陸續被應用到不同的機構。因此，使用永磁材料磁鐵之修正裝置13，可以長時期地讓實際接觸力量逼近或甚至等於Fo，減少對維修次數所降低之機構的產能，並直接應用到商業化產品中。

進一步地，機械式軸承10係沿著第一結構11與第二結構12之相互面對之表面進行轉動或滑動，外部力量Fe產生之主要影響會在第一結構11、機械式軸承10與第二結構12依序排列的軸向上。因此，本發明主要係著重在軸向上。特別是，由於整個軸承系統係固定在 整個機構之內，外部力量Fe往往是固定的或是在一定的範圍內變動，例如先前例子中直立式風車中的轉動風扇與轉動軸之重力力量(重量)。因此，本發明係著重在固定位置與固定磁化強度之永磁材料磁鐵的利用，亦即是被動式永磁材料磁鐵組合的利用。

本發明之一實施例為一種軸向被動式磁浮軸承系統，如第三A圖所示，至少包含第一結構31、第二結構32、一或多個機械性軸承33、第三結構34、第四結構35、第一磁鐵36與第二磁鐵37。在此，第一結構31、第二結構32與這些機械性軸承33之組合係如同習知之機械性軸承系統，在此不需限制亦不多詳述。在此，第三結構34、第四結構35、第一磁鐵36與第二磁鐵37之組合對應到上述之提供額外力量Fa的修正裝置。第三結構34與第一結構31相互機械性連結但與第二結構32相互分離，並且第一磁鐵36機械性地連接到第三結構34之第一表面345，藉此第一磁鐵36所感受到的磁場作用將推動/轉對第三結構34並進而帶動帶動第一結構31。第四結構35與第一結構31、第二結構32與第三結構33皆相互分離，第二磁鐵37機械性地連接到第四結構35之第二表面355，並且第二磁鐵37與第一磁鐵36係相互分離而第二表面355係面度到 第一表面345，藉此第二磁鐵37可以與第一磁鐵36相互作用產生磁場作用。

當然，第一磁鐵36與第二磁鐵37的材料皆為永磁材料，例如鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合，或是任何的商業化永磁材料或還在發展中的永磁材料。本發明只利用永磁材料之高剩餘磁感應強度、高矯頑力、與大磁能積的優點，來有效地提供所需的磁場斥力。當然，由於要使用永磁材料來製造磁鐵並將磁鐵安置到機械性軸承附近的結構上，具有低熱膨脹係數、高工作溫度上限以及易於機械加工性質之永磁材料會更合適。本發明之一些未圖示與特別討論之其它實施例係使用釹鐵硼永磁材料，但不同實施例仍可以使用其它不同之永磁材料，或不同永磁材料之組合或是經過加工處理過之永磁材料(如作過穩定化處理或是表面有保護層)。

由於第一磁鐵36與第二磁鐵37之間的磁場作用係使得第三結構34與第四結構35被相互推開，進而透過第三結構34與第一結構31的機械性連接，在第一結構31上施加與外部力量Fe相反方向之額外力量Fa。因此，第一磁鐵36與第二磁鐵37各自之磁化強度係使得 在外部力量Fe與額外力量Fa相抵之後，機械性軸承33可以在第一結構31與第二結構32之間滾動並且不會變型，特別是可以在明顯地減少摩擦與損耗等等缺失。舉例來說，在直立式機構中，第一結構係31位於第二結構32之上方，而第一磁鐵31之磁化強度與第二磁鐵32之磁化強度係使得第三結構34與第四結構35之間的磁斥力量相當於第一結構31所施加在機械性軸承33與第二結構32之重力力量，使得第一結構31施加之重力力量被此二磁鐵36/37之間的磁斥力量所抵銷。

當然，為了有效地推動第一結構31，第四結構35往往是連接到一個固定的支撐點，以免磁場作用同時推動第三結構34與第四結構35二者，反而未能充份地提供所需的額外力量Fa。例如，第四結構35可以是固定在此機構之外殼上；例如，在直立式風力發電機，第四結構可以直接固定到地面上。

第一結構31與第二結構32之細節並不需要限制，只要是能對應到軸承系統之轉子及/或定子即可。因此，第一結構31與第二結構32個別可以只是一個平板，此平版之一面與機械性軸承32相接觸而另一面則 與整個機構中其它的元件等相連結；第一結構31與第二結構32個別也可以是整個機構中的一部份元件的組合，只要其整體可以如同一個轉子或一個定子般即可。舉例來說，在直立式風力發電機中，第一結構31可以是轉動風扇、轉動軸與發電機轉子的組合，而第二結構32可以是固定基座。也因此，前面所述之第一結構31所施加在機械性軸承33與第二結構32之重力力量，只需要是來自第一結構31之方向的重力力量即可，而不須限制是來自第一結構31本身的重力力量，或是來自位於第一結構31上方的其它元件的重力力量。

如前所述，本實施例之重點係在於依序串接第一結構31、機械性軸承33與第二結構33的軸向上，並且外部力量Fe(如重力)的方向基本上都是增加第一結構31與第二結構32二者與機械性軸承33之間的摩擦力量。因此，第一磁鐵36之磁化方向在軸向之分量與第二磁鐵37之磁化方向在軸向之分量係方向相反，藉以提供將第三結構34與第四結構35相互推開之磁場作用，進而將第一結構31與第二結構32分開而減輕或甚至抵銷外部力量Fe的影響。若只考慮軸向的變化，第一磁鐵36之磁化方向係垂直於第一表面345，而第二磁鐵之磁化方向係垂直於第二表面355。並且，第一磁 鐵36之空間分佈等於第二磁鐵37之空間分佈，以將兩個磁鐵36/37之間的磁場作用，充份地施加在軸向上。無論如何，在本實施例之不同變化方式，第一磁鐵36與第二磁鐵37之空間分佈方式與磁化方向可以有不同的變化，只要能提供將第三結構34與第四結構35相推開的磁場作用即可。

第三結構34與第四結構35二者與第一磁鐵36與第二磁鐵37二者之間機械性連接的細節可以有許多的變化。舉例來說，可以是將永磁材料磁鐵固定在套筒中，也可以是把永磁材料磁鐵直接鑲嵌在金屬平板中，諸多可能變化在此不多舉例。

第三結構34與第四結構35二者之細節可以有許多的變化。本發明的重點是在於第一磁鐵36與第二磁鐵37之間的磁場作用，因此需要適當地調整各個磁鐵36/37之磁化方向、磁化強度以及相對位置等等會影響到各個磁鐵36/37之間磁場分佈的因素。第三結構34與第四結構35只要是可以放置第一磁鐵36與第二磁鐵37的結構即可，至於第三結構34與第四結構35各自之位置、尺寸、形狀等等，有許多可能的變化，在此不多舉例。

其中上述之第三結構34與第一結構31之間機械性連接的細節可以有許多的變化，只要能將第一磁鐵36與第二磁鐵37之間磁場作用所產生的力量適當地傳達至第一結構31即可。舉例來說，第三A圖中第三結構34與第一結構31可以是同一個結構的不同部分，分成第三結構34與第一結構31只是為了較容易描述。換言之，如第三B圖之斜線部份38所示，第三結構34與部份之第一結構31可以是一體成型的金屬外殼。當然，第三結構34也可以與第一結構31相分離，二者之間透過連桿或其它方式連接。許多可能的變化，在此不多舉例。

本發明之另一實施例亦為一種軸向被動式磁浮軸承系統，如第四圖所示，至少包含第一結構41、第二結構42、一或多個機械性軸承43、第三結構44、第一磁鐵45與第二磁鐵46。在此，第一結構41、第二結構42與這些機械性軸承43之組合係如同習知之機械性軸承系統，不需限制亦不多詳述。在此，第三結構44、第一磁鐵45與第二磁鐵46之組合對應到上述之提供額外力量Fa的修正裝置。第三結構44與第一結構41位於第二結構42之相對兩側，第三結構44與第二結構42相 互分離但與第一結構41相互機械性連結。第一磁鐵45機械性地連接到第二結構42之第一表面425，此第一表面425位於第二結構42背對機械性軸承43之一側。第二磁鐵46機械性地連接到第三結構之第二表面，此第二表面445面對第一表面425，並且第二磁鐵46與第一磁鐵45相互分離。在此，第一磁鐵45與第二磁鐵46的材料皆為永磁材料，例如鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合，或是任何商業化永磁材料或還在發展中的永磁材料。

比較第四圖與第三A/B圖，可以發現本實施例與先前實施例之不同，在於永磁材料磁鐵之分佈方式，以及永磁材料磁鐵之間磁場作用如何傳遞到第一結構41、第二結構42與這些機械性軸承43的組合。在此實施例中，第一磁鐵45位於第二結構42背對機械性軸承43的一側，而且第二磁鐵46也是接近第二結構42背對機械性軸承43的一側但遠離第一結構41面對機械性軸承43的一側。由於第三結構44係機械性地連結到第一結構41，若第一磁鐵45與第二磁鐵46之作用係將位於第三結構44之第二磁鐵46推離第一磁鐵45(亦即推離第二結構42)，第三結構44將帶動第一結構41接近第二結構42，將造成額外力量Fa與外部力量Fe方向相 同，而使得摩擦與損耗等缺失越發嚴重。因此，在本實施例中，第一磁鐵45與第二磁鐵46之磁化方向與磁化強度，係將第二磁鐵46推近第一磁鐵45。

在此實施例，第二結構42同時支撐機械式軸承42與第一磁鐵45，亦即第二結構42同時對應到先前實施例之第二結構32與第四結構34。另外，由於第二磁鐵46要面對到第二結構42之背對機械性結構43的一側，但先前實施例之第二磁鐵47係直接面對到第四結構35，因此第三結構44與第二磁鐵46連結部份之配置，係與先前實施例中第三結構45與第二磁鐵47連結部份之配置，必須有所不同。

除此之外，上述第四圖所示之實施例的許多特徵與變化皆與第三A/B圖所示之實施例相同，在此不再重覆敘述。

參考第五圖所示，本發明之再一實施例仍為一種軸向被動式磁浮軸承系統，軸向被動式磁浮軸承系統至少包含第一結構51、第二結構52、至少一機械性軸承53、第一磁鐵54與第二磁鐵55。在此，第一結構51、第二結構52與這些機械性軸承53之組合係如同習知之 機械性軸承系統，不需限制亦不多詳述。第一磁鐵54機械性地連接到第一結構51面對機械性軸承53之第一表面515，並與機械性軸承53相互分離。第二磁鐵55機械性地連接到第二結構52面對機械性軸承54之第二表面525，並與機械性軸承53及第一磁鐵54皆相互分離。在此，第一磁鐵54與第二磁鐵55的材料皆為永磁材料，例如鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合，或是任何商業化永磁材料或還在發展中的永磁材料。

比較第五圖、第四圖與第三A/B圖，可以發現本實施例與先前實施例之不同，在於永磁材料磁鐵之分佈方式，以及永磁材料磁鐵之間磁場作用如何傳遞到第一結構51、第二結構52與這些機械性軸承53的組合。在此實施例中，用來產生所需磁場作用之永磁材料磁鐵係分別位於第一結構51與第二結構52。換言之，本實施例不需要使用任何的結構來傳遞磁場作用所產生之額外力量Fa；或是說，傳遞額外力量Fa之結構被整合至第一結構51與第二結構52。此時，為減少或甚至抵銷外部力量Fe，第一磁鐵54與第二磁鐵55之磁場作用係為相互排斥，以產生方向與外部力量相反之額外力量Fa。

一般來說，為了減少永磁材料磁鐵之損耗與破裂等等重大缺陷，上述之第一磁鐵54與第二磁鐵55皆不會碰觸到機械式軸承53，例如皆是圍繞著機械式軸承53。無論如何，本實施例並未限制第一磁鐵54及或第二磁鐵55之分佈，是否會與機械式軸承53之分佈發生重疊。

除此之外，第五圖所示之實施例的許多特徵與變化皆與第三A/B圖和第四圖所示之實施例相同，在此不再重覆敘述。

本發明之再一實施例仍為一種軸向被動式磁浮軸承系統，其至少包含第一結構、第二結構、至少一機械性軸承、第三結構、第四結構、第一磁鐵與第二磁鐵。在此，這四個結構相互之之關係，可以是上述實施例討論中所提到之任何一種變化。在此，第一磁鐵與第二磁鐵的材料皆為永磁材料，例如鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合，或是任何商業化永磁材料或還在發展中的永磁材料。

本實施例之一大特徵是根據第三結構與第四結構在軸向之排列順序與第一結構與第二結構二者在此軸向之排列順序是相同或相反，來決定在此軸向上第一磁鐵與第二磁鐵各自之磁化方向分量是相反或相同。藉由比較第三A/B圖、第四圖與第五圖，以及比較上述關於永磁材料磁鐵之磁化方向的討論，可以發現兩個磁鐵之間是需要磁場斥力或磁場吸力，係與第三結構與第四結構在軸向之排列順序有關。當此二者之排列順序與第一結構與第二結構在軸向之排列順序相同時，需要的是磁場斥力；而當此二者之排列順序與第一結構與第二結構在軸向之排列順序相反時，需要的是磁場吸力。進一步地，若在與軸向垂直之徑向平面上，第一磁鐵之分佈與第二磁鐵之分佈完全相同，此二磁鐵之磁化方向皆不能垂直於此軸向，以確保在軸向上有不無零之磁場作用。但若在與軸向垂直之徑向平面上，第一磁鐵之分佈與第二磁鐵之分佈有所差異，只需要有某一磁鐵之磁化方向不垂直於此軸向即可。

除此之外，此實施例的許多特徵與變化皆與前述各個實施例相同，在此不再重覆敘述。

必需強調地是，上述各個實施例對於第一磁鐵與第二磁鐵之磁化方向的限制，都是假定外部力量Fe之作用係將第一結構推向第二結構，以及第三結構與第一結構之機械性連接係使得此二者在軸向之位移是同方向的。因此，若有假定條件發生變化，上述各個實施例對於第一磁鐵與第二磁鐵之磁化方向的限制，亦需隨之改變。

在此，隨著材料科技的進步，許多新的永磁材料陸續被應用在不同的商業產品上，例如鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁材料等等。因此，軸向被動式磁浮軸承系統所使用之各個磁鐵都可以用商業化永磁材料所形成，並符合長使用壽命、高磁通量、穩定性佳與均勻磁場等等需求。

本發明之其它較佳實施例皆亦為軸向被動式磁浮軸承系統。基本特徵都是使用不同磁鐵之間的磁場作用力來減輕位於第一結構與第二結構之間的機械式軸承所受到之力量，進而減少摩擦、損耗、振動與噪音等等。在不同實施例中，第三/第四結構與第一/第二結構之相對位置與機械性連接方式不同，第一/第二磁鐵與第三/第 四結構之相對位置與機械性連接方式不同。藉此，可以彈性地改變軸向被動式磁浮軸承系統，並應用到不同之機構設計。

顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需在其附加的權利請求項之範圍內加以理解，除上述詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其它的實施例中施行。上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。

10‧‧‧軸承

11‧‧‧第一結構

12‧‧‧第二結構

31/41/51‧‧‧第一結構

32/42/52‧‧‧第二結構

33/43/53‧‧‧機械性軸承

34/44‧‧‧第三結構

35‧‧‧第四結構

36/45/54‧‧‧第一磁鐵

37/46/55/67‧‧‧第二磁鐵

38‧‧‧斜線部份

第一圖為一機械式軸承系統的橫截面示意圖；第二A圖與第二B圖為習知技術缺點與本發明改善方式之示意圖；第三A圖為本發明一實施例的橫截面示意圖；第三B圖為本發明一實施例的橫截面示意圖；第四圖為本發明一實施例的橫截面示意圖；與第五圖為本發明一實施例的橫截面示意圖。

31‧‧‧第一結構

32‧‧‧第二結構

33‧‧‧機械性軸承

34‧‧‧第三結構

35‧‧‧第四結構

36‧‧‧第一磁鐵

37‧‧‧第二磁鐵

Claims (24)

1. 一種軸向被動式磁浮軸承系統，包含：一第一結構；一第二結構，該第二結構係與該第一結構相互分離；至少一機械性軸承，位於該第一結構與該第二結構之間，並機械性地接觸該第一結構與該第二結構；一第三結構，該第三結構與該第一結構相互機械性連結，但與該第二結構相互分離；一第四結構，該第四結構與該第一結構、該第二結構與該第三結構皆相互分離；一第一磁鐵，該第一磁鐵機械性地連接到該第三結構之一第一表面；以及一第二磁鐵，該第二磁鐵機械性地連接到該第四結構之一第二表面，該第二表面面對該第一表面，該第二磁鐵與該第一磁鐵相互分離；在此，該第一結構、該機械性軸承與該第二結構係沿一軸向依序排列；在此，該第一磁鐵與該第二磁鐵的材料皆係為一永磁材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，該永磁材料係選自下列之一：鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，該第一磁鐵之磁化方向係垂直於該第一表面，而該第二磁鐵之磁化方向係垂直於該第二表面。
4. 如申請專利範圍第1項述之系統，該第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相反。
5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，該第一結構係位於該第二結構之上方，而該第一磁鐵之磁化強度與該第二磁鐵之磁化強度係使得該第三結構與該第四結構之間的磁斥力量相當於該第一結構所施加在該機械性軸承與該第二結構之重力力量，使得該第一結構施加之重力力量被該些磁鐵間之磁斥力量所抵銷。
6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，該第一磁鐵之空間分佈係等於該第二磁鐵之空間分佈。
7. 一種軸向被動式磁浮軸承系統，包含：一第一結構；一第二結構，該第二結構係與該第一結構相互分離；至少一機械性軸承，位於該第一結構之一第一表面與該第二結構之一第二表面之間，並機械性地接觸該第一表面與該第二表面，在此該第一表面與該第二表面係彼此相面對；一第一磁鐵，該第一磁鐵機械性地連接到該第一表面；以及一第二磁鐵，該第二磁鐵機械性地連接到該第二表面，該第一磁鐵皆相互分離；在此，該第一結構、該機械性軸承與該第二結構係沿一軸向依序排列；在此，該第一磁鐵與該第二磁鐵的材料皆係為一永磁材料。
8. 如申請專利範圍第7項所述之系統，該永磁材料係選自下列之一：鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合。
9. 如申請專利範圍第7項所述之系統，該第一磁鐵之磁化方向係垂直於該第一表面，而該第二磁鐵之磁化方向係垂直於該第二表面。
10. 如申請專利範圍第7項所述之系統，該第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相反。
11. 如申請專利範圍第7項所述之系統，該第一結構係位於該第二結構之上方，而該第一磁鐵之磁化強度與該第二磁鐵之磁化強度係使得該第一結構與該第二結構之間的磁斥力量相當於該第一結構所施加在該第二結構之重力力量。
12. 如申請專利範圍第7項所述之系統，該第一磁鐵之空間分佈係等於該第二磁鐵之空間分佈。
13. 如申請專利範圍第7項所述之系統，該第一磁鐵之空間分佈係環繞該些機械性軸承在該第一表面之分佈，該第二磁鐵之空間分佈係環繞該些機械性軸承在該第二表面之分佈。
14. 一種軸向被動式磁浮軸承系統，包含：一第一結構；一第二結構，該第二結構係與該第一結構相互分離；至少一機械性軸承，位於該第一結構與該第二結構之間，並機械性地接觸該第一結構與該第二結構；一第三結構，該第三結構與該第一結構位於該第二結構之相對兩側，該第三結構與該第二結構相互分離但與該第一結構相互機械性連結；一第一磁鐵，該第一磁鐵機械性地連接到該第二結構之一第一表面，該第一磁鐵與該第一表面位於該第二結構背對該機械性軸承之一側；以及一第二磁鐵，該第二磁鐵機械性地連接到該第三結構之一第二表面，該第二表面面對該第一表面，該第二磁鐵與該第一磁鐵相互分離；在此，該第一結構、該機械性軸承、該第二結構與該第三結構係沿一軸向依序排列；在此，該第一磁鐵與該第二磁鐵的材料皆係為一永磁材料。
15. 如申請專利範圍第14項所述之系統，該永磁材料係選自下列之一：鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合。
16. 如申請專利範圍第14項所述之系統，該第一磁鐵之磁化方向係垂直於該第一表面，而該第二磁鐵之磁化方向係垂直於該第二表面。
17. 申請專利範圍第14項所述之系統，該第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相同。
18. 如申請專利範圍第14項所述之系統，該第一結構係位於該第二結構之上方，而該第一磁鐵之磁化強度與該第二磁鐵之磁化強度係使得該第二結構與該第三結構之間的磁吸力量相當於該第一結構所施加在該機械性軸承與該第二結構之重力力量，使得該第一結構施加之重力力量被該些磁鐵間之磁斥力量所抵銷。
19. 如申請專利範圍第14項所述之系統，該第一磁鐵之空間分佈係等於該第二磁鐵之空間分佈。
20. 一種軸向被動式磁浮軸承系統，包含：一第一結構；一第二結構，該第二結構係與該第一結構相互分離；至少一機械性軸承，位於該第一結構與該第二結構之間，並機械性地接觸該第一結構與該第二結構；一第三結構，機械性地連接至該第一結構且與該第二結構相互分離；一第四結構，其與該第一結構以及該第三結構皆相互分離；一第一磁鐵，該第一磁鐵機械性地連接到該第三結構，並與該機械性軸承相互分離；以及一第二磁鐵，該第二磁鐵機械性地連接到該第四結構且面對該第一磁鐵，並與該機械性軸承及該第一磁鐵皆相互分離；在此，該第一結構、該機械性軸承與該第二結構係沿一軸向依序排列；在此，該第一磁鐵之磁化方向與該第二磁鐵之磁化方向至少有一者在該軸向上有不為零的分量，並且該第一磁鐵與該第二磁鐵的材料係為一永磁材料。
21. 如申請專利範圍第20項所述之系統，該永磁材料係選自下列之一：鐵氧體、鋁鎳鈷合金、釤鈷合金和釹鐵硼永磁材料及其組合。
22. 如申請專利範圍第20項所述之系統，該第一磁鐵之空間分佈係等於該第二磁鐵之空間分佈。
23. 如申請專利範圍第20項所述之系統，當該第三結構與該第四結構在該軸向之排列順序與該第一結構與該第二結構在該軸向之排列順序相同時，該第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相反。
24. 如申請專利範圍第20項所述之系統，當該第三結構與該第四結構在該軸向之排列順序與該第一結構與該第二結構在該軸向之排列順序相反時，該第一磁鐵之磁化方向在該軸向之分量與該第二磁鐵之磁化方向在該軸向之分量係方向相同。