WO2014083833A1

WO2014083833A1 - 暖房送風機及び車両

Info

Publication number: WO2014083833A1
Application number: PCT/JP2013/006905
Authority: WO
Inventors: 清志黒田; 光義大場
Original assignee: 株式会社Tbk
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2014-06-05
Also published as: JP6185710B2; JP2014107995A

Abstract

【課題】本発明は、暖房送風機において、風量と熱量とを任意に制御可能とする。【解決手段】磁気発生部（１０）は、交流電源に接続されて磁界を発生する。回転子（２０）は、コイル列部材（２２）とそれに積層された軟磁性金属板（２１）とを有する。回転子（２０）は、磁気発生部（１０）が発生する磁界により回転すると共に加熱される。送風機（４０）は、回転子（２０）に固定され、回転子（２０）と一体的に回転する複数の羽根を含む羽根車を有する。磁気発生部（１０）には、第１の周波数成分と、それよりも高い第２の周波数成分とを重畳させた交流駆動信号が供給される。交流駆動信号における第１の周波数成分の振幅と第２の周波数成分の振幅とを変化させることで、回転子（２０）の回転数と加熱量とをそれぞれ制御できる。

Description

暖房送風機及び車両

　本発明は、暖房送風機に関し、更に詳しくは、誘導加熱で発生した熱を送風する暖房送風機に関する。

　また、本発明は、上記暖房送風機を搭載した車両に関する。

　従来、通常のエンジンを搭載した車両用の暖房装置の熱源には、エンジンからの排熱が一般的に利用されてきた。これに対し、エンジンを持たない電気自動車（ＥＶ）では、エンジン排熱が利用できないため、バッテリ電源をエネルギー源とした熱源が用いられることが多い。電気自動車で利用されている電気式暖房装置には、大きく分けて、ヒートポンプ方式の暖房装置と、セラミックヒータの暖房装置とがある。セラミックヒータには、空気加熱方式を用いるセラミックヒータと、水加熱方式を用いるセラミックヒータとが知られている。

特開平９－１１８１２６号公報特開平１１-１０５５３７号公報特開２０００-０３３９１６号公報特許第４７２７７４６号公報

　従来のヒートポンプ方式やセラミックヒータなどの電気式暖房装置では、以下に述べるような克服すべき欠点がある。第１は、発熱体(熱源）と送風機とが別体であるため、装置構成が複雑なことである。第２は、例えばヒートポンプ方式では熱源の温度上限が比較的低く、その場合、高い暖房能力を実現するには熱源を大型化する必要があることである。第３は、熱源には一般に配線及び配管の双方が付属するため、車両に対する熱源の脱着が容易ではなく、装置のメンテナンスが困難なことである。

　上記の問題点に対し、特願２０１１－１１８９０４において、固定子側から発生した回転磁界により回転子を回転させると共に、回転子を誘導加熱する電気式暖房装置（暖房送風機）が提案されている。回転子には送風用のファンが取り付けられており、誘導加熱された回転子からの熱は送風用のファンにより送風される。この暖房送風機では、発熱体である回転子と送風機とを一体化でき、装置構成が簡易であると共に、小型化も容易である。また、熱源に対する配管などは必要なく、車両に対する脱着も容易である。

　しかしながら、通常、誘導電動機は、単一の周波数成分の駆動電源で駆動される。上記した、回転と加熱とを同時に得るタイプの電気式暖房装置を単一周波数の電源で駆動すると、投入エネルギー（電力）のうち回転に変換されるエネルギーと熱に変換されるエネルギーとを、独立に制御することができない。暖房送風機を車両に搭載することを考えると、風量と熱量とは、それぞれ任意に制御可能であることが好ましい。

　本発明は、上記に鑑み、風量と熱量とを任意に制御可能な暖房送風機を提供することを目的とする。

　また、本発明は、上記暖房送風機を搭載した車両を提供する。

　上記目的を達成するために、本発明は、複数のステータコイルを含み、交流電源に接続されて磁界を発生する磁気発生部と、複数のループ状のコイルが一定間隔に配列されて成るコイル列部材と該コイル列部材に積層された軟磁性金属板とを有し、前記コイル列部材側の面が所定の磁気空隙を隔てて前記ステータコイルと対向するように構成され、前記磁気発生部が発生する磁界により回転すると共に加熱される回転子と、前記軟磁性金属部材に前記コイル鉄部材と反対側に固定され、前記回転子と一体的に回転する複数の羽根を含む羽根車を有する送風機と、第１の周波数成分と、該第１の周波数成分よりも高い第２の周波数成分とを重畳させた交流駆動信号を前記磁気発生部に供給し、前記磁気発生部からの磁界により前記回転子を回転駆動させると共に、前記回転子を加熱させる駆動回路とを備え、前記駆動回路が、前記交流駆動信号における前記第１の周波数成分の振幅と前記第２の周波数成分の振幅とを変化させることで、前記回転子の回転数と加熱量とをそれぞれ制御するものであることを特徴とする暖房送風機を提供する。

　本発明では、前記交流駆動信号は、前記第２の周波数に対応した周期でプラスとマイナスとが交互に切り替わると共に、プラスとマイナスのピーク位置が前記第１の周波数に対応した周期で正弦波状に変化するものとすることができる。

　前記駆動回路は、前記ステータコイルに、プラス側の電流を供給するための第１の電流供給部とマイナス側の電流を供給するための第２の電流供給部とを含んでいてもよく、それら第１及び第２の電流供給部が、前記第２の周波数の半周期に対応した期間ごとに、交互に前記ステータコイルに電流を供給することとしてもよい。

　前記第１及び第２の電流供給部は、前記交流駆動信号の第１の周波数成分の最小値に対応した第１のレベルと最大値に対応した第２のレベルとの間で、前記第１の周波数に対応した周期で前記ステータコイルに供給する電流の大きさを変化させてもよい。

　上記の場合、前記駆動回路は、前記第２のレベルと前記第１のレベルとの間の差を変化させることで、前記回転子の回転数を制御することとしてもよい。また、前記第１のレベルを変化させることで、前記回転子の加熱量を制御してもよい。

　前記第１のレベルに対応したパルス時間幅と前記第２のレベルに対応したパルス時間幅との間でパルス時間幅が変化するＰＷＭ信号（Pulse Width Modulation）を生成するＰＷＭ回路を含む構成を採用してもよく、その場合、前記第１及び第２の電流供給部は、前記ＰＷＭ信号のパルス時間幅に応じた時間だけ前記ステータコイルに電流を供給するようにしてもよい。

　前記駆動回路は、温度センサからの温度測定値と目標温度値との差に基づいて前記第１のレベルを変化させてもよい。また、回転センサが検出した前記回転子の回転数と目標回転数との差に基づいて前記第１のレベルと前記第２のレベルとの差を変化させてもよい。

　前記複数のステータコイルが、第１群のステータコイルと第２群のステータコイルとを含み、前記ディスク上の固定子の円周方向に沿って、前記第１群のステータコイルと第２群のステータコイルとが交互に配置されており、前記駆動回路が、前記第１群のステータコイルと前記第２群のステータコイルとに、位相が９０°異なる交流駆動信号を供給することとしてもよい。

　本発明は、また、上記何れかに記載の暖房送風機を備えたことを特徴とする車両を提供する。

　本発明の車両において、暖房送風機の本体が、車両内の複数の空気流吹出し口ごとに設置されることとしてもよい。その場合、暖房送風機における送風量及び暖房能力が空気流吹出し口ごと調整可能であることが好ましい。

　本発明の暖房送風機は、交流電源に接続されて磁気発生部、複数のループコイルが形成されたコイル列部材とそれに積層される軟磁性金属板とを含む回転子、及び回転子と一体に回転する羽根車を有し、磁気発生部に対して交流駆動信号を供給することにより、回転子が回転させられると共に回転子が誘導加熱される。本発明の暖房送風機では、駆動回路は、第１の周波数成分と、それよりも高い第２の周波数成分とを重畳させた交流駆動信号を、磁気発生部に供給する。交流駆動信号における第１の周波数成分は主に回転子の回転に対応しており、第２の周波数成分は主に回転子の誘導加熱に対応している。交流駆動信号における第１の周波数成分の振幅と第２の周波数成分の振幅とを変化させることで、回転子の回転数と加熱量とをそれぞれ制御することができ、暖房送風機の送風量と送風温度とを任意に制御することができる。

本発明の一実施形態の暖房送風機の回路接続を示すブロック図。暖房送風機本体の側面方向の一部断面図。磁気発生部の構成を示す正面図。回転子の背面図。暖房送風機本体全体の断面図。送風機の正面図。磁気発生部の駆動信号波形を示す波形図。交流電源の電圧（Ｖ）と誘導電動機の回転数（Ｎ）との関係を示すグラフ。駆動回路の構成を示すブロック図。ドライバの回路構成を示す回路図。ＰＷＭ信号を示す波形図。送風能力と送風温度との関係を示すグラフ。暖房送風機を搭載した車両を示すブロック図。

　以下、図面を参照し、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の暖房送風機の回路接続を示す。暖房送風機１００は、暖房送風機本体１０１と、駆動回路１０２とを含む。暖房送風機本体１０１は、誘導電動機と、誘導電動機により回転させられる送風機とを含む。駆動回路１０２は、例えば直流の電源１０３に接続されており、直流電源を交流電源に変換して暖房送風機本体１０１を駆動する。

　図２は、暖房送風機本体１０１の側面方向の一部断面図である。暖房送風機本体１０１は、ステータである磁気発生部１０、ロータ（回転子）２０、及び回転子２０と共に回転する羽根車を含む送風機４０を有する。磁気発生部１０は、複数のステータコイルを含み、交流電源に接続されて磁界を発生する。駆動回路１０２は、複数の相の交流電源（交流駆動信号）、例えば２相交流を磁気発生部１０に供給し、磁気発生部１０は回転磁界を発生する。

　回転子２０は、所定の磁気空隙を隔てて、例えば２～１０ｍｍ程度の空隙を隔てて磁気発生部１０と対向し、磁気発生部１０からの磁界により回転すると共に加熱される。回転子２０は、複数のループ状のコイル（ループコイル）が一定間隔で配列されて成るコイル列部材２２と、それに積層された軟磁性金属板２１とで構成される。回転子２０は、コイル列部材２２側の面が磁気発生部１０のステータコイルと対向するように配置される。磁気発生部１０と回転子２０とにより、誘導電動機が構成される。

　磁気発生部１０が回転磁界を発生すると、磁束の変化に従ってコイル列部材２２のループコイル及び軟磁性金属板２１に渦電流が流れ、その渦電流により回転子２０が回転駆動される。また、主に軟磁性金属板２１に流れる渦電流により、回転子２０が加熱される。送風機４０は、回転子２０と共に回転する例えばシロッコファン３０などの羽根車を含み、加熱された回転子２０からの熱を送風する。

　図３は、磁気発生部１０の構成を示す正面図である。磁気発生部１０は、円周方向（回転子の回転軸を中心とする円の円周方向）に等間隔に並んで配置される例えば８個のステータコイル１１を含むステータコイル列を含む。各ステータコイル１１は、磁心１２を覆うボビン上に巻回されており、各磁心１２は、磁気回路を構成する支持板１３上に支持される。ステータコイル１１は例えば銅線で形成され、磁心１２は例えば外径が１５ｍｍφのフェライトで形成される。支持板１３は例えばパーマロイで形成される。

　ステータコイル列は、各群が直列に接続された４つのステータコイル１１から成る２つのコイル群から構成される。一方のステータコイル群に属するステータコイル１１と、他方のステータコイル群に属するステータコイル１１とが交互に並んで配置される。一方のステータコイル群（第１群）には、第１の交流駆動信号が供給され、他方のステータコイル群（第２群）には、位相が第１の交流駆動信号から例えば９０°進んだ第２の交流駆動信号が供給される。

　図４は、回転子２０の背面図である。回転子２０は、積層された軟磁性金属板２１とコイル列部材２２とを含む。軟磁性金属板２１は、例えば鉄や鉄とアルミニウムの合金などの金属板で形成される。軟磁性金属板２１は、ディスク状に形成されている。その外径は例えば１５０ｍｍで、厚みは約３～５ｍｍである。

　コイル列部材２２は、円周方向に等間隔に配列された複数のループコイル（ワンターンコイル）を有する。各ループコイルは、磁気発生部１０におけるステータコイル１１（図３）に対応して配列されている。例えば図４では、８つのステータコイル１１に対応して８つのループコイルが配列されている。コイル列部材２２は、例えばアルミニウムなどの導電性を有する金属の板で形成される。金属板には複数の開口が形成されており、その金属板の開口に沿った周縁部が、ループコイルを構成する。金属板の外径は例えば１５０ｍｍであ、厚みは２ｍｍである。軟磁性金属板２１及びコイル列部材２２には、回転子２０にシロッコファン３０（図２）を固定するためのボルト孔２３が形成されている。

　コイル列部材２２のループコイルには、磁気発生部１０が発生する回転磁界を受けて渦電流（循環電流）が発生する。その循環電流によりジュール熱が発生すると共に、循環電流を介して回転子２０が回転磁界により回転駆動される。また、軟磁性金属板２１には、ステータコイル１１の回転磁界を受けて内部に渦電流が発生し、その渦電流によって回転子２０の回転力の一部が補助される共に、軟磁性金属板２１が誘導加熱される。この軟磁性金属板２１に発生する熱は、暖房送風機本体１０１の主な熱源となる。

　図５は、暖房送風機本体１０１全体の断面図である。シロッコファン３０は、台座３１と、台座３１に支持されるフレーム３２と、複数の羽根３３が円周方向に配列された羽根車とを含む。シロッコファン３０の台座３１は、ベアリング５０及びベアリング支持柱５１を介して、送風機４０のケーシング本体部分４１に回転可能に支持されている。回転子２０と、シロッコファン３０のフレーム３２とは、ボルト３４によって固定されており、回転子２０とシロッコファン３０とは一体的に回転する。シロッコファン３０の羽根車は例えば外径が１２０ｍｍであり、軸方向長さは５３ｍｍである。羽根３３及びフレーム３２は、例えば厚みが１ｍｍのアルミニウムで形成される、

　図６は、送風機４０の正面図である。送風機４０は、吸気孔４３から空気流５２（図５）を吸い込むケーシング本体部分４１と、そのケーシング本体部分４１から延びて空気流５３を吐出する空気流吐出部４２とを有する。吸気孔４３には多数の羽板４４からなるルーバが形成されている。送風機４０のケーシングには、暖房装置全体の熱効率を高めるために、断熱性が高い樹脂が用いられている。ケーシングは、シロッコファン３０を全体として囲んでこれを保護する保護機能と、空気流を整流する整流機能とを有する。なお、ケーシングは、整流機能を有すれば足り、シロッコファン全体を囲むことや、これを保護する保護機能までは必ずしも必要としない。

　ここで、磁気発生部１０と回転子２０とから成る上記誘導電動機では、磁気発生部１０と回転子２０との間に電気接続配線や機械的な接続が必要なく、磁気発生部１０と回転子２０とを分離独立した別の器具として組み付けることが可能であり、回転子側を磁気発生部から分離して単独で取扱うことが可能である。しかしながら、その場合、磁気発生部１０と回転子２０との間の磁気空隙長が必然的に長くなるため、回転子２０におけるエネルギーの出力が低下してしまうという問題がある。これは、磁気発生部１０の上に回転子２０を乗せる構造からくる制限で、回転子２０が磁気発生部１０から離れるに従って回転子２０に発生する二次側誘導電流が減少するためである。

　上記問題点に対し、磁気発生部を駆動する交流電源の駆動信号周期を、軟磁性金属板２１の内部に生成される渦電流を最大とするものとすることで、磁気発生部１０から回転子２０への有効エネルギー伝送性能を向上させることが、特許文献４に記載されている。具体的には、交流電源の駆動信号周期Ｔｇを、tｄを電源による所定のステップ状電圧印加に対する、軟磁性金属板への磁束浸透拡散波による渦電流が最大となるまでの応答時間として、下記式、
　　　　Ｔｇ＝４ｔｄ
を満たすようにする。このような関係を満たすことで、軟磁性金属板２１に生成された渦電流を持続的で大きな値で保ち続けることができ、磁気発生部１０から回転子２０への有効エネルギー伝送性能を向上させることができる。

　特許文献４には、二次誘導電流の増大を図るために、交流電源の周波数を１００Ｈｚ～１０００Ｈｚの範囲に設定することが記載されている。誘導電動機（モータ）を効率的に回転させることを考えた場合、交流電源の周波数は上記範囲に設定することが好ましい。一方で、回転子２０を誘導加熱することを考えた場合、誘導加熱には通常２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚの高周波が用いられることが多い。１０００Ｈｚ以下の周波数を用いた場合、熱に変換されるエネルギーの量は相対的に大きくないと考えられる。

　暖房送風機において、モータ（送風機）としての性能を重視するのであれば交流電源の周波数は低い方が好ましく、熱源としての性能を重視するのであれば交流電源の周波数は高い方が好ましい。そこで、本実施形態では、駆動回路１０２（図１）は、第１の周波数成分と、それよりも高い第２の周波数成分とを重畳させた交流駆動信号を磁気発生部１０のステータコイル１１（図３）に供給する。第１の周波数は、回転子２０の回転に対応した周波数であり、１００Ｈｚ～１０００Ｈｚの範囲の周波数である。第２の周波数は、回転子２０の誘導加熱に対応した周波数であり、２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚの範囲の周波数である。誘導電動機をこのような交流電源で駆動することにより、モータとしての機能と、熱源としての機能とを両立できる。

　図７に、磁気発生部１０の駆動信号波形を示す。交流駆動信号は、第２の周波数ｆ_２に対応した周期でプラスとマイナスとが交互に切り替わると共に、プラスとマイナスのピーク位置が第１の周波数ｆ_１に対応した周期で正弦波状に変化するものである。第１の周波数ｆ_１の信号の振幅（片振幅）はＢであり、第２の周波数ｆ_２の信号の振幅（片振幅）は最大でＡ＋Ｂ、最小でＡである。第２の周波数ｆ_２の信号の各ピーク位置が第１の周波数ｆ_１に合わせて変化するように、第２の周波数ｆ_２の信号の振幅をＡからＡ＋Ｂまで連続的に変化させることで、第２の周波数成分に、第１の周波数成分の信号を乗せた交流駆動信号が得られる。この交流駆動信号の波形は、第２の周波数ｆ_２の信号を、第１の周波数ｆ_１の信号で振幅変調したものと似ている。

　図８に、交流電源の電圧（Ｖ）と誘導電動機の回転数（Ｎ）との関係を示す。交流電源の電圧（Ｖ）は、図７の駆動信号波形における片振幅Ｂに対応する。通常の誘導電動機では、その回転数は電源の周波数に依存し、図８にグラフＢで示すように、電圧の変化に対して回転数は大きく変化しない。これに対し、本実施形態で用いる誘導電動機は通常の誘導電動機よりもすべりｓが大きく、グラフＡで示すように、印加電圧の大小に依存して回転数Ｎが大きく変化する。

　一方、誘導電動機における回転子の誘導加熱は、第２の周波数ｆ_２の信号の振幅に依存する。従って、駆動回路１０２が、交流電源における第１の周波数成分の振幅と第２の周波数成分の振幅とを変化させることで、回転子２０の回転数と加熱量とをそれぞれ制御することができる。

　図９は、駆動回路１０２の構成を示す。駆動回路１０２は、コントローラ２０１、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路２０２、２０４、及びドライバ２０３、２０５を有する。駆動回路１０２は、位相が互いに９０°ずれた交流駆動信号（２相交流）をステータコイルの第１群及び第２群に供給する。ＰＷＭ回路２０２及びドライバ２０３は一方の層（Ａ相）の交流駆動信号を生成するための回路であり、ＰＷＭ回路２０４及びドライバ２０５は他方の相（Ｂ相）の交流駆動信号を生成するための回路である。

　コントローラ２０１は、ＰＷＭ回路２０２、２０４に対して、パルス時間幅の指示値を出力する。ＰＷＭ回路２０２、２０４は、それぞれ指示されたパルス時間幅のＰＷＭ信号を生成し、ドライバ２０３、２０５へ供給する。ＰＷＭ回路２０２、２０４は、交流のプラス側とマイナス側とに対応した２つのＰＷＭ信号をそれぞれ出力する。ドライバ２０３、２０５は、それぞれ入力したＰＷＭ信号のハルス時間幅に応じて、各群のステータコイル１１に対して駆動電流を供給する。ＰＷＭ信号のパルス時間幅は、ステータコイル１１の駆動電流の大きさに対応する。

　ドライバ２０３、２０５は、それぞれステータコイル１１にプラス側の電流を供給するための第１の電流供給部と、マイナス側の電流を供給するための第２の電流供給部とを有する。第１及び第２の電流供給部は、第２の周波数の半周期に対応した期間ごとに、交互にステータコイル１１に電流を供給する。第１及び第２の電流供給部は、交流駆動信号の第１の周波数成分の最小値に対応した第１のレベル（図７における振幅Ａ）と最大値に対応した第２のレベル（振幅Ａ＋Ｂ）との間で、第１の周波数に対応した周期でステータコイル１１に供給する電流の大きさを変化させる。ＰＷＭ回路２０２、２０４は、それぞれＰＷＭ信号におけるパルス時間幅を、第１のレベルに対応したパルス時間幅と第２のレベルに対応したパルス時間幅との間で変化させる。

　図１０は、ドライバ２０３の回路構成を示す。ドライバ２０３は、トランジスタＴＲ１～４と、逆流防止用のダイオードＤ１～Ｄ４とを有する。なお、ドライバ２０５も同様な回路構成を有する。トランジスタＴＲ１及びＴＲ４は第１の電流供給部に相当する。トランジスタＴＲ２及びＴＲ３は第２の電流供給部に相当する。

　ドライバ２０３の入力端子ＰＷＭ１、ＰＷＭ２には、交流駆動信号のプラス側に対応したＰＷＭ信号１と、マイナス側に対応したＰＷＭ信号２とが入力される。マイナス側に対応したＰＷＭ信号２は、プラス側に対応したＰＷＭ信号１に対して位相が１８０°遅れている。トランジスタＴＲ１及びＴＲ４は、ＰＷＭ信号１に応答してオンし、トランジスタＴＲ２及びＴＲ３は、ＰＷＭ信号２に応答してオンする。出力端子ａ及びｂには、ステータコイル１１が接続される。

　ＰＷＭ信号１がＨレベルを取るとき、トランジスタＴＲ１及びＴＲ４がオンする。このときＰＷＭ信号２はＬレベルを取り、トランジスタＴＲ２及びＴＲ３はオフしたままである。トランジスタＴＲ１及びＴＲ４がオンすることで、電源Ｖ_ＤＣと出力端子ａとが接続されると共に、出力端子ｂとグランドとが接続される。この場合、ステータコイル１１には、出力端子ａ側から出力端子ｂ側に電流が流れる。電流が流れる期間（電流の大きさ）は、ＰＷＭ信号１のパルス時間幅に応じて決まる。つまり、第１の電流供給部に相当するトランジスタＴＲ１及びＴＲ４は、ＰＷＭ信号１のパルス時間幅に応じた時間だけステータコイル１１にプラス側の電流を供給する。

　ＰＷＭ信号２がＨレベルを取るとき、トランジスタＴＲ２及びＴＲ３がオンする。このときＰＷＭ信号１はＬレベルを取り、トランジスタＴＲ１及びＴＲ４はオフしたままである。トランジスタＴＲ２及びＴＲ３がオンすることで、電源Ｖ_ＤＣと出力端子ｂとが接続されると共に、出力端子ａとグランドとが接続される。この場合、ステータコイル１１には、出力端子ｂ側から出力端子ａ側に電流が流れる。電流が流れる期間（電流の大きさ）は、ＰＷＭ信号２のパルス時間幅に応じて決まる。つまり、第１の電流供給部に相当するトランジスタＴＲ２及びＴＲ３は、ＰＷＭ信号２のパルス時間幅に応じた時間だけステータコイル１１にマイナス側の電流を供給する。

　図１１は、ＰＷＭ信号を示す。同図には、第１の周波数ｆ_１の半周期分のＰＷＭ信号を示している。ここでは、第１の周波数ｆ_１＝４００Ｈｚ、第２の周波数ｆ_２＝２０ｋＨｚとする。また、第２の周波数ｆ_２（２０ｋＨｚ）の１周期（５０μｓ）の半分（２５μｓ）を１デューティー期間と定義する。パルス時間幅Ｗは、１デューティー期間に対する比率で表現する。パルス時間幅Ｗ_０は交流駆動信号の第１のレベル（図７における振幅Ａ）に対応しており、パルス時間幅Ｗ_ｎは交流駆動信号の第２のレベル（振幅Ａ＋Ｂ）に対応している。２相交流のＡ相及びＢ相のそれぞれに対して、ＰＷＭ信号１及び２を生成する。ＰＷＭ信号２は、ＰＷＭ信号１に対して位相が１８０°ずれている。Ｂ相におけるＰＷＭ信号１及び２は、Ａ相におけるＰＷＭ信号１及び２に対してそれぞれ位相が９０°遅れている。

　ＰＷＭ信号は、第１の周波数ｆ_１（４００Ｈｚ）の半周期（１．２５ｍｓ）の時間をかけて、パルス時間幅Ｗ_０からパルス時間幅Ｗ_ｎまで変化する。パルス時間幅Ｗ_０は例えばデューティー比７０％（１デューティー期間の７０％）であり、パルス時間幅Ｗ_ｎは例えばデューティー比９０％である。この場合、ｋ番目（ｋ＝０、１、２、・・・）のパルスのデューティー比は、Ｗ_ｋ＝８０＋１０ｓｉｎ（－９０°＋ｋα）［％］で表わすことができる。ここで、α＝１８０°／ｎであり、ｎ＝２ｆ_２／ｆ_１である。交流駆動信号の振幅Ａに対応したデューティー比をＤＵ_Ａ［％］、振幅Ａ＋Ｂに対応したデューティー比をＤＵ_Ａ＋Ｂ［％］と定義すれば、パルス時間幅はＷ_ｋ＝｛（ＤＵ_Ａ＋ＤＵ_Ａ＋Ｂ）／２｝＋｛（ＤＵ_Ａ＋Ｂ－ＤＵ_Ａ）／２｝ｓｉｎ（－９０°＋ｋα）［％］と一般化することができる。

　駆動回路１０２は、交流駆動信号における第２のレベルと第１のレベルとの間の差を変化させることで、回転子２０の回転数を制御する。また、駆動回路１０２は、第１のレベルを変化させることで、回転子２０の加熱量を制御する。例えば回転子２０の回転数を一定に保ったままで回転子２０の加熱量を増減させたいときは、パルス時間幅Ｗ_０とＷ_ｎの差を一定に保ったままで、パルス時間幅を全体的に増減させればよい。具体的には、パルス時間幅Ｗ_０をデューティー比６０％とし、パルス時間幅Ｗ_ｎをデューティー比８０％として、パルス時間幅をデューティー比６０％から８０％の範囲で変化させるようにすることで、回転数（送風能力）はほぼ一定のまま加熱量（送風温度）を低下させることができる。

　上記とは逆に、回転子２０の加熱量を一定に保ったままで回転子２０の回転数を増減させたいときは、パルス時間幅Ｗ_０を一定に保ったままで、パルス時間幅Ｗ_ｎを増減させればよい。具体的には、パルス時間幅Ｗ_０をディーティー比７０％に固定して、パルス時間幅Ｗ_ｎを８５％に変更し、パルス時間幅をデューティー比７０％から８５％の範囲で変化させることで、加熱量（送風温度）はほぼ一定のまま回転数（送風能力）を減少させることができる。

　ここで、回転子２０の回転数に関連する、交流駆動信号における振幅Ｂ（図７）の大きさには上限を設けておくとよい。例えば、パルス時間幅Ｗ_０とパルス時間幅Ｗ_ｎとの差が、デューティー比２０％を上限とするように設定しておく。この場合、回転子２０の回転数は、ディーティー比０％からディーティー比２０％に対応した駆動交流信号の振幅の範囲で制御可能である。

　図１２は、送風能力と送風温度との関係を示すグラフである。本発明者らは、暖房送風機を試作し、第１の周波数成分と第２の周波数成分とを重畳させた交流駆動信号の第１の周波数成分及び第２の周波数成分の振幅をそれぞれ変化させることで、送風能力と送風温度とがどのように変化するかを実験した。実験に用いた暖房送風機におけるステータコイル１１（図３）の磁極対は４（ステータコイル総数は８個）で、ステータコイル１１とコイル列部材２２との磁気空隙は１０ｍｍとした。第１の周波数は４００Ｈｚとし、第２の周波数は２０ｋＨｚとした。

　図１２において、グラフａは、回転子の誘導加熱の消費電力が０．５ｋＷとなるように交流駆動信号の第２の周波数成分を調整し、回転子の回転成分の消費電力が０Ｗから６０Ｗの範囲となるように交流駆動信号の第１の周波数成分を調整したときの回転子２０の回転数と送風機の出口付近での送風温度との関係を示したものである。同様に、グラフｂ、ｃ、ｄ、ｅは、それぞれ誘導加熱の消費電力が１ｋＷ、１．５ｋＷ、２ｋＷ、２．５ｋＷとなるように交流駆動信号の第２の周波数成分を調整し、回転成分の消費電力が０Ｗから６０Ｗの範囲となるように交流駆動信号の第１の周波数成分を調整したときの回転子２０の回転数と送風温度との関係を示したものである。回転成分の消費電力及び誘導加熱の消費電力の大きさは、交流駆動信号における第１の周波数成分及び第２の周波数成分の振幅を変えることで変化させることができる。

　また、図１２において、グラフｆは、回転子の回転成分の消費電力が０Ｗとなるように交流駆動信号の第１の周波数成分を調整し、回転子の回転成分の消費電力が０．５ｋＷから２．５ｋＷの範囲となるように交流駆動信号の第２の周波数成分を調整したときの回転子２０の回転数と送風温度との関係を示したものである。同様に、グラフｇ、ｈ、ｉは、それぞれ回転成分の消費電力が１５Ｗ、３０Ｗ、６０Ｗとなるように交流駆動信号の第１の周波数成分を調整し、誘導加熱の消費電力が０．５ｋＷから２．５ｋＷの範囲となるように交流駆動信号の第２の周波数成分を調整したときの回転子２０の回転数と送風温度との関係を示したものである。

　図１２を参照すると、交流駆動信号における第１の周波数成分の振幅と第２の周波数成分の振幅とを制御することで、所望の回転数（送風量）と送風温度とを得ることができることがわかる。例えば、回転成分の消費電力が１５Ｗで誘導加熱の消費電力が１．０ｋＷで運転を行っているときに、交流駆動信号における第１の周波数成分の振幅を保ったまま第２の周波数成分の振幅を増加させることで、相風量と送風温度との組み合わせを、図１２におけるグラフｂとグラフｇの交点から、グラフｃとグラフｇの交点に変化させることができる。このように、２つの周波数成分が重畳された交流駆動信号における双方の周波数成分の振幅を制御することで、入力エネルギーのうちで、回転に変換されるエネルギーの比率と熱に変換されるエネルギーの比率とを変化させることが可能であることが確かめられた。

　交流駆動信号における第１及び第２の周波数成分の振幅は、フィードバック制御により自動的に調整されてもよい。例えば、暖房送風機本体１０１の送風出口（図６の空気吐出部４２）付近に温度センサを設け、その温度センサの測定結果と温度指令値（目標温度）との偏差を求め、ＰＩＤ（Proportional, Integral, Differential）制御により、主に交流駆動信号における第２の周波数成分の振幅（図７の振幅Ａに対応）を増減する。このような制御を行うことにより、送風温度を一定に保つことが可能になる。また、暖房送風機本体１０１に回転子２０又はシロッコファン３０の回転数を計測するための回転センサを設け、回転センサが検出した回転数と回転数の指令値（目標回転数）との偏差を求め、ＰＩＤ制御により、主に交流駆動信号における第１の周波数成分の振幅（図７の振幅Ｂに対応）を増減する。このような制御を行うことにより、暖房送風機の送風量を一定に保つことが可能になる。温度センサと回転センサとを同時に用いることで、送風温度と送風量とを一定に保つことが可能である。

　本実施形態では、暖房送風機本体１０１は、磁気発生部１０、コイル列部材２２とそれに積層された軟磁性金属板２１とを有する回転子２０、及び回転子２０と一体的に回転する羽根車を有する送風機４０とを備えている。駆動回路１０２は、第１の周波数成分と、それよりも高い第２の周波数成分とを重畳させた交流駆動信号を磁気発生部１０に供給し、磁気発生部１０からの磁界により回転子２０を回転駆動させると共に、回転子２０を誘導加熱させる。駆動回路１０２が、交流駆動信号における第１の周波数成分の振幅を変化させることで、回転子２０の回転数を変化させることができ、暖房送風機の送風量を変化させることができる。また、第２の周波数成分の振幅を変化させることで、回転子２０の発熱量を変化させることができ、暖房送風機の送風量を変化させることができる。

　ここで、従来は、単一周波数の交流駆動信号で暖房送風機本体１０１を駆動していた。単一周波数の交流駆動信号を用いる場合は、入力エネルギーのうちで回転に変換されるエネルギーと熱に変換されるエネルギーの割合はほぼ一定であり、回転数及び発熱量の強弱を一体的に調整することしかできなかった。例えば送風量を増加させるために交流駆動信号の電圧を増加させると、それに伴って回転子の発熱量も増加するため、送風温度を上げずに送風量だけを上げることはできなかった。これに対して、回転成分に対応した第１の周波数成分と、誘導加熱に対応した第２の周波数成分とを含む交流駆動信号を使用しており、双方の周波数成分の振幅をそれぞれ制御することで、送風温度と送風量との組み合わせを任意に制御することができる。

　上記の暖房送風機は、車両の暖房装置として好適に使用できる。例えば車両内の複数の空気流吹出し口ごとに暖房送風機本体１０１を設置する。空気流の吹出し口ごとに暖房送風機本体１０１を配置することで、送風ダクトなどの設置が不要となり、車両内の機器配置効率の向上が期待できる。各暖房送風機本体１０１に対応して駆動回路１０２（図１）を設け、暖房送風機本体１０１における送風量及び暖房能力を、空気流吹出し口ごと調整としてもよい。あるいは、いくつかの暖房送風機本体を座席（座席位置）に対応付けてグループ化し、グループごとに駆動回路１０２を設け、グループ単位で送風量及び暖房能力を調整可能としてもよい。このようにする場合、車内の部分ごとに温度及び送風量を設定することができる。

　図１３は、暖房送風機を搭載した車両を示す。紙面向って左側が車両の前部であるとする。同図には計６つの暖房送風機本体１０１－１～１０１－６が図示されている。暖房送風機本体１０１－１及び１０２－２は、運転席３０１に座る運転者用の暖房送風機本体であり、暖房送風機本体１０１－３及び１０１－４は、助手席３０２に座る同乗者用の暖房送風機本体である。暖房送風機本体１０１－５は、後部座席３０３の進行方向を向いて右側に座る同乗者用の暖房送風機本体であり、暖房送風機本体１０１－６は、後部座席３０３の左側に座る同乗者用の暖房送風機本体である。

　車両３００には、４つの座席位置に対応した４つの駆動回路１０２－１～１０２－４が設置されている。駆動回路１０２－１は運転席３０１に対応しており、運転席に対応した暖房送風機本体１０１－１及び１０１－２を駆動する。駆動回路１０２－２は助手席３０２に対応しており、助手席に対応した暖房送風機本体１０１－３及び１０１－４を駆動する。また、駆動回路１０２－３及び１０２－４は、後部座席３０３に対応しており、後部座席に対応した暖房送風機本体１０１－５及び１０１－６をそれぞれ駆動する。

　運転者は、駆動回路１０２－１に対して所望の温度設定及び風量設定を行うことにより、運転席に対応した暖房送風機本体１０１－１及び１０１－２から送風される空気の温度及び送風量を所望のものに制御することができる。他の座席に座る同乗者も、対応する座席位置の駆動回路１０２に対して所望の温度設定及び風量設定を行うことにより、各座席に対応した暖房送風機本体１０１から送風される空気の温度及び送風量を所望のものに制御することができる。

　暖房送風機本体１０１を搭載する車両としては、自動車、特にアイドリングストップ機能付きの自動車や電気自動車、バス、船、飛行機など、多様なものが考えられる。特に、電気自動車は、エンジンの排熱が使用できないため、上記実施形態の暖房送風機本体１０１を暖房装置として好適に用いることができる。また、上記実施形態の暖房送風機本体１０１は通常の車両に用いられる暖房装置と併用することもでき、例えば運転者などの頭部に送風する部分暖房のために上記実施形態の暖房送風機本体１０１を用いることもできる。

　なお、上記実施形態では、暖房送風機本体１０１から加熱された空気を送風するように駆動することについて説明したが、暖房送風機本体１０１に運転モードとして暖房を伴わない送風モードを設け、暖房送風機本体１０１を単なる送風機として用いることとしてもよい。送風モードに設定されたときは、駆動回路１０２は、第１の周波数成分のみの交流駆動信号を暖房送風機本体１０１に供給すればよい。例えば、ＰＷＭ回路２０２、２０４（図９）が通常のＰＷＭ制御でドライバ２０３、２０５を駆動し、第１の周波数の交流駆動信号をステータコイルに供給すればよい。

　上記実施形態では、送風機としてシロッコファンを採用した例を示した。シロッコファンを採用したことにより、暖房送風機のサイズの縮小が容易になる。しかし、本発明の暖房送風機に使用される送風機は、必ずしもシロッコファンに限定されず、熱源となる回転子に固定でき、これと一体的に回転可能であれば足り、種々の形式の送風機が使用可能である。また、回転磁界を２相交流によって発生させる例を示したが、回転磁界は、３相以上の多相交流によって発生させてもよい。

　以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の暖房送風機及び車両は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

Claims

　複数のステータコイルを含み、交流電源に接続されて磁界を発生する磁気発生部と、
　複数のループ状のコイルが一定間隔に配列されて成るコイル列部材と該コイル列部材に積層された軟磁性金属板とを有し、前記コイル列部材側の面が所定の磁気空隙を隔てて前記ステータコイルと対向するように構成され、前記磁気発生部が発生する磁界により回転すると共に加熱される回転子と、
　前記軟磁性金属部材に前記コイル鉄部材と反対側に固定され、前記回転子と一体的に回転する複数の羽根を含む羽根車を有する送風機と、
　第１の周波数成分と、該第１の周波数成分よりも高い第２の周波数成分とを重畳させた交流駆動信号を前記磁気発生部に供給し、前記磁気発生部からの磁界により前記回転子を回転駆動させると共に、前記回転子を加熱させる駆動回路とを備え、
　前記駆動回路が、前記交流駆動信号における前記第１の周波数成分の振幅と前記第２の周波数成分の振幅とを変化させることで、前記回転子の回転数と加熱量とをそれぞれ制御するものであることを特徴とする暖房送風機。
　前記交流駆動信号が、前記第２の周波数に対応した周期でプラスとマイナスとが交互に切り替わり、かつプラスとマイナスのピーク位置が前記第１の周波数に対応した周期で正弦波状に変化するものであることを特徴とする請求項１に記載の暖房送風機。
　前記駆動回路が、前記ステータコイルに、プラス側の電流を供給するための第１の電流供給部とマイナス側の電流を供給するための第２の電流供給部とを含み、該第１及び第２の電流供給部が、前記第２の周波数の半周期に対応した期間ごとに、交互に前記ステータコイルに電流を供給することを特徴とする請求項２に記載の暖房送風機。
　前記第１及び第２の電流供給部が、前記交流駆動信号の第１の周波数成分の最小値に対応した第１のレベルと最大値に対応した第２のレベルとの間で、前記第１の周波数に対応した周期で前記ステータコイルに供給する電流の大きさを変化させるものであることを特徴とする請求項３に記載の暖房送風機。
　前記駆動回路が、前記第２のレベルと前記第１のレベルとの間の差を変化させることで、前記回転子の回転数を制御するものであることを特徴とする請求項４に記載の暖房送風機。
　前記駆動回路が、前記第１のレベルを変化させることで、前記回転子の加熱量を制御するものであることを特徴とする請求項４又は５に記載の暖房送風機。
　前記第１のレベルに対応したパルス時間幅と前記第２のレベルに対応したパルス時間幅との間でパルス時間幅が変化するＰＷＭ信号（Pulse Width Modulation）を生成するＰＷＭ回路を含み、前記第１及び第２の電流供給部は、前記ＰＷＭ信号のパルス時間幅に応じた時間だけ前記ステータコイルに電流を供給することを特徴とする請求項４から６何れかに記載の暖房送風機。
　前記駆動回路が、温度センサからの温度測定値と目標温度値との差に基づいて前記第１のレベルを変化させるものであることを特徴とする請求項４から７何れかに記載の暖房送風機。
　前記駆動回路が、回転センサが検出した前記回転子の回転数と目標回転数との差に基づいて前記第１のレベルと前記第２のレベルとの差を変化させるものであることを特徴とする請求項４から８何れかに記載の暖房送風機。
　前記複数のステータコイルが、第１群のステータコイルと第２群のステータコイルとを含み、前記ディスク上の固定子の円周方向に沿って、前記第１群のステータコイルと第２群のステータコイルとが交互に配置されており、
　前記駆動回路が、前記第１群のステータコイルと前記第２群のステータコイルとに、位相が９０°異なる交流駆動信号を供給するものであることを特徴とする請求項１から９何れかに記載の暖房送風機。
　請求項１から１０に記載の暖房送風機を備えたことを特徴とする車両。
　前記暖房送風機が、車両内の複数の空気流吹出し口ごとに設置されていることを特徴とする請求項１１に記載の車両。
　前記暖房送風機における送風量及び暖房能力が空気流吹出し口ごと調整可能であることを特徴とする請求項１２に記載の車両。