CN101531134B - 车轮驱动装置和具备该车轮驱动装置的电动车辆 - Google Patents

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Abstract

不受电动机的个体差异、使用环境的影响，能够从低速区域至高速区域高效地驱动电动机并能获得良好的车辆特性。两轮电动车(1)包括车轮驱动装置(10)。车轮驱动装置(10)包括驱动车轮(2)的车轮驱动用电动机(100)、改变车轮驱动用电动机(100)的间隙长度gap的间隙变更装置(200)、和控制车轮驱动用电动机(100)和间隙变更装置(200)的电动机控制单元(300)。电动机控制单元(300)根据加速器开度信号、转速n、q轴电流指令值Iq＊、电源电压Vb、和电压利用率Vrate，运算间隙变更装置(200)的间隙变更用电动机220的目标间隙长度gap＊。然后，根据该目标间隙长度gap＊和实际间隙长度gap的差值，对间隙变更装置(200)进行反馈控制。

Description

车轮驱动装置和具备该车轮驱动装置的电动车辆
技术领域
本发明涉及一种车轮驱动装置和电动车辆，更具体地说，涉及一种由电动机驱动车轮的车轮驱动装置和电动车辆。
背景技术
一直以来，电动小型摩托车等电动车辆根据加速器操作量控制电动机的旋转并驱动车轮。对电动机进行旋转控制时，通过使用从高转矩低转速至低转矩高转速的广泛的运行区域，能够高效地驱动电动机。
作为实现此种功能的电动机，已知例如日本特开2005-168190号公报提出的可变气隙式永磁体电动机。该可变气隙式永磁体电动机包括配备有永磁体的圆盘形的转子、与转子相对配置并具有电枢绕组的定子、和使定子在电动机壳体内滑动的液压机构。而且，通过控制液压机构来调整转子和定子之间的间隙长度。
在日本特开2005-168190号公报中提出这样一种构成方案，将电动机转速与目标间隙长度的关系预先存储在参照映射(map)等中，在电动机驱动时，以能够获得与实际的电动机转速相应的目标间隙长度的方式使液压机构工作。另外还提出这样一种构成方案，对应于电动机的轴转矩推定值预先在参照映射等中设定电动机转速与目标间隙长度的关系，在电动机驱动时，根据轴转矩推定值和电动机转速求得目标间隙长度，以能够获得该目标间隙长度的方式使液压机构工作。
电动机的输出特性随着电动机的个体差异(例如，气隙的机械尺寸公差、永磁体的磁通密度公差)、电动机使用环境(例如磁体温度、电源电压)而改变。因而，若像日本特开2005-168190号公报所提出的电动机那样根据电动机转速设定目标间隙长度，则在实际的电动机输出特性与原本的特性(设计上的特性)不相符时，不能获得合适的间隙长度。
下文将介绍电动机的输出特性(转速和转矩的关系)。
如图26所示，电动机的最大转矩具有随着转速(每单位时间的旋转量)增大而线性减少的特性。另外，为了保护变换器(inverter)等电动机驱动电路，流过电动机的电流被设定了上限电流值。由于电动机的转矩大致与通电电流成比例，所以其最大值受上限电流值限制。例如，如果变换器的电路元件(FET)的上限电流值为100A，则电流以该上限电流值流动时的转矩为最大转矩。因而，实际上能够驱动控制电动机的范围为图27阴影线所示的范围。
在改变电动机的间隙长度时，电动机的输出特性(转速-转矩特性)变化。图28是分3个阶段切换间隙长度时的示例。在图28中，实线表示间隙长度短(间隙长度G1)时的特性1，虚线表示间隙长度长(间隙长度G3)时的特性3，单点划线表示间隙长度中等(间隙长度G2：G1＜G2＜G3)时的特性2。在特性1的情况下，虽然能够获得高转矩，但是不能高速旋转。在特性3的情况下，虽然能够高速旋转，但是不能获得高转矩。特性2的情况为两者的中间特性。因而，通过使间隙长度变化，能够以图29中实线所示的特性驱动控制电动机。例如如果使间隙长度象G1→G2→G3那样切换，则能够以特性1→特性2→特性3那样的方式改变输出特性。通过将这种间隙长度可变的电动机应用于电动车辆的车轮驱动用电动机，能够获得可在从高转矩低转速至低转矩高转速的范围内驱动的车辆特性。
为了高效地驱动电动机，希望使间隙长度的切换时间为能够最大限度地发挥电动机所具有的能力的点，即在输出特性线上切换。下文将使用图30说明切换间隙长度的时间。该示例是使间隙长度分3个阶段(G1、G2、G3：G1＜G2＜G3)变化的示例。在电动机起动时，由于转矩比转速优先，因此，设定短的间隙长度G1。此时，电动机的状态(转矩、转速)在电流限制线L1上沿箭头所示的方向推移。该电流限制线L1表示在将间隙长度设定为G1的情况下流过上限电流值时所能获得的转矩。另外，电流限制线L2表示在将间隙长度设定为G2的情况下流过上限电流值时所能获得的转矩。电流限制线L3表示在将间隙长度设定为G3的情况下流过上限电流值时所能获得的转矩。
如果在电动机的转速增大并达到电流限制线L1和特性1线(转速n1)的交点时将间隙长度从G1切换到G2，则能在最大限度发挥电动机性能的状态下切换输出特性。此时，输出转矩降低至由电流限制线L2限制的转矩，维持该转矩，转速增大。同样，一旦电动机的状态(转矩，转速)达到电流限制线L2和特性2线(转速n2)的交点，则将间隙长度从G2切换到G3，由此，通过在输出特性线上切换间隙长度，能够最大限度地发挥电动机的能力。
在像日本特开2005-168190号公报那样根据电动机的转速切换间隙长度时，如果电动机的输出特性和本来的特性(设计上的特性)一致，则在检测到转速n1、n2的点切换间隙长度不成问题。然而，如果实际的电动机输出特性与本来的特性不符，则切换时间会出现偏差而不能充分地发挥电动机的能力，行驶感觉恶化。
例如相对于图30的输出特性，电动机的转矩偏低时，如图31所示，如果在检测到转速n1、n2的点切换间隙长度，则相对于转速的增大，会提前切换间隙长度。此时在虚线包围的区域内，不能发挥电动机具有的能力。也就是说，尽管处于继续维持最大转矩就能够增大转速的状态，但却切换间隙长度，从而不能获得有效利用电动机的能力的转矩。
相反，在电动机的转矩相对于本来的输出特性偏高时，如图32所示，如果在检测到转速n1、n2的点切换间隙长度，则切换时间延迟。此时，如虚线包围的区域所示，在切换间隙长度之前，转矩大幅度下降。因该转矩下降，行驶感觉恶化。例如车辆的发动途中，加速感短时间减少。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供这样一种车轮驱动装置和电动车辆，其不受电动机的个体差异、使用环境的影响，能够从低速区域至高速区域高效地驱动电动机并能获得良好的车辆特性。
根据本发明的一种情形，提供一种车轮驱动装置，它是一种驱动电动车辆的车轮的车轮驱动装置。该装置包括：驱动车轮的电动机；改变电动机的气隙的长度也就是间隙长度的间隙变更装置；获取与电动车辆中的加速器操作量相关的加速器信息的加速器信息获取单元；至少根据由加速器信息获取单元所获取的加速器信息，运算控制电压指令值的电压运算单元；根据控制电压指令值的最大值和由电压运算装置算出的控制电压指令值，运算电压利用率的电压利用率运算单元；间隙控制单元，为了调整间隙长度，根据由电压利用率运算单元算出的电压利用率控制间隙变更装置。
在电动机中，设置了在磁路中成为磁阻的气隙，即在磁通流经的路径的途中设置了磁阻空间。通过改变间隙长度，使磁阻改变，电动机的输出特性改变。在本发明中，间隙控制单元根据电压利用率控制间隙变更装置，改变间隙长度，改变电动机的输出特性。
此处，如图33所示，电压利用率变为100％的点位于输出特性线上(最大转矩线上)。电动机的控制状态从输出特性线越向下方偏离，电压利用率越低，电动机能够输出的转矩中产生富余。此种情况下，电压利用率，在图33的输出特性图中，可以表示为将表示电动机的控制状态的点的转矩除以此时的转速下能够输出的最大转矩(特性线上的转矩)所得的值。例如电动机的控制状态到达图33中的点A的位置时，电压利用率变为40％。
在由电动机驱动电动车辆的车轮时，随着电动机高速旋转，必须使其变化为低转矩高转速特性(例如图28的特性3)。此时，如果处于电动机能够输出的转矩中存在富余的状态，也就是图33的点A所示那样的从特性线向下方偏离的状态，即使不立刻切换为低转矩高转速特性，也能确保现状下的转矩并能进一步提高转速。一旦提高转速，电动机的控制状态从点A向右移动，最终到达电压利用率为100％的点。
从而，如果根据电压利用率控制间隙长度，则能够在适合的时间切换输出特性。此时理想的是，最好在电压利用率变为100％的点改变间隙长度。然而实际上，考虑到间隙变更装置、系统的响应延迟，例如只要在电压利用率90％～95％程度的点切换间隙长度就可以。
在本发明中，根据电压利用率，调整电动机的间隙长度并改变输出特性，因此，不受电动机的个体差异、使用环境的影响，能够始终在适合的时间改变输出特性。从而，能够充分发挥电动机的保有能力，同时，在车辆的起动加速时，能够遏制行驶感觉的低下。因而，能够在从低速区域至高速区域内高效地驱动电动机并能获得良好的车辆特性。
上述间隙控制单元最好在电压利用率超过第1阈值时，控制间隙变更装置，使得间隙长度增大，在电压利用率小于比第1阈值小的第2阈值时，控制间隙变更装置，使得间隙长度减小。
也就是如果电动机的控制电压指令值增大，电压利用率超过第1阈值，则间隙控制单元使间隙长度增大。由此，电动机的输出特性变化，能够获得高转速。另一方面，如果电动机的控制电压指令值减少，电压利用率小于第2阈值，则间隙控制单元使间隙长度减小。由此，电动机的输出特性变化，能够获得高转矩。能够这样简单地控制电动机的输出特性。而且，当电压利用率位于第1阈值和第2阈值之间时，由于不改变间隙长度，因此，能够防止控制动荡那样的不良情况，车辆能够稳定地行驶。
最好还具有获取与电动机的角加速度相关的角加速度信息的角加速度信息获取单元、和阈值设定单元。随着由角加速度信息获取单元所获取的角加速度信息增大，阈值设定单元将第1阈值和第2阈值中至少一方减小。
在使电动车辆加速时，增大电动机的控制电压指令值，使电动机的转速更大。此时，如果针对该电动机控制，间隙变更装置的响应延迟，则担心不能快速地增大电动机的转速，也就是担心由间隙长度的变更使电动机特性从高转矩低转速特性变化到低转矩高转速特性的速度不能追随电动机转速的增大。另一方面，在使电动车辆减速时，减少电动机的控制电压指令值，使电动机的转速减小。在此情况下，不希望出现间隙变更装置的响应延迟。
在此情况下，如果随着电动机的角加速度增大而使第1阈值减少，则在电动车辆加速时，能够提前增大间隙长度。从而，能够快速地增大电动机的转速，能够遏制间隙变更装置的响应延迟。另一方面，如果随着电动机的角加速度增大而使第2阈值减少，也就是随着角加速度减少而增大第2阈值，则在电动机减速时，能够提前减少间隙长度。从而，能够快速减少电动机的转速，能够遏制间隙变更装置的响应延迟。而且，电动机的角加速度是电动机的旋转加速度，由时间对电动机角速度或转速进行微分，能够求得电动机的角加速度。在电动机加速时变为正值，在电动机减速时变为负值。
间隙控制单元最好在加速器信息超过规定值时，根据电压利用率，控制间隙变更装置，在加速器信息为规定值以下时，不根据电压利用率控制间隙变更装置。例如在释放加速器而使电动车辆减速时，伴随此，电动机的控制电压指令值减少，电动机的电压利用率下降。在此情况下，与所必需的转矩相比，电动机能够输出的转矩出现富余。然而如果根据电压利用率，调整间隙长度，则间隙长度变短，铁损增大。于是，在加速器信息不超过规定值时，通过不根据电压利用率控制间隙变更装置，能够遏制由铁损带来的影响。
最好还包括获取与电动机的转速相关的转速信息的转速信息获取单元。间隙控制单元在加速器信息超过规定值时，实施根据电压利用率而控制间隙变更装置的第1控制模式，在加速器信息为规定值以下时，实施根据由转速信息获取单元所获取的转速信息而控制间隙变更装置的第2控制模式。间隙控制装置最好在第2控制模式下，控制间隙变更装置，使得随着转速信息增大，间隙长度增大。此时，电动机的感应电压不会超过直流电源的电压值，能够在电动机高速旋转时进行控制。
电压运算单元最好包括根据加速器信息运算电动机的d-q轴坐标系中的q轴电流指令值的电流指令值运算单元。间隙控制单元在第2控制模式中，控制间隙变更装置，使得随着q轴电流指令值减少，间隙长度增大。在加速器操作量减少，加速器信息减少时，也就是q轴电流指令值减少时，由于无需将电动机的输出特性向高转矩低转速侧改变，因此，以减少电动机的铁损的方式调整间隙长度较好。于是，通过增大间隙长度，使横穿过电动机的线圈的磁通减少，能够减少铁损。
另外，电动车辆最好还包括向电动机供给电力的直流电源，该车轮驱动装置还包括获取与直流电源的电压相关的电压信息的电压信息获取单元。间隙控制单元在第2控制模式中，控制间隙变更装置，使得随着电压信息的减少，增大上述间隙长度。此时，电动机的感应电压不超过直流电源的电压，能够维持电动机的控制。
最好还包括检测电动机的旋转的停止的电动机停止检测单元。由电动机停止检测单元检测到电动机的旋转的停止时，间隙控制单元不管电压利用率地以使间隙长度变为最小值的方式控制间隙变更装置，从而在电动车辆下次起动时，能够获得高转矩，加速性良好。
电动车辆最好还包括主开关，在主开关被断开时，间隙控制单元不管电压利用率地以使间隙长度变为最大值的方式控制间隙变更装置，从而在由人力推动电动车辆时，能够减少由电动机旋转而产生的齿槽转矩。
最好还包括检测间隙长度的间隙长度检测单元。根据基于电压利用率所算出的目标间隙长度和由间隙长度检测单元所检测到的间隙长度的差值，间隙控制单元对间隙变更装置进行反馈控制。此时，将实际的间隙长度反馈给根据电压利用率所算出的目标间隙长度，运算间隙变更装置的控制量，根据其运算结果，控制间隙变更装置。从而，间隙变更装置的响应性良好，能够进一步地使车轮驱动用的电动机的输出特性合适。
电动机最好是包括具有转轴的转子和定子的轴向气隙型电动机，所述定子相对于转子在转轴的延伸方向上空出间隔地相对配置。间隙变更装置改变转子和上述定子之间的间隙长度。从而，通过改变转轴的轴向上的转子和定子的相对位置关系，能够轻易地改变间隙长度。
最好电动机是轴向气隙型电动机，该轴向气隙型电动机包括具有转轴的转子和相对于转子在转轴的延伸方向上空出间隔地相对配置的定子，而且，所述定子具有第一定子和第二定子，第一定子和第二定子在转轴的延伸方向上互相空出间隔地相对配置并以能改变在转子的旋转方向上的相对位置的方式设置。而且，间隙变更装置通过改变第一定子和第二定子的旋转方向上的相对位置，改变第一定子和第二定子之间的间隙长度，此时，即使在转轴的轴向上不设置相对移动用的空间，也能轻易地变更间隙长度。
上述车轮驱动装置能够适用在电动车辆上。
而且，加速器信息是与加速器操作量相关的信息，其值随着加速器操作量的增减而增减。
角加速度信息是与电动机的角加速度相关的信息，其值随着角加速度的增减而增减。
转速信息是与电动机的转速相关的信息，其值随着转速的增减而增减。而且，电动机的转速是由rpm表示的每单位时间的旋转量。
电压信息是与直流电源的电压相关的信息，其值随着该电压的增减而增减。
通过参照附图进行的以下对本发明的实施方式的详细介绍，本发明的上述目的和其他目的、特征、情形和优点将更加清楚。
附图说明
图1是示意性显示本发明的第1实施方式的两轮电动车的图。
图2是示意性显示第1实施方式的车轮驱动用电动机和间隙变更装置的剖面图(间隙长度最小状态)。
图3是示意性显示第1实施方式的车轮驱动用电动机和间隙变更装置的剖面图(间隙长度最大状态)。
图4是显示第1实施方式的车轮驱动用电动机的定子的平面图。
图5是显示第1实施方式的车轮驱动用电动机的转子的平面图。
图6是显示第1实施方式的电动机控制单元等的系统结构图。
图7是表示第1实施方式的上限电流值设定用的参照映射(map)的曲线图。
图8是用于说明第1实施方式的最大控制电压指令值的说明图。
图9是显示第1实施方式的车轮驱动主控制程序的流程图。
图10是显示第1实施方式的间隙变更用电动机初始化程序的流程图。
图11是显示第1实施方式的电压利用率计算程序的流程图。
图12是显示第1实施方式的间隙长度控制程序的流程图。
图13是显示第1实施方式的阈值设定用的参照映射的曲线图。
图14是显示第1实施方式的目标间隙长度设定用的参照映射的曲线图。
图15是显示第1实施方式的目标间隙长度设定用的参照映射的特性的变化的曲线图。
图16是显示第1实施方式的目标间隙长度设定用的参照映射的特性的变化的曲线图。
图17是显示根据第1实施方式的目标间隙长度设定用的参照映射调整间隙长度的动作说明图。
图18是显示根据第1实施方式的目标间隙长度设定用的参照映射调整间隙长度的动作说明图。
图19是显示本发明的第2实施方式的电动机控制单元等的系统结构图。
图20是显示第2实施方式的间隙变更用电动机初始化程序的流程图。
图21是显示第2实施方式的间隙长度控制程序的流程图。
图22是示意性显示变形例的车轮驱动用电动机和间隙变更装置的剖面图。
图23是表示变形例的第一齿和第二齿的位置关系的展开模式图(相对状态)。
图24是表示变形例的第一齿和第二齿的位置关系的展开模式图(不相对状态)。
图25是示意性显示变形例的第一齿和第二齿的位置关系的平面图，图25(a)显示相对状态，图25(b)显示不相对状态。
图26是电动机的输出特性图。
图27是包含电动机的上限电流值的输出特性图。
图28是与间隙长度相应的电动机的输出特性图。
图29是通过随着间隙长度的变更所获得的电动机的输出特性图。
图30是用于说明改变间隙长度时的输出特性的说明图(正常时)。
图31是用于说明改变间隙长度时的输出特性的说明图(转矩偏低时)。
图32是用于说明改变间隙长度时的输出特性的说明图(转矩偏高时)。
图33是用于说明电压利用率和输出特性的关系的说明图。
具体实施方式
下文将参照附图介绍本发明的优选实施方式。
参照图1，本发明的第1实施方式的两轮电动车1包括车轮2、直流电源3、加速器4、主开关5和车轮驱动装置10。直流电源3由例如蓄电池组成，供给用于驱动两轮电动车1的电力。主开关5是指示两轮电动车1整体控制系统的起动和停止的开关。
车轮驱动装置10包括给予车轮2旋转转矩并对车轮2进行旋转驱动的车轮驱动用电动机100、改变车轮驱动用电动机100的气隙长度也就是间隙长度gap的间隙变更装置200、控制车轮驱动用电动机100和间隙变更装置200的电动机控制单元300。
图2和3是示意性显示车轮驱动用电动机100和间隙变更装置200的剖面图。
车轮驱动用电动机100是三相永磁体式轴向气隙型电动机。车轮驱动用电动机100包括定子110和转子120。定子110相对于转子120在转子120的转轴123的延长方向(轴向)上空出规定的间距而相对配置。
定子110包括由例如电磁钢板组成的中空圆板状的定子磁轭111、立设在定子磁轭111上的多个(在本实施方式中18个)齿112、和缠绕在所述齿112上的线圈113。用于一个个地嵌入所述齿112的多个(在本实施例方式18个)装配孔111a分别沿周向等间距地形成在定子磁轭111的主面上，齿112的一端嵌入到装配孔111a内，各个齿112和定子磁轭111磁性相连。
在将各个齿112固定在定子磁轭111上同时线圈113缠绕在各个齿112上的状态下，将定子110进行树脂模制并形成环状。也就是定子110由环状树脂本体114形成为一体。
各个齿112例如由多个电磁钢板叠置而成。各个齿112的与转子120的相对面不由树脂覆盖，而与转轴123正交且形成为平面状。
参照图4，将多个金属制轴环(collar)117分别埋入到环状树脂本体114的中央开口部115和外周部116内。通过将固定螺钉插入到轴环117和形成在定子磁轭111上的插入孔(图中未示)内，使定子110固定在成为车身一部分的圆筒状固定台6上。
参照图5，转子120包括例如铁制的转子磁轭121和固定在转子磁轭121上的磁体122。转子磁轭121包括形成为中空圆板状而且固定有磁体122的外板部121a、以从外板部121a的内周端缩径的方式延伸的锥形部121b、从锥形部121b的内周端与外板部121a平行且向内侧延伸的中空圆板状的内板部121c、和从内板部121c的内周端沿轴向延伸的圆筒部121d。
电动机转轴123插入圆筒部121d内。在圆筒部121d的内周面上沿轴向形成有内花键(图中未示)，在电动机转轴123的外周面上沿轴向形成有外花键(图中未示)。内花键和外花键以能够沿轴向相互滑动的方式配合。因而，电动机转轴123相对于圆筒部121d不能相对旋转，却能沿轴向相对移动。电动机转轴123的一端(图2中的上端部)通过图中未示的减速机与车轮2的车轴相连。
如图5所示，磁体122例如是以N极和S极沿周向交替配置的方式使环板状的粘结磁体带磁的1个部件。磁体122以与定子110的齿112相对的方式固定在转子磁轭121的外板部121a上。在该实施方式中，磁体122由在与齿112的相对面中相邻的2个区域(分别带磁为N极和S极的2个区域)成为1对极的6对极组成。而且，也可以替代1个环状的磁体122，将一个个带磁的大致矩形或大致扇形的磁体片以S极和N极交替的方式固定在外板部121a上。
返回图2，间隙变更装置200包括进给丝杠机构210、间隙变更用电动机220、和间隙长度检测器230。进给丝杠机构210包含被设置为围绕转子120的圆筒部121d且外周面上形成有外螺纹211a的螺纹圆筒体211、和内周面上形成有与螺纹圆筒体211的外螺纹211a啮合的内螺纹212a的圆筒状的螺母212。齿轮213设置在螺纹圆筒体211的外周面的一端上。
轴承214位于螺纹圆筒体211的内周面和电动机转轴123之间。螺纹圆筒体211和电动机转轴123保持同轴关系地相互自由旋转。而且，轴承215设置在螺母212的内周面和转子120的圆筒部121d的外周面之间。转子120的圆筒部121d相对于螺母212保持同轴关系，以自由旋转的方式被保持。
旋转防止槽212b在螺母212的外周面上沿轴向形成恰好规定距离。形成在固定台6上的突起部6a以可滑动的方式插入旋转防止槽212b。因而，螺母212相对于固定台6仅能沿轴向移动，却不能转动。而且，旋转防止槽212b的两端作为对螺母212的轴向移动位置进行限制的机械性限动器(stopper)发挥作用。
间隙变更用电动机220固定在图中未示的车身的一部分上，齿轮222固定在其输出轴221上。齿轮222与螺纹圆筒体211的齿轮213啮合。因此，如果向间隙变更用电动机220通电且输出轴221旋转，则螺纹圆筒体211伴随其一起旋转。此时，由于螺母212设置得相对于固定台6不能转动，螺纹圆筒体211的旋转运动转换为螺母212的轴向运动。因而，由螺母212以可旋转的方式支撑的转子120沿轴向移动。因而，通过间隙变更用电动机220的控制，能够对定子110和转子120之间的气隙(相互平行相对的齿112和磁体122之间的空间)的长度即间隙长度gap进行调整。图2表示间隙长度gap变为最小的状态，图3表示螺母212相对于固定台6升高且间隙长度gap变为最大的状态。
在车轮驱动用电动机100中，由转子磁轭121、磁体122、齿112、和定子磁轭111形成磁路，上述气隙设置在所述磁路中。由于所述气隙成为设在所述磁路中的磁阻，因此，通过改变间隙长度gap，能够调节气隙中流过的磁通量，车轮驱动用电动机100的输出特性(转速-转矩特性)变化。也就是如图28的例子所示的那样，间隙长度gap越短，则出现高转矩和低转速特性(特性1)，间隙长度gap越长，则出现低转矩和高转速特性(特性3)，因而，通过控制间隙长度gap，能够使用从高转矩低转速至低转矩高转速的广大运行区域。
间隙长度检测器230是为了检测间隙长度gap而对转子120的轴向(电动机转轴123的轴向)位置进行检测的部件，包括检测螺纹圆筒体211的转速的编码器231和检测螺母212的原点位置的原点位置传感器232。编码器231包括在螺纹圆筒体211上形成有齿轮213的环状台阶部上以圆周状等间距配置的多个磁体231a、和设置在与磁体231a相对位置上的磁传感器231b。磁传感器231b包括2个霍尔IC(霍尔集成电路)。所述霍尔IC相互在周向上空出规定间距地设置在固定于车身的一部分上的基板233上，当螺纹圆筒体211旋转时，输出相互偏离90°相位的脉冲信号。因而，通过检测所述脉冲信号，不仅能够检测螺纹圆筒体211的旋转角度，也能检测旋转方向。而且，原点位置传感器232包括设置在螺母212端部上的1个磁体232a和设置在基板233上的磁传感器232b。当螺母212移动至间隙长度变为最小的位置时，磁传感器232b接近磁体232a并输出原点检测信号。作为磁传感器232b，使用1个霍尔IC。
而且，如图6所示，在车轮驱动用电动机100上也设置有输出与其旋转对应的脉冲信号的编码器130。编码器130包括多个(在该实施例中3个)霍尔IC。在设置在定子110上的多个(在该实施例中18个)齿112中连续4个齿112的3处间隙(相邻齿之间)内分别设置1个霍尔IC。由转子120的旋转，磁体122的N极和S极横切经过霍尔IC时，霍尔IC的输出电平颠倒。也就是每当车轮驱动用电动机100中U相、V相、W相各自的电角度前进180°时，3个霍尔IC分别将输出信号电平在低电平和高电平之间切换，在车轮驱动用电动机100的旋转中输出脉冲信号。由编码器130输出的脉冲信号，能够检测车轮驱动用电动机100的电角度、转速和旋转角度等。另外，通过由时间对车轮驱动用电动机100的转速(单位时间的旋转量)进行微分，也能检测旋转加速度(角加速度)。
下文将使用图6介绍对车轮驱动用电动机100和间隙变更用电动机220进行控制的控制系统。
车轮驱动用电动机100和间隙变更用电动机220由电动机控制单元300控制。电动机控制单元300包括电子控制部310、变换器回路350、H桥回路360、监视直流电源3的电源电压Vb的电压监视回路370。电子控制部310以具有CPU、ROM和RAM等的微机作为主要部分。变换器回路350是根据来自电子控制部310的指令而将电力供给到车轮驱动用电动机100的电动机驱动回路。H桥回路360是根据来自电子控制部310的指令而将电力供给到间隙变更用电动机220的电动机驱动回路。而且在图6中显示根据不同功能将电子控制部310分类的功能框图，但是，其处理由后述的微机的控制程序的执行而实现。
主开关5、加速器操作量传感器301、编码器130、分别测量车轮驱动用电动机100的三相(U相、V相、W相)流过的电流的电流传感器302、间隙变更装置200的间隙长度检测器230、电压监视回路370通过图中未示的输入接口连接在电子控制部310上。
加速器操作量传感器301将与由驾驶员对加速器4的操作量相应的加速器开度信号作为加速器信息输出到电子控制部310。在本实施方式中，加速器操作量传感器301包括随着加速器操作而电阻值变化的可变电阻器，将可变电阻器的两端电压作为加速器开度信号输出。
电子控制部310包括电流指令值运算部311。电流指令值运算部311根据来自加速器操作量传感器301的加速器开度信号，计算加速器开度AO。加速器开度AO表示实际的加速器操作量与加速器操作量的最大值的比率，也就是由加速器操作量传感器301获得的加速器开度信号与加速器操作量的最大值的比率。
于是，根据加速器开度AO和来自转速运算部312的车轮驱动用电动机100的转速n，电流指令值运算部311运算用于驱动车轮驱动用电动机100的电流指令值(目标电流值)。转速运算部312根据来自编码器130的脉冲信号，运算车轮驱动用电动机100的转速n。
电子控制部310，针对车轮驱动用电动机100，最终将彼此偏差电角度120°的相位的正弦波通向各相(U相、V相、W相)。而且，电子控制部310以二相d-q轴坐标系进行通电控制。也就是使用由沿着磁体122的磁场方向的d轴和与d轴垂直的q轴组成的d-q轴坐标系，对作为产生转矩成分的q轴电流以及作为减轻感应电压成分的d轴电流进行反馈控制。
电流指令值运算部311运算d-q轴坐标系中的电流指令值。将加速器开度AO与上限电流值Iqmax相乘，算出q轴电流指令值Iq＊(AO×Iqmax÷100)。将加速器开度AO、车轮驱动用电动机100的转速n和q轴电流指令值Iq＊中至少一个作为参数信息，通过计算，算出d轴电流指令值Id＊。
例如将加速器开度AO与上限电流值Idmax相乘，算出d轴电流指令值Id＊(AO×Idmax÷100)。而且也可以将车轮驱动用电动机100的转速n作为参数信息，通过实验等预先求得与转速n对应的最佳的Id＊，并作为映射数据(map data)存储在ROM内，基于该映射数据，根据车轮驱动用电动机100的转速n，求得d轴电流指令值Id＊。此外，也可以通过实验等预先求得与q轴电流指令值Iq＊的参数信息对应的最佳的Id＊，并作为映射数据存储在ROM内，基于该映射数据，根据q轴电流指令值Iq＊，求得d轴电流指令值Id＊。另外，也可以通过实验等预先求得与加速器开度AO和q轴电流指令值Iq＊的参数信息对应的最佳的Id＊，并作为三元映射数据存储在ROM内，基于该三元映射数据，并根据加速器开度AO和q轴电流指令值Iq＊，求得d轴电流指令值Id＊。而且，也可以不管上述加速器开度AO、车轮驱动用电动机100的转速n、q轴电流指令值Iq＊的信息，将d轴电流指令值Id＊始终设定为0(Id＊＝0)。
使用图7所示的参照映射，根据车轮驱动用电动机100的转速n，设定上限电流值Iqmax。如该参照映射所示，当车轮驱动用电动机100的转速n为规定转速n1以下时，上限电流值Iqmax被设定为恒定的值，但是，一旦车轮驱动用电动机100的转速n超过规定转速n1，则随着转速n的增大，上限电流值Iqmax减少。因而，基于由加速器操作量传感器301获得的加速器开度AO、由转速运算部312获得的车轮驱动用电动机100的转速n，电流指令值运算部311运算q轴电流指令值Iq＊。
而且，也可以代替图7所示的参照映射的特性，不仅在车轮驱动用电动机100的转速n为规定转速n1以下时，而且在超过规定转速n1时，将上限电流值Iqmax设定为恒定的值。
而且，例如以满足下述公式(1)的方式求得上限电流值Iqmax。
I max > Iq max 2 + Id max 2 . . . ( 1 )
Imax是指变换器回路350内的开关元件的预先设定的最大允许电流。
电流指令值运算部311分别将q轴电流指令值Iq＊输出到q轴差值运算部313，将d轴电流指令值Id＊输出到d轴差值运算部314。q轴差值运算部313计算流向车轮驱动用电动机100的d-q坐标系中的q轴实际电流值Iq和q轴电流指令值Iq＊的差值(Iq＊-Iq)，并输出到q轴比例积分运算部315。另外，d轴差值运算部314计算流向车轮驱动用电动机100的d-q坐标系中的d轴实际电流值Id和d轴电流指令值Id＊的差值(Id＊-Id)，并输出到d轴比例积分运算部316。
此时，由三相/二相坐标转换部317将由电流传感器302检测到的三相实际电流值(Iu、Iv、Iw)转换为d-q坐标系，并算出q轴实际电流值Iq和d轴实际电流值Id。而且，为了将三相坐标系转换为d-q坐标系，三相/二相坐标转换部317使用由电角度运算部318算出的电角度θ作为电角度信息。根据从用于检测车轮驱动用电动机100的旋转的编码器130输出的脉冲信号，电角度运算部318计算车轮驱动用电动机100的电角度θ。
q轴比例积分运算部315根据差值(Iq＊-Iq)进行比例积分运算，算出使q轴实际电流值Iq追踪q轴电流指令值Iq＊的控制量。同样，d轴比例积分运算部316根据差值(Id＊-Id)进行比例积分运算，算出使d轴实际电流值Id追踪d轴电流指令值Id＊的控制量。上述那样计算出的控制量输出到电压指令值运算部319，在电压指令值运算部319中，转换为q轴电压指令值Vq＊和d轴电压指令值Vd＊。
q轴电压指令值Vq＊和d轴电压指令值Vd＊被输出到二相/三相坐标转换部320。二相/三相坐标转换部320使用由电角度运算部318算出的电角度θ，将q轴电压指令值Vq＊和d轴电压指令值Vd＊转换为三相的电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊，并且将与所述电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊对应的控制信号(PWM控制信号)输出到变换器回路350。
变换器回路350设置在直流电源3的正极端子和负极端子之间，例如是包括由MOSFET组成的6个开关元件的三相桥回路。占空(duty)控制信号输入到各个开关元件的栅极(gate)。变换器回路350利用由占空控制信号给予的占空比，使各个开关元件导通/截止，以与电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊对应的电压，将驱动用电力供给到车轮驱动用电动机100。
这种车轮驱动用电动机100的通电控制，在d-q轴坐标系中，通过针对与根据加速器操作量也就是加速器开度AO而设定的电流指令值(Iq＊，Id＊)，反馈在车轮驱动用电动机100中实际流动的实际电流(Iq，Id)，算出电压指令值(Vq＊，Vd＊)，由该电压指令值(Vq＊，Vd＊)，对变换器回路350进行占空控制。
下文将介绍电子控制部310中的间隙变更用电动机220的控制系。而且，由于在下文使用流程图详细介绍间隙变更用电动机220的控制处理，因此，简单介绍电子控制部310中的功能部的结构。
电子控制部310包括目标间隙长度运算部321、电压利用率运算部322、差值运算部323、比例积分运算部324、占空比运算部325、实际间隙长度运算部326。将由加速器操作量传感器301获得的加速器开度信号、由转速运算部312算出的车轮驱动用电动机100的转速n、由电流指令值运算部311算出的q轴电流指令值Iq＊、由电压监视回路370检测的直流电源3的电源电压Vb、由电压利用率运算部322算出的电压利用率Vrate、由实际间隙长度运算部326算出的实际间隙长度gap输入到目标间隙长度运算部321。根据上述输入信息，目标间隙长度运算部321计算间隙变更用电动机220的间隙长度的目标值即目标间隙长度gap＊，并将其输出到差值运算部323。
差值运算部323计算目标间隙长度gap＊和由实际间隙长度运算部326算出的实际间隙长度gap的差值(gap＊-gap)，并将结果输出到比例积分运算部324。比例积分运算部324根据差值(gap＊-gap)，进行比例积分运算，计算使实际间隙长度gap追踪目标间隙长度gap＊的控制量。占空比运算部325将与上述运算结果相应的占空比信号输出到H桥回路360。
H桥回路360设置在直流电源3的正极端子和负极端子之间，例如是包括由MOSFET组成的4个开关元件的桥回路。将占空控制信号输入到各个开关元件的栅极(gate)。H桥回路360以由占空控制信号给予的占空比使各个开关元件导通/截止，以与占空比对应的电压将驱动用电力供给到间隙变更用电动机220。而且，H桥回路360根据通电方向将间隙变更用电动机220的旋转方向在正转方向和逆转方向之间切换。
根据来自间隙变更装置200的间隙长度检测器230(编码器231和原点位置传感器232)的脉冲信号和原点检测信号，实际间隙长度运算部326计算实际的间隙长度即实际间隙长度gap，并将结果输出到目标间隙长度运算部321。
根据由电压指令值运算部319算出的q轴电压指令值Vq＊和d轴电压指令值Vd＊，电压利用率运算部322计算电压利用率Vrate，并将结果输出到目标间隙长度运算部321。
此时，将对电压利用率进行说明。在该实施方式中，为了在d-q坐标系中计算车轮驱动用电动机100的通电控制量，电压控制指令值，作为使用了d-q轴坐标系的q轴电压指令值Vq＊和d轴电压指令值Vd＊给出。此时，q轴电压指令值Vq＊和d轴电压指令值Vd＊的合成矢量成为电压指令值Vc。因而，如下文公式(2)所示那样，电压指令值Vc表示为q轴电压指令值Vq＊的二次方和d轴电压指令值Vd＊的二次方
Figure G2009101387010D00172
之和的平方根。
Vc = V q * 2 + V d * 2 . . . ( 2 )
该电压指令值Vc成为控制电压的振幅值。
如下文公式(3)所示那样，电压利用率Vrate是实际计算出的电压指令值Vc与用于驱动车轮驱动用电动机100的控制电压指令值的最大值(下文称作“最大控制电压指令值”)Vcmax的比值。
Vrate = Vc Vc max . . . ( 3 )
通常，在对变换器回路350进行PWM控制时，如图8所示，基于载波W1和调制波W2，根据两者的关系，设定占空比。也就是根据调制波W2超出载波W1的时间和调制波W2小于载波W1的时间的时间比，设定占空比。在该示例中，载波W1的最大峰值和调制波W2的最大峰值相同。调制波W2变为载波W1的最大峰值时，以大致100％的占空比，对变换器回路350的开关元件进行控制。因而，根据调制波W2的最大峰值，设定最大控制电压指令值Vcmax。而且，在该示例中，虽然将载波W1的最大峰值和调制波W2的最大峰值设定得相同，但是两者无需一定相同。而且，也可以使图8所示的调制波W2的周期和振幅中至少一个相对于图8所示的值适当地增大或减少。
在该实施方式中，加速器操作量传感器301和电流指令值运算部311作为加速器信息获取单元发挥功能。电流指令值运算部311、q轴差值运算部313、d轴差值运算部314、q轴比例积分运算部315、d轴比例积分运算部316和电压指令值运算部319作为电压运算单元发挥功能。电压利用率运算部322作为电压利用率运算单元发挥功能。目标间隙长度运算部321、差值运算部323、比例积分运算部324、占空比运算部325和H桥回路360作为间隙控制单元发挥功能。目标间隙长度运算部321作为角加速度信息获取单元、阈值设定单元和电动机停止检测单元发挥功能。编码器130和转速运算部312作为转速信息获取单元发挥功能。电流指令值运算部311相当于电流指令值运算单元。电压监视回路370相当于电压信息获取单元。间隙长度检测器230和实际间隙长度运算部326作为间隙长度检测单元发挥功能。
下文将使用图9的流程图介绍电子控制部310实施的车轮驱动控制处理。图9显示车轮驱动主控制程序。该车轮驱动主控制程序作为控制程序存储在电子控制部310的ROM内。该车轮驱动主控制程序不仅包含车轮驱动用电动机100的驱动控制处理，还包含由间隙变更装置200实施的间隙长度的控制处理。
一旦设置在两轮电动车1上的主开关5接通，则该主控制程序起动。一旦主控制程序起动，电子控制部310首先在步骤S10中，进行电动机控制单元300的整体系统的初始化，例如进行微机的初始化、对系统内的异常进行检查的初始诊断等。然后，电子控制部310在步骤S12，进行间隙变更用电动机220的初始化。使用图10所示的流程图说明步骤S12的处理。图10显示表示间隙变更用电动机初始化处理的子程序。
在间隙变更用电动机初始化程序中，电子控制部310首先在步骤S121中，从间隙长度检测器230的原点位置传感器232读取信号。然后在步骤S122中，判断从原点位置传感器232读取的信号是否为原点检测信号。在转子120返回到间隙长度gap变为最小位置时，原点位置传感器232输出原点检测信号。因而，在转子120位于变为最小间隙长度的位置时，电子控制部310在步骤S122中的判断结果为“是”，该处理进入步骤S129。另一方面，在转子120没有位于变为最小间隙长度的位置时，电子控制部310在步骤S122中的判断结果为“否”，该处理进入步骤S123。
首先，对自步骤S123起的处理进行说明。电子控制部310在步骤S123中，将间隙变更用电动机220的旋转方向确定为缩小气隙的方向。然后，在步骤S124中，确定间隙变更用电动机220的驱动力。该驱动力设定为初始化用的规定值。
然后，电子控制部310在步骤S125中，将与上述所确定的旋转方向和驱动力对应的驱动信号(占空控制信号)输出到H桥回路360，驱动间隙变更用电动机220。然后在步骤S126，从间隙长度检测器230的原点位置传感器232读取信号。然后在步骤S127中，判断原点检测信号是否从原点位置传感器232输出。在检测到原点检测信号之前，电子控制部310重复执行步骤S125～步骤S127的处理。然后，一旦检测到原点检测信号(步骤S127：是)，则在步骤S128，将通电停止信号输出到H桥回路360，停止驱动间隙变更用电动机220。
一旦结束步骤S128的处理，或在步骤S122中，判断为转子120已经处于变为最小间隙长度的位置时，在步骤S129中，将对从间隙长度检测器230的编码器231输出的脉冲信号数进行计数后的累积值归零。因而，实施了步骤S129的处理后，通过对从编码器231输出的脉冲信号进行计数(与旋转方向相应的加减运算)，能够检测转子120的轴向的位置也就是检测间隙长度。一旦结束了步骤S129的处理后，则离开该子程序，进入主控制程序的步骤S14的处理。
再次返回图9所示的主控制程序。
在步骤S14，电子控制部310从加速器操作量传感器301读取加速器开度信号。然后，在步骤S16，根据加速器开度信号，计算加速器开度AO。由来自加速器操作量传感器301的加速器开度信号除以加速器开度信号的最大值，算出加速器开度AO。在步骤S18，电子控制部310计算用于驱动车轮驱动用电动机100的q轴电流指令值Iq＊、d轴电流指令值Id＊。也就是将加速器开度AO与对应于车轮驱动用电动机100的转速n而设定的上限电流值Iqmax相乘，算出q轴电流指令值Iq＊。并且，将加速器开度AO、车轮驱动用电动机100的转速n和q轴电流指令值Iq＊中的至少一个作为参数信息，通过计算求得d轴电流指令值Id＊。上述步骤S14～S18的处理是电流指令值运算部311的处理。
在步骤S20中，电子控制部310利用电流传感器302检测流经车轮驱动用电动机100的实际电流值(Iu，Iv，Iw)。接着，在步骤S22中，基于从用于检测车轮驱动用电动机100的旋转的编码器130输出的脉冲信号，计算车轮驱动用电动机100的电角度θ。步骤S22的处理是电角度运算部318的处理。
在步骤S24中，电子控制部310计算将三相实际电流值(Iu，Iv，Iw)转换为d-q轴坐标系后的q轴实际电流指令值Iq和d轴实际电流指令值Id。步骤S24的处理是三相/二相坐标转换部317的处理。
在步骤S26中，电子控制部310进行电压利用率Vrate的计算处理。下文将使用图11所示的流程图说明步骤S26的处理。图11显示表示电压利用率计算处理的子程序。
电压利用率计算程序中，首先在步骤S261中，计算d轴电压指令值的比例项Pvd。如下述公式(4)所示那样，通过将d轴电流指令值Id＊和d轴实际电流指令值Id的差值(Id＊-Id)乘以系数Kpd而求得d轴电压指令值的比例项Pvd。
Pvd＝Kpd×(Id＊-Id)...(4)
然后在步骤S262中，计算d轴电压指令值的积分项Ivd。如下述公式(5)所示那样，通过将d轴电流指令值Id＊和d轴实际电流指令值Id的差值(Id＊-Id)乘以系数Kid而获得的值、与积分项Ivd的前回值Ivdold相加，求得d轴电压指令值的积分项Ivd。
Ivd＝Kid×(Id＊-Id)+Ivdold...(5)
此电压利用率计算程序组合在主控制程序中，并以规定的周期重复实施。因此，此前回值Ivdold指一个周期前算出的积分项Ivd的值。
然后在步骤S263中，计算d轴电压指令值Vd＊。通过将比例项Pvd和积分项Ivd相加求得d轴电压指令值Vd＊(Vd＊＝Pvd+Ivd)。
然后在步骤S264中，判断d轴电压指令值Vd＊的绝对值|Vd＊|是否超过预先设定的上限值Vdmax，当超过上限值Vdmax时(S264：是)，在步骤S265中，将d轴电压指令值Vd＊设定为以使其绝对值变为上限值Vdmax的方式进行了上限值限制的值。另一方面，当d轴电压指令值Vd＊的绝对值|Vd＊|没有超过上限值Vdmax时(S264：否)，则越过步骤S265。
然后在步骤S266中，电子控制部310计算q轴电压指令值的比例项Pvq。如下述公式(6)所示那样，通过将q轴电流指令值Iq＊和q轴实际电流指令值Iq的差值(Iq＊-Iq)乘以系数Kpq而求得q轴电压指令值的比例项Pvq。
Pvq＝Kpq×(Iq＊-Iq)...(6)
然后在步骤S267中，计算q轴电压指令值的积分项Ivq。如下述公式(7)所示那样，通过将q轴电流指令值Iq＊和q轴实际电流指令值Iq的差值(Iq＊-Iq)乘以系数Kiq而获得的值、与积分项Ivq的前回值Ivqold相加，求得q轴电压指令值的积分项Ivq。
Ivq＝Kiq×(Iq＊-Iq)+Ivqold...(7)
然后在步骤S268中，计算q轴电压指令值Vq＊。通过将比例项Pvq和积分项Ivq相加求得q轴电压指令值Vq＊(Vq＊＝Pvq+Ivq)，。
然后在步骤S269中，判断q轴电压指令值Vq＊的绝对值|Vq＊|是否超过预先设定的上限值Vqmax，当超过上限值Vqmax时(S269：是)，则在步骤S270中，将q轴电压指令值Vq＊设定为以使其绝对值|Vq＊|变为上限值Vqmax的方式进行了上限值限制的值。另一方面，当q轴电压指令值Vq＊的绝对值|Vq＊|没有超过上限值Vqmax时(S269：否)，则越过步骤S270。
步骤S261～S270的处理是上述d轴差值运算部314、d轴比例积分运算部316、q轴差值运算部313、q轴比例积分运算部315、和电压指令值运算部319的处理。
然后在步骤S271中，电子控制部310计算电压利用率Vrate。根据在步骤S265中计算出的d轴电压指令值Vd＊、在步骤S270中计算出的q轴电压指令值Vq＊、和最大电压指令值Vcmax，由上述公式(3)算出电压利用率Vrate。如果算出电压利用率Vrate，则离开该子程序，进入到图9的主控制程序的步骤S28。
在主控制程序的步骤S28中，电子控制部310将q轴电压指令值Vq＊和d轴电压指令值Vd＊转换为三相的电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊。该处理是二相/三相坐标转换部320的处理。然后，在步骤S30中，将与所述电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊对应的占空控制信号(PWM控制信号)输出到变换器回路350。因而，将与电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊对应的电力供给到车轮驱动用电动机100。
在步骤S32中，电子控制部310进行间隙长度处理。下文将使用图12所示的流程图介绍该步骤S32的间隙长度控制处理。图12表示显示间隙长度控制处理的子程序。
在间隙长度控制程序中，电子控制部310首先在步骤S321中，判断车轮驱动用电动机100是否正在旋转。根据来自转速运算部312的转速n是否为0，进行上述判断。在车轮驱动用电动机100停止旋转时(S321：否)，在步骤S322中，将目标间隙长度gap设定为最小间隙长度。这是为了准备车轮驱动用电动机100的起动，使车轮驱动用电动机100的输出特性为高转矩低转速特性，以便获得高转矩。此时，例如像图28的特性1那样设定输出特性。步骤S321的处理是目标间隙长度运算部321的处理。
另一方面，在车轮驱动用电动机100旋转时(S321：是)，在步骤S323中，判断加速器开度AO是否超过规定开度A1(例如0.7)。当加速器开度AO超过规定开度A1时，进入自步骤S324起的基于电压利用率Vrate的间隙长度设定处理(相当于本发明的第1控制模式)。另一方面，当加速器开度AO为规定开度A1以下时，进入不基于电压利用率Vrate的自步骤S328起的间隙长度设定处理(相当于本发明的第2控制模式)。
首先介绍加速器开度AO超过规定开度A1的情况。
在步骤S234中，电子控制部310计算车轮驱动用电动机100的角加速度，根据该角加速度，设定阈值R1、R2。通过用时间对车轮驱动用电动机100的转速n(单位时间的旋转量)进行微分，求得角加速度，上述车轮驱动用电动机100的转速n从设置在车轮驱动用电动机100上的编码器130的输出脉冲信号列获得。而且，阈值R1和R2用于像在后述的步骤S325中介绍的那样根据电压利用率Vrate调整间隙长度。例如使用图13所示的参照映射设定阈值R1、R2。如该参照映射所示的那样，阈值R1和R2随着角加速度的增大而减少。
当变更车轮驱动用电动机100的输出特性时，只要伴随着车轮驱动用电动机100的加速/减速能够瞬时地扩大/缩小该间隙长度即可。然而实际上，由驱动间隙变更用电动机220进行的间隙长度的调整耗费时间。于是，当车轮驱动用电动机100的角加速度大时，为了提前使间隙变更用电动机220开始工作，这样地设定上述阈值R1、R2。
然后在步骤S325中，判断电压利用率Vrate的大小。也就是判断电压利用率Vrate大于阈值R1，还是未满阈值R2，还是在阈值R2以上且在阈值R1以下。电压利用率Vrate使用上述步骤S271算出的值。当电压利用率Vrate未满阈值R2(Vrate＜阈值R2)时，在步骤S326中，将目标间隙长度gap＊设定为从目前的目标间隙长度gapc＊减去单位间隙长度gap0后的值(gap＊＝gapc＊-gap0)。也就是减少目标间隙长度gap＊。
当电压利用率Vrate超过阈值R1(Vrate＞阈值R1)时，在步骤S327中，将目标间隙长度gap＊设定为从目前的目标间隙长度gapc＊加上单位间隙长度gap0后的值(gap＊＝gapc＊+gap0)。也就是增大目标间隙长度gap＊。
当电压利用率Vrate在阈值R2以上且在阈值R1以下(R2≤Vrate≤R1)时，不改变目标间隙长度gap＊，在步骤S331中，读入从间隙变更用装置200的编码器231输出的脉冲信号的计数信息。从编码器231输出的脉冲信号由图中未示的计数程序进行计数，在步骤S331中，读取该计数值。该计数值是根据间隙变更用电动机220的旋转方向而对脉冲信号数进行加法运算或减法运算后所得的结果。
然后，在步骤S332中，对脉冲信号的计数值进行累积，根据该累积值，计算距间隙变更用电动机220的原点位置的旋转量(总旋转量)。间隙变更用电动机220的旋转量与实际间隙长度gap对应。步骤S331～S332的处理相当于图6中的实际间隙长度运算部326的处理。然后在步骤S333中，将用于使间隙变更用电动机220停止的信号输出到H桥回路360，并暂时离开该子程序。
步骤S323中，当判断为加速器开度AO没有超过规定开度A1(AO≤A1)时，不进行基于电压利用率Vrate的间隙长度设定，由步骤S328～S330，设定目标间隙长度gap＊。
此时，将介绍在加速器开度AO没有超过规定开度A1时不进行基于电压利用率Vrate的间隙长度设定的理由。例如在使行驶中的两轮电动车1减速时，由于驾驶员释放加速器4，加速器开度AO和车轮驱动用电动机100的控制电压(电压指令值Vc)减少，电压利用率Vrate降低。此时，车轮驱动用电动机100能够输出的转矩相对于所需转矩出现富余。在此情况下，如果基于电压利用率Vrate，设定目标间隙长度gap＊，则间隙长度短(参照步骤S326)，产生大的铁损，所以不优选。而且，间隙长度也影响车轮驱动用电动机100的铜损。此时在该实施方式中，在加速器开度AO没有超过规定开度A1时，不根据电压利用率Vrate改变间隙长度，而如下所述那样地设定目标间隙长度gap＊以减少车轮驱动用电动机100的铁损和铜损。
首先在步骤S328中，电子控制部310从电压监视回路370输入电源电压Vb。然后在步骤S329中，选择与电源电压Vb相应的目标间隙长度设定映射。图14显示了目标间隙长度设定映射的一个示例。由目标间隙长度设定映射，根据电动机转速n和电动机电流指令值(q轴电流指令值Iq＊)这两个参数，能够设定目标间隙长度gap＊。作为目标间隙长度设定映射，准备特性随着电源电压Vb而改变的多个映射。因而，在步骤S329中，从多个目标间隙长度设定映射中，选择一个与电源电压Vb相应的映射。然后，在步骤S330中，使用所选择的目标间隙长度设定映射，设定目标间隙长度gap＊。步骤S321～S330的处理相当于上述图6中的目标间隙长度运算部321的处理。
现在将介绍图14所示的目标间隙长度设定映射。该映射是以车轮驱动用电动机100的转速n为横轴，以电动机电流指令值(q轴电流指令值Iq＊)为纵轴，为了最适合地控制车轮驱动用电动机100的铁损和铜损而设定目标间隙长度gap＊的映射。在该映射中，右边虚线所包围的区域是考虑了电动机阻抗的可控制区域Af，左边虚线所包围的区域是使铁损和铜损最适合的最适控制区域Ac。可控制区域Af内设定了表示目标间隙长度gap＊的边界的线Lf1～Lf12。在最适控制区域Ac内设定了表示目标间隙长度gap＊的边界的线Lc1～Lc8。
线Lf1～Lf12是以1毫米间距分别将目标间隙长度gap＊设定为1毫米、2毫米、3毫米、...12毫米的边界线。而且线Lc1～Lc8是以1毫米间距分别将目标间隙长度gap＊设定为1毫米、2毫米、3毫米、...8毫米的边界线。
下文将介绍使用目标间隙长度设定映射的目标间隙长度gap＊的设定方法。由线Lf1和线Lc1包围的区域(线Lf1的左侧且线Lc1的上侧的区域)是将目标间隙长度gap＊设定为1毫米的1毫米区域。由线Lf2和线Lc2包围的区域(线Lf2的左侧且线Lc2的上侧的区域)是除掉1毫米区域的区域、将目标间隙长度gap＊设定为2毫米的2毫米区域。同样，由线Lf3和线Lc3包围的区域是除掉1毫米区域和2毫米区域的区域而将目标间隙长度gap＊设定为3毫米的3毫米区域。也就是由线Lfn(n＝1～12)和线Lcn(n＝1～8)包围的区域是除掉从1毫米区域至(n-1)毫米区域的区域而将目标间隙长度gap＊设定为n毫米的n毫米区域。另外，如果电动机的转速比8毫米区域还大，或在电动机电流指令值比8毫米区域小的区域内，将目标间隙长度gap＊设定为大于8毫米且以可控制区域Af的线Lf8～Lf12为边界的值。
根据该目标间隙长度设定映射，目标间隙长度gap＊随着车轮驱动用电动机100的转速n的增大而增加。另外，目标间隙长度gap＊随着电动机电流(q轴电流指令值Iq＊)的减少而增大。
该目标间隙长度设定映射是预先通过实验等设定用于降低铁损和铜损的最佳间隙长度的映射。可控制区域Af内的最佳间隙长度随着作为变换器回路350的电源的直流电源3的电源电压Vb而变化。于是，在该实施方式中，将根据电源电压Vb设定最佳间隙长度的多个目标间隙长度设定映射存储在ROM中。然后，在步骤S329中，选择与电源电压Vb对应的目标间隙长度设定映射。此时，从多个目标间隙长度设定映射中选择1个映射，基于该映射，求得目标间隙长度gap＊。另外，也可以从多个目标间隙长度设定映射中选择2个连续的映射，对所述映射进行插值，求得目标间隙长度gap＊。
例如，如图15所示，随着电源电压Vb增大，将线Lf1～Lf12设定为向车轮驱动用电动机100的转速n的较高侧移动。相反，随着电源电压Vb减少，将线Lf1～Lf12设定得向车轮驱动用电动机100的转速n的较低侧移动。从而与电源电压Vb对应，目标间隙长度gap＊的设定区域在特性图的左右移动。从而，即使车轮驱动用电动机100的转速n和电动机电流(q轴电流指令值Iq＊)是相同的条件，也以随着电源电压Vb增大使目标间隙长度gap＊变短的方式进行修正。相反，以随着电源电压Vb降低使目标间隙长度gap＊变长的方式进行修正。
而且在图15所示的示例中，可控制区域Af中的线Lf1～Lf12的斜度随着电源电压Vb的增大而减小。然而，根据电动机特性，如图16所示，也可以使线Lf1～Lf12的斜度随着电源电压Vb的增大而增大。而且，无需使所有的线Lf1～Lf12移动或改变倾斜角，也可以是一部分的特性变更。
下文将返回图12的间隙长度控制程序的说明。
电子控制部310，如果由步骤S321～S330的处理而设定了目标间隙长度gap＊，则随后在步骤S334中，读取从间隙变更装置200的编码器231输出的脉冲信号的计数信息。然后在步骤S335中，累积脉冲信号的计数值，根据所述累积值，计算间隙变更用电动机220的距原点位置的旋转量(总旋转量)。间隙变更用电动机220的旋转量与实际间隙长度gap＊对应。步骤S334和S335的处理与上述步骤S331和S332的处理相同。
然后，电子控制部310在步骤S336中，计算间隙变更用电动机220的驱动力，也就是输出到H桥回路360的占空控制信号的占空比。此时，根据由步骤S321～S330的处理而算出的目标间隙长度gap＊、和在步骤S325算出的实际间隙长度gap的差值(gap＊-gap)，进行比例积分运算，设定与该运算结果相应的占空比。
然后在步骤S337中，判断车轮驱动电动机100的转子120是否已经到达变为目标间隙的位置，也就是在步骤S325算出的实际间隙长度gap是否与目标间隙长度gap＊相同。
步骤S336和S337的处理相当于图6中的差值运算部323、比例积分运算部324、和占空比运算部325的处理。
当实际间隙长度gap与目标间隙长度gap＊相同时(S337：是)，则在步骤S333中，将用于使间隙变更用电动机220停止的停止信号输出到H桥回路360，然后暂时离开该子程序。
另一方面，当实际间隙长度gap与目标间隙长度gap＊不相同时(S337：否)，则在步骤S338中，判断间隙变更用电动机220的旋转指示方向是否是缩小气隙的方向。也就是判断目标间隙长度gap＊是否小于实际间隙长度gap。当间隙变更用电动机220的旋转指示方向是缩小气隙的方向时(S338：是)，则在步骤S339中，针对H桥回路360，输出缩小气隙的通电方向的占空控制信号并驱动间隙变更用电动机220。另一方面，当间隙变更用电动机220的旋转指示方向是扩大气隙的方向时(S338：否)，则在步骤S340中，针对H桥回路360，输出扩大气隙的通电方向的占空控制信号并驱动间隙变更用电动机220。在步骤S339和S340中输出的占空控制信号是先前步骤S336中计算出的占空比的占空控制信号。
电子控制部310一旦向H桥回路360输出驱动信号或停止信号，则离开间隙长度控制程序。
根据间隙长度控制程序，当加速器开度AO超过规定开度A1时，根据电压利用率Vrate，调整间隙长度。也就是电压利用率Vrate超过阈值R1时，使间隙长度增大(S327)。电压利用率Vrate小于阈值R2时，使间隙长度缩小(S326)。电压利用率Vrate为阈值R2以上且在阈值R1以下时，使间隙长度不变(S333)。因而，能够在图28所示的特性1至特性3之间分多个阶段切换电动机的输出特性。而且，虽然为了便于理解，图28分三个阶段表示，但是在该实施方式中，也可以分更多的阶段切换。此时，由于根据电压利用率Vrate，切换间隙长度(电动机输出特性)，因此，切换时间变得准确。
另外，当加速器开度AO没有超过规定开度A1时，则不根据电压利用率Vrate变更间隙长度。根据目标间隙长度设定映射，调整间隙长度。因而，能够降低车轮驱动用电动机100的铁损和铜损。
在此，作为一个示例，对停止行驶中的两轮电动车1时的使用目标间隙长度设定映射的间隙长度的调整进行说明。
如图17所示，车轮驱动用电动机100的控制状态(车轮驱动用电动机100转速n、q轴电流指令值Iq＊)处于A点时，将加速器开度AO缩小至0。此时，虽然q轴电流指令值Iq＊降低至0，但是，车轮驱动用电动机100并不瞬时停止。因而，目标间隙长度gap＊暂且固定为9毫米(B点)，车轮2暂时继续空转，但是不久就停止。因而，目标间隙长度gap＊和车轮驱动用电动机100转速n的关系，伴随着转速n变小，从B点移动到C点。这样一来，目标间隙长度gap＊从初期的6毫米(A点)暂且增大到9毫米(B点)，随后下降到最短的1毫米(C点)。从而，在车轮驱动用电动机100的转速n很高期间，设定较大的目标间隙长度gap＊，能够降低铁损。然后，随着车轮驱动用电动机100转速n的降低，缩小目标间隙长度gap＊。
下文将参照图18介绍其他示例。
车轮驱动用电动机100的控制状态(车轮驱动用电动机100的转速n、q轴电流指令值Iq＊)处于A点时，当q轴电流指令值Iq＊保持恒定而仅车轮驱动用电动机100的转速n增大时，控制状态向B点移动。从而，根据目标间隙长度设定映射设定的目标间隙长度gap＊从1毫米(A点)扩大到6毫米(B点)，由此能够降低铁损。从此状态起，在驾驶员要求强转矩而增大加速器开度AO时，增大q轴电流指令值Iq＊。此时，车轮驱动用电动机100的控制状态从B点移动到C点。从而，根据目标间隙长度设定映射设定的目标间隙长度gap＊从6毫米(B点)缩小到1毫米(C点)。通过缩小间隙长度，为了获得相同的转矩，能够遏制电流值使其较小，由此，不使铜损那么增加而能使车轮驱动用电动机100的转矩增大。
铜损是因线圈的电阻所引起的电力损失部分。当线圈中流动的电流值为i，线圈的电阻值为r时，铜损表示为i2×r。另一方面，具有下述那样的电动机特性，也就是即使线圈中流动的电流值相同，但间隙长度越短，则转矩越大，间隙长度越大，则转矩越小。从而针对必要转矩，如果减少间隙长度gap，则可以使线圈113中流动的电流值i减少，能够减少铜损。因而在图18的示例中，通过将目标间隙长度gap＊从6毫米(B点)缩小到1毫米(A点)，能够降低铜损。
如上所述，在该实施方式中，基于综合考虑了铁损和铜损的影响与驾驶员的要求(转矩)的平衡的实验结果，设定目标间隙长度设定映射。
一旦图12所示的间隙长度控制程序结束，则电子控制部310使其处理进入到图9所示的主控制程序的步骤S34。在步骤S34，判断主开关5是否已断开，当没有断开时(S34：否)，重复步骤S14～S34的处理。另外，如果驾驶员断开主开关5，则步骤S34的判断为“是”，结束该车轮驱动主控制程序。
根据该实施方式，能够实现下述作用效果。
由于通过调整车轮驱动用电动机100的间隙长度gap，对在转子120的磁体122和定子110的齿112之间流动的磁通进行调节，使电动机的输出特性变化，因此，能够在从低速区域至高速区域内高效地驱动车轮驱动用电动机100，能够获得良好的车辆特性。而且，通过改变转轴123的轴向的转子120和定子110的相对位置关系，能够轻易地改变间隙长度gap。
由于根据电压利用率Vrate，调整间隙长度gap，因此，不受车轮驱动用电动机100的个体差异、使用环境的影响，能够始终在适合的时间改变输出特性。从而，能够充分地发挥车轮驱动用电动机100的保有能力。而且，能够防止两轮电动车1在加速中改变输出特性的时间延迟，输出转矩大幅下降那样的不良情况，能够遏制行驶感觉下降。
在间隙长度控制中，在电压利用率Vrate大于阈值R1时，使间隙长度gap增大，使其成为能获得高转速的特性。在电压利用率Vrate小于阈值R2时，使间隙长度gap减少，使其成为能获得高转矩的特性。在电压利用率Vrate为阈值R2以上且为阈值R1以下时，不调整间隙长度gap，不改变输出特性(图12的步骤S325～S327，S333)。这样一来，能够简单地控制车轮驱动用电动机100的输出特性。另外，在电压利用率Vrate为阈值R2以上且为阈值R1以下时，由于不调整间隙长度gap，因此，能够防止控制动荡那样的不良情况，能够实现稳定的车辆行驶。
在间隙长度控制中，由于随着车轮驱动用电动机100的角加速度增大，使阈值R1、R2减少(参照图13)，因此，能够遏制间隙变更装置200的响应延迟。
例如在使两轮电动车1加速时，增大车轮驱动用电动机100的控制电压，使电动机的转速n增大，但是，如果针对该电动机的控制，间隙变更装置200的响应延迟，则可能输出特性的切换延迟，不能使电动机的转速n快速增大。于是，在这种情况下，通过减少阈值R1、R2的值，能够使电压利用率Vrate提前超过阈值R1，追随车轮驱动用电动机100的加速，使间隙长度gap增大。
另一方面在使两轮电动车1减速时，虽然减少车轮驱动用电动机100的控制电压，使电动机的转速n减少，但是，在此情况下，如果间隙变更装置200的响应延迟，则也不能获得最佳的电动机输出特性。此时由于车轮驱动用电动机100的角加速度变为负值，因此，通过增大阈值R1、R2的值，能够使电压利用率Vrate提前小于阈值R2，追随车轮驱动用电动机100的减速，使间隙长度gap减少。
当车轮驱动用电动机100停止旋转时，也就是两轮电动车1停止时，由于将间隙长度gap变为最小值而设定为高转矩低转速的特性，因此，两轮电动车1在下次起动时，能够获得高转矩，加速性良好(图12的步骤S322)。
在加速器开度AO没有超过规定开度A1(例如0.7)的期间，不根据电压利用率Vrate设定间隙长度。此时，使用目标间隙长度设定映射，根据车轮驱动用电动机100的转速n和电动机电流(q轴电流指令值Iq＊)，设定目标间隙长度gap＊。从而，能够良好地降低车轮驱动用电动机100的铁损和铜损(图12的步骤S323，S328～S330)。例如由于随着车轮驱动用电动机100的转速n的增大，使目标间隙长度gap＊增大，因此，车轮驱动用电动机100的感应电压不超过直流电源3的电源电压Vb，能够控制高转速下的车轮驱动用电动机100。而且，由于随着电动机电流(q轴电流指令值Iq＊)的减少，目标间隙长度gap＊增大，所以能够降低铁损。
而且，由于随着电源电压Vb降低，使目标间隙长度gap＊增大，因此，车轮驱动用电动机100的感应电压不超过直流电源3的电源电压Vb，能够维持车轮驱动用电动机100的控制。
在间隙长度控制中，对检测到的实际间隙长度gap进行反馈，根据实际间隙长度gap和目标间隙长度gap＊的差值(gap＊-gap)进行比例积分运算(PI)，由此驱动控制间隙变更用电动机220，因此，响应性变得非常良好(图12的步骤S334)。
下文将介绍本发明第2实施方式的两轮电动车1a。
参照图1，两轮电动车1a使用车轮驱动装置10a替代第1实施方式的两轮电动车1的车轮驱动装置10。另外，参照图2，车轮驱动装置10a从车轮驱动装置10的间隙变更装置200中省略了间隙长度检测器230，而且使用电动机控制单元400替代电动机控制单元300。除了车轮驱动装置10a之外，其他结构与两轮电动车1相同，使用与两轮电动车1相同的附图标记，并省略重复的介绍。
图19是电动机控制单元400的系统结构图。
电动机控制单元400包括以微型计算机为主要部分的电子控制部410、作为根据来自电子控制部410的指令向车轮驱动用电动机100供给电力的电动机驱动回路的变换器回路350、作为根据来自电子控制部410的指令向间隙变更用电动机220供给电力的电动机驱动回路的H桥回路360、和电压监视回路370。
电子控制部410独立地驱动控制车轮驱动用电动机100和间隙变更用电动机220。由于车轮驱动用电动机100的控制系统与上述第1实施方式相同，因此，省略介绍。
为了驱动控制间隙变更用电动机220，电子控制部410包括间隙变更指令部421、电压利用率运算部322、和占空信号输出部425。将由转速运算部312算出的车轮驱动用电动机100的转速n和由电压利用率运算部322算出的电压利用率Vrate输入到间隙变更指令部421。间隙变更指令部421基于上述信息获取间隙变更用电动机220的通电/停止指令信号以及旋转方向指令信号，并输出到占空信号输出部425。下文将参照后述流程图详细介绍间隙变更指令部421的处理。
根据从间隙变更指令部421输入的通电/停止指令信号以及旋转方向指令信号，占空信号输出部425将恒定的占空比的信号输出到H桥回路360，并与此对应地驱动间隙变更用电动机220。
在该实施方式中，间隙变更指令部421、占空信号输出部425和H桥回路360作为间隙控制单元发挥功能。间隙变更指令部421作为角加速度情况获取单元、阈值设定单元和电动机停止检测单元发挥功能。其他结构的对应关系与第1实施方式相同。
下文将介绍电子控制部410的车轮驱动控制处理。
在第2实施方式中，图9所示的车轮驱动主控制程序中步骤S12的间隙变更用电动机220的初始化处理和步骤S32的间隙长度控制处理与第1实施方式不同。因而，此处仅对不同部分进行介绍。图20显示表示步骤S12的间隙变更用电动机220的初始化处理的子程序，图21显示表示步骤S32的间隙长度控制处理的子程序。
首先参照图20介绍间隙变更用电动机220的初始化处理。
一旦间隙变更用电动机的初始化程序起动，电子控制部410首先在步骤S1201中将计时器统计的经过时间复位(计时时间＝0)，该计时器是软件计时器。然后，在步骤S1202中，将间隙变更用电动机220的旋转方向确定为缩小间隙的方向。然后，在步骤S1203中，确定间隙变更用电动机220的驱动力。该驱动力虽然设定为初始化用的规定值，但是，也可以使与后述的间隙长度控制中使用的驱动力相同。
然后在步骤S1204中，电子控制部410将与上述所确定的旋转方向和驱动力相应的驱动信号(占空控制信号)输出到H桥回路360，并驱动间隙变更用电动机220。然后在步骤S1205中，计时器进行累加计数。在步骤S1206中，判断由计时器计时的经过时间是否达到设定时间。在经过时间达到设定时间之前，继续驱动间隙变更用电动机220。而且，在经过时间达到设定时间之前，即使转子120返回原点位置，转子120也由间隙变更装置200的机械限动器(螺母212的旋转防止槽212b的两端部)维持在原点位置。于是，如果确认已经过了设定时间(S1206：是)，则在步骤S1207中，向H桥回路360输出通电停止信号，并停止驱动间隙变更用电动机220。该设定时间最好设定为车辆驱动用电动机100的转子120从变为最大间隙长度的位置返回到变为最小间隙长度的位置(原点位置)所必需的时间。
由此，车辆驱动用电动机100的转子120能够可靠地返回到间隙长度变为最小的原点位置。一旦车辆驱动用电动机100的转子120返回到原点位置，则该间隙变更用电动机的初始化程序暂且结束，转移到主控制程序的步骤S14的处理。
下文将参照图21，介绍主控制程序中的步骤S32的间隙长度控制处理。
一旦间隙长度控制程序起动，电子控制部410首先在步骤S3201中，判断车辆驱动用电动机100是否正在旋转。根据来自转速运算部312的转速n是否为0，进行上述判断。在此，对车辆驱动用电动机100正在旋转的情况(S3201：是)进行介绍。
在车辆驱动用电动机100正在旋转的情况下，在步骤S3202中，将标志F设置为“1”。标志F在该控制程序起动时，设置为“0”。然后在步骤S3203中，根据车轮驱动用电动机100的角加速度，设定阈值R1、R2。该处理与在先的实施方式的步骤S324的处理相同。然后在步骤S3204中，判断电压利用率Vrate的大小，也就是判断电压利用率Vrate是超过阈值R1，还是小于阈值R2，还是为阈值R2以上且阈值R1以下。作为电压利用率Vrate，使用上述步骤S271中算出的值。
当电压利用率Vrate小于阈值R2时(Vrate＜R2)，电子控制部410在步骤S3205中，将间隙变更用电动机220的旋转方向设定为缩小车轮驱动用电动机100的间隙长度的方向。当电压利用率Vrate超过阈值R1时(Vrate＞R1)，电子控制部410在步骤S3206中，将间隙变更用电动机220的旋转方向设定为扩大车轮驱动用电动机100的间隙长度的方向。当电压利用率Vrate为阈值R2以上且为阈值R1以下时(R2≤Vrate≤R1)，电子控制部410在步骤S3207中，将单向连续通电计时器的统计值清零，之后在步骤S3208中，将使间隙变更用电动机220停止的占空控制信号输出到H桥回路360。从而，当电压利用率Vrate为阈值R2以上且为阈值R1以下时，间隙变更用电动机220停止。而且，单向连续通电计时器是用于测量沿同一转动方向给间隙变更用电动机220连续通电的时间的软件计时器，且每当间隙变更用电动机220的旋转方向切换时和每当输出停止指令信号时，将计时器统计值清零。
如果由步骤S3205或步骤S3206设定了间隙变更用电动机220的旋转方向，则在步骤S3209中，判断其旋转方向是否与前次的旋转方向相同。该间隙长度控制程序组合在主控制程序中，并以规定的短周期重复实施。从而，在步骤S3209中，比较1个周期前的旋转方向和此次设定的旋转方向来判断是否是同一方向。当间隙变更用电动机220的旋转方向与前次旋转方向相反时，在步骤S3210中，将单向连续通电计时器的统计值清零。当间隙变更用电动机220的旋转方向与前次旋转方向相同时，则跳过步骤S3210的处理。
然后在步骤S3211中，电子控制部410判断由单向连续通电计时器计时的连续通电时间是否超过设定时间。在连续通电时间没有超过设定时间(S3211：否)时，在步骤S3212中，单向连续通电计时器累加计数，并在步骤S3213中，向H桥回路360输出与旋转方向相应的驱动信号(占空控制信号)。由此，间隙变更用电动机220在设定的旋转方向上旋转，改变车轮驱动用电动机100的间隙长度。
另一方面，在步骤S3211中，判断为连续通电时间超过设定时间时，在步骤S3207中，将单向连续通电计时器的统计值清零，之后在步骤S3208中，向H桥回路360输出使间隙变更用电动机220停止的占空控制信号。
在该实施方式中，由于没有配置间隙长度检测器230，不能正确检测到车轮驱动用电动机100的转子120的轴向位置即间隙长度。替代间隙长度检测器230，使用单向连续通电计时器限制时间。从而，能够防止当转子120处于间隙长度的最大位置或最小位置时都向间隙变更用电动机220继续通电。此时，最好将限制连续通电的设定时间设定为：车轮驱动用电动机100的转子120从变为最长间隙长度的位置移动至变为最短间隙长度的位置(原点位置)所需的时间。由此，能够在最小间隙长度至最大间隙长度的范围内可靠地调整间隙长度gap，并且能够遏制向间隙变更用电动机220过度通电。
一旦电子控制部410在步骤S3208或步骤S3213中向H桥回路360输出占空控制信号，则暂时离开该间隙长度控制程序，进入产控制程序的步骤S34。
下文将介绍在步骤S3201中判断为车轮驱动用电动机100不旋转时的情况。此时在步骤S3214中，首先判断标志F是否被设定为“1”。当标志F为“1”(S3214：是)时，则在步骤S3215中，判断由单向连续通电计时器计时的连续通电时间是否超过了设定时间。
当连续通电时间没有超过设定时间(S3215：否)时，在步骤S3216中，间隙变更用电动机220的旋转方向被设定为缩小车轮驱动用电动机100的间隙长度的方向，之后进入步骤S3212。从而，车轮驱动用电动机100的间隙长度gap能够由间隙变更用电动机220缩小。这是为了准备车轮驱动用电动机100的起动，使车轮驱动用电动机100的输出特性为高转矩低转速特性，以便获得高转矩。
在两轮电动车1停止时，反复进行像上述那样的向间隙变更用电动机220通电和核查该通电连续时间，当通电连续时间达到了设定时间时，车轮驱动用电动机100的转子120达到间隙长度变为最小的位置。于是，在电子控制部410判断为通电连续时间超过了设定时间(S3215：是)时，在步骤S3217中，将标志F设置为“0”，执行上述单向连续通电计时器的清零处理(S3207)和间隙变更用电动机220的停止处理(S3208)，并离开该间隙长度控制程序。从而，今后在车辆继续处于停止状态的期间，步骤S3214的标志F的判断变为“否”，禁止向间隙变更用电动机220通电。
在该实施方式中，与第1实施方式相同，由于根据电压利用率Vrate，控制间隙长度gap，因此，不受车轮驱动用电动机100的个体差异、使用环境的影响，能够始终在适合的时间改变电动机输出特性。从而，能够在低速区域至高速区域有效地发挥车轮驱动用电动机100的能力，能够获得良好的车辆特性。而且，由于即使没有配置间隙长度检测器230，也能控制间隙长度gap，因此，相应地能够降低两轮电动车1的成本并使其变小、变轻。另外，间隙长度控制也简单，不要求微型计算机具有很高的处理能力。
而且，与第1实施方式相同，由于根据车轮驱动用电动机100的角加速度，设定阈值R1、R2，因此，能够遏制间隙变更装置200的响应延迟。而且当两轮电动车1停止时，由于使间隙长度gap为最小值而设定为高转矩低转速特性，因此，在两轮电动车1下次起动时，能够获得高转矩，加速性良好。
本发明并不局限于上述实施方式，能够进行各种变更。
在上述各个实施方式中，由主开关5的断开操作，结束车轮驱动主控制程序(参照图9)。但是，例如，也可以当检测到主开关5断开时(S34：是)，将规定的占空比的占空控制信号输出到H桥回路360，在车轮驱动用电动机100的转子120到达间隙长度变为最大的位置之前，驱动控制间隙变更用电动机220。也就是也可以在对主开关5进行了断开操作时，不管电压利用率，在车轮驱动主控制程序的步骤S34后，实施将车轮驱动用电动机100的间隙长度gap调整为最大值的步骤。此时，实施该步骤后，结束车轮驱动主控制程序。这样一来，在由人力推动而使两轮电动车1移动时，能够降低由车轮驱动用电动机100旋转而产生的齿槽转矩。
而且在第1实施方式中，当加速器开度AO超过规定开度A1时，实施基于电压利用率Vrate的间隙长度设定处理(相当于本发明的第1控制模式)。另一方面，当加速器开度AO为规定开度A1以下时，实施不基于电压利用率Vrate而考虑了铁损和铜损的影响的间隙长度设定处理(相当于本发明的第2控制模式)(图12：S323～S330)。然而，也可以不实施这种基于加速器开度AO进行的间隙长度控制模式的切换。例如也可以不管加速器开度AO，始终根据电压利用率Vrate，进行间隙长度控制。
而且在第1和第2实施方式中，虽然根据车轮驱动用电动机100的角加速度，设定电压利用率Vrate的阈值R1、R2，但是也可以不管角加速度，将阈值R1、R2固定为恒定值。另外，也可以根据车轮驱动用电动机100的角加速度，仅设定阈值R1和R2中的任一方。
而且在第1和第2实施方式中，当车轮驱动用电动机100停止转动时，虽然将间隙长度gap设定为最小值(图12：S321、S322，图21：S3201、S3216)，但是，也可以省略这种处理。
而且，求取间隙长度gap的方式可以是任意的。例如，替代间隙长度检测器230(编码器231和原点位置传感器232)，也可以在螺纹圆筒体211和基板233中任一方上设置磁体，在另一方上设置对该磁体的磁力进行检测的磁性传感器，根据由磁性传感器检测到的磁力的变化，求得间隙长度gap。而且也可以在螺母212上设置磁性传感器，在基板233上设置磁体，根据由磁性传感器检测到的磁力的变化，求得间隙长度gap。
在第1实施方式中，根据实际间隙长度gap和目标间隙长度gap＊的差值(gap＊-gap)的比例积分，确定间隙变更用电动机220的驱动量。然而，也可以使驱动量恒定，仅确定间隙变更用电动机220的旋转方向。此时，能够减轻电子控制部310(微型计算机)的处理负担。
而且在第1和第2实施方式中，作为在电压利用率运算部322的电压利用率运算中所使用的控制电压指令值，虽然使用从电压指令值运算部319输出的值，但是，也可以使用从二相/三相坐标转换部320输出的值。
而且在第1和第2实施方式中，虽然使用间隙变更用电动机220改变间隙长度gap，但是也可以使用螺线管等其他执行器。
另外，对于改变车轮驱动用电动机100的间隙长度的方式，可以采用各种变形例。例如在第1和第2实施方式中，虽然使转子120在轴向上移动来改变转子120和定子110之间的间隙长度gap，但是也可以在磁路中形成其他的气隙并变更该间隙长度。下文将介绍该示例。
图22是显示作为变形例的车轮驱动用电动机500和间隙变更装置600的概略结构图。车轮驱动用电动机500是三相轴向间隙型电动机。车轮驱动用电动机500包含定子510和转子520。定子510相对于转子520沿转子520的转轴523的延长方向(轴向)空出规定间距而相对配置。
定子510包括在轴向上空出规定间距地与转子520相对的第一定子511、与转子520不相对而沿轴向上与第一定子511空出规定间距地相对的第二定子512。
第一定子511包括在同一圆周上以等间距配置的多个(在该示例中18个)第一齿513和缠绕在这些第一齿513上的多个线圈514。这些第一齿513和线圈514由树脂模制并一体化为环形体，固定在构成车身的一部分的图中未示的安装台上。
各个第一齿513由多个电磁钢板叠置而构成，轴向的两端面形成为不由树脂覆盖的平面形状。各个第一齿513与转子520相对的端部513a(参照图23、图24)的周向尺寸长，从侧面上看形成为T字状。线圈514缠绕在第一齿513上除了端部513a之外的部分上。而且，对各个第一齿513中与第二定子512相对的端部513b的周向角部进行倒角处理。
第二定子512包括铁制的定子磁轭515、固定在定子磁轭515上的多个(数量与第一齿513的数量相同)第二齿516。定子磁轭515包括形成为中空圆板状且固定有第二齿516的板部515a、从板部515a的内周端沿转子520的轴向延伸的圆筒部515b。用于一个个嵌入所述第二齿516的多个装配孔515c沿周向等间距地形成在板部515a上。第二齿516的一端部嵌入在各个装配孔515c。第二齿516和定子磁轭515磁相连。
各个第二齿516以当定子磁轭515处于旋转的原点位置时与第一定子511的各个第一齿513相对的方式进行配置，而且，从板部515a恰好突出规定距离。各个第二齿516的前端部516a的周向角部进行倒角处理。
转子520包括例如铁制的转子磁轭521、固定在转子磁轭521上的多个(在该示例中12个)磁体522。转子磁轭521包括形成为中空圆板状且固定有磁体522的外板部521a、以从外板部521a的内周端缩径的方式延伸的锥部521b、从锥部521b的内周端与外板部521a平行且向内侧延伸的中空圆板状的内板部521c、和从内板部521c的内周端沿轴向延伸的圆筒部521d。
将电动机转轴523插入到圆筒部521d内。电动机转轴523相对于圆筒部521d不能相对转动和沿轴向不能相对移动地被固定。从而电动机转轴523和转子520一体地转动。电动机转轴523的一端(图22中上端部)通过减速机(省略图示)与车轮2的车轴相连。磁体522以极性交替的方式在同一圆周上以等间距地配置在外板部521a中与第一齿511相对的主面上。
转子520的圆筒部521d通过轴承531和532由圆筒台533可旋转地支持。圆筒台533固定在车体上。上述第二定子512的圆筒部515b安装在圆筒台533的外周上。圆筒部515b的内周面可滑动地与圆筒台533的外周面接触，相对于圆筒台533可旋转，但是由于图中未示的限动器而不能沿轴向移动。从而，第二定子512相对于第一齿511能够沿电动机转轴523的旋转方向相对旋转，但是，不能沿轴向相对移动。
间隙变更装置600是改变第二定子512相对于第一定子511的旋转方向的相对位置的装置，包括间隙长度变更用电动机601、将间隙长度变更用电动机601的旋转传递到第二定子512的传动装置部602。间隙长度变更用电动机601固定在车体的一部分上。传动装置部602包括形成在第二定子512的圆筒部515b的外周面上的齿轮515d和固定在间隙长度变更用电动机601的输出轴603上的齿轮604。齿轮604与齿轮515d啮合并将间隙长度变更用电动机601的旋转力传递到第二定子512。而且，在间隙长度变更用电动机601的分解度很粗时，最好在齿轮604与齿轮515d之间适当设置减速齿轮。
图23和图24是从外周侧观看车轮驱动用电动机500且表示第一齿513和第二齿516的位置关系的展开模式图。而且，图25(a)是表示第一齿513和第二齿相对的状态的平面示意图，图25(b)是表示第一齿513和第二齿不相对的状态的平面示意图。
在车轮驱动用电动机500中，当第一齿513和第二齿相互相对时，如图23所示，由转子520、第一定子511和第二定子512形成磁路(图中虚线)。此时，第一齿513和磁体522之间的空间、以及第一齿513和第二齿516之间的空间是磁路中的构成磁阻的气隙。第一齿513和磁体522之间的间隙长度(气隙长度)为gap1，第一齿513和第二齿516之间的间隙长度为gap2。
在使第二定子512旋转，第二齿516移动至不与第一齿513相对的位置时，如图24所示，由转子520和第一定子511形成磁路(图24中虚线)。此时，第一齿513和磁体522之间的空间、以及相邻的第一齿513之间所形成的空间是磁路中的构成磁阻的气隙。相邻的第一齿513之间的间隙长度为gap3。
当使车轮驱动用电动机500的输出特性为高转矩低转速时，如图23所示，将第二定子512保持在原点位置，也就是保持在第一齿513和第二齿516相互相对的位置。此时，第一齿513和磁体522之间的间隙长度gap1、以及第一齿513和第二齿516之间的间隙长度gap2实质上大致相同并非常小。从而，这些气隙的磁阻很小。
另一方面，相邻的第一齿513之间的间隙长度gap3比第一齿513和第二齿516之间的间隙长度gap2大。从而，相邻的第一齿513之间的气隙中的磁阻比第一齿513和第二齿516之间的气隙中的磁阻大。而且，间隙长度gap2和间隙长度gap3的关系是2×gap2＜gap3的关系。
从而，N极磁体522和与其相邻的S极磁体522之间产生的磁通，如图23所示，几乎不通过第一齿513之间的气隙(间隙长度gap3)，而经过下述路径，即N极磁体522和第一齿513之间的气隙(间隙长度gap1)→第一齿513→第一齿513和第二齿516之间的气隙(间隙长度gap2)→第二齿516→定子磁轭515→相邻的第二齿516→相邻的第二齿516和相邻的第一齿513之间的气隙(间隙长度gap2)→相邻的第一齿513→相邻的第一齿513和S极磁体522之间的气隙(间隙长度gap1)→S极磁体522→转子磁轭521。
当使车轮驱动用电动机500的输出特性为低转矩高转速时，如图24所示，使第二定子512移动到相邻的第一齿513之间的中央，使得第一齿513和第二齿516不相互相对。此时，第一齿513和第二齿516之间的间隙长度从gap2增大至gap4。因而，相邻的第一齿513之间的间隙长度gap3比第一齿513和第二齿516之间的间隙长度gap4小。从而，相邻的第一齿513之间的磁阻比第一齿513和第二齿516之间的磁阻小。
由此，在N极磁体522和与其相邻的S极磁体522之间产生的磁通，如图24所示，经过下述路径，即N极磁体522和第一齿513之间的气隙(间隙长度gap1)→第一齿513的端部513a→第一齿513的端部513a和相邻的第一齿513的端部513a之间的气隙(间隙长度gap3)→相邻的第一齿513的端部513a→相邻的第一齿513和S极磁体522之间的气隙(间隙长度gap1)→S极磁体522→转子磁轭521。从而，此时，磁通实质上不流经第一齿513的缠绕有线圈514的部分。
如上所述，在变形例中，也能够通过改变设置于车轮驱动用电动机500的磁路的气隙长度，改变电动机输出特性。在该示例中，虽然介绍了第二齿516和第二定子512的两个位置，但是，通过驱动控制间隙变更用电动机601，调整第二定子512相对于第一齿511的旋转方向的相对位置，能够分多个阶段改变电动机输出特性。此时，最好如上述实施方式那样，由电动机控制单元300、400根据电压利用率，控制间隙调整用电动机601。
例如，也可以驱动控制间隙变更用电动机601，控制第二齿516相对于第一齿513也就是第二定子512相对于第一定子511的旋转方向的相对角度使其从原点位置以1°为单位变更，最大变更至10°，此时，也可以设置对第二定子的旋转角度进行检测的检测传感器(图中未示)，求得所检测到的实际旋转角度和根据电压利用率设定的目标旋转角度的差值，根据该差值，反馈控制间隙变更用电动机601的旋转。
在使第二定子512相对于第一定子511的旋转方向的相对位置变化的情况下，两定子之间的气隙在第二齿516面向第一齿513期间，在将间隙长度保持在gap2的状态下，仅截面面积变化。然后，一旦第二齿516旋转到不面向第一齿513的位置，则间隙长度变为gap4，与旋转角度相应地变化。从而，优选，设定能够获得所希望的电动机输出特性的第二定子512的旋转范围，控制间隙长度。
此外，也能如第2实施方式那样，利用以无传感器的方式控制第二定子512相对于第一定子511的旋转方向的相对角度。此时，最好设置对第二定子512旋转的终端位置进行限制的机械限动器(图中未示)和对间隙变更用电动机601的单向连续通电时间进行限制的计时器。
根据该变形例，由于通过调整第一定子511和第二定子512的旋转方向的相对位置来改变间隙长度，因此，即使不像第1和第2实施方式那样在轴向设置相对移动用的空间，也能轻易地改变间隙长度。
而且，设置在外板部521a中与第一定子511相对的主面上的磁体例如也可以是将环形板状的粘结磁体以N极和S极沿周向交替配置的方式带磁的1个部件。
在上述实施方式中，加速器开度AO用作加速器信息，在图12的步骤S323中，对加速器开度AO和规定开度A1进行比较。然而，作为加速器信息，也可以使用加速器操作量也就是加速器开度信号。此时，加速器操作量传感器301相当于加速器信息获取单元。而且，在图12的步骤S323中，将加速器开度信号与规定数值进行比较。
角加速度信息并不局限于车轮驱动用电动机100的角加速度自身。转速信息并不局限于车轮驱动用电动机100的转速自身。电压信息并不局限于直流电源3的电源电压Vb自身。
本发明不仅应用于两轮电动车，而适合应用于任意电动车辆。
上文虽然介绍了本发明的优选的实施方式，但是很明显只要不脱离本发明的范围和宗旨，能够进行各种变更。本发明的范围仅由所附的权利要求书限定。

Claims (14)

1.一种车轮驱动装置，该车轮驱动装置驱动电动车辆的车轮，包括：
驱动上述车轮的电动机；
改变上述电动机的气隙的长度即间隙长度的间隙变更装置；
获取与上述电动车辆中的加速器操作量相关的加速器信息的加速器信息获取单元；
至少基于由上述加速器信息获取单元所获取的上述加速器信息运算控制电压指令值的电压运算单元；
基于上述控制电压指令值的最大值和由上述电压运算单元算出的上述控制电压指令值运算电压利用率的电压利用率运算单元；和
间隙控制单元，其为了调整上述间隙长度，基于由上述电压利用率运算单元算出的上述电压利用率控制上述间隙变更装置。
2.如权利要求1所述的车轮驱动装置，其中，上述间隙控制单元，在上述电压利用率超过第1阈值时，控制上述间隙变更装置，使得上述间隙长度增大，在上述电压利用率小于比上述第1阈值小的第2阈值时，控制上述间隙变更装置，使得上述间隙长度减小。
3.如权利要求2所述的车轮驱动装置，其中，还具有：
获取与上述电动机的角加速度相关的角加速度信息的角加速度信息获取单元；和
阈值设定单元，其随着由上述角加速度信息获取单元所获取的上述角加速度信息增大，将上述第1阈值和上述第2阈值的至少一方减小。
4.如权利要求2所述的车轮驱动装置，其中，上述间隙控制单元，在上述加速器信息超过规定值时，基于上述电压利用率，控制上述间隙变更装置，在上述加速器信息为上述规定值以下时，不进行基于上述电压利用率的上述间隙变更装置的控制。
5.如权利要求4所述的车轮驱动装置，其中，
还包括获取与上述电动机的转速相关的转速信息的转速信息获取单元，
上述间隙控制单元，在上述加速器信息超过上述规定值时，实施基于上述电压利用率而控制上述间隙变更装置的第1控制模式，在上述加速器信息为上述规定值以下时，实施基于由上述转速信息获取单元所获取的上述转速信息而控制上述间隙变更装置的第2控制模式。
6.如权利要求5所述的车轮驱动装置，其中，上述间隙控制单元，在上述第2控制模式中，控制上述间隙变更装置，使得随着上述转速信息增大，上述间隙长度增大。
7.如权利要求5所述的车轮驱动装置，其中，
上述电压运算单元包括：基于上述加速器信息运算上述电动机的d-q轴坐标系中的q轴电流指令值的电流指令值运算单元，
上述间隙控制单元，在上述第2控制模式中，控制上述间隙变更装置，使得随着上述q轴电流指令值减小，上述间隙长度增大。
8.如权利要求6或7所述的车轮驱动装置，其中，
上述电动车辆还包括向上述电动机供给电力的直流电源，
该车轮驱动装置还包括获取与上述直流电源的电压相关的电压信息的电压信息获取单元，
上述间隙控制单元，在上述第2控制模式中，控制上述间隙变更装置，使得随着上述电压信息的减小，上述间隙长度增大。
9.如权利要求1所述的车轮驱动装置，其中，
还包括检测上述电动机的旋转的停止的电动机停止检测单元，
在由上述电动机停止检测单元检测到上述电动机的旋转的停止时，上述间隙控制单元，不管上述电压利用率，以使得上述间隙长度变为最小值的方式控制上述间隙变更装置。
10.如权利要求1所述的车轮驱动装置，其中，
上述电动车辆还包括主开关，
在上述主开关断开时，上述间隙控制单元，不管上述电压利用率，以使得上述间隙长度变为最大值的方式控制上述间隙变更装置。
11.如权利要求1所述的车轮驱动装置，其中，
还包括检测上述间隙长度的间隙长度检测单元，
上述间隙控制单元，根据基于上述电压利用率算出的目标间隙长度和由上述间隙长度检测单元所检测到的上述间隙长度的差值，对上述间隙变更装置进行反馈控制。
12.如权利要求1所述的车轮驱动装置，其中，
上述电动机是包括具有转轴的转子和定子的轴向气隙型电动机，上述定子相对于上述转子在上述转轴的延伸方向上空出间隔地相对配置，
上述间隙变更装置改变上述转子和上述定子之间的间隙长度。
13.如权利要求1所述的车轮驱动装置，其中，
上述电动机是轴向气隙型电动机，上述轴向气隙型电动机包括具有转轴的转子和相对于上述转子在上述转轴的延伸方向上空出间隔地相对配置的定子，而且，上述定子具有第一定子和第二定子，上述第一定子和上述第二定子在上述转轴的延伸方向上互相空出间隔地相对配置、并以能改变在上述转子的旋转方向上的相对位置的方式进行设置，
上述间隙变更装置，通过改变上述第一定子和上述第二定子在上述旋转方向上的相对位置，改变上述第一定子和上述第二定子之间的间隙长度。
14.一种电动车辆，包括权利要求1～13中任一项所述的车轮驱动装置。
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