JR貨物HD300形ハイブリッド機関車

JR貨物HD300形ハイブリッド機関車（電気式ディーゼル機関車）
	八王子駅構内に停車中のHD300-17; （2017年10月28日）
基本情報
運用者	日本貨物鉄道
製造所	東芝→東芝インフラシステムズ
製造年	2010年 -
運用開始	2011年7月11日
主要諸元
軸配置	B-B
軌間	1,067 mm
全長	14,300 mm
全幅	2,950 mm
全高	4,088 mm
運転整備重量	60.0 t
台車	軸梁式ボルスタレス台車; FDT102（1エンド側）; FDT102A（2エンド側）
軸重	15 t
動力伝達方式	吊り掛け駆動方式
機関出力	270 ps
主電動機	永久磁石同期電動機
主電動機出力	80 kW （1時間定格）; 125 kW （最大定格）
歯車比	64/15（4.27）
制御装置	主変換装置; コンバータ+VVVFインバータ制御
制動装置	回生ブレーキ併用電気指令式ブレーキ; 留置ブレーキ
保安装置	ATS-SF
最高運転速度	45 km/h （入換時）; 110 km/h （回送時）
定格出力	320 kW （1時間定格）; 500 kW （最大定格）
最大引張力	20,000 kgf
	第52回（2012年）ローレル賞受賞車両 ※受賞車両は901号機のみ
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HD300形ハイブリッド機関車（HD300がたハイブリッドきかんしゃ）は、日本貨物鉄道（JR貨物）が2010年（平成22年）より製造を開始したハイブリッド機関車である。試作機にあたる901号機が、2012年鉄道友の会ローレル賞を受賞した。

なお、JR貨物の公式名称は「HD300形式ハイブリッド機関車」^[1]^[2]（試作車（901号機）の開発段階での名称は「ハイブリッド方式入換機関車 HD300形式」^[3]で、JR貨物公式HP「鉄道貨物輸送を支える様々な車両の開発」では「ハイブリッド方式入換機関車 HD300形式（試作車）」^[4]^{[注 1]}）である。

概要[編集]

貨物駅構内の入換作業には、日本国有鉄道（国鉄）から継承されたDE10形ディーゼル機関車を主として複数の機種を使用していたが、経年は40年以上となり既存車両でも老朽化が著しく進行していた^[5]。この対策としてこれらの車両を置き換えるために、従来の方式に捕らわれず新たに開発された車両である。開発に当たり近年の環境問題に対しての取り組みとして、排出ガスを削減する新しいシステムによる車両の導入が検討され、ハイブリッド方式を採用した^[5]。

「環境に優しいクリーンな機関車」をコンセプトに、DE10形と比較して以下の目標を立てて設計・開発がなされた^[5]。

有害排出ガスを30 - 40%以上削減
車外騒音レベルを10db（A特性）以上低減
エンジンの効率的運転と回生ブレーキの活用によって、CO₂の大幅な削減

2010年 3月に試作車（901号機）が落成し、各種走行試験が実施された^[6]。その結果を踏まえて2012年1月以降、量産車が順次導入されている^[5]。

構造[編集]

この機関車は、ディーゼル発電機を動力源とする電気式ディーゼル機関車と蓄電池（リチウムイオンバッテリー）を動力源とする蓄電池機関車の2つの要素を兼ね備えた、日本初のハイブリッド機関車である。具体的にはディーゼル発電機からの電力と蓄電池からの電力を協調させてモーターを制御する「シリーズ・ハイブリッド」方式と呼ばれるシステムであり、本機に搭載されたディーゼルエンジンは直接駆動力には使用されず、発電機を回転させる発電用として使用されるだけである。また、CO₂排出量は、動力協調システムによるエンジンの効率的な運転と回生ブレーキ作動時において、モーターから発生した電力を蓄電池に充電することにより、大幅な削減することを目指している。そのため、形式記号の頭文字にディーゼル機関車を指す「D」や蓄電池機関車を指す「A」^{[注 2]}ではなく、ハイブリッド (Hybrid) 方式の機関車であることを表す「H」を初採用し、動軸数4であることを表す「D」と組み合わせた「HD」となっている。ハイブリッドシステムの開発にあたっては国土交通省の鉄道技術開発費の補助を受けている。

901号機を用いた走行試験では、DE10形と比較して以下の結果を示した^[6]。

牽引走行試験では、燃料消費量36%、NOx排出量61%、騒音を22dbの低減効果が得られた
留置時間を考慮した1日分の運用で評価すると燃料消費量41%、NOx排出量64%と大幅な削減効果があることを確認した。

車体[編集]

車体はセミセンターキャブタイプで^[7]、前位側から主変換機モジュール、蓄電池モジュール、運転室モジュール、発電モジュールと、車体を4ブロックに分割したモジュール構造とし、保守の簡略化を図っている。運転台はDE10形と同様、進行方向に対して横向きに配置。前面の連結器周辺は警戒色の黄色と黒で塗られており、車体はEF510形と同じフレート・レッドを身に纏い、ハイブリッド方式の機関車であることを強調するため、Hybridのロゴが描かれている。整備重量は60tとDE10形の65tより軽量化されたが、動軸数が1軸少ないため軸重は15tとなりDE10形より2t重くなっている。

電源・制御機器[編集]

発電モジュールにあるディーゼル発電機のFDMF9Z形エンジンは、国土交通省の定める第3次排出ガス規制に適合したものであり、騒音や有害排出ガス低減を図っている。このエンジンはカミンズ製の、50万台の製造実績がある既存の産業用水冷4ストローク・直列6気筒、出力325PS（242kW）、定格回転数1,600rpm、最高回転数1,800rpmの燃料電子制御方式のエンジンを転用したもので、出力270PS（197kW）で使用している。エンジンに駆動される発電機は、1時間定格出力173kW/1600rpmの三相かご形誘導発電機であり、三相交流を出力する。ディーゼル発電機の起動・停止は自動的に行われており、力行時にはディーゼル発電機を起動させて主変換装置に給電するが、制動時はディーゼル発電機での給電を停止する。

蓄電モジュールにある蓄電池にはジーエス・ユアサコーポレーション製リチウムイオンバッテリーLIM30H型を搭載している。電池構成は26個のモジュールを直列に繋いだものを3並列としており、公称電圧750V、電力容量は40-70kWhである。経年劣化しても寒冷地で起動できるだけの出力容量を確保しており、制動時での回生ブレーキによりモーターから発生する電力を充電して蓄電するほか、状況に応じてディーゼル発電機からの電力を主変換装置経由で充電することも可能である。また、バッテリーは複数のバンクで構成され、異常時はバンクを開放して走行継続可能となるような冗長性を持っている。また、500番台では蓄電池の容量が変更されている。

主変換モジュールにある主変換装置は、IGBT素子を使用した電圧形PWMコンバータ1基＋電圧形PWMインバータ1基で構成されており、力行時にはディーゼル発電機と蓄電池から給電される電力を主変換装置を介してVVVFインバータ制御を行い主電動機を駆動する。また、エンジンが故障した場合でも、蓄電池から給電される電力のみで自走できるようになっている。

主電動機には、全密閉自冷式構造のFMT101形永久磁石同期電動機を機関車として初採用しており、自然冷却方式のため冷却用送風機は省略されている。鉄道車両においてVVVFインバータ制御により駆動されるモーターは誘導電動機が主流だが、永久磁石同期電動機は誘導電動機よりも効率が高く、小型軽量化を図ることができる。本機では1時間定格出力80kW、最大定格出力125kWを発揮するFMT101を4基搭載して1時間定格で320kW、最大定格で500kWの出力としており、最大牽引力は20tfを出すことができる^{[注 3]}。使用されている永久磁石には、最大エネルギー積41MGOeクラスのネオジム-鉄-ボロン系磁石を採用し、全閉構造による温度上昇にも耐えられる耐熱性を持たせている。また、磁極位置は逆ハの字磁極配置とフラックスバリアを構成することにより、突極性リラクタンストルクを有効に活用できるよう工夫されている。

圧縮空気を供給する空気圧縮機はオイルフリータイプ^[6]であるC2000形を、補助回路または補機用の電源を供給する容量55kVAの電圧形PWMコンバータによる補助電源装置を1基搭載している。

モジュール設計[編集]

前述の通り、搭載機器を機能別に集約してユニット化したモジュラー設計を採用しているため、モジュールごとに独立して性能改善を行うことができる。

鉄道車両用燃料電池が実用化された場合には、発電モジュールを燃料電池スタックおよび制御装置に置き換えることで、他の車体艤装を変えることなくゼロエミッションが達成できる。
蓄電モジュールには現行のリチウム蓄電池（40 - 70kWh）に対して約70%増量できるだけの空間が確保されている。また、空間的・電気的に大型ニッケル水素蓄電池の搭載も可能となっている。

発電モジュールに搭載するエンジンと蓄電モジュールに搭載する電池容量の組み合わせにより、中小貨物駅用入換機関車から本線用機関車、あるいは環境規制の厳しい都市部の貨物駅で使用可能な全電池型入換機関車に展開することが可能である。

HD300型の技術展開[編集]

基本型（巨大ターミナル用） - 蓄電池70kWh、エンジン270馬力
開発基本型（小駅の入換用） - 蓄電池45kWh、エンジン270馬力
発展応用型（全電池型入換用） - 蓄電池288kWh、エンジンなし
発展応用型2 - 燃料電池165kW、蓄電池70kWh、エンジンなし
開発基本型（小型の本線用） - 蓄電池110kWh、エンジン400馬力

台車[編集]

台車は枕ばねにコイルばねを使用した無心皿のFDT102形で、1位側がFDT102（500番台はFDT102D）、2位側がFDT102A（500番台はFDT102E）となっている。軸箱支持装置は軸はり式を採用しており、モーターから輪軸に動力を伝達する（モーターを台車に装架する）方式は1段歯車減速の吊り掛け駆動方式を採用している。引張力伝達方式は低心皿Zリンク式としている。基礎ブレーキは片押し式の踏面ブレーキによるユニットブレーキとしている。

その他の機構[編集]

ハイブリッド以外の新機構としては、新たに開発した運転士異常時列車停止装置を装備しており、その他にも、前後のステップを大きく取り、前後と側面の手すりは大型のものを採用するなど、運転士や構内作業員の作業性向上が図られている。また、入換作業時の運転台からの死角解消のため、手すりにカメラが取り付けられている（901号機のみ）。前部標識灯は両端の手すりに角形のものが2灯ずつ取り付けられ、連結器直上部には夜間作業時のための連結器灯（LED灯）が設けられている。500番台は耐寒耐雪構造を採用し、降雪時の作業員の防寒対策の一環として、冬季にはデッキ前部に着脱可能な風防板が取り付けられる。他にも、入換作業時の降雪による制動力や粘着力の減少を補うために台車に設置されているセラミック噴射装置が、暖地仕様の0番台では8か所に対して、寒冷地仕様の500番台では2倍の16か所に増強されている。

現況と動向[編集]

2010年3月、試作機HD300-901が東芝府中事業所で落成し、3月25日に公開された^[8]。2011年に入り1月下旬からは札幌貨物ターミナル駅構内で寒冷地試験が行われた^[9]。その後も道内の別地域や東京貨物ターミナル駅、南松本駅等で試験走行を行い、様々な条件下での車両性能の確認を行っている。試作機である901号機は、2011年7月11日から入換機として東京貨物ターミナル駅で運用を開始した^[1]。

2012年1月には量産型1号機となるHD300-1が東芝府中事業所で落成、甲種輸送され^[10]、2012年2月8日より東京貨物ターミナル駅構内で使用開始した^[2]。量産車は警戒色塗装が施されている前面の排障器の幅が試作車より広げられ、後部標識灯が前照灯下部にまとめられ、連結器灯にカバーが設けられる等の形状の差異が見られる。また、運転士の作業性と視認性を向上させるため、運転室扉の窓を下方向に拡大するとともに側窓の高さも拡大している。

2012年度以降についても、量産車を順次投入して老朽化したDE10形機関車を置き換えていく予定としているが、新製費用が本線用電気機関車と変わらないほど高価で初期投資が大きいため、本形式は入換作業の密度が高い貨物駅への重点配置に留まり、密度が低い貨物駅に関しては電車線を増設して電気機関車による入換を行うこととしている^[11]。

2014年度には、寒冷地仕様である500番台が登場し、2014年11月に甲種輸送された501号機を皮切りに3両（501 - 503号機）が苗穂車両所に配置されて札幌貨物ターミナル駅で使用されている^[11]^[12]。

試作機901号機（東京貨物ターミナル駅 2013年5月5日）
量産車 HD300-8のライトケース。前照灯と後部標識灯が縦に並び、連結器灯カバーが取り付けられた。（2014年1月17日八王子駅）
量産車 HD300-8のFDT102C台車。（2014年1月17日八王子駅）

脚注[編集]

[脚注の使い方]

注釈[編集]

^ この名称は、2021年時点のHP上の同ページでも、この名称のままである^[4]。
^ 「Accumulator」の頭文字。国鉄・JRで蓄電池機関車が実際に存在したのは1927年に製造された「AB10形」のみ（機械扱いのスイッチャーを除く）。1931年には架線集電化改造を施され、形式名も「EB10形」に改めている。
^ DE10形はエンジン出力が1350psでkWに換算して993kWとなるが、補機類や液体変速機などの損失などで、実際の踏面出力においては660kWとなり、最大牽引力は19.5tfとなっている。
^ 三井化学専用鉄道廃止直前の大牟田駅での使用実績もある。

出典[編集]

^ ^a ^b 『HD300形式ハイブリッド機関車の営業開始について』（PDF）（プレスリリース）日本貨物鉄道、2011年7月3日。オリジナルの2017年10月17日時点におけるアーカイブ。2021年4月22日閲覧。
^ ^a ^b 『HD300形式ハイブリッド機関車「量産車」の運転開始について』（PDF）（プレスリリース）日本貨物鉄道、2012年2月16日。オリジナルの2017年10月16日時点におけるアーカイブ。2021年4月22日閲覧。
^ 『平成22年度事業計画』（PDF）（プレスリリース）日本貨物鉄道、2010年。オリジナルの2017年10月17日時点におけるアーカイブ。2021年4月22日閲覧。
^ ^a ^b “鉄道貨物輸送を支える様々な車両の開発”. サービス向上に向けた取組み＞車両の開発について. 日本貨物鉄道. 2021年4月22日閲覧。
^ ^a ^b ^c ^d 『レイルマガジン』通巻347号、p.72
^ ^a ^b ^c 『レイルマガジン』通巻347号、p.73
^ 『鉄道ファン』2012年7月号、「JR車両ファイル2012 JR貨物」p.64
^ “国内初のHV機関車 JR貨物が試作車を報道陣に公開”. 産経新聞 (2010年3月25日). 2010年3月26日閲覧。
^ “HD300-901、札幌貨物ターミナルで寒冷地走行試験”. 鉄道ファン railf.jp. 交友社 (2011年1月26日). 2011年1月26日閲覧。
^ “HD300-1が甲種輸送される”. 鉄道ファン. 交友社 (2012年1月18日). 2012年1月18日閲覧。
^ ^a ^b 「導入進むHD300形」『交通新聞』2014年4月8日付
^ “【JR貨】HD300-501が苗穂車両所に”. RMニュース (ネコ・パブリッシング). (2014年11月12日)

参考文献[編集]

「JR貨物HD300形900番台」『レイルマガジン』第321号、ネコ・パブリッシング、2010年6月、54 - 57頁。
杉山義一（JR貨物ロジスティックス本部技術開発部）「JR貨物HD300形式ハイブリッド機関車（量産車）」『レイルマガジン』第347号、ネコ・パブリッシング、2012年8月、72 - 75頁。
「ディーゼルハイブリッド入換専用機関車HD300形式の電気品について」山田・林・長谷部・氏家・添田著、電気学会、モータドライブ、家電・民生合同研究会、MD-12-008/HCA-12-008、41 - 48頁
『鉄道のテクノロジー7機関車』三栄書房、2010年、p89 ISBN 9784779609077。
「JR貨物HD300形500番台」『鉄道ファン』2015年6月号、2015年、76 - 77頁
「JR貨物ハイブリッド機関車 HD300形の概要」『鉄道車両と技術』 NO.166、201-6、12-17頁

外部リンク[編集]

『新型入換専用機関車（試作）の形式名とデザインについて』（PDF）（プレスリリース）日本貨物鉄道、2010年2月10日。オリジナルの2017年6月17日時点におけるアーカイブ。2021年4月22日閲覧。
“HD300形式ハイブリッド機関車の製作について”. 東芝ニュースリリース (2010年3月25日). 2010年4月1日閲覧。
名取紀之 (2010年3月26日). “HD300‐901ついに登場。”. 鉄道ホビダス・編集長敬白. ネコ・パブリッシング. 2010年4月1日閲覧。
編集長敬白:HD300形量産車登場。 - 鉄道ホビダス

[5] この名称は、2021年時点のHP上の同ページでも、この名称のままである^[4]。

[8] 「Accumulator」の頭文字。国鉄・JRで蓄電池機関車が実際に存在したのは1927年に製造された「AB10形」のみ（機械扱いのスイッチャーを除く）。1931年には架線集電化改造を施され、形式名も「EB10形」に改めている。

[10] DE10形はエンジン出力が1350psでkWに換算して993kWとなるが、補機類や液体変速機などの損失などで、実際の踏面出力においては660kWとなり、最大牽引力は19.5tfとなっている。

[11] 三井化学専用鉄道廃止直前の大牟田駅での使用実績もある。

[release20110713-1] 『HD300形式ハイブリッド機関車の営業開始について』（PDF）（プレスリリース）日本貨物鉄道、2011年7月3日。オリジナルの2017年10月17日時点におけるアーカイブ。2021年4月22日閲覧。

[release20120216-2] 『HD300形式ハイブリッド機関車「量産車」の運転開始について』（PDF）（プレスリリース）日本貨物鉄道、2012年2月16日。オリジナルの2017年10月16日時点におけるアーカイブ。2021年4月22日閲覧。

[JR貨物事業計画_H22-3] 『平成22年度事業計画』（PDF）（プレスリリース）日本貨物鉄道、2010年。オリジナルの2017年10月17日時点におけるアーカイブ。2021年4月22日閲覧。

[JR貨物HP-4] “鉄道貨物輸送を支える様々な車両の開発”. サービス向上に向けた取組み＞車両の開発について. 日本貨物鉄道. 2021年4月22日閲覧。

[RM347_72-6] 『レイルマガジン』通巻347号、p.72

[RM347_73-7] 『レイルマガジン』通巻347号、p.73

[9] 『鉄道ファン』2012年7月号、「JR車両ファイル2012 JR貨物」p.64

[12] “国内初のHV機関車 JR貨物が試作車を報道陣に公開”. 産経新聞 (2010年3月25日). 2010年3月26日閲覧。

[13] “HD300-901、札幌貨物ターミナルで寒冷地走行試験”. 鉄道ファン railf.jp. 交友社 (2011年1月26日). 2011年1月26日閲覧。

[14] “HD300-1が甲種輸送される”. 鉄道ファン. 交友社 (2012年1月18日). 2012年1月18日閲覧。

[kotsu_20140408-15] 「導入進むHD300形」『交通新聞』2014年4月8日付

[16] “【JR貨】HD300-501が苗穂車両所に”. RMニュース (ネコ・パブリッシング). (2014年11月12日)

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[注 1]

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表話編歴鉄道友の会ローレル賞選定車両
1960年代	第1回（1961年）阪急2000系・2300系電車第2回（1962年）国鉄401系・421系電車第3回（1963年）京王3000系電車第4回（1964年）京王5000系電車（初代）第5回（1965年）山陽電気鉄道3000系電車第6回（1966年）札幌市交通局A830形電車第7回（1967年）長野電鉄0系電車第8回（1968年）該当車なし第9回（1969年）東京都交通局6000形電車
1970年代	第10回（1970年）大阪市交通局60系電車第11回（1971年）名鉄モ600形電車（2代）第12回（1972年）営団6000系電車第13回（1973年）小田急9000形電車第14回（1974年）西鉄2000形電車第15回（1975年）国鉄24系25形客車・黒部峡谷鉄道EH形電気機関車第16回（1976年）国鉄キハ66系気動車・東急8500系電車・富士急行5000形電車第17回（1977年）上信電鉄1000形電車・札幌市交通局6000形電車第18回（1978年）東京都交通局新7000形電車・神戸市交通局1000形電車第19回（1979年）京急800形電車・国鉄50系客車
1980年代	第20回（1980年）名鉄100系電車・北総開発鉄道7000形電車・富山地方鉄道14760形電車第21回（1981年）国鉄117系電車・長崎電気軌道2000形電車第22回（1982年）福岡市交通局1000系電車第23回（1983年）国鉄200系新幹線電車・熊本市交通局8200形電車第24回（1984年）京阪6000系電車第25回（1985年）営団01系電車・樽見鉄道ハイモ180形気動車第26回（1986年）南海10000系電車・国鉄100系新幹線電車第27回（1987年）北大阪急行電鉄8000形電車・近鉄7000系電車・JR四国キハ185系気動車第28回（1988年）仙台市交通局1000系電車第29回（1989年） JR九州783系電車
1990年代	第30回（1990年） JR西日本221系電車・JR四国2000系気動車（試作車）第31回（1991年） JR東日本251系電車・大阪市交通局70系電車第32回（1992年） JR東日本253系電車・JR九州キハ200系気動車第33回（1993年） JR東海300系新幹線電車・JR貨物EF200形電気機関車第34回（1994年） JR貨物DF200形ディーゼル機関車第35回（1995年） JR北海道キハ281系気動車第36回（1996年） JR東海383系電車・JR貨物コキ71形貨車第37回（1997年） JR北海道731系電車第38回（1998年）熊本市交通局9700形電車・叡山電鉄900系電車・近鉄5800系電車第39回（1999年）スカイレール200形
2000年代	第40回（2000年）広島電鉄5000形電車・新幹線700系電車・JR東日本209系950番台（E231系900番台）電車第41回（2001年）名鉄モ800形電車（2代）・近鉄3220系・5820系・9020系電車（シリーズ21）第42回（2002年） JR西日本キハ187系気動車第43回（2003年）岡山電気軌道9200形電車・鹿児島市交通局1000形電車第44回（2004年）該当車なし第45回（2005年） JR九州800系新幹線電車・長崎電気軌道3000形電車第46回（2006年）名鉄2000系電車・愛知高速交通100形電車・広島電鉄5100形電車・福岡市交通局3000系電車第47回（2007年） JR東日本E233系電車・西鉄3000形電車第48回（2008年） JR東日本E721系電車・仙台空港鉄道SAT721系電車・JR東日本キハE200形気動車第49回（2009年）豊橋鉄道T1000形電車・京阪3000系電車（2代）
2010年代	第50回（2010年）近鉄22600系電車第51回（2011年）東京メトロ16000系電車第52回（2012年） JR貨物HD300形ハイブリッド機関車第53回（2013年）該当車なし第54回（2014年）福井鉄道F1000形電車・JR東日本E6系新幹線電車第55回（2015年） JR東日本EV-E301系電車・箱根登山鉄道3000形電車第56回（2016年） JR東日本HB-E210系気動車・四日市あすなろう鉄道新260系電車第57回（2017年） JR東日本E235系電車・えちごトキめき鉄道ET122形1000番台気動車・静岡鉄道A3000形電車第58回（2018年） JR東日本E353系電車・東武500系電車・鹿児島市交通局7500形電車第59回（2019年）相鉄20000系電車・叡山電鉄デオ730形電車「ひえい」
2020年代	第60回（2020年） JR四国2700系気動車第61回（2021年） JR東日本E261系電車・JR東海N700S系新幹線電車第62回（2022年）東京メトロ17000系・18000系電車・京阪3850形電車第63回（2023年）京都市交通局20系電車
ブルーリボン賞島秀雄記念優秀著作賞鉄道趣味顕賞（エバーグリーン賞グローリア賞シルバー賞）