国鉄ED45形電気機関車

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国鉄ED45形電気機関車(こくてつED45がたでんききかんしゃ)は、日本国有鉄道(国鉄)が製造した交流電気機関車である。

本項では、同時に試作されたED44形電気機関車についても記述する。

概要[編集]

1955年8月10日国内初の交流電化実験線区となった仙山線陸前落合 - 熊ヶ根間で各種試験を行うために試作された電気機関車である。

開発・製造までの経緯[編集]

1953年に日本全国で幹線電化を進めるにあたって、変電所が少なくでき建設費を抑えられる商用周波数による交流電化方式が着目された。国内での研究のほか単相交流では世界初の交流電化実用に成功したフランスから機関車を輸入するため折衝にあたったが、国鉄が試験用としての最小両数の輸入とする方針だったのに対しフランス側は継続的な輸入を要求したことから交渉は決裂。このため日本国内で交流電気機関車を開発することになり、製造されたのがED44形とED45形である[1]

車両[編集]

直接式のED44 1と整流器式のED45 1・11・21の計4両が製造された。性能比較のため機器類に相違点はあるが、以下の共通点がある。

  • 当初は正式な国鉄車籍を有しておらず、製造メーカーからの借入扱いであった。仙山線の交流電化開業[2]1957年(昭和32年)9月5日を前にした、同年3月27日に国鉄に入籍した。
  • 車体は各メーカーの私鉄向電気機関車の設計を利用したため、いずれも戦前戦後間もない頃の電気機関車と同様に、車体前部のデッキから運転室へ出入りする方式を採用した[3]

1次試験対応試作車[編集]

1955年(昭和30年)の実験線試験では、以下の比較検討となった。

このためED44 1とED45 1の2両が試作された。

ED44 1[編集]

1955年7月20日日立製作所水戸工場で製造された日本初の交流電気機関車である。

機器・性能
  • 直接式交流機関車で直流電気機関車の抵抗制御器を低圧タップ切換器に置き換え、単相交流整流子電動機釣掛式で駆動する。
    • 単相交流整流子電動機は、回転子と固定子の間で変圧器が構成されることによる起電力(以下、変圧器起電力と称する)が常に生じる。起動時には火花を抑える働きをする補極の効果は期待できず、変圧器起電力による短絡電流で整流子に火花が飛ぶことが避けられない。そればかりか整流子による短絡電流による起磁力は主極(界磁)の起磁力を打ち消して起動トルクを減少させてしまう。周波数が高くなるにつれて変圧器起電力が大きくなることから、主極(界磁)の起磁力が変圧器起電力に対して小さい場合、最悪、起動電流を増しても整流子による短絡電流ばかり増えて整流子の過熱焼損に至る。当時の日本には商用周波数である50Hzという高周波数の交流電動機の製造経験がなく、14 - 16極と直流機の4倍の磁極を入れることで変圧器起電力を下げている。
    • 主電動機は日立製作所のほかに東洋電機製造富士電機でもそれぞれ2基ずつ製造し、各メーカーのものを乗せ換えながらテストを行った。
  • 台車は後年の交流機でも問題となる軸重移動の問題が当初より考えられたことから、車体から伸ばした脚に板バネで台車枕バネと接続し、レール面に近い位置で引張力を伝えることで台車のピッチングを抑えて解決を図ったDT108形を採用した。
車体
  • 秩父鉄道デキ101 - 103大井川鉄道E103と同系統の車体を採用した。
    • 当初デッキの手摺をほとんどもたず、転落事故などが懸念されたことから、暫くして増設工事がされた。
    • 側面の通風フィルターは製造当初縦型のものだったが、デッキ手摺増設に前後して十字型の枠をもった形状に変更された[4]
  • 製造当初はアルファベット表記の凝ったデザインの製造銘板(筆記体で"Hitachi")を装着していたが、国鉄側がこれを問題視したため取付規程を制定する遠因となり、本機も後日漢字表記の銘板に交換されている。

ED45 1[編集]

1955年9月28日三菱電機新三菱重工業で製造された。

機器・性能
  • 送油風冷式変圧器・水冷式イグナイトロン(=水銀整流器)・低圧タップを併用して直流電動機を駆動する制御方式を採用した。
  • 小型高速型のMT903形主電動機を採用し、緩衝作用をもつクイル式駆動装置を初採用した。
  • 台車も防振と軽量化のためコイルばねとウイングばねを用いた電車的な構造をもつDT109形を採用した[5]
    • 整流器式は車上に変電所をもつようなものであり、当初の見積では自重が100t超となったことから、電気機器部分にこれまでの常識を覆すほどの軽量化が行われて国鉄上限規格の60トンに収めた。
車体
改造
  • イグナイトロンには以下の欠点があった。
    • 振動に弱いため防振対策を行ったが、それでもタンク下部の液体水銀ダメが動揺飛散してしまい、水銀アークを最初に点けるイグナイタ(=点弧子)が脱落する事故が相次いだ。そのため整流がうまく行かないばかりか、逆弧(逆向きに流れるアーク放電。当然に整流機能は喪失する)が発生するなどの初期故障が頻発した。
    • 寿命が短いため交換の頻度が高い。
    • 水冷式ゆえに整備に手間がかかる。
  • このため1959年(昭和34年)にシリコン整流器(シリコンダイオード)に交換された。
    • その結果、位相制御を喪失した[6]

1次試験の結果[編集]

直接式のED44形に多数の問題点が露呈した。

  • 高速域に達すると高出力を発揮するが、起動トルクが弱く引き出し力・加速力ともに整流器式のED45形に劣り、加速停止を頻繁に行う列車には不向きとされた。
  • 1時間定格出力においてはED44形がED45形を上回っていたにもかかわらず、25勾配上における列車の引き出し能力である牽引定数は、ED44形が420tに留まったのに対して、ED45形は600tと大きな差がついた。
    • 当時の貨物輸送主力機関車となるD51形蒸気機関車の25‰上り勾配での牽引定数は最大約350tである[7]。また、ED44形は25‰上り勾配での起動試験でブラシから激しく火花を散らしながらも、片側台車の主電動機2基のみを使用して210tの列車牽出しに成功。これをEF級電機に当てはめれば10‰上り勾配上で1240tを起動できる計算となり、EF65形(10‰上り勾配上で1300トン)に近い牽引定数を出せるという高い性能を示した[8]
  • 交流電動機の磁極数が多い上にこれまで経験したことのない高圧での使用に対して技術的に未熟であったため、1運用ごとに各ブラシ接点を磨かねばならないなど整備の手間が想像を超えていた[9]

整流器式のED45形の場合では、電気的な観点からタップ制御と水銀整流器の位相制御の組合わせによる連続的な電圧変換が可能で、起動時に有利であり、しかも空転しても端子電圧が上昇しにくいことから主電動機の回転数がすぐに復帰し、空転が自然に収まるという特性をもっていた。

  • これは当時の常識からすれば驚異的なことで、優れた粘着特性がやがて「交流機のD形は直流機のF形に匹敵する[7]」と宣伝される根拠となる。

この結果、今後製造される交流電気機関車には整流器式を用いることとなった。

2次試験対応試作車[編集]

引き続き整流器式交流電気機関車の開発試験が継続され、製造メーカーごとに搭載機器や方式の異なるED45 11・21が製造された。

ED45 11[編集]

ED45 11
(ED91 11)

1956年(昭和31年)12月21日東芝で製造された。

機器・性能
  • ED45 1で保守上問題となった変圧器を保守の楽な乾式とし、整流器は風冷式とした。
  • 東芝技術陣は水銀整流器の電流阻止作用に着目。これを利用して低圧無電弧タップを切る方式を開発した。
  • 補機用の低圧電源供給には従来の電動発電機をやめ相数変換機による交流化が図られた。
  • 内部機器の火災・爆発事故対策を強化したほか、交直流車両開発のため直流機器が一部搭載された[10]
  • 台車・主電動機は保守的な設計でEH10 15を基礎とする釣掛式を採用した。
車体
  • 東武鉄道ED5000形の設計を応用した角ばったスタイルである。
    • 側面の通風フィルターは公式側に2個、非公式側に3個設けられた[11]

ED45 21[編集]

ED45 21
(ED91 21)

搭載機器の比較検討にあたり、直接式を製造した日立製作所が1957年2月に製造した整流器式交流機関車である。

機器・性能
  • 日立製作所からの技術提示として、同社が得意としたエキサイトロン水銀整流器を採用した。
    • このため東芝が提示したイグナイトロンとの比較が行われた。
  • 大出力化試験機という位置づけをあり、高圧タップを採用することで制御電流量の増加を図り、弱め界磁を併用することで出力を1,640kWまで引き上げた。
  • 駆動方式はクイル式を採用したため、台車は揺れまくら方式のDT111形を採用した。
車体
  • ED44 1と同様に私鉄向電気機関車に範をとっているが、大阪窯業セメント伊吹工場のいぶき500形(現・大井川鐵道ED500形)に類似したデザインの車体である。
改造
  • 1959年にエキサイトロン水銀整流器を長期耐用試験のためにシリコン整流器へ交換。
    • この結果、位相制御が不可能となり最終的に出力は1,500kWとなった。

2次試験の結果[編集]

ED45 11は試運転での成績不良によりメーカーでイグナイトロンを交換、ED45 21も同じ理由から機器配置の変更を実施したが[12]、その後はいずれの車両も好成績を残した。さらにこれらの車両をベースに以下の形式が開発された。

改番[編集]

1961年(昭和36年)に形式称号の変更を実施した。

  • ED44 1→ED90 1
  • ED45 1・11・21→ED91 1・11・21

ED44形・ED45形主要諸元[編集]

形式 ED44 1 ED45 1 ED45 11 ED45 21
最高速度 (Km/h) 65 85 100
全長
全幅
全高
(mm)
13,500
2,800
4,095
14,200
2,800
4,100
13,200
2,800
4,100
13,800
2,800
4,085
運転整備重量 (t) 60.00 59.90 60.00
軌間 1,067mm
軸配置 Bo-Bo
動力伝達方式 吊り掛け式 クイル式 吊り掛け式 クイル式
主電動機 MT950形交流整流子電動機×4基 MT903形直巻電動機×4基 MT902A形直巻電動機×4基 MT904形直巻電動機×4基
歯車比 16:93=1:5.81 16:91=1:5.69 16:69=1:4.31 15:82=1:5.47
1時間定格出力 1,120kW 1,000kW 1,100kW 1,640kW
1時間最大引張力 7,300kg 10,600kg 10,800kg 13,400kg
台車 DT108形 DT109形 DT110形 DT111形
電気方式 交流20kV単相50Hz架空電車線方式
変換方式 直接式 整流器式
変圧器 送油風冷式 乾式 送油風冷式
水銀整流器 なし 水冷式イグナイトロン 風冷式イグナイトロン 風冷式エキサイトロン
制御方式 低圧タップ切換 低圧タップ切換
格子位相制御
弱め界磁制御
低圧タップ切換
抵抗制御
弱め界磁制御
高圧タップ切換
弱め界磁制御
制御段数 タップ14段 タップ17段
位相24段
弱め界磁5段
タップ15段
抵抗15段
弱め界磁2段
タップ32段
弱め界磁3段
ブレーキ EL14形自動空気ブレーキ
製造年 1955 1956 1957
製造メーカー 日立製作所 三菱電機
新三菱重工業
東芝 日立製作所
改造 1959年
弱め界磁制御追加
1959年
シリコン整流器交換
1959年
シリコン整流器交換
1時間定格出力1,500kWに変更


運用[編集]

4両とも作並機関区に配属され、仙山線での試験では、交流電気車の高性能を実証した。また、レールと車輪の間の摩擦を鉄道では「粘着」と言っているが、車輪の空転が発生した際には、出力を一時的に下げることで再粘着させて容易に車輪の空転を抑える粘着特性も実証した。仙山線での試験終了後の正式交流電化となった1957年9月以降も引き続き運用され営業列車の牽引を開始した。

しかし、直接式のED44形は保守・整備の手間に難があることから、1961年以降は休車状態となり1966年廃車となった。

一方、整流器式のED45形は3両とも1968年の仙山線全線交流電化[14]後も長町機関区に転属して運用され続けていたが、以下の問題が発生していた。

  • 製造後10年以上が経過し一部機器の老朽化が始まっていた。
  • 保守部品も試作車という特殊性から確保に難があった。
  • 重連総括制御ができず、総括制御可能なED78形の運用が始まるとED45形は単機で牽引可能な編成重量の軽い旅客列車中心とした運用に限定された。
  • 冬期旅客列車を牽引の際に必要な電気暖房装置 (EG) ならびに蒸気暖房蒸気発生装置 (SG) が未搭載のため暖房車が必要だった。

また、福島機関区(現・福島総合運輸区)所属のED78形による奥羽本線との共通運用による各種コスト削減の効果も大きいことから、1970年に仙山線用試作交流機関車の取替名目でED78 10・11が製造され置き換えられたために全車廃車となった。

保存機[編集]

2両が静態保存されている。

脚注[編集]

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  1. ^ 既存形式であった信越本線アプト式区間用ED42形との間に「ED43」の形式空番が生じているが、『鉄道ピクトリアル』1956年10月号・p.45でのこの付番についての読者質問(40番代の電気機関車はアプト式ではないのか、云々)に対し、国鉄工作局動力車課担当者は「(当時の機関車形式の)40代は特殊な目的のための機関車」であり、「ED43は将来の新形式アプト電気機関車用に」残してある、と回答した。結果的に新型アプト機関車は作られず、ED43は空番となった。
  2. ^ 既存の実験線区間と仙台 - 陸前落合・熊ヶ根 - 作並間。
  3. ^ 国鉄の新性能電気機関車では、本形式グループと山陽本線瀬野 - 八本松間の補機運用に投入されたEF61形200番台EF67形基本番台東京向き運転台を除いてデッキをもたない。ただし、両形式とも後付改造によるデッキであるため、車体側面の出入口は存在する。
  4. ^ 『とれいん』1986年12月号 p.40
  5. ^ このため台車を鋼板溶接組立で製造することが可能となった。
  6. ^ 牽引力が減殺されるが、仙山線の輸送単位からすれば特に問題となることはなかった。
  7. ^ a b 日本の鉄道史セミナー』 (p.167)
  8. ^ 鉄道データファイル 第148号p.12
  9. ^ 電気機関車、電車用交流整流子電動機は加速力が低く速度制御が難しいとの欠点がなかなか克服できず、直接式は放棄される。後年、電車用交流誘導電動機が実用化されるが、これはVVVFインバータ制御との組み合わせによるもので、上記直接式とは異なる系譜の技術である。交交変換サイクロコンバータは2000年代においても未だ電車用でない小容量のものに限られ、交流電力を一旦直流に変換することなくそのまま使用するという、直接式に近い後継車両は現れていない。
  10. ^ 『鉄道ピクトリアル』1969年4月号 p.19 - 20
  11. ^ 『とれいん』1986年12月号 p.44 - 45
  12. ^ 鉄道ピクトリアル1969年4月号 p.20
  13. ^ ただし、タップ制御は高圧方式に変更された。
  14. ^ 作並 - 山形間の電化方式を直流から交流に切換。
  15. ^ 国鉄末期までは長町機関区構内で保管されていたが、JR化後利府駅構内での留置を経て2002年に再移設された。

参考文献[編集]

  • 久保田博『日本の鉄道史セミナー』グランプリ出版、2005年5月18日、初版。ISBN 978-4876872718
  • 電気車研究会鉄道ピクトリアル』 1969年4月号 No.222 特集:交流電気車
  • プレス・アイゼンバーンとれいん』 1986年12月号 No.144 特集:国鉄試作機関車達の軌跡
  • 河井貞夫、浅野弘、山崎良夫、益富文男、前川愛一「単相商用周波数交流電気車」 (pdf) 『日立評論 車両特集号 別冊』20号 総目次、日立製作所、1957年、 4-18頁。

関連項目[編集]