日本の電気機関車史

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日本の電気機関車史（にほんのでんききかんしゃし）では、日本の鉄道における電気機関車の歴史について述べる。

1 電気機関車の導入
2 輸入機の時代と試行錯誤
3 英国製電気機関車輸入の背景
4 国産化の確立
5 戦後の推移
6 交流用電気機関車の開発
7 直流用新性能電気機関車の開発
8 交流直流両用電気機関車の開発
9 技術開発の停滞
10 国鉄分割民営化後の動向
11 関連項目

[編集] 電気機関車の導入

日本において、鉄道の電化は路面電車など都市交通などを対象にまず行われたが、後には蒸気機関車を従来用いていた路線でも、それが行われるようになった。

そんな中、1912年に信越本線の碓氷峠区間（横川駅～軽井沢駅）が電化され、そこで国有鉄道初となる電気機関車が使用される事になった。もともとこの区間はアプト式ラック鉄道と呼ばれる歯車を用いた車両を用いて急勾配を越える所であったが、それゆえに蒸気機関車では低速運転を強いられたことと、煤煙がひどく乗客や乗務員に難儀を強いる事になったため、電化を行って改善をしようとしたのである。碓氷峠区間では、本線においてはトンネル断面の小ささから第三軌条集電方式を使用し、駅構内では感電の危険性があることから架線集電を採用していたため、この時使用された10000形（後のEC40形）機関車は架線・第三軌条両方の方式に対応できるものとなっていた。この電気機関車の威力は大きく、碓氷峠区間の所要時間はそれまでの1時間15分から49分に短縮された。

その次に、1912年に路線を電化して電車運転を行っていた高野登山鉄道（後の南海高野線）が、1916年に電気機関車を導入した。この機関車は初の日本製電気機関車である。木造凸型車体で1922年までに5両が製造された。最初の1両は台車や電動機、制御器などがアメリカ合衆国からの輸入品であったが、アメリカ合衆国が第一次世界大戦に参戦した翌1917年・1918年に増備した2両については、アメリカ合衆国からの輸送が不可能なためすべての部品を日本国内で製造した。

国鉄でも碓氷峠用として、1919年に国産機の10020形（後のED40形）を増備している。

[編集] 輸入機の時代と試行錯誤

ED19形（ED19 1。WH社製ED53形の改造車）

1925年、東海道本線の東京駅～国府津駅間と横須賀線が電化された。これに先立ち、1922年からED10形を始めとして、アメリカ・イギリス・スイスから多種の電気機関車を輸入した。国産技術がまだ成熟していなかったことから、輸入による技術導入を図ったわけである。

これらの中で、イギリスのイングリッシュ・エレクトリック社製のものが最も大量に輸入されたが、当のイギリスの鉄道においてもまだ電化が進んでいる状況ではなく、殊にイギリス製機関車はよく故障し、その評判は芳しいものではなかった。イギリスの技師は輸入した機関車の故障状況を調べて本国へ送り、その上でイギリスの鉄道電化を進めたという。

そのため導入からしばらくは、故障対策のため後ろに蒸気機関車を補機として連結し、電蒸運転を行なったが、検修陣の必死の努力により故障は次第に克服され、1927年にはイギリス製のED51形がお召し列車を牽引するまでの信頼を得るようになった。

[編集] 英国製電気機関車輸入の背景

当時、幹線の電化推進に伴い欧米各国の電気機関車を試験的に数量ずつ輸入して試験を行ったが、英国製電気機関車の特性は必ずしも優れていなかった。(むしろ劣っていた)それにもかかわらず、何故、当時、電気機関車製造の経験の乏しかった英国から大量に輸入する事になったかというと、当時、我が国を取り巻く世界情勢において、我が国の海軍力の増強を危惧した米英によりロンドン海軍軍縮会議が開かれ、海軍の艦船の保有量を制限する事になったがこの時、英国側の譲歩を引き出す為、懐柔策をとる事になり、外務官僚の主導により、英国製電気機関車を大量に輸入する事になった。鉄道省には事前に通達は無く担当者は驚いたという。

[編集] 国産化の確立

ED16形（ED16 1）

その後、輸入機関車は各形式の両数が少数ずつとなり保守の面で問題があること、国産技術の確立を目指す動きから、機関車の国産化が本格的に進展する事になる。

まず、1928年に輸入機の中で好成績を収めていたアメリカ・ウェスティングハウス・エレクトリック社製のEF51形のシステムを参考として、EF52形が製造された。これは必ずしも性能・信頼性の観点からして完全に成功したとはいえなかったが、ここで確立された技術は引き続いて製造されたED16形やEF53形などにも引き継がれ、国産化を推進する原動力にもなった。

その後、流線型を採用したEF55形なども製造されたが、電化そのものが国鉄では陸軍の反対（変電所が攻撃を受けると、運行不能になると言ったことなど）もあって進展していないこともあって、電気機関車が蒸気機関車の代替を本格的に担うようになったのは、戦後に各線の電化が進められたときまで待つ必要があった。

なお1927年には東京の専用線で用いるため、蓄電池を搭載した機関車のAB10形が2両製造されている。これは、沿線に火薬工場があるため、火の気を持つ蒸気機関車や、架線から出る放電（スパーク）現象が危険だと判断された電気機関車は利用できないと判断されたためである。しかし、1931年には電気機関車のEB10形へ改造された。

日中戦争が勃発した1937年に、画期的な機関車のEF56形が現れる。蒸気機関車の牽引する客車列車では、冬季はボイラーから出る蒸気を客車へパイプで送ることで暖房にしていたが、電気機関車ではそれが出来ないため、従来は東海道本線などの電気暖房を採用していた一部線区を除き、冬季は電気機関車と客車の間に暖房車と呼ばれる暖房用蒸気を作るボイラーを積んだ車両を連結していた。EF56形は機関車本体に暖房用の蒸気発生装置(SG)を備えており、暖房車の連結を不要にしたのである。1940年には、同機の性能を向上させたEF57形も現れた。

なお太平洋戦争末期には、戦時設計と呼ばれる終戦までの一時凌ぎ的な耐久性しかもたず、製造コスト・使用資材低減のみを重視した車両も設計され、それに基づいて電気機関車では凸型車体のEF13形が製造された。これはやはり故障や事故が多く、戦後になって安全対策工事などが施されている。また、戦時買収私鉄から国鉄に受け継がれた機関車も多く存在した。

[編集] 戦後の推移

EF58形（EF58 157）

戦後、1946年より旅客用機関車のEF58形が製造され始める。戦後直後で資材の品質が良くなかったこともあって初期の車両は調子が悪く、暖房用ボイラーも搭載されていないなど、技術的には後退が見られるものであったが、車軸の軸受けには兵器需要の途絶によって浮いたローラーベアリングが採用されており、唯一本形式の進歩的部分であった。さらに1949年から始まったドッジ・ラインに基づく支出抑制などで製造が一時停止されるなどしたが、1952年からは暖房用ボイラーを搭載したことにより車体を延長し、前面2枚窓の流線型にデザイン変更して性能を向上させた改良機が現れて、これが大量に製造されたことから、戦後を代表する機関車の一つとなった。1953年には、60号、61号の2両がお召列車牽引用として発注・製造されている。初期製造車については流線型車体を新製して、たまたま同数であったEF13形に車体を譲り、同形式の体質改善に活用された。

EF58形と同系の貨物用機としてEF15形が製造されており、こちらも200両以上が量産された。

1954年には、電気機器類は従来の方式を踏襲しつつも、走行部分は先台車を廃して通常のボギー台車とした、2車体連結方式の大型機EH10形が製造され、後に登場する直流用新性能電気機関車への過渡的存在となっている。

[編集] 交流用電気機関車の開発

ED70形（ED70 1）

1950年代以降、電化を地方幹線へ拡大するため、従来の直流電化に比べて送電コストを抑えられる商用周波数による交流電化の開発が行われた。1955年に試験線として仙山線の陸前落合～熊ヶ根間（後に仙台～作並間に拡大）が交流電化され、比較のため交流電動機を直接駆動する方式のED44形と水銀整流器を使用して直流電動機を駆動する方式のED45形の2形式が試作され、試験に供された。その結果、ED45形の整流器を使用する方式が採用され、量産機のED70形が1957年に製造され、日本初の本格的交流電化線区である北陸本線に投入された。この際、整流器の2次巻線を利用して降圧し、冬季の暖房用電源として牽引する客車に給電する電気暖房が実用化され、直流電化線区を含む全国の電化線区に普及した。

その後、整流器は有害な水銀を使用する水銀整流器からより安全なシリコン整流器に移行し、シリコン整流器と低圧タップ制御を採用したED75形は交流電化区間における標準型として、1963年から10年以上にわたり300両近くが量産された。

制御方式については、電気回路の無接点化を図ることのできるサイリスタ制御の研究が進められ、1965年にED93形が、翌年には酷寒地（北海道）向けにED75形500番台（S形）が試作された。これらは、1967年に登場したED77形や1968年のED76形500番台によって結実するが、すでに本線用としてED75形等が量産されていたこともあって、これらのサイリスタ制御機が本格的に量産されることはなかった。

[編集] 直流用新性能電気機関車の開発

EF60形（EF60 501）

交流電機機関車の開発によって得られた技術のうち、直流用に転用可能な技術を活用して、新型の直流電気機関車の開発も進められた。これによって誕生した最初の形式が、1958年に登場したED60形である。ED60形は、高出力の電動機やバーニア制御、軸重移動補償装置の採用によって高い粘着性能を与えられ、動軸4軸のD形機でありながら、従来のF形機（動軸6軸）に匹敵する性能を発揮し、以降の国鉄直流電気機関車の基本となった。ED60形は、地方線区で使用されていた私鉄引継ぎを含む雑多な形式の置換えを念頭に開発されたため、電力回生ブレーキを装備した姉妹形式ED61形を含めても20両あまりの製造にとどまったが、主要幹線用としては1960年にEF60形が開発され、本格的な量産が行なわれた。

初期の新性能直流電気機関車は、電動機から車軸に動力を伝える機構として新技術であるクイル式を採用したが、異常振動が多く保守に難渋したため、EF60形の2次量産グループから、旧来の吊り掛け式に戻っている。

以降はEF60形をベースに新型直流電気機関車の開発が進められ、1963年の信越本線横川～軽井沢間の粘着運転切替えにともない、本務機用のEF62形、補機用のEF63形が1962年に登場し、これらから特殊機能を廃した勾配線向け一般機として1964年からEF64形が量産された。平坦線用向けとしては、機器の無接点化等の改良や歯車比の変更によって高速化を図ったEF65形が開発され、1964年から15年にわたって300両以上が量産された。さらに1966年には、高速貨物列車を100km/h以上で牽引可能な高出力機EF90形が試作され、1968年からEF66形として量産に移されている。

[編集] 交流直流両用電気機関車の開発

EF80形（EF80 63）

交流電化が実用化され軌道に乗ると、各地に直流電化区間との接続点が生じることとなった。当初は、作並駅や黒磯駅のように、架線をセクションに区切ってそこに流す電源を切り替えることで直流専用・交流専用の電気機関車を付け替える地上切替え方式が採用され、その後は北陸本線のように非電化区間（米原～田村間）を挟んで、蒸気機関車やディーゼル機関車による交直接続（間接接続）も行なわれた。

しかし、1961年の鹿児島本線北九州地区や常磐線取手以北の交流電化にともない、接続点にデッドセクション（死電区間）を設置し、車両側で交直切替えを行なう車上切替え方式が採用されることになり、交流直流両用車両が開発されることとなった。国鉄では1959年にED46形を試作し、試験を開始した。

整流器を速度制御に活用できる交流専用機と異なり、交流直流両用機は直流機のシステムに整流（変電）システムを追加することとなり機器重量が嵩むため、設計にあたっては軽量化に注意が払われ、各台車に電動機を1基のみ装架して、これで2軸を同時に駆動するシステムが採用されている。まず、関門間接続用のEF30形試作車が1960年に登場し、初の実用機となったが、交流区間が門司駅構内だけであることから、交流区間では部分出力とされていた。直流区間、交流区間とも全出力となる本格的な本線用機関車としては、1962年から製造された常磐線向けのEF80形が初となる。

これらは、いずれもED46形から受け継いだ1台車1電動機方式を採用していた。しかしその特殊な機構から保守に手間がかかるため、通常の1軸1電動機方式を採用し、3電源（DC1500V、AC20kV 50Hz/60Hz）に対応したEF81形が1968年に開発され、標準型として150両以上が製造された。

[編集] 技術開発の停滞

国鉄における電気機関車の抜本的な技術改革は、1960年代で概ね終了し、それ以後は、国鉄のもつ標準化思想やモータリゼーション進展による貨物輸送の衰退の影響もあって、長い停滞の時代を迎えることになる。

最後の国鉄電気機関車の新製機となったのは、1980年から製造されたEF64形1000番台である。性能的にはEF64形0番台を踏襲するものの、機構的には徹底的なリファインが行なわれ、全く別形式といってよいほどの変貌を遂げている。しかしながら、労使紛争による労働組合側からの新車投入に対する反対運動（合理化反対の意味合いが強い）への対策から、新形式は与えられず、既存形式の新番台区分として処理された。こうした例は、全く異なる制御機構を採用しながらも、車軸配置が同一の既存形式に編入されたED76形500番台でも見られた現象である。

私鉄においては、もともと貨物輸送自体が小規模であったことから、出力500kW前後の中型機が使用されてきたが、西武E851形のような、国鉄機に匹敵する高出力機も存在する。しかし貨物輸送の衰退から、私鉄向け電気機関車の新製は1970年頃より一部の例外を除いて行なわれなくなっている。貨物輸送を廃止した私鉄では、事業用やイベント用として電気機関車を保有し続けている例が見られるが、一般に老朽化が進んでおり、中には1920年代製のものを使用している例も見られる。

[編集] 国鉄分割民営化後の動向

1987年4月、経営破綻した日本国有鉄道は分割民営化され、6つの旅客鉄道会社と日本貨物鉄道（JR貨物）が発足した。旧国鉄の電気機関車は、JR四国を除くJR各社に引き継がれた。これ以後、電気機関車の新造を行なったのはJR貨物のみで、旅客鉄道各社では国鉄から引き継いだ機関車のみを使用しているが、牽引すべき列車の減少や機関車自体の老朽化により、いずれの社においてもその数を減らしている。

JR貨物においては、折からの好景気に乗って輸送量が増加したことから、1989年度から電気機関車の新製を開始した。この時の新製機は、速成のため旧国鉄時代の機関車の設計を流用して細部に変更を行なったものとされ、直流用のEF66形、交直流両用のEF81形、青函トンネル用の交流機ED79形が追造されている。

この頃には、パワーエレクトロニクス技術の進歩により、鉄道車両でも使用可能な大容量の半導体素子が実用化され、これとメンテナンス性の高い交流電動機（かご形三相誘導電動機）を組み合わせた、VVVFインバータ制御の新世代型電気機関車が開発されることとなった。1990年には、この技術を採用した試作機、直流専用のEF200形と交流直流両用のEF500形が落成した。これらの1時間定格出力は6000kWという未曾有の高出力機で、貨物列車の編成長大化、速度向上に寄与するものと期待された。試作機による試験の後、1992年にEF200形の量産機が現れたが、その出力ゆえ、変電所にかける負担が過大となり、出力抑制を行なって運用する羽目に陥ってしまった。そのためEF200形の量産は早々に打ち切られ、出力や装備の適正化を行なったEF210形に量産は移行した。また、交流直流両用機のEF500形の量産化は断念されている。

EH200形（EH200-1）

交流直流両用機に新たな展開が訪れるのは1997年である。東北本線～津軽海峡線系統で使用されていたEF65形、ED75形重連、ED79形重連を単機で置き換えるため、EH500形が試作されたのである。同形式は、EH10形以来の2車体永久連結の8軸機となり、試験の後2000年から量産が開始された。

EH級大型電気機関車登場の背景には、JR貨物が大部分の線区でJR旅客鉄道6社や第三セクター鉄道会社に線路使用料を支払って列車を運行する第2種鉄道事業者であることがある。線路使用料抑制の観点から単機で国鉄形重連並みの性能と、保守経費抑制の観点から各線区を通しで運転できる汎用性の高さが求められたことによる。この政策に基づいて、勾配直流線区用のEF64形を置き換える目的でEH200形が、交流直流両用の一般機としてEF510形が量産されている。更にはM250系のように高速運転を行うため、動力分散方式（電車）を貨物列車においても一部で導入する動きも現れた。

しかし一方では、機関車の新製には限度があることから、国鉄から引き継いだ機関車の延命のための更新改造が継続されている。