電気機関車

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電気機関車

最速の電気機関車であるTGV

電気機関車（でんききかんしゃ）は、電気を動力源とする機関車のこと。EL(Electric Locomotive)とも呼ばれる。

[編集] 概要

電気機関車は電車と同様、架線などの外部電源から電力を受電し、その電力を電動機（モーター）で動力へ変換し走行する。しかし電気機関車は電車と違い先頭車両が牽引車両となっており、後方の車両は電動機を持たない単なる客車や貨車である。後方の車両は電気系統が省略できるため電車よりも廉価に製造できるが、牽引能力が必要であるため電車に比べ高出力の電動機を搭載する必要があり、牽引車両には貨物や旅客の積載ができず巨大な電気容量を持つ機器が必要である。その機器類を機関車室内の床面上に搭載するため、その分乗客や貨物を乗せるスペースが削がれる。

また、車体の前後に運転台を有することが多いため、起終点・スイッチバックでは蒸気機関車のように転車台による転向は必要ないものの、機関車を前後に付け替える機回しと呼ばれる作業が必要となる。その手間を省くため、客車の前後に機関車を連結したり、客車の後部に機関車を遠隔制御できる運転台を装備したプッシュ・プル・トレイン（ペンデル・ツーク）がヨーロッパなどでは実用化されているが、自動連結器を使用する日本では推進運転を行なう際に速度制限がある（尾久車両センター#推進回送参照）ため、営業運転では低速運転で事足りる観光用のトロッコ列車（ディーゼル機関車牽引であるが）に例があるのみである。

客車の下部にそれぞれ動力モーターを持つ電車に比べ、先頭の機関車に大きな電動機を積むことにより一編成の製造費用が電車に比べ安くつく反面、走行中に先頭車が障害を起こした場合に走行が不可能となる。また、加減速能力は動力分散方式の電車のほうが高く設定できる為、機関車牽引列車は高密度運転には向かないとされる。しかしながら、機関車牽引列車は客車にモーターを持たない為、車内に静かさが求められる用途（寝台列車など）には機関車牽引が向いている。

電気機関車はフランスのTGVなど、世界的には高速鉄道にも用いられる方式である。

なお、日本におけるその推移については日本の電気機関車史を、個々の車両形式については日本の電気機関車一覧を参照。

[編集] 構造

架線などから電気を機関車内の回路に取り入れ、電動機を回転させて走行する。架線から取り入れる電源の種類により、直流電気機関車、交流電気機関車、交流直流両用電気機関車に分類されるほか、蓄電池を使用したバッテリー電気機関車などというものもある。黎明期には、直流電源を使用するのが一般的であったが、後に大電流を送電できる交流電源を使用するものが実用化された。交流を使用する場合は、商用周波数の単相特別高圧を使用するのが一般的であるが、初期には三相交流や低周波数を使用することもあった。集電方式は、架空電車線方式が一般的で、高速運転にも適するが、第三軌条方式のものもある。

電動機から出力された動力は、一般に歯車によって減速され、車輪に伝えられる。減速段数は1段であることが多いが、2段減速である場合や、一旦ジャック軸に出力され、そこからロッド（連結棒）により各軸へ出力される場合がある。電動機は、台車の各軸に1個ずつ装架されるのが一般的な方式であるが、1個の電動機で同じ台車の2軸を同時に駆動したり、2個の電動機で1軸を駆動するもの、電動機を床面上に搭載する場合もある。駆動方式は、台車装架の場合構造の単純な吊り掛け式が一般的であるが、軌道への負担や電動機への衝撃を軽減したリンク式やクイル式といった方式もある。床面上装備の場合は、ジャック軸式や歯車を用いるブーフリ式などがある。

制御方式は、直流用や交流直流両用では、抵抗制御と直並列組合せ制御が一般的である。また、加速時の空転を少なくするため、ノッチの制御段数を増やしてきめ細かい制御を行なうバーニヤ制御が併用されることがある。

交流用では一般的な低圧タップ制御のほか、整流器の機能を活用した無接点式のサイリスタ位相制御なども使用される。交流用機関車では、出力電圧を連続的に変化させることができるため、直流用に比べて少ない動軸数で同等の粘着性能を発揮することができる。

近年では、かご形三相誘導電動機を用いたVVVFインバータ制御を用いた大出力のものが多くなっている。

[編集] 分類

内燃機関を駆動して発電し、その電気でモーターを回転させる形態の機関車については、電気式ディーゼル機関車と呼ばれる。ディーゼル機関車に分類されるが、纏めて電気機関車に分類する場合もある。詳細は気動車・ディーゼル機関車の動力伝達方式#電気式を参照のこと。

[編集] 電気機関車と蒸気機関車の性能差

電気機関車と蒸気機関車では、通常、電気機関車の方が高性能とされている。

これは、運動エネルギーに変換される以前のエネルギーを自車に蓄えず、架線からリアルタイムに取り入れている為、車両の容積をすべて動力機構に使えるのに対して、蒸気機関車はその容積のほとんどを、蒸気を発生させる為のボイラーで占めていることに由来する。

しかし、過去にはこれに異論があった。モーターという動力源の特性上、電圧制御でトルクを抑えた状態で起動し、加速と共にトルクを最大値にする必要がある為である。これに対して、蒸気機関は起動時から最大トルクを発生させることができる（なお、この点においては、ディーゼルエンジンなどの内燃機関も及ばないが、ディーゼル機関車は変速機を用いてより理想的な回転数で最大トルクを発生させることが可能な為、この点では電気車よりも有利といわれている）。最大出力の点においては電気機関車に有利であっても、重量級列車の牽引に当たってはそれほど差異はないという意見もあった。

この論議に決着をつけるべく、日本では1967年、新鶴見機関区において、EF15形電気機関車とD51形蒸気機関車を背中合わせに連結して、綱引きの要領による起動力比べが行われた。結果はEF15形の圧勝であった。

以降、「起動時は蒸気機関車のほうが上」という議論はなくなった。