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電気機関車 でんききかんしゃ electric locomotive

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ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典の解説

電気機関車
でんききかんしゃ
electric locomotive

電力を原動力とする機関車。電気機関車は他の燃料より熱効率が高く,強力な牽引力をもち,加速,減速を高くとることができて,平均速度を向上できる。また無煙で衛生上,火災予防上でもすぐれている。

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デジタル大辞泉の解説

でんき‐きかんしゃ〔‐キクワンシヤ〕【電気機関車】

電気を動力源として走る機関車。日本では明治44年(1911)信越本線横川・軽井沢間の運行が最初。EL(electric locomotive)。

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百科事典マイペディアの解説

電気機関車【でんききかんしゃ】

電動機を原動機とした機関車。使用電流の種類により直流電気機関車交流電気機関車,直流・交流両区間にまたがって運転される交直両用機関車に分けられる。車両用として起動時に最大出力を出すには直流電動機のほうが作りやすいため,従来ほとんどが直流機関車であった。
→関連項目碓氷峠

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世界大百科事典 第2版の解説

でんききかんしゃ【電気機関車 electric locomotive】

ELと略称されることも多い。架空電車線(架線)または第3軌条から集電した電気エネルギーによって車上の電動機を駆動させ,その動力を車輪に伝え駆動力を出して走行する機関車。広義には,ディーゼルエンジンなどで駆動される発電機からの電気エネルギーを利用するもの(ディーゼル電気機関車など)や蓄電池により電気エネルギーを得るもの(蓄電池式電気機関車)を含めることもある。
[歴史]
 1835年アメリカで,レールの上を電池と電磁機械で動く模型が作られたのが最初といわれており,その後もいくつかの試みはあったが,実用的な電気機関車としては,79年ドイツのE.W.vonジーメンスベルリンの博覧会で走らせた約3馬力のものが最初である。

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大辞林 第三版の解説

でんききかんしゃ【電気機関車】

電動機を原動機とする機関車。直流式・単相交流式・三相交流式・蓄電池式などがある。

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日本大百科全書(ニッポニカ)の解説

電気機関車
でんききかんしゃ
electric locomotive

客車あるいは貨車を牽引(けんいん)する目的で製造された、電動機により自走する鉄道車両。客室、荷物室あるいは貨物室を有しない。電力は架線あるいは第三軌条(線路に沿う集電用レール)から集電し、帰線電流はレールに返している。一般的には電車よりも大きい電動機(最大1600キロワット程度)を搭載し、牽引性能を最大限発揮できるように台車の構造も電車のものとは異なっている。電気方式は、直流、単相交流および三相交流があり、鉄道によって電圧や周波数が異なっている。日本では東京や大阪などの大都市近郊鉄道、東海道線などが直流1500ボルト、鹿児島本線、北陸本線などが交流20キロボルト60ヘルツ、常磐線(藤代以北)、東北本線(黒磯以北)、函館本線などが交流20キロボルト50ヘルツとなっている。走行する線区の電気方式に対応して、直流電気機関車、交流電気機関車、交流・直流の両区間を直通運転ができる切換え装置を備えた交直流(両用)電気機関車がある。ヨーロッパでは国によって交流・直流の別があり、電圧や交流の周波数も違うことがあるので、国際直通運転のために多電源切換えの設備をもつ電気機関車が使用される。[西尾源太郎・佐藤芳彦]

構造

台車と車体、集電装置(パンタグラフ)、主制御装置、電動機および駆動装置、電動機冷却用の電動送風機、電動発電機、補助機器制御装置、空気ブレーキ装置、運転台と運転制御機器、計測器などで構成されている。旅客用電気機関車には列車暖房装置を設備しているものもある。
 客貨車を牽引する方式として、(1)台車から心皿または引張り棒を介して車体に力を伝え、車体の端の連結器で牽引する方式と、(2)台車に連結器が付き、車体に関係なく牽引する方式とがある。1950年代までは(2)の台車直結方式が多かったが、台車を強固にする必要があって重量が増えるので、1960年代以降は(1)の形式が世界的に広く採用されている。日本では(1)にはEF65形など、(2)にはEF58形などがある。
 駆動用の主電動機と歯車減速装置はほとんどの場合台車に装荷されるが、他の機器は車体内の機器室に収納する。したがって、小型では中央に運転室のある凸型電気機関車もあるが、多くは箱型車体の両端に運転室を配した両運転室型である。ヨーロッパの山岳線用、重量貨物用には両端のデッキにあたる部分にも機器室がある凸型で、俗にクロコダイル(ワニ)型とよばれる大型もあったが、現在では小型・軽量化技術が進歩して箱型が標準の車体形状になっている。[西尾源太郎・佐藤芳彦]

運転と電力方式

〔1〕直流電動機駆動
(1)直流電気機関車 日本では国際的な標準電圧の1500ボルトを集電電圧として採用しているが、イタリアや南アフリカ共和国の3000ボルトのように異なる国もある。1980年代までは、駆動用電動機(主電動機)として直流電動機が使用されていた。直流電動機では、起動から速度をあげるにしたがって主制御用の多段スイッチ(単位スイッチまたはカム軸制御スイッチ)の操作で主抵抗器の抵抗値を順次に減らし、主電動機に流れる電圧・電流を増やしてゆく。同時に主電動機を直列から直並列、並列と接続を変えて回転数とトルク(回転力)を変換し速度を制御する。さらに速度をあげる場合には主電動機の主界磁の強さを弱める界磁制御を行う。主電動機の直流直巻(ちょくまき)電動機は、起動時のトルクが他の電動機よりも強く車両用に適しているが、電圧・電流を制御する直列抵抗器で熱を発生するむだがあり、さらに冷却にもエネルギーと余分な空間が必要である。半導体素子の進歩によってサイリスタによるチョッパ制御を経て、1980年代後半から交流誘導電動機あるいは同期電動機を主電動機として採用するようになり、直流電動機は使われなくなった。
(2)交流電気機関車 日本の在来線の集電電圧は20キロボルト50ヘルツまたは60ヘルツ単相交流である。ヨーロッパは25キロボルト50ヘルツまたは15キロボルト16 2/3ヘルツ単相交流、アメリカは11キロボルト25ヘルツ単相交流が主である。南アフリカ共和国や、アメリカ、カナダの鉱石などの重量貨物専用線には50キロボルト50ヘルツ単相交流が使われている。
 制御方式は直接式と整流器式に大別された。直接式では車両上の主変圧器で電圧を下げ、そのまま交流整流子電動機を駆動する。整流器式は、主変圧器である程度降圧したあと、主整流器と平滑リアクトルで脈動の少ない直流に変えて直流電動機を駆動する方式で、1990年代までの日本の交流電気機関車はほとんどこの方式である。交流電化開発当初の1960年代前半には水銀整流器が使われていたが、半導体式のシリコン整流器にかわった。また変圧器のタップ切換えによって行っていた速度制御も、サイリスタを使用しての位相制御によって電圧を連続的に変換する方式が採用されるようになった。
〔2〕交流電動機駆動
 交流誘導電動機の回転数およびトルク制御のため、集電した直流を三相交流に変換し、電圧と周波数を連続的に制御するVVVFインバーターが開発された。これにより交流誘導電動機が主電動機として使用できるようになり、スイス、ドイツおよび日本で採用された。一方、フランスはインバーターの開発に後れをとり、構造の簡単なインバーターでも制御可能な同期電動機を主電動機とした。誘導電動機は、回転子にコイルをかご形に配置して、界磁コイルからの回転磁界で回転子コイルに電流を誘起させてトルクを発生させている。電動機の構造は簡単であるが、直流を三相交流に変換するためにインバーターには電流開閉速度の高い高速形の素子を使う必要がある。一方、同期電動機は、整流子によって外部から回転子に直流を供給して電磁石を作り、この電磁石が界磁コイルの回転磁界に引っ張られてトルクを発生する。電動機の構造は複雑になるが、直流を三相交流に変換する際に電動機に発生する反起電力を利用することができるので、インバーターには高速形素子を使う必要がない。フランス国鉄は、交直流電気機関車26000形やTGV-Aなどに同期電動機を採用した。その後は高速スイッチング素子の発達により、インバーターの性能が上がり、価格も下がったので、誘導電動機駆動の機関車が製造されている。
 交流電動機駆動により、直流電気機関車と交流電気機関車の実質的な差はなくなった。主変圧器と交流を直流に変換するコンバーターを除けば、インバーター、主電動機は両者共通である。ヨーロッパのメーカーは、おもなコンポーネントを共通とした同じ性能の機関車を、直流、交流および交直流として製造している。VVVFインバーター制御交流誘導電動機駆動は、1980年代半ばから、直流、交流電気機関車にかかわりなく、採用されるようになった。[西尾源太郎・佐藤芳彦]

歴史と現状

1834年、アメリカのダベンポートThomas Davenport(1802―1851)が電池で走行する模型をつくった記録が最初の発想である。1879年、ドイツのE・W・ジーメンスが初めてベルリンで実用車の試験に成功した。日本では1912年(明治45)、信越本線横川―軽井沢間の碓氷(うすい)峠アプト式歯車軌条区間が電化され、ドイツのアルゲマイネ社(AEG:Allgemeine Elektricitts-Gesellschaft)製の10000形(のちEC40形と改称)12両で運行を開始したのが営業運転の始まりで、この区間には1919年(大正8)当時の鉄道院大宮工場(現JR東日本大宮総合車両センター)製の最初の国産電気機関車ED40形が増強された。1922年、東京―神戸間の電化計画が帝国議会で承認され、電気機関車の採用が本格的に始動した。その年から昭和の初年にかけて、電気機関車技術の先進国だったアメリカ、イギリス、ドイツ、スイスの4か国から数種類の電気機関車が輸入された。1926年には日立製作所が3両の中型電気機関車(後のED15形)を試作して輸入電気機関車とともにテストされ、同型電気機関車は長野電鉄、南武鉄道にも納入された。この技術蓄積のうえに、日本初の鉄道省標準型大型電気機関車EF52形が完成したのが1928年(昭和3)である。東海道本線は1925年暮れに東京―国府津(こうづ)間が電化され、1928年には熱海(あたみ)までの電化が完了した。1931年には上越線水上(みなかみ)―石打間、中央本線八王子―甲府間が電化され、山岳急勾配(こうばい)用の中型電気機関車ED16形の開発により国産化も定着した。
 全国幹線の電化は第二次世界大戦の影響もあって戦後に持ち越されたが、大型電気機関車は日本の大手重電メーカーの主力製品となり、戦後の鉄道電化は業界再建に大きく貢献した。1950年代には国鉄における交流電化の技術開発が進み、各種の試作を経て1957年(昭和32)に北陸本線の田村―敦賀(つるが)間に本格的量産機の交流電気機関車ED70形が登場した。交流電気機関車はその後、水銀整流器式からシリコン整流器式に発展し、また直流電化区間にも直通運転ができるEF80形などの交直流両用電気機関車がつくられるようになった。また、動輪周の粘着力強化技術の進歩に伴って、アプト式歯車軌条を用いていた信越本線碓氷峠にEF63形直流電気機関車が急勾配専用補機として使用されるようになった(1997年、長野新幹線開業に伴い碓氷峠区間(横川―軽井沢)は廃止された)。
 電気機関車は水力電気の豊富なスイス、スウェーデン、ドイツ、イタリアなどのヨーロッパ諸国を中心に発達してきた。これらは三相交流、低周波数(16 2/3ヘルツ)交流あるいは直流を電源としていた。第二次世界大戦後は、1950年ごろからフランスが商用周波数交流電化を本格的に研究し、1954年にベルギー国境に沿う重工業地帯の北部幹線の交流電化を行った。さらに、フランス国鉄が1955年3月に最高時速331キロメートルを記録した直流1500ボルトの電気機関車は、商用周波数電化とあわせて電気鉄道の可能性を世界各国に知らしめ、日本の新幹線やフランスのTGV(テージェーベー)の契機となった。これらが直流電動機を駆動用として採用していたのに対し、ドイツ連邦鉄道(現ドイツ鉄道)は整流子のない誘導電動機駆動の可能性を追求し、1983年からVVVFインバーター制御交流誘導電動機駆動による強力多用途電気機関車E120形を量産した。これにより、動輪とレールの粘着(摩擦力)性能向上と電動機の大出力化が達成された。これを契機とし、各国は交流誘導電動機あるいは同期電動機駆動の機関車開発を進め、狭軌(1067ミリメートル)でも1000キロワット、標準軌でも1600キロワットの出力の電動機が登場し、直流電動機駆動の機関車は製造されなくなった。パワーエレクトロニクスの進歩により、2000年以降はGTO素子に代わってIGBT素子を使用したVVVF制御誘導電動機駆動が広く普及している。GTO素子はサイリスターベースの素子であり、電流のオンオフ(スイッチング)のためスナバー回路を必要とし、スイッチング速度も数百ヘルツにとどまり、機器の容積が大きくなっていた。トランジスターベースのIGBTが実用化され、スイッチング速度も数キロヘルツと高くなり、スナバー回路も不要となったので、機器が小型になった。また、ベクトル制御、クリープ制御などの技術により車輪とレール間の粘着も最大限利用できるようになった。これらの新しい技術の開発によって、高速化と大輸送能力の推進役としての電気機関車の重要性はますます増大するものと思われる。
 日本では、長距離列車は新幹線電車に、大都市近郊列車も電車に置き換わって、電気機関車の存在はあまり意識されなくなっているが、ヨーロッパ、アジアでは、電気機関車牽引の客車列車が主力である。長距離列車、近郊列車ともに二十数両におよぶ客車を牽引して輸送の主力となっている。電気機関車が、電車とともに今後の鉄道の主力と考えられるのは、次のような特徴によってである。
(1)電力のエネルギー源として水力、石油のほかに多様なものを使うことができる。
(2)エネルギー効率が高く、とくにブレーキ時に電動機を発電機として作用させる電力回生ブレーキによって電力を節約できる。
(3)電動機は、エネルギーを外部から供給されるので、大きな出力とすることが他の動力機関に比べて容易であり、どんな線路条件でも高速運転が可能で出力も大きく、とくに急勾配の登坂の速度特性が優れている。
(4)他の動力車のように燃料・水などを搭載しないですむので余分な負担重量や乗務員の労力が不要で、車両も乗務員も運用効率が高い。
(5)煤煙(ばいえん)や排気ガスを発生しないので、沿線や客室を汚染しない。
(6)検査や修繕が容易で車両維持費が安く省力化が可能である。
 その反面、次のような短所もある。
(1)使用範囲が電化区間に限定される。
(2)路線の電化設備投資が高価なので、輸送量の少ない区間や大陸横断鉄道のような長い区間では全域の普及がむずかしい。
(3)地上電気設備が故障すると全域が運転不能になることがある。
(4)構内での入換えや除雪のように、架線がじゃまになる作業には向かない。
 しかし、CO2削減やエネルギー源の多様化のため、旅客・貨物の鉄道輸送量の大きいヨーロッパやアジアで電化が進められている。とくに経済成長の著しい中国やインドは、毎年数百キロメートルの電化を行っている。これらの地域で、電気機関車は増加傾向にある。[西尾源太郎・佐藤芳彦]
『川添雄司著『交流電気車両要論』(1971・電気車研究会)』

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世界大百科事典内の電気機関車の言及

【機関車】より

…原動機を搭載して自走できる鉄道車両で,自らは旅客や貨物は積まず,客車や貨車など自分では走行できない車両を連結してけん引するものをいう。搭載する原動機の種類によって電動機を用いる電気機関車,ディーゼルエンジンを用いるディーゼル機関車,蒸気機関を用いる蒸気機関車,ガスタービンを用いるガスタービン機関車などに分けられるが,これをさらに使用目的から本線用,支線用,こう配用,補機用,入換え用などに,またけん引する列車の種類によって旅客列車用,貨物列車用,客貨両用などに分類することもある。このほか特殊な原動機を用いる機関車としては,蓄電池で電動機を駆動する蓄電池機関車,圧縮空気で駆動される圧縮空気機関を利用した圧縮空気機関車などもあり,また駆動機構の特殊なものにはアプト式鉄道で用いられるアプト式機関車などがある。…

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