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6 主回路の機械・器具（田中隆三の電気機関車読本　�U）

6.1　バンタグラフ top

　パンタグラフは架線や線路の勾配と、機関車の速度に応じて常に上下左右に振動するものであるが、この変化に伴った運動をして、たとえ瞬間でも架線を離れることのないように設計されねばならない。
　バンタグラフには摺板を押し上げる機構によって、次の2方式がある。

　この力は上昇する場合と下降する場合とでは、各部の摩擦の2倍に相当する力だけが下降の場合に増加する。
　普通上昇のとき4kg以上、下降のとき6kg以下となるように設計をする。
　またＰＳ14Ａ形には上昇に際して架線に摺板が接触する直前における上昇速度が緩やかになるように緩衝装置がもうけられる。
　バネによる押上力は、バネの数を多くし、撓みを増し、バネテコの長さを長くし、パネテコの角度を大きくすれば、増加することができる(注1）。
　摺板は在来は専ら鋼を使用していたが、鋼材の節約と架線の摩耗防止とのために、今日では特種のものを除いては、炭素板を用いている。
　炭素板を用いたとき、その集電容量は鋼の約1/2で、1枚につき約1,500A程度であるが、取替標準(磨耗量において、鋼は約4mm、炭素は約10mm）まで達するのに、鋼は8,000〜12,000 kmに対し、炭素は15,000〜25,000kmすなわち約2倍長い。
　炭素摺板の利益は、上記の寿命が長いほか、重要資源である鋼材を節約し、無火花性・潤滑性においてすぐれているから、架線保守にはきわめて必要な要素になるが、機械的強度弱く、雨雪に対して急激に潤滑性を失い削摩耗量が増大するほか、局部過熱のために架線を熔断することが欠点とされている。
　このために、最近は接触抵抗少なく且つ鋼材を余り使わない焼結鋼合金ブロイメット(注2）が使われるようになった。

(注1）　バネによる押上カモーメントの計算式は普通　Ｍ＝N・Ｐ・Ｓinθが用いられる。ただしこの場合Ｍ＝押上カモーメント、Ｎ＝バネの数、Ｐ＝1本のバネの引張力（kg）でw・dで表わす。
　ｗ＝単位長さの撓みに対する荷重(kgcm）、d＝撓み(cm）、r＝バネテコの長さ（cm）、θ＝バネテコの水平となす角とする。
(注2)　ブロイメットの成分は銅粉80％、錫粉10％、黒鉛5％、鉄粉5％を焼結したもので、寿命は50,000〜70,000キロといわれるが、価格の高いところに難点がある。

6.2　高速度遮断機 top

　電気装置の故障によって、電気機関車の主回路中に異常な大きい電流が流れると、大切な主電動機をけじめとして、単位スイッチ・主抵抗器・逆転器などの主な機械類を焼いてしまうことがある。
　この大きい電流が極大値に達する前に、回路から遮断するための保安装置として、通常次の3種の方法を用いる。
　　ア　元ヒユ−ズ
　　イ　断流器（過電流継電器と一緒にはたらく）
　　ウ　自動遮断器
　元ヒューズは60OＶのアプト式機関車や、電車のように小馬力のものに用いられ、断流器は次の自動遮断器のない機関車に、主回路の電流を常時開閉する用途のほかに、異常過大電流を過電流継電気との同時作用によって切る役目をさせるために用い、また自動遮断器は、電流の開閉作用と遮断器の引外し作用とをかねたもので、故障回路を速かに、しかも安全に電源から切りはなすところに特長をもっている。
　この代表的のものが高速度遮断器（ハイスピード・サーキットブレーカ、俗にハイピ−という）である。
一般に回路に短絡現象が翌生して、短絡電流が最高値に達するまでにはある時間を要するが、この値になるまでに遮断をはじめると、それから先は、電磁吹消作用によってそれ以上の電流値とならないから、完全に切れるまでの時間は問題とならないのである。

　そうして戦前に使用していたものは大部分が芝浦式で、戦後新しく取付けるものも芝浦式1本となる模様であるから、以下このものについて説明しよう。　高速度遮断器（芝浦式）の作用原理は、巻数は少いが（2回巻）抵抗値の小さい主電流の通る逃しコイル（バッキングコイル）と、抵抗値多く常用電流は低いが、巻数の非常に多い保持コイルとが同一の鉄心に、お互いに磁力線を打ち消し合うように巻かれてあって、常用電流では保持コイルによる磁力線は強いから、主回路は閉じているが、短絡電流か流れると、電流ｘ巻数の値が急増することによる反対磁力線は急に増えて、保持コイルの磁力線を打ち消すとともに、接触子テコには強力な引外しバネがついているので、一層早切れのはたらきをするのである。

6.3　過電流継電器 top

　電気回路の故障の場合、自動的に保護する保安装置として用いるもののうち、前記の高速度遮断機とは別に、それよりも少い過電流で他の単位スイッチを回り、主電動機を保護するものがすなわち渦電流継電器（注2）（オ−バロードリレイ）である。

（注2）過電流継電器は、従来過負荷継電器と称したたものをいう。
「過負荷」とは原語「オーバロード」を直訳したもので、「過電流」は過大電流を略したものである。

6.4　単位スイッチ top

　電気機関車の主回路の電流は、主電動機へ必要な量を通じてやるために回路を閉じる役目をするほか、起動抵抗の加減をしたり、主電動機の組合せを変えたり、あるいは、全電動機界磁の切換をやったり、またはこれらの電流を切ったりすることが必要である。
　この目的のためにもうけられたものに電気機関車では単位スイッチ（注3）またはカム軸接触器などがある。

（注3）単位スイッチはカム軸接触器などと総称して、全接触器（コンタクタ）といわれる。
　また断流器の役目をもったのも同一原理をもったものは単位スイッチという。

　単位スイッチ（ユニットスイッチともいう）は可動部分と作用部分とが一つの単位となっているのでこの名がある。
　またカム軸接触器（カムシャフト・コンタクタ）はカム軸を他の動力で回転し、回路を切入する部分とは別個の部分となっている構造のもので、電車にはこの方式を用いるが、電気機関車には

　電流を空気中で遮断すると、その多少にかかわらず必ず大なり小なりの音と火花（アーク）が出る。
　この現象は電弧のエネルギが音と光のエネルギに転化したもので、小さい値の間はそのまま放置しておいても差支えないが、大きくなるに従ってあらゆる手段を講じてこれを小さくするか、または安全な方へ導いてやらねばならない。
　これは主回路の電流を切る場合は最も必要なことであって、前に述べた火花案内はその一つの方法であるが、次の二つの装置は火花を防ぐ方法として最も大切なことである。
　ア　火花吹消装置
　イ　火花流し装置

　これを単位スイッチに取付けるには、前方斜め下から挿しこんで掛金をかけるのと、吹消コイル鉄心を中心として回転し掛金をかけるものとかあるが、新車には主として後者が用いられる。
（第15図は火花流しを鉄心を中心として上げた位置を示す）
　ここで直流回路の遮断に関する二・三の問題について概説しよう。直流回路の電流を遮断する場合には、さまざまな要素によって複維な現象が発生するもので、これを一概に述べることはむずかしいが、一般に考えられている要素はつぎのことがらである。
　ア　電流の大きさ
　イ　電圧の大きさ
　ウ　遮断時間の長短
　エ　負荷の性質
　電流の大きさは、大きいほど遮断時に発生する火花は大きいことは容易に考えられる。
しかし、前に述べた吹消コイルの構造を適当に設計することによって、大きい火花を充分防げるし、場合によっては電流値が小さいために、かえって切りきれない例も少くないことを忘れてはならない。
　電圧は例外なく大きいほど火花は悪質化するが、常用電圧と遮断時の電圧とではいちじるしくちがうもので、次に述べる遮断時間と負荷電流の性質によるが、普通遮断電圧は常用の2倍もしくはそれ以上に達する。
　これが1列車だけでなく2列車以上が同時遮断するときは一層この電圧は上る。
　この場合の異常に昇った電圧をサージ電圧という。
　遮断時間は、もちろん長くなることは遮断に要するエネルギが大となりいろいろの損失を招くが、しかし極端に短くすることはかえって悪い結果をきたすものである。
　すなわち遮断時間に対する電流の減少割合は、直線ではなくて、最初はいちじるしくないが、終りになるにしたがって、急激に減少して零となる。
　遮断時間は短いほどこの終りの傾向が急角度となり、遮断電流は急上昇するからである。
　負荷電流は単なる抵抗回路である場合と、自己誘導をもった回路とでは非常なちがいがある。

　主接触部の下接触子は、上下に運動して主回路の開閉を行うことは前述の通りであるが　この運動は絶縁碍子（12）を介したシリンダ（11）内を上下動するピストンの運動による。
　シリンダヘの圧縮空気の出し入れは、次に述べる電磁弁の作用によるもので、ピストンの下側に空気が入ると、ピストンバネの反力に打ちかってピストン棒を押し上げる。
　同ビストン棒の上端にピン接触されている下接触子は火花案内（5・6）・絶縁継手とともに上方に動いて上接触子に閉じる。
　そしてピストン下側の空気が排出されると、バネの反力とこれらの重量で勢いよく接触部は開かれる。
　上下接触子の開放間隙はこのビストンの行程に直接つながりをもつもので重要である。
　すなわち、このものは広いほど動作を鋭敏にし、火花吹消効果を大ならしめるが、余り広すぎると、接触圧力を減らし、閉じ作用がにぶくなる。
　しかし、開放速度が過大となることは前述のように遮断電圧を徒らに上げるので、シリンダの排気を別に述べる電磁弁の排気孔でしぼって、除々に切る方がかえって良い効果が得られるといわれる。
　ある特定の単位スイッチには、ピストン棒の絶縁碍子の下側、シリンダとの間に受けを介して連動部がとりつけてある。
　単位スイッチ相互間でお互いにー方が閉じると、必ず他方が開かねばならないものや、これと反対の作用をさせないと短絡接地事故を起すようなスイッチがある。
　これらを相互に抑制するしかけを連動（インタ・ロッキング）と称し、ピストンの動作とつながりをもたせてあるのが、上記の連動部である。
　よって連動部は一組以上の制御回路の接触指と接触片とからなり、あるものは「切」のまま回路を閉じ、あるものは「入」で回路を閉じ、またはこれと反対の回路を作るなど、各種の組合せが行われる。
　電磁弁については節を更めて述べる。

　これを通常抵抗室と称するが、これは主抵抗器が機関車の起動回数に応じて非常に高温となり抵抗器によっては200〜300度に達するので、他の電気器類の絶縁を破壊されることをさけるために、床下から自然通風を施したり、最近の機関車のように、抵抗器の容量を極度にきりつめたものにあっては、押込通風を行って冷却効果をねらったものもある。

6.6　主電動機 top

　電気機関車を駆動する原動力となる電動機を特に主電動機（メインモータ）といい、これは電気機関車の心臓部ともいうべき、最も大切なしかも最も高価な部分である。
　電気車用電動機には、単相交流電動機・三相交流誘導電動機・直流直巻電動機などが用いられ、それぞれ特徴があるが、　
　（1）構造・理論が簡単であること
　（2）わが国の輸送要請に適すること
　（3）電気方式の一元化
等の利益のために、わが国では専ら直流流巻電動機が使用される。
　主電動機の構造及び作用はほかの直巻電動機と同様の原理を有し、かつ極めて重要なものであるから、以下少しく詳細に説明を加えよう。

　一般に導線が磁界の中で磁束を切りながら運動すると、その導線中にはある電源を発生することは、電動機の原理で知られる。
　しかし回っている電動機の電機子も同様に磁束を切って運動するから、そのコイル中にも電圧を発生する。
　このときの電圧はフレミング右手の法則に従うから、外部から電機子に送られる電流、すなわち供給電圧に反対する方向であることがわかる。
　よって電動機電機子に新たに誘導されたこの電圧を電動機の逆起電力という。
　直巻電動機の電機子コイルは太い抵抗の小さいものを用いるから、回り初めには非常に大きな電流が流れる。
　この電流と界磁との作用で電動機は回るが、回り出すと電機子コイル中には上記の理屈で逆起電力が発生し、加えられた電圧はそれだけ減り、電流も小さくなって回転を増す力もそれだけ滅少し、結局外から加わる電圧と電機子で発生する電圧とが釣り合うような一定の速さで電動機は回転をつづける。
　ところが電機子に発生する電圧は発電機の場合と同様に、回転速度が増すと増加し、また界磁が強くなっても増加する。
　よって外から加えた電圧が一定のときは、界磁は強いほど回転数は低くても高い電圧を発生するから、電動機の速度は低くなる。
　界磁が弱いと、これとは逆に速度は速くなる。以上の特徴を要約すると
　ア　起動時または低速度で大きい回転力が出せること。
　イ　回転速度が増加するに従い電流の大きさが減少すること。
　ウ　回転速度の調節が容易に行われること。

　極片部の電機子に面する部分では、電機子が回転する際、絶えず磁束密度が変るので、そのためにいわゆる渦流が生じ(注6）、この部を過熱するおそれがある。

（注6）　導体が大きいかたまりであるときには、導体のうもの各点で異った強さと異った方向の起電力が発生するが、この起電力によって流れる電流を渦電流という。
渦流のために外部磁束と反対にこれを妨げようとする作用が起り、これが熱となって現われるのである。

　故に主電動機では、鉄心全体を厚さ4.6mmの薄軟鉄板を190mm重ね合せボルト(7）で枠にとりつける。
　但し補極(8）は極片の弧の長さが余り大きくなく、渦流熱のおそれも割合に少いので、一つものにつくられる。
　界磁巻線はこれに電流を通じて、電動機の磁路に必要な磁束を作る役目をする。直流電動機では負荷電流がそのまま界磁に流れるから、断面の大きい長方形(3×30mm）の銅の平板を用い、アスベストペーパ・マイカナイトペ−パなどで絶縁した上、木綿テープを巻いて、耐熱性の高い強度の大きいものとする。
　主界磁巻線は端子が4箇もうけてある。
　これは、界磁全体を用いるときと、一部を用いるときとあるからである。
　前の場合を全界磁といって常用し、後の場合を弱め界磁といって速度を早めるときに用いる。
　界磁巻線も主界磁(4）と補極界磁（5）とがあるが、補極が主界磁とちがうところは、コイルの断面がいく分大きい(3.5×44mm）ことと、巻数が少いこと及び巻き方が反対になっていることなどである。

　主電動機電機子コイルの巻き方には、
　（ア）コイルが一巻きごとに元の方向の隣りの整流子へ戻りながら巻かれる重ね巻と
　（イ）波のように前方へ進みながら電機子を一周し、コイルの絡端は最初の整流子の隣りに戻る波巻とがある。
　波巻は重ね巻にくらべて、同じ電圧に対して導体の数が半分しか要らない。
　すなわち、重ね巻では極数だけブラシが要るが、波形では2つでよいという利点があるので、言い換えると、主電動機では場所が狭く、電圧が高いので、導体の数は成るべく少い方がよいし、またブラシの検査や修理が容易にできるように、特種のもの(注7）を除いて波巻を用いている。

（注7）　特種なものとは、アブト式機関車（旧）のように電圧の低いものやブラウンボベリ社製機関車のように大電流を通ずるものを指し、重ね巻を用いる。

ブラシは長い立方体をなした第28図のような形のものを多く使用する。 　ブラシの性質は製作所によって多少ちがうが、その代表的のものはつぎの表に示す通りである。 　この表のうち、現在最も多く使用しているのはＥＧ−41 である。 　主電動機の回転は常に変るので特種のもの（注8）を除いて、一般電動機のように整流状態をよくするためにブラシの位置を変えることをしない。 （注8）特種のものとは、アブト式機関車でブラシ進退器をとりつけたものを指すが、このものも整流作用をよくするために用いるのでなくて、点検の際に一ヶ所で全部のブラシをしらべるために使う。

第28図　ブラシ

　保持器座の電動機枠への取付は2箇の碍子（3）をへだてた2本の絶縁軸を介して行われる。
　電機子に出入する電流は、ブラシ・ブラシ抑え・編み銅線（図には示してない）保持器枠を経て口出線に通ずるものであるから、それらの各部の按配は充分注意して締めつけ、回路抵抗を少しでも減らすよう保守せねばならない。

6.6.4　主電動機に起る二、三の作用 top

　主電動機に負荷電流を通じて回転する場合には、さまざまな作用が起るものであるが、いまこれらのうち最も大切な二、三の作用について説明しよう。
　ア　電機子反作用
　イ　整流作用
　ウ　界磁弱め作用

ウ　界磁弱め作用

　停止している電動機に外から電圧を加えると、電機子コイルの抵抗は非常に小さいから、常に大きな電流が流れる。
　この電流と界磁との両作用で電動機は起動することは前述したが、磁界内で電機子コイルが動くから、この中にも電圧が生ずるが、これは外から加えた電圧とは逆の方向すなわち逆起電力となり、電機子に加えた電圧もそれだけ滅ずるから電流もへり、回転を増す力もそれだけ減少し、外からの電圧と逆起電力とは釣合って回転をつづける。

この場合逆起電力は回転速度が増すと大きくなり、界磁が強くなっても大きくなる。よって外からの電圧が一定ならば、界磁は強いほど回転数は低くても高い電圧を発生する。 　言い換えれば界磁が弱いと電動機は早く回転することになる（注9）。 　この作用を界磁弱め作用といい、界磁巻線の途中に端子がもうけてあるのは、少い巻線側を利用して弱め界磁を使用するためである。 （注9）直巻電動機の速度方程式　n＝(V-i・r）/φ・Ｚ において電動機速度 n は磁束φを減らすか、すなわち界磁を弱めるか、端子電圧 V を増せば増加することがわかる。 但し i ＝電流、r ＝内部抵抗、Ｚ＝常数 6.6.5　ＭＴ41形主電動機要目 　　ＥＦ15・58形以降の機関車に取付けられているＭＴ41形主電動機の容量ならびに主要寸法は右表のとおりである。

6.7　逆転器 top

　電気車の主電動機が他の一般用電動機とくらべて、可逆性（どちらの方向へも回る）をもっているところに特徴があることは前に述べた。

　しかしこの回路の故障で転換できないことがあっては重大な支障が起るので、別にハンドル（17）をそなえて、手動でもはたらかすことができるようになっている。
　なおこの形式の逆転器は従来ＲＶ11ＡとＲＶ12Ａ形とを各2個組合せて用いたが、このＲＶ11Ａ形には電磁弁2個ついているが、ＲＶ12Ａ形にはこのもうけがなく単に空気管だけの連通があるのみであるから、同期作用をしないことがあるのを防ぐために、最近両方とも電磁弁のついたＲＶ13を2個取付けるようになった。
　ＲＶ13の構造はＲＶ11Aとほとんど同じである。

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