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9　制御回路の機器（田中隆三の電気機関車読本　�W）

9　制御回路装置の機器 top

　電気機関車の主電動機に電流を通じたり遮噺したり、あるいは一度に高い電圧を加えないで除々に加えたり、また主電動機が何かの原因で過負荷したり、主電動機回路に故障が生じた場合に速かに電流を切って、それ以上流れないよりこする安全数置をはたらかせるなどのために、電気機関車のように高圧で複雑な主回路をもっているものに対しては、直接これを行わないで、低電圧で作用する別の装置をもうける(注1）。
　これに関係する装置を制御製置といい、この装置には主幹制御器をはじめとし、低圧配電盤・制御スイッチ・押スイッチ・各種継電器・各接触器用電磁弁・接地マトメなどがある。
　電気機関車の制御製置には、主接触器をはたらかせる方式によってつぎの2方法がある。
�@　カム軸電動機の回転によって、または電磁空気弁で空気シリンダをはたらかせ、これに直結したカムの作用を利用して関係主接触器の切入を行うもの。
�A　電磁作用による電磁弁のはたらきと圧縮容気による空気シリンダの作用とによって関係主接触器の切入を行うもの。
　前者はこれをカム軸式制御方式といって、構造操作は簡単であって、作用は確実でありかつ費用も安価なので、簡単な制御回路を必要とする電車をはじめ、小容量の単純操作を要素とする電気機関車に用いられるが、その反面大容量の複雑な装備を必要とする最近の電気機関車には、故障多く適切でなくなったので、今日では構造は複雑であり、費用を多額を要するが、大容量の遮断に適し、複雑な割合に検査修繕の容易である後者の単位スイッチ式が専ら採用されている。

単位スイッチ式における制御回路の原理を示すと第57図の通りである。 　この方法は、運転室にある主幹制御器のハンドルを機関士が操作すると、ハンドルの位置によって別に具えた低圧電源からくる電流がそれぞれ定った単位スイッチ電磁弁をはたらかせる。 　電磁弁は後で述べるように空気弁の開閉を併せて行うので、これと同時にこれと一組となった空気シリンダに空気溜から空気を入れてピストンを押し出し、6.4単位スイッチのところで述べた主回路の接触子(5)を閉じて主電動機を制御するものである。

　制御装置には、この図にある主幹制御器や単位スイッチ電磁弁をはじめとし、低圧配電]盤・制御スイッチ・押スイッチ・各種継電器などがある。以下その主なものについて説明しよう。

(注1)　低圧の電源を別にそなえて、これから出る電気を使って以上のようなはたらきを間接に行う方法を間接制御といい、これに対し線電圧そのもので以上の各作用を行うのを直接制御という。
　直接制御は主として市街電車のように低圧(600Ｖ)以下に用いられ、間接制御は郊外電車をはじめとし、一般に広く高圧の電気機関車に用いる。

9.1　主幹制御器 top

主電動機回路を制御するのに、直接電動機電流を流すものを円筒制御器といい、主として市街電車に用いられ、別に補助低圧回路を用いて間接に主回路の制御を行うものを主幹制御器(注2)（マスタ・コントローラ）といい、国鉄電車や一般電気機関車に用いられる。 　同一の配線をもった2両以上の車両の制御を一ヵ所で行う統括制御ができるのを特徴とするので、この名がある。 　主幹制御器は、機関車運転方向の転換や電動機つなぎの変更または主抵抗器の加減を行う間接的操作を行なうもので、普通両運転室に一箇ずつをもうける。 　第58図はＥＦ58・15形に取付けたＭＣ14形主幹制御器を示す。 　この主幹制御器は、主円筒（1）・接触片（2,4）・逆転円筒（3）・接触指（5,6）ノッチ板(9)・速度制御主ハンドル(7)・主ハンドル握り(8)・逆転ハンドル枠(14)・接触指取付棒(12）・蓋（13）等から成る。 　速度制御のハンドルの回転と歯車（図にはない）によって1段に落され主円筒軸（10）を回転する仕組みとなっている。 　この回転角は操縦上成るべく小さい方が便利であるが、小さ渦ぎると主円筒の接触片の間隔が狭くなり相隣れるノッチ間の渡りを不確実にするので、極端に縮小することはできない。 　この形式では在来のものより小さく66度を採用している。 　主円筒はフェノールレジン積層（注3）を用い、これに溝を切って接触銅片（2）をはめ込んで、枠に固定した接触指取付棒（2）に2本の小ネジをもって取付けた鋼製の接触指（5）（6）と相対する。 　この接触指は従来は正面片側だけに設けてあったものを、ハンドルの回転角を小さくするために、左右両側2列に分け、その接触面を180度の角度で相対し同時に接触するように配置した（右側の接触指は示していない）。 　このために主円筒の高さは約1/2となったが逆にその直径は大きくなった。

なお、接触指の接触圧力は1.0〜1.5kgである。 　ノッチ位置はノッチ板に示され、直列11ノッチ・直並列7ノッチ・並列5ノッチ・弱界磁2ノッチ計25ノッチであるが、直列と直並列の最終ノッチ位置には無意識にノッチを進めないようにハンドルの頭にポタンがとりつけてある。 　第59図において逆転ハンドルを軸（11）に挿しこんで前（後）進何れかに転換すると、逆転円筒用星形歯車（7）を動かし、これにかみ合ったノック腕（4）にもうけたローラ（6）を外すが、ノック腕はバネ（8）の力で引張られているので、ローラの反対側凸長路（5）がカム（3）の切欠きからはずれて、主円筒軸（1）は動かすことができる。 　これと同時に主ハンドルが任意のノッチ位置にあるとき逆転ハンドルを動かすことができない。 　主ハンドルには握り（第58図8）がついていて、ノッチを進めるごとに、これを握ることによって爪を刻みから引外すので、次のノッチに進めることができる。 　握りは弛めればバネの力でどこでも爪が落ちてくるから、振動や衝撃でその位置を移動することはない。 　主ハンドルの操縦に当って、起動ノッチに際しては列車にショックを与えないように、またノッチ切に際してはノッチ残しのないよう、主円筒軸の下部に制動ツボをもうけたものをＭＣ14Ｃ形と称している。 　制動ツボの構造は第60図に示すとおりで、1ノッチに進めるときは主円筒軸に取付けられた爪(4）と腕(5)によってピストン(2)は棒（3)を介して引出されるので、シリンダ内に真空を生ずるために抵抗を生じて急激なノッチ進めを防ぐが、1ノッチ付近にくるとピストンはそれ以上引出されないように外し金（7)は枠に立てこんだ凸起にあたって関係を絶つので平常どおりノッチが進められる。 　ノッチ切のときは、これと反対に爪は腕を押し、ピストンはシリンダの中に押しこまれて制動作用を行う。 　この制動作用の調整はシリンダ内に出入する空気穴の大きさを加減することにより行われる。 　主幹制御器は蒸気機関車の加減弁に相当するものであるから、その取扱は合理的であり、粗雑であってはならない。 　いま、その取扱上大切な点を2、3上げてみよう。 �@　ノッチ進めの刻みは一つずつ進めること 　起動加速時においてはもちろん一つずつ刻んで行うが、起動時以外の力行においても必ずこの習慣をつける。 　このことは電動機に無用の過負荷を与えることを防ぎ、空転を防止する上にとくに肝要である。 �A　渡りにおいては進め戻しともに除々に行うこと 　渡りノッチにおける取扱はとかく粗雑になりやすい、これは刻みが飛んでいるためもあるが、この間には機関車は加速力を得ないせいもある。 　しかし、渡りは電動機の結び換えをする大切な時機であるのみでなく、接触器の切が最も頻繁に行われるからである。 �B　切の際にはとくに静かに戻し、かつこれをたしかめる習慣をつけること 　「入」の瞬間は誰しも細心の注意を払うものであるが、とかく「切」の際には乱雑であるばかりでなく、注意を怠りがちである。

　軸受に損耗を与えたり起動抵抗器を入れ忘れたりすることは、この注意力が不足に起因する。
　最近の機関車には振動ツボ（ダッシュポット）が設けてあるのはこのためである。

（注2)　主幹制御器によって主電動機回路の開閉制御を行う接触器・逆転器・断流器等を一纏めにしたものを主制御器といい、専ら電車に採用されるが、主幹制御器と混同しないように注意を要する。
（注3）　フェノ−ルレジン積層は、車両用電気絶縁物中第1種に属するもので、フェノールレジン（炭化水素に結合した水酸基を有する化合物）を膠着剤として成型したもので、エボナイト類に属したものをいう。

9.2　低圧配電盤 top 　電気機関車の高圧回路以外の低圧電源は、ことごとくこの配電盤から配電される（配電盤は高圧用のものはないから、とくに低圧の名を付することはしなくともよい）。 　つまり、電動発電機の電源は必ず一度この配電盤に集められて、これから制御回路・補助回路及び電灯などに供給される。 　そのほか運転に必要な抵抗電源として蓄電池をそなえた場合にもこの配電盤で切換えが行われる。 　第61図は新製車の低圧配電盤を示す。 　この配電盤は3個の刃形スイッチと4個のヒューズに1個の低圧電圧計をとりつけたもので、普通第1運転室仕切壁裏側にもうけられる（図には電圧計を示していない）。 　刃形スイッチは左端から電動発電機電源・制御回路・灯回路用、右端は圧力加減器・列車暖房接触器・パンタグラフスイッチなどの電源となる補助回路用であるが、いずれもスイッチの上位が（＋）でヒューズ側が（−）となっている。 　なお、低圧電圧計は電動発電機の信頼度が増したので一時撤去されたが、同機が1台となったものは発生電圧が再び不安定となるのでもうけられた。また電動発電機が2台のものに対しては別に第1第2の切換スイッチがもうけられる。

9.3　制御スイッチ top

制御スイッチはその名の示すように、制両回路の各種作用を行う元のスイッチで、普通つぎの2作用を行わせる。 �@　主幹制御器電源を供給する。 �A　高速度遮断機の又入コイルへ電源を供給する。 　従って、制御スイッチは1箇で上記の目的を達するには、1本の接触腕で両投するようにするか、別々にはたらく2箇のスイッチを必要とする。在来の一般の機関車は主として前の方が用いられ、第62図に示すような構造である。 　この制御スイッチは｢切｣｢入｣｢又入｣の3位置があって、ハンドル(2)が図の位置にあるとき切といい、右に倒して接触子(4)と接触片(6)とが閉じたときを｢入｣とし、左に倒して(4)と(5)とを閉じたときを｢又入｣とする。 テコ(3)にはバネ(9)を取付け、後述するように｢又入｣の位置には長くおかないようになっている。またこのスイッチにはヒュ−ズ(10)をもうけたのが特徴の一つである。 　ＥＦ13形以降の新車には後の方が用いられる。ただし両方に共通な点は、主幹制御器へ電流を供給する場合は長時間であるが、又入コイルへ供給する場合は同コイルが動作する時間だけを必要とするから、前者はスイッチの容量を大きく構造を安定させてあるが、後者は長く入位置としないようにバネをもうけることである。 　新車に取付けた制御スイッチは後者の方で、普通次に述べる押スイッチの一部を利用するが、漸次また在来の制御スイッチに置き換えられることになっている。

9.4 押スイッチ top 　低圧配電盤から制御回路・灯回路・補助回路に洽られる電流は押スイッチの操作によって切入される。押スイッチは接触部とヒューズとこれを取扱うハンドルを一組としたいくつかのスイッチを一群としたスイッチ箱であって、普通乗務員が取扱うのに便利なように両運転室に備える。 　第63図は押スイッチの一例を示す。 　この押スイッチは鉄板をもって囲った長方形の扁平な箱内に、向って左側 は抜き差しできるハンドル(1,6)で接触を切入する接触片(2)とこれにバネ 圧力で接触する2本の接触指(3)を一単位とした接触部を8組納め、右側は同数のヒューズを取付けたものである(旧車)。 　接触片は断面方形の絶縁物(9)の上に2本の溝をもうけ、一方に導体を植え、2本の接触指がこれにのることによって両者の導通を行う。接触指はバネ鋼で作った指を2本の小ネジで台板にしめつけ、一端に口出線を取付ける。 ハンドルは押すことによって、導通をはかり、引き出すと切るようになっている。 　新製車の押スイッチは、各電灯を個々に切入するスイッチ群と、前記の制御スイッチや圧力加減器・同接触器・列車暖房用接触器・パンタグラフスイッチなどの回路を切入するスイッチ群とは別個として操作に便じ ている。 　制御スイッチの一部をなす又入用押スイッチ(2)は、前記のようにハンドルの軸部にバネを入れ、バネの力に抗して押すことによって｢入｣とするが、手を弛めると、自然に｢切｣位置に戻るようになっている。

9.5　継電器 top

　電気車の主回路作用を間接に保護し、その機能を完全に発揮せしめるためにもうけた中継の作用をするものを一般に継電器と称する。しかし、場合によっては、補助機械の機能を保護するために継電器を用いていることもある。
　電気機関車に用いられる継電器には6.3で述べた過電流継電器をはじめとし、各種の継電器がある。いまそのうち主なものの名称と、その用途を上げるとつぎの通りである。
�@　補助継電器
　過負荷継電器とともに断流器として作用する単位スイッチの補助としてはたらき、主電動機が過負荷したり、接地回路が出来たりするとき、先ずこの継電器が作用して関係接触器を保護するもの。
�A　低圧継電器
　架線電圧が著Ｌく低下すると、各接触器の機能が不整となり短絡回路を起すおそれがあるので、これを防止するもの。
�B　無圧継電器
　架線電圧が急激に無圧状態となると、急勾配区間を運転している場合には列車は､非常に危険状態となるので、これを防止するもの。
　そのほか、カム軸制御方式におけるノッチ継電器電力回生プレーキ機関車における保安継電器・極性継電器・渦電圧継電器・連動継電器、または、送風機が一定ノッチになると起動する送風機用継電器、空転防止継電器等がある。
　これらは新国鉄形機関車には原則として取付けないことになっているから省略する。

9.6 電磁弁 top 　電気車の制御回路の改良は、電磁弁の発達に負うところ多く、言い換えれば、電磁弁の改良・進歩は電気車の発展に多大の寄与をなしているものということができる。 　電磁弁は、その名の示すように、電磁コイルの電磁空気作用を利用したもので、電気機関車には、単位スイッチをはじめ断流器・高速度遮断器・逆転器・補助継電器・パンタグラフ・砂まきスイッチ等その利用機器は10指を屈するほどたくさんある。 　電磁弁の構造は、第57図単位スイッチ式制御回路の作用図及び第64図で示したように、低圧電気で作用する電磁コイル（マクネット・バルブ）と圧縮空気で作用す空気弁（エアバルブ）とから成っていて、両者は一つのケースに納められている。電磁コイル（1）に電流を通ずるとプランジヤ（2）を鉄心下方に吸引する。 　ところが鉄心の中心を下まで貫通した上弁（3）はバネ（5）の力でこのプランジャの底部を上方に押しつけられているから、このバネの反力に打ち勝って上弁を下方に押し下げる。 　上弁には下弁（4）がはまりこんでいて同時に下方に押下げる。よって上弁は弁座に押しつけられて空気孔を塞ぐとともに、下弁は弁座から離れて空気孔を開く。ここで空気溜の空気はシリンダ（6）に進入してピストンを押し上げ、接触部を閉じる作用をする。 　電磁コイルへの電流が切れると、鉄心の吸引力がなくなるので、プランジヤは弁バネの反力のために上方に押し上げられ、下弁は弁座に密着し、上弁は弁座から離れて図のような位置をとる。 　よって、空気溜からの空気の供給は止み、これと同時に電磁弁枠の大気への通路が開かれるので、シリンダ内に込められた空気は、弁座から大気へ排出されて、ピストンは降下し(ピストンバネの力で)接触部は開くことになる。 　(7)は押ピンであって、電気のないときシリンダヘの空気の出し入れ、すなわち、接触部の動作を検査する場合に用いる手動用のピンである。 　　第65図は電気機関車に最も多く用いられるＶＭ1形電磁弁の断面を示す。 　電磁コイル(4)は直径0.23mmのエナメル線を　巻枠に、中央に隔てをおいて折半し68層巻いたもので、この抵抗値は約700オ−ムである。コイルの巻始めと巻終りは表層に引出して2箇の端子(6）につながれている。 　鉄心(5)は電磁コイルを入れた後、枠の低部にネジ込まれ中空となっていて、その中に上弁(9)を挿入する。 　電磁子(7)はちょうどお腕のような形をしたもので、精密に仕上げて枠上部の内壁におさめ、弁捧の上に鉄心鍔部と相対して軽くのっている。この鉄心鍔と電滋子との隙間は非常に重要であって、密着していては作用をしないので、いつも一定の間隙を保つことが必要である (注4）。

第64図　電磁弁の作用略図 1電磁コイル、2 プランジャ、3 上弁、 4 下弁、5 バネ、6 シリソダ、7 押ピン 第65図　ＶＭ1形電磁弁 1 枠、2 蓋、3 袋ナット、4 電磁コイル、 5 鉄心、6 端子、7 電磁子、8 押ピン、 9 上弁、10 下弁、11バネ、12加減ネジ

弁は上弁(9)と下弁(10)とに分れていて、上弁は長さ80mmの上下に案内部をもうけた長い棒で下部に弁座がある。下弁は長さ8mmの短い弁でもって、弁棒がついていて、上弁の下部溝内にはまりこんでいる。 　 下弁は上部に弁座があり、バネ(11)でいつも上方に押しつけられる。 　加減ネジ(12)はシリンダで使用した圧力空気の排気管と同じ空気室にあって、排気の一部をこの孔を通じて逃してやる作用をする。つまり、排気の速さを加減してピストンの動作をおそくする役目をする。 　第66図はＥＦ56・ ＥＦ10形などに用いられたＶＭ8形電磁弁の構造を示したものである。 　この電磁弁はＶＭ1形の電磁コイルは枠内に密閉して納められていたため、帯熱焼損すること多く且つこれが点検に不便で、取替えにも手数を要したので、これを開放型とし、また、電滋子の構造を簡単にして平板とし蝶番式の運動をさせるようにしたのであるが、その成績は良好でないので、最近の新製車は再びＶＭ1形（ＶＭ1Ｚ）に復している。 （注4）鉄心と電磯子との隙間は規定上、電磁弁が動作しないとき2mm、動作するとき1mmと定められている。

9.7 抵抗器 top

　電気機関車の機器類には所要の電圧をかけるために各種の抵抗器を用いる。主回路に用いる抵抗器（主抵抗器用こついては6.5で述べた。ここには一般に補助回路に使用する抵抗器について述べよう。
　抵抗器の用途と種類は多種多様であるが、先ずその用途についていうと
�@　高圧補助電動器（電動発電機・電動空気圧縮機・電動送風機）の直列抵抗
�A　補助回路継電器（無圧継電器・送風電動機用継電器・空転防止用継電器等）の直列抵抗
�B　電動発電機界磁抵抗
�C　制御回路継電器（低圧継電器・ノッチ継電器・短絡継電器・高速度遮断器保持コイル等）の直列抵抗
�D　電灯回路（滅光用）
�E　電気計器（電圧計倍率器等）
�F　電熱器
　等、15種以上に及ぶ。

抵抗器の種類も用途によって各種のものが用いられるが、その主なものをあげるとつぎの通りである。 �@　マンガニン 　銅・マソガン及びニッケルから成る合金で、温度係数小さく且つ銅に対する起電力も低いので計器の分流器等に用いられる（8.2参照）。 �A　ニクロム 　鉄・ニッケル及びクロームの合金で電熱器をはじめ抵抗管など電気機関車には最も広く用いられる。 　鉄分の少いほど高熱による酸化に耐えるが、機械的強度が低いのを欠点とする（8.8参照）。 �B　鋳鉄 　抵抗高く高圧に耐え耐振性高い大電流の調節用として適当であるが、錆を生じ易いので亜鉛メッキの要がある。電気機関車には主抵抗器用として用いる（16.5参照)。 �C　炭素板 　薬品に犯され難く接触抵抗は加えられた圧力により広範囲に変化する特性があるので、電圧調整器などに可変抵抗器として用いられる。 　以上のうち、補助回路とくに制御回路用として最も広範囲に採用されるのは、ニクロム線を巻いた抵抗管(注5)であるから、これについて少しく説明を加えよう。 　抵抗管は第67図のような形をしている。 　抵抗管は直径26mm長さ210mmの円筒形をなした巻枠にニクロム線の抵抗線を全周に巻きつけ、その上にホーローを塗ったもので、巻枠の両端は端子板を取付け、抵抗線と端子板との間は補助線を添えて半田上げされる。 　抵抗管の長所とするところは、ホーローを塗って抵抗線の酸化を防ぎ且つ振動によって断線することを防止した点にあるが、ホーロー部はよいとしても端子板とのつなぎ部は矢張り露出しているので、この部分から断線することがあることと、ホーロー自体の塗法が完全でないと剥がれて却って局部的に弱化を来すこと、また、ホーローによる放射熱は増大するので寿命を短縮する等の欠点がある。 　抵抗管は一本を単位として用い、25・35・50・80・125・200・320・500・800・1000・1250・1600・2000 オームの13種類あって、これらの中間の抵抗値を必要とするときは各種の組合せが行われる。 　しかし時として1本の中間にタップを出して局部使用をすることもある。 　抵抗管にはＲＴ1形とＲＴ2形の2形式があるが、長さがちがうだけて構造は全く同様である。 （注5）　本器を抵抗器といわないで、とくに抵抗管と称するのは、中空円筒形をしているからである。

10　電灯装置 top

　電気機関車の電灯回路装置に、車外電灯として前照灯・標識灯があり、車内電灯として計器灯・表示灯・室内灯・点検灯などの電灯類と、これを操作する押スイッチ・ヒューズ・抵抗器などの電灯付加装置とがある。
　以上のうち、付属装置については既に述べたから、電灯類について簡述しよう。

10.1　電灯の種類 top

　電気機関車の電灯には照明用と表示用との2類別が出来るが、その内訳はつぎのとおりである。
　照明用:前照灯、計器打、室内灯
　表示用:標識打、表示灯
　照明用として具えなければならない条件は
　�@　適度の明るさ（照度）を有すること。
　�A　目的物を照射して他に邪魔をしないこと。
　また表示用の条件は
　�@　点滅が確実であること
　�A　故障のないこと
　等にあるので、両者はそれぞれ以上の条件に合うように設計される。

車両用電灯は車両用ヒューズ同様に耐震性を有すること、簡単に取替えが出来ること、また一般用のものとの互換性がないことなども必要であるが、需給の関係から今日では一般用と同級「洋梨形」表示灯の一部には丸形を用いる）のエジソンベース（注1）を採用する。 　第68図は左から前照灯・標識灯・計器灯・表示灯を示す。

これらの電話及び燭光を一覧を第2表に示す。 　電灯に用いる用語の説明を以下簡単に述べる。 （注1）　電球ソケットにはスワンベ−スとエジソンベースとの2種類がある。前者は抑込ソケットともいい、振動のため弛むおそれのある車両・船舶などに用い、後者はネジ込ソケットと呼び一般の用途に用いる。 10.2　電球の大きさ top 　ワット制電球と燭光制電球とがある。ワット制電球では定格電話を加えた場合の消費電力のワット数(Ｗ）の標準値で、燭光制電球では同じく100Ｖを加えた場合に輻射する燭光束のﾉﾚーメン数(注2)の1/10を1燭光(Ｃ)とした公称燭光の標準値で表わす。 　従来は前者を用いたが、最近は一般に後者を用いる。両者を比較するとつぎのとおり。 （注2）　ルーメン（lm）とは光線の量を測る単位、1燭の電源から1立方メートルに出る光 束を1ル−メンいう。 10.3　電圧と寿命との関係 top 　電球の定格電話よりも使用電力が高い場合には、電流は増すので、温度は上昇し抵抗を増加するが、温度上昇による輻射は増加して光束は激増する。 　従って能率も増すが、寿命は著しく短縮される。これに反して低い電圧で使えば著しく寿命を延す。一例を示すと次のとおり。

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