電磁直通ブレーキ
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電磁直通ブレーキ（でんじちょくつう-）は、鉄道車両の空気ブレーキ方式の一つである。
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[編集] 概要
1920年代後半にアメリカ・ウェスティングハウス・エアブレーキ社（Westinghouse Air Brake Co.：WH社、あるいはWABCOとも。現Wabtec社）の手によって、非常弁付直通空気ブレーキ（SMEブレーキ）に電磁弁を付加したSMEEブレーキとして開発され、更に1930年代に入りSMEEの非常弁部を自動空気ブレーキと置き換えたHSC（High Speed Control）ブレーキが、高速列車用を主目的として開発された。前者は1948年以降、ニューヨーク市地下鉄で大量採用され、後者は在来の自動空気ブレーキ装備車と併結可能となったため、特にアメリカからの電鉄技術導入が本格的に再開された1954年以降の日本において爆発的に普及した。
電磁直通ブレーキは、その名の通り直通ブレーキを改良して電磁弁を付加したものであり、その最初の実用化例となったSMEEブレーキの名称も、当時のWH社の命名ルール通りStrait air brake / Motor car / Electro-pneumatic / Emergency valve（電車用非常弁付電磁直通空気ブレーキ）の接頭語に由来する。
機構的には、運転席の直通ブレーキ用ブレーキ弁に付加されたスイッチ（WH社の代表形式はB-1電空制御器。日本では電磁制御器、あるいは電磁直通制御器などとも呼ばれる）から弁の動作を指令する電気信号を得て、各車両の電磁弁によりブレーキ圧力を制御する方式である。純粋に空気圧のみで各車のブレーキ弁に指令を伝達する自動空気ブレーキに比べ、遙かに高速な電磁弁（WH社の代表形式はNo.21B電磁給排弁）による同期で編成が長大化してもブレーキの応答性がよく、またセルフラップ式のブレーキ制御弁と締切電磁弁（Lock Out Valve：LOV）により発電ブレーキや回生ブレーキの連動が容易かつスムーズに実現できることから、長編成の高速電車に多く用いられ、国鉄ではSEDやSELD、多くの私鉄ではSMEE、HSCの名で知られている。ただし、異常時にブレーキが効かない直通ブレーキを基本としているため、バックアップとして自動空気ブレーキ相当の機構を備えるのが一般的である。
最近では、運転席にブレーキ弁を持たず、すべて電気信号として指令を出す電気指令式ブレーキや、完全に回生・発電制動のみに依存する純電気ブレーキに移行しつつある。
[編集] 特徴
[編集] 開発の経緯
直通ブレーキは構造が単純であるが、空気管が破損したり連結が外れるなどして圧縮空気が漏れた場合、ブレーキ力が失効するという大きな欠点を持っている。したがって、一部の路面電車や機関車が単行運転を行う場合など限られた使用にとどまり、一般には、空気管に異常があった場合ただちに非常制動がかかる自動空気ブレーキの他、直通ブレーキに自動空気ブレーキの原理を使用した非常弁を併設したSME（Strait air brake / Motor car / Emergency valve：電車用非常弁付直通空気ブレーキ）が古くから用いられてきた。
ところが、時代の変遷により列車が長大化してくると、自動空気ブレーキにおける応答性の悪さが問題となり、各車のブレーキ制御弁に電磁同期弁（Electro-pneumatic valve）を付加してその応答性を改善する電磁自動空気ブレーキがWH社の手で考案され、アメリカではインタアーバンを中心に、AMPブレーキなどの旧型ブレーキにまでこれを追加装備して（AMP→AMPE化等）、10両編成以上の長大編成化を実施する例が多数見られた。その後、電磁弁の信頼性が上がってくると、直通ブレーキが見直されるようになり、直通ブレーキに電磁弁を設けることで信頼性と応答性を向上する電磁直通ブレーキが開発された。
[編集] 構造と特性
電磁直通ブレーキ方式の列車には直通管（Straight Air Pipe：SAP管）が引き通してあるほか、運転台のブレーキ弁にはハンドル操作を電気信号に変換する、電空制御器が取り付けられており、これは電気的に各車両の電磁給排弁とつながっている。運転士がブレーキ弁を操作すると、SAP管を通じて空気による指令が中継弁へ送られるとともに、電空制御器により各車両の電磁給排弁が作動する。これらの指令により、SAP管から各車両の中継弁に空気が送られ、空気溜めの圧縮空気がブレーキシリンダに作用する仕組みとなっている。
電磁直通ブレーキは、減圧によりブレーキ弁を作動させる自動空気ブレーキに比べ、きめ細かなブレーキ操作が可能であり、応答性も高い。また、自動空気ブレーキでは「ゆるめ」「重なり」「保ち」といった特殊な操作が必要であったが、電磁直通ブレーキではブレーキハンドルの角度とブレーキ力が比例するセルフラップ機構が標準であり、自動車のブレーキのようにハンドルの操作角度に応じたブレーキ力が得られる。
[編集] 電気ブレーキとの同期
電磁直通ブレーキで最大勢力となった、WH社のSMEE/HSCブレーキには、発電ブレーキや回生ブレーキとの連係動作を円滑に、そして容易な操作で実現可能とするために、様々な工夫が凝らされている。
まず、これらのブレーキでは、電気ブレーキの指令時に制御器から電空制御器に対してもブレーキ指令が行われ、電気ブレーキ動作中は常時直通管が加圧され続けるようになっている。
これだけでは、制動力過大による急停車などの異常動作を引き起こしてしまうが、SMEE/HSCブレーキの場合はこの電磁給排弁と中継弁の間のSAP管に、上述のLOVと射込弁（Inshot Valve：IV。連動込め弁とも呼ばれる）を並列で挿入することでスムーズな電空同期を実現している。
LOVはこの電空同期システムの中核を担う機構であり、制御器内のスイッチが切り替わって電気ブレーキが立ち上がるまでの間は消磁されており、電磁給排弁から送り込まれた空気圧はそのまま中継弁に流されるが、一旦電気ブレーキが機能し始めると制御器内のリミッタ・リレーの働きで励磁され、弁が動作してSAP管を閉鎖する、という重要な役割を担っている。これによって、電気ブレーキの宿命であるブレーキの立ち上がりの遅れを最小限に抑制しており、しかもこの機構は、電気ブレーキが機能しない場合やLOVが故障した場合には、そのまま空気ブレーキが動作するという、フェイルセーフ機構（※）をも実現している。
- （※）LOVは構造上、励磁されない限り、SAP管を閉鎖できない設計である。
こうしてLOVの働きによってスムーズに立ち上がった電気ブレーキが、その働きによって列車を10~20km/h程度まで減速すると、今度は発生電圧の低下等によって制動力が失効するため、再度空気ブレーキに切り替える必要が生じる。
この際には電動機を流れる電流量も低下することから、制御器内のリミッタ・リレーによってLOVが消磁されてSAP管が開かれ、空気ブレーキが動作することになる。しかし、単純にLOVを開いただけではブレーキシリンダーが動作して有効になるまでタイムラグが発生し、しかも一旦制動力が途切れるために大きな衝撃が発生することにもなる。
この問題を解決するのがIVである。IVは電空切り替えに伴うブレーキのタイムラグやショックを緩和する目的で搭載されており、電気ブレーキが動作し、かつLOVが閉鎖している場合にSAP管からの空気圧を降圧（通常、40~70kPa程度に落とす）して中継弁に供給し、ブレーキシューが車輪ないしはブレーキディスク等に接触する程度の位置にブレーキシリンダーを保持させ続ける、という役割を担っている。これにより、LOVが開いた直後からただちに所用の制動力が得られ、上述した問題が回避可能となる。
こうして、LOVとIVの連携動作によって、ほとんど切り替えに伴う衝動無しに確実な停車が実現される。この間、乗務員は電気ブレーキに対する指令を行うだけであり、空気ブレーキの操作は一切行う必要がない。
この巧妙にして操作が容易、しかも安全性が高いという、極めて完成度の高い機構こそが、日本とアメリカ、特に日本でSMEE/HSC系電磁直通ブレーキが市場を事実上独占しえた最大の要因であった。
[編集] 自動ブレーキの併用
電磁直通方式は優れた特性を持つが、前述した直通ブレーキの欠点は依然として残っているため、これを自動空気ブレーキで補う、自動ブレーキ併用電磁直通ブレーキとすることが多い。この方式では、非常ブレーキには自動空気ブレーキの原理を使用し、別系統の自動空気ブレーキ管の空気圧を抜くことで非常ブレーキを作動させる。終着駅などでブレーキハンドルを抜く際、エアー音が発生するのはそのためである。その他、HSCブレーキのように自動空気ブレーキを常用動作可能としたものもあり、こちらは在来の自動空気ブレーキのみを装備する車両との併結や、直通ブレーキ部が故障しても常用自動空気ブレーキの操作により急停止せずとも列車を止めることが可能である。
ただし、近年はA弁などのブレーキ制御弁の生産完了で補修部品の調達が困難となりつつあり、HSCブレーキであってもブレーキ制御弁をM非常弁で置き換えて常用域の使用を禁止し、実質SMEEブレーキ相当に改造した例が増えつつある。
[編集] 歴史
[編集] 開発と普及
電磁直通ブレーキは、開発国であるアメリカにおいては従来のAMM（AMME）・AMU（AMUE）ブレーキ等と置き換わる形で1920年代後半よりWH社製ブレーキを導入していたインタアーバン各社や地下鉄・高架鉄道で普及が徐々に始まった。
しかしながら、モータリゼーションの進行や太平洋戦争の開戦と重なったため、完全にこれらを置き換えるには至らなかった（※）。これには、車両数で最大手の一つであったニューヨーク市地下鉄がAMUブレーキの性能に満足していてその採用を渋り、1948年のR10でSMEEブレーキを正式採用するまで、1930年代後半には試作車への搭載は行っていたとはいうものの、10年以上態度を保留していたことも少なからず影響を及ぼしていた。
- （※）例えば現在も運行されているシカゴ・Lでは、モータリゼーションや恐慌などの影響から､1924年の4000系最終増備車で一旦車両増備が途絶え､1947年に4編成が試作された5000系、実質的には1950年より量産がスタートした6000系まで四半世紀以上も新車が建造されなかった。もっとも、その分技術的には飛躍的な進歩が見られ､6000系では後述のシネストンコントローラや直角カルダン駆動、それに弾性車輪などが導入されている。
その一方で、1930年代中盤にWH社の手により、ブレーキ弁と主幹制御器を縦軸のまま一体化する、シネストン・コントローラ（Cineston Controller）と呼ばれる、現在のワンハンドルマスコンの先駆けとなる画期的なシステムが開発され、PCCカーなどへの導入が開始された。これに組み込まれたブレーキシステムはSMEE系ではあるが改良が施され、機構上電空同期を完全なものとする必要があったことから、LOVやIVが採用されている。
これに前後して、当時流行の軽量高速気動車列車で確実な制動を実現するためにHSCが開発されており、WH社による電磁直通ブレーキ開発はこの時期に一つのピークを迎えた事になる。
[編集] 日本での導入
これに対し、日本においては戦後国鉄80系電車で16両編成を実現するためにA動作弁に電磁同期弁と中継弁を付加した、電磁自動空気ブレーキであるAERブレーキが実用化され、これに続いてAMCD、あるいはARDなどの形で電空同期ブレーキの開発が進められた。もっとも、日本で開発されたこれらの電空同期ブレーキは、いずれも従来の自動空気ブレーキの延長線上に位置づけられ、機構的に未熟かつ操作が複雑で扱いづらく、またその性能も十分とは言い難いものであった。
このため、1954年に営団地下鉄銀座線1400形でWH社から輸入されたSMEEブレーキが初採用され、少し遅れて近鉄1450系電車でHSCブレーキが導入されて以降は、それらの独自開発ブレーキシステムは後述の日立式を除きほとんどが淘汰あるいはHSCへの換装等によって駆逐され、以後は1980年代までこの2種が電車の標準ブレーキ方式として、レスポンスの良さから直通ブレーキ（SMブレーキ）が愛用された路面電車や、非常弁付直通ブレーキ（SMEブレーキ）で十分な程度の輸送需要しかない小規模なローカル私鉄などを除く、日本の電気鉄道ほぼ全てに広く普及した。
国鉄においてもモハ90系（後の101系）からSED（Straight air brake / Electromagnetic / Dynamic：発電制動付電磁直通空気ブレーキ）あるいはSELD（Straight air brake / Electromagnetic / flexible Load / Dynamic：応荷重装置および発電制動付き電磁直通空気ブレーキ）としてHSCブレーキのデッドコピー品が本格採用され（※）、カルダン駆動方式・発電ブレーキとともに新性能電車の定義要素の一つとなった。特に、0系新幹線電車においては国産独自開発が重視される中、同じくアメリカのウェスティングハウス・エレクトリック社およびナタル社で開発されたWNドライブと共に高速運行を支えるキー・コンポーネントとして重責を担った。
もっとも、国鉄自身はSMEE/HSCブレーキに関わる特許について、WH社との包括的なライセンス契約を結ばなかった為、SED/SELDブレーキについては各コンポーネントの製造メーカーがライセンス契約を個別に結ぶ必要が生じ、このため、初期には特許料支払いを拒む一部メーカーとWH社の間で訴訟問題が発生した。
- （※）SED/SELDブレーキのブレーキ弁の機構はWH社のHSCブレーキ用ME38ブレーキ弁のそれそのものであり、それゆえ、ブレーキハンドルはM/A/U各ブレーキ制御弁で使用されていたM23ブレーキ弁や電磁自動空気ブレーキ化された各ブレーキで使用されたME23ブレーキ弁などのものと互換性がある。
当初は発電ブレーキ併用のSMEE-D、HSC-D、SED、SELD(DはDynamic=動的の略)が主流であったが、1960年代中盤以降、マグ・アンプによる分巻界磁制御や界磁チョッパ制御などの実用化により、回生ブレーキを併用するHSC-RやSELR方式も採用されている(RはRegenerative=回生の略)。
[編集] 現状
現在では電磁直通ブレーキに代わり、直通管や運転台のブレーキ弁を持たず、電気信号のみで制御する電気指令式ブレーキがMBS（OEC-1）として1960年代末に三菱電機と大阪市交通局の手で開発され、大阪市交通局30系電車から大量採用されて万博輸送でその信頼性を証明し、以後電車用空気ブレーキの標準方式として一般化している。国鉄の在来線車両では、在来車との互換性の問題から長くSED・SELD系ブレーキが使用されたが、末期に開発された205系からこの方式に移行した。ただし、電磁直通ブレーキと電気指令式ブレーキでは、これらブレーキの指令方式が異なる車両間の併結運転が一般に不可能であり、車両運用の自由度確保を考慮して、小田急電鉄や名古屋鉄道などのようにごく最近まで電磁直通ブレーキを標準として採用していた鉄道会社もある。また、この問題に対する対応策としては、小田急新3000形や近鉄22000系のように、電気指令式ブレーキを採用しながらも電気指令と空気圧を相互変換する、読替装置を搭載し、電磁直通ブレーキ方式の在来車と併結を可能にしている車両も存在する。なお、JR東日本E26系客車も応答性向上を目的として電気指令式ブレーキを採用しているが、制御線を追加した専用機（EF81形79、89、92）以外にも、CLE自動ブレーキ方式の客車などを牽引するのが前提のED79形電気機関車やDD51形ディーゼル機関車で牽引可能とする必要があり、加えて予備電源車のカヤ27形がCLEブレーキのみ搭載で電気指令式ブレーキを持たないことから、これらは電気指令ブレーキに加え、読替装置とCLEブレーキを併設する、日本では他例のない複雑なブレーキシステムとなっている。
[編集] その他
相模鉄道などでは、日立製作所が開発した「電磁直通弁式電磁直通ブレーキ（通称：日立式電磁直通ブレーキ）」と呼ばれるSMEの操作に近い電磁直通ブレーキの一種が採用されている。これは編成の各車両に電磁直通弁と呼ばれる装置を取り付け、この装置に直接電磁制御器から「緩め」「重なり」「常用」「非常」等の指令を行い、電気指令ブレーキに近い物とされることもある。電気経路が遮断されたときは普通の電磁直通ブレーキと同様、自動空気ブレーキに切り替わる。電気信号を用いるため応答性が良く、ブレーキ装置は従来の自動空気ブレーキ装置を多少手直しするだけで済んだが、WH社の持つ特許を回避するためにセルフラップ弁が使えず、また同じ理由でロックアウト弁による電空切り替え機構が使えないため、発電・回生制動との同期機構が複雑化し、操作が難しくなる等の欠点があり、相鉄以外では普及せず、相模鉄道でも回生制動の常用が前提となるVVVF制御を導入する際に、電気指令式ブレーキへ切り替えている。
また、高松琴平電鉄などの一部中小私鉄では、セルフラップ弁ではない、M-18-A弁などを使用する通常のSMEブレーキに電気接点と電磁弁を付加した、電磁制御SMEと呼ばれる電磁直通ブレーキを使用している。これは機構上日立式電磁直通ブレーキと同様にSMEEブレーキでは可能な発電制動や回生制動との同期が困難という問題点はあるが、SMEブレーキの操作感覚のままで長大編成化が、それも従来のSMEブレーキの機構部の大半を流用することにより、比較的低コストで実現できるというメリットがあり、こちらは採用各社が財政的にVVVF制御を導入できるほど豊かではなく、譲渡車で車両需要を賄っている、といった事情等から現在も採用され続けている。
[編集] 関連項目
[編集] 参考文献
- 電気学会通信教育会 編 『電気鉄道ハンドブック』 電気学会、1962年
- 石井幸孝 『入門鉄道車両』 交友社、1970年
- 伊原一夫 『鉄道車両メカニズム図鑑』 グランプリ出版、1987年
