固定フレーム式電気機関車

剛性フレームの電気機関車は、電気機関車設計の初期世代の一つでした。これらの初期の機関車、特に交流モーターを搭載した機関車の牽引モーターは、車軸に直接取り付けるには大きすぎて重すぎたため、フレームに取り付けられていました。1900年頃からの幹線用電気機関車の初期の最もシンプルな車輪配置の一つは、 UIC分類の1′C1′配置でした。

これらの機関車の中には、蒸気機関車と同様に、駆動輪が連結棒で連結されているものもあった。また、後に一般的となるように、各車軸に個別のモーターを備えているものもあった。

世紀半ばまでに、機関車の台車式構造がより普及し、小型の入換機関車を除いて、固定式フレームの機関車は現在では稀になっている。

1′C1′は、連結された3つの駆動輪と、先頭および後端に連結されたポニートラックを備えた鉄道機関車のUIC分類です。駆動輪は外部連結棒によって連結されます。

この説明は、電気機関車設計の初期の数十年に製造された機関車に最もよく当てはまります。当時は、牽引モーターが固定フレームに取り付けられ、連結されたすべての動輪を駆動していました。高速旅客サービスのために速度を上げることを可能にするため、先頭のポニー台車が追加されました。電気機関車の利点は、運転室を2つ簡単に設置できるため、終着駅で方向転換する必要がなく、そのため車輪配置が左右対称になり、どちらの方向にも同じようにスムーズに走行できることでした。

蒸気機関車

同等のものは2-6-2 ^{[ i ]}または2-6-2Tです。蒸気機関車のプレーリー配置は、長期間にわたって人気がありました。最初のものは、1875 年の南アフリカケープ政府鉄道 2 級 2-6-2TTでした。GWRプレーリーや標準クラス 2などの 2-6-2T クラスの製造は、蒸気機関車の終焉までほぼ続きました。

これらの大草原地帯を走る機関車の多くはタンク機関車で、どちらの方向にも同じように走行することができました。これは、車輪配置の対称性によって可能になりました。これらの機関車は、都市の終着駅で転車台で機関車を方向転換することなく、迅速な折り返し運転が必要な郊外旅客列車によく使用されました。駅間の距離が近いため、加速性能に優れたかなり強力な機関車が使用されましたが、急行機関車のような持続的な速度や燃料容量は必要ありませんでした。

電気機関車

イタリア

この最初の 1′C1′ 配置は、初期の電気機関車では一般的なものでした。これは、1900 年から 1920 年の間に、主にイタリアの初期の交流機関車で使用されました。イタリアの鉄道は、ハンガリーのKálmán Kandóの設計による低周波三相交流システムで電化を開始しました。これらは、直径 2 メートルの大型モーターを使用しており、機関車には 1 つまたは 2 つのモーターで十分でしたが、車軸への駆動のために簡単に取り付けるには直径が大きすぎました。そのため、Kandó フレームは弾性スプリングにモーターを取り付け、連結棒駆動で車輪に動力を伝達しました。^{[ 1 ]}

これらの機関車の最初のものは、 1902年のヴァルテッリーナ線の電化のためにイタリアのRA  361、後にFSクラスE.360となったものである。^{[ 2 ]}

これらの初期の小型機関車では、出力が十分に低かったため、両方のモーターを単純な剛性の三角形の連結棒で中央車軸のクランクピンに連結することができました。二次ロッドが駆動力を他の車輪に伝達しました。モーターはフレームにしっかりと取り付けられていたため、中央のクランクピンには、サスペンションの移動のために三角形のロッド内に垂直スライド機構がありました。^{[ 1 ]}これらの2つのモーターはそれぞれ600 bhpの定格で 、重量は8.2メートルトン、機関車の総重量の40%でした。^{[ 3 ]}

フランス

1′C1′配置は小型旅客機関車の標準的なパターンと考えられていたため、1912年にフランスの南フランス鉄道が12 kV 16 + 2 ⁄ 3 Hz ACで電化された際、ヨーロッパの主要電気機関車メーカーからこのタイプの機関車6両が試験用に発注された。E  3001、E  3101、E 3201  、E  3301 、E 3401 、E 3501である。アメリカのウェスティングハウス 社が製造したE 3201のみが成功したとみなされ、 SNCFで1C1 3900として1959年まで運用された。ジュモン社製のE 3401は、各車軸に独立したモーターを備えた1′Co1′配置を採用していた。^{[ 4 ]}   

これらの試作機から量産型機関車が製造される際には、ウェスティングハウス社のE  3201の設計に従う予定であったが、戦争によって製造が大幅に遅れたため、2C2 3100として登場した時には、ポニートラックの代わりにボギーを備え、ウェスティングハウス社ではなく英国のディック・カー社製の垂直に取り付けられた3つのモーターを備えた2′C2′設計になっていた。^{[ 4 ]}

スウェーデン

運用されていた最後の 1′C1′ 型機関車のいくつかは、スウェーデン鉄道のSJ D 型とDa型でした。D 型は 1925 年から 1943 年にかけていくつかの派生型が製造され、近代化された Da 型は 1950 年代半ばに製造されました。どちらも 1990 年頃まで運用されていました。どちらも 2 基の牽引モーターを備え、Da 型は最大1,840 キロワット (2,470 hp)で、連結棒駆動方式を維持していました。モーターは、他の車軸と同じ高さに配置された単一のジャックシャフトにギアで接続されており、3 つ目の等間隔車軸があった位置に配置されていたため、以前の設計のような複雑で重い三角形の駆動装置は必要ありませんでした。^{[ 5 ]} 

1′Co1 ′車輪配置は、車輪が連結されるのではなく、各車軸ごとに独立した牽引モーターで駆動される点を除けば、同様の構造であった。各車軸が駆動されるため、車軸間の連結棒による接続は不要となった。この独立駆動方式は、やがて車輪の空転という問題を引き起こすことになるが、初期の機関車は動力と粘着重量の比率が低かったため、この問題は発生しなかった。

ディーゼル電気機関車は、連結式の 1′C1′ ではなく、独立した牽引モーターを備えた 1′Co1′ 配置を採用していました。これは、ディーゼル電気機関車が最初の電気機関車より数十年後に登場し、その頃には牽引モーター技術が発展していたためです。また、機関車に搭載された発電機は交流ではなく直流を生成できました。この頃には直流の制御がより高度化しており、1900 年の交流電気機関車が必要としていたような大きな直径の牽引モーターは不要でした。^{[ 9 ]}

英国初の幹線ディーゼル機関車である、アームストロング・ホイットワース社が1933年にLNER向けに製造した800 馬力の機関車は、このタイプであった。^{[ 10 ] [ 11 ]}この機関車は成功せず、わずか数年後の1937年に解体された。

ウィキメディア・コモンズにある1′Co1′型機関車に関するメディア

1914年、イタリア国鉄はE.331とE.332という2種類の三相交流機関車を製造した。これらは、軽量な支線に適したE.330の改良型として設計された。E.330の重い中央V型連結棒と近接配置された一対のモーターは、変圧器と制御装置の両側に配置された2つのモーターに置き換えられ、ハンマーブローを軽減するために、連結輪の外側に配置された軽量の連結棒と一対のジャックシャフトを使用した軽量の連結棒駆動方式が採用された。ジャックシャフトを車軸レベルに配置することで、連結棒に必要な関節角度が小さくなり、従来の三角形の連結棒の質量や垂直スロット付きクランクベアリングの必要性がなくなった。全体として、この往復運動質量の減少により、機関車全体の重量が増加し、両端の張り出しが大きくなったため、ポニートラックではなくボギーが必要となった。

ウィキメディア・コモンズにある2′C2′型機関車に関するメディア

当初の約束の後  シルトン-ニューポート線の石炭輸送に1,500V直流電化を導入するため、ノース・イースタン鉄道は大型急行旅客機関車を発注し、後にEE1型に分類された。ヨークを通る本線の電化は実現しなかったものの、機関車自体は短期間の試運転で成功を収めた。直径6フィート8インチ（2.032m ）の動輪は、ダーリントン工場でより馴染みのある蒸気機関車の慣例に従い、異例の大きさであった。電気機器はマンチェスターのメトロポリタン・ヴィッカース社が供給した。この機関車は直流電気機関車としては重く、設計速度が速いため、両端に4輪台車が使用された。   

ウィキメディア・コモンズにある2′Co2′型機関車に関するメディア

1919年から1927年にかけて製造されたアメリカン・ニューヘイブン鉄道のEP-2は、単一のボックスキャブ車体の下に2つの1′Co1′サブフレームを組み合わせて(1′Co1′)+(1′Co1′)機関車とした。^{[ 12 ]} 2つのフレームは連結されており、上部の車体は構造部品ではなかったため、これは(1′Co1′)(1′Co1′)ではなく(1′Co1′)+(1′Co1′)であった。つまり、単一の構造の下に台車があるのではなく、2つのユニットで連結されていた。出力は2,000 馬力で、以前のEP-1の2両とほぼ同じ出力であったが、EP-1はしばしば重連運転されていた。ただし、EP-2はより軽量で、高速走行時の安定性も高かった。^{[ 13 ]}

EP-1 は、高速走行時の振動や「ノーズ」を防ぐために、Bo'Bo' 配置から (1′Bo)(Bo1′) に変更する必要がありました。^{[ 13 ]}ポニー トラックの使用は、当初から EP-2 にも組み込まれていました。ただし、中央の支持軸は、ガイド機能がないため、ほとんど意味がありませんでした。1930年代に、追加の機関車であるEP-3、そしてEP-4が必要になったとき、これらは(2′C)+(C2′)配置を使用し、支持軸は両端に移動して 2 軸ボギーになりました。^{[ 12 ]}

小型の4軸駆動の1′B1′型は一般的には使用されなかったが、スイスの狭軌鉄道であるレーティッシュ鉄道は1912年にGe 2/4型という7両編成の機関車を保有していた。これらは低周波交流機関車で、車体内部に1基の反発モーターが搭載されており、ロッドを介して中央のジャックシャフトに動力が伝達され、そこから駆動輪に動力が伝わる仕組みだった。

より大型で重量のある機関車は、軸重を制限しつつ十分な粘着力を確保するために、より多くの駆動輪を必要とした。初期の機関車の中には既に4つの駆動軸を備えていたものもあったが、それらはBo+Bo連接式配置、または各軸に独立した牽引モーターと2つの台車を備えたBo′Bo′配置のいずれかを使用していた。^{[ iii ]}

1′C1′配置を1′D1′に拡張した最初の電気機関車は、1912年のスイスの440キロワット（590馬力）レーティッシュ鉄道Ge 4/6クラスでした。 ^{[ iv ]}同年、ベルン・レッチュベルク・シンプロン鉄道のBLS Fb 5/7は、5つの駆動軸、それぞれ1,250馬力（930kW ）の2つの牽引モーター、中央軸への剛性の三角形ロッド駆動を備えた1′E1′配置を使用しました。当時、これらは世界で最も強力な電気機関車でした。^{[ 15 ]}各モーターは14トンの重さがあり、12段階のタップチェンジャーを備えた別の変圧器から供給されました。各モーターのタップは交互に変更され、実質的に24段階の制御が可能でした。スイスの鉄道では、レーティアン線では11kV、BLS線では15kVの低周波単相交流が使用されていた。  

1922年までに、イタリアの三相送電システムでは、 FSクラスE.431のような、より重く強力な1′D1′型機関車も使用されるようになった。これらの機関車はホイールベースが非常に長くなったため、連結にはザラ式台車が使用された。

ウィキメディア・コモンズにある1′D1′型機関車に関するメディア

米国の電気鉄道は、低電圧直流システム（ボルチモアでは675V、ニューヨークでは660V ）から始まった。これらの初期システムは、整流器、変圧器、大径モーターを必要とせず、直流牽引モーターに直接接続することに基づいていた。主要都市の終着駅へのトンネルを通る低速サービスであっても、幹線輸送に十分な電力を供給するには、複数のモーターが必要だった。ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道は、1895年の開業当初から、最初の幹線電気機関車であり、それまでの電気機関車よりも9倍以上重く、強力だった連接式Bo+Boスティープルキャブを使用していた。^{[ 14 ]}しかし、ニューヨーク・セントラル鉄道のSモーターは、 4つの独立駆動車軸と2つの先頭台車と後部台車を備えた単一の剛性フレームだった。^{[ 16 ]} この時期の牽引モーターは、ローターが車軸の周りに取り付けられた単純なギアなしモーターだった。^{[ 17 ]} 2極バイポーラモータが使用され、ローターは車軸と車輪でバネで支えられ、界磁コイルは固定されていました。ローターの両側に水平方向に2つの極しかないため、ローターはサスペンションとともにそれらの間で上下に自由に動くことができました。

複数のモーターを備えた Do 配置は、ロッド駆動機関車と比較して、強力な AC モーターを使用しているにもかかわらず、往復運動する質量がなく、バランスを取ったりハンマーブローを起こしたりすることがないため、高速走行に有利でした。ギア付きで独立した牽引モーター駆動が利用可能になると、バネ下重量も軽減でき、スムーズな走行が促進されました。多くの機関車がBo′Bo′ボギー配置を採用し、固定フレームを廃止しましたが、一部の高速旅客機関車は 1940 年代までそれを維持し、1990 年代まで使用されました。その大径の駆動輪は、高速でのスムーズな走行を促進し、モーターとそのギアに必要な速度を低下させました。フレームに取り付けられたモーターを維持することで、大型モーターと冷却空気の流れのための十分なスペースも確保できました。3 つのモーターを備えた Co 配置ではなく、4 つのモーターを備えた Do 機関車のもう 1 つの利点は、4 つのモーターを直列、並列、および直並列回路間で簡単に切り替えることができることです。これを3モーター機関車に使用する場合、モーターに二重巻線電機子が必要だった。

ドイツは戦前に、DRGクラスE 16、E 17、E 18（オーストリア連邦鉄道ÖBB 1018）、E 19といった一連の車両を製造した。これらの車両は技術的に高度化しており、最初の車両はブッフリ式駆動装置を備え、後にクイル式駆動装置が採用された。

これらのうち最後のE19型に必要な動力は非常に大きく、各車軸に2つのモーターを備えた二重牽引モーターが必要だった。

ウィキメディア・コモンズにある1′Do1′型機関車に関するメディア

(1′Do1′)+(1′Do1′)

1927 年製のグレートノーザン Z-1型機関車は 1′Do1′ レイアウトでしたが、実際には (1′Do1′)+(1′Do1′) のように永久的に連結されたペアとして運用されていました。各機関車は両端に運転台を備えて製造されましたが、実際に装備されていたのは 1 つだけでした。これにより、将来的に独立した 1′Do1′ 型機関車として使用できる可能性がありましたが、^{[ 18 ]}実際にはその必要はなく、 1950 年代半ばにディーゼル化のために廃止されるまで連結されたままでした。

（1A）Bo（A1）と「ジャワボギー」

このあまり知られていない1′Do1′の変種は、駆動軸1つと支持軸1つを備えたボギーを形成することで、両端の台車を連結している。

(1A)Bo(A1)はごく少数しか製造されなかった。スイスでBBC（後のスイス機関車機械工場）のヤコブ・ブッフリの功績により誕生した。最初のものはESS 3000急行旅客機関車で、 1924年にスイスのSLMとBBCによってジャワ電気国営鉄道向けに製造された。この機関車が、この形式の連接構造を表す「ジャワ台車」の名の由来となった。

台車は、旋回軸が旋回駆動車軸のすぐ後ろに位置するように配置されていた。車軸はブッフリ式駆動装置によって駆動され、サスペンションの動きを可能にしていた。また、旋回軸が車軸に非常に近いため、駆動車軸がその場でねじれても横方向に大きく移動しないという点で、このリンク機構は台車の動きを吸収することもできた。

1926年には、日本向けにSLM/BBCが製造し、ブッフリ駆動装置を備えたJGR 7000形（後にED54に分類）が2両製造された。これらは、ノーズサスペンション式牽引モーターを備えた他の日本の機関車と比較して性能は良好であったが、複雑で非標準的であると考えられていた。1930年代の日本の文化と自給自足への要求の高まりにより、海外から機関車を輸入するのではなく、これらの機関車はほとんど使用されず、戦後の日本の復興がピークを迎えていた1948年に廃車となった。^{[ 19 ]}

1928年、1,500V直流のグレート・インディアン・ペニンシュラ鉄道向けに、3種類の異なる試作急行旅客機関車が納入された。最初の機関車が最も成功を収め、続いて21両のGIPR EA/1型、そして後に1両のGIPR EA/2型が納入された。これらの機関車は非対称で、片側に2′Bo(A1)配置のジャワ台車、もう片側に電気機器を支える4輪台車を備えていた。この電気機器はメトロヴィック社が供給したが、機関車自体はSLM社が製造し、各車軸の上に一対の牽引モーターを中央の単一ギアで駆動するウィンタートゥール駆動方式を採用していた。高所に設置されたモーターは、インドのモンスーンによる浸水時にも有効であることが分かった。

1931 年に製造されたスイスの「複式機関車」には派生設計が採用され、ゴッタルド鉄道の急勾配での重量貨物輸送用に作られました。これらは (1A)A1A(A1)+(1A)A1A(A1) という 2 つの連接ユニットで構成されていました。さらに、動力のない支持軸も設けられ、中央の Bo グループを A1A に分割しました。これは、スイスの低周波交流システム用の変圧器の追加重量のために必要でした。これもまた、SBB Ae 8/14に分類される 3 両の機関車という小さなクラスでしたが、3 両はそれぞれ異なっていました。最初の機関車は同じ Buchli 駆動装置を使用していましたが、2 番目からは、単一の中央ギアを介して各車軸を駆動する一対の牽引モーターを備えたウィンタートゥール ユニバーサル ドライブが導入されました。これにより、連接構造に容易に適合させることができました。これらの機関車の大きさの欠点は、それらを必要とするほど重い列車がほとんどなかったこと、そしてフル稼働させた場合、連結器に過度の負荷がかかる危険性があったことである。

スイス連邦鉄道（SBB）Ae 4/61941 年型は「ダブル機関車」の半分から派生し、両端に近代的な平らな前面の運転台が取り付けられた。牽引モーターの軽量化により、(1A)Bo(A1) レイアウトに戻り、Java 台車と Winterthur 駆動装置を採用し、中央の支持軸を回避した。これらもゴッタルド線での使用を想定していたが、軽量列車には個別のユニットとして、重量列車には複数台をペアで運行できるため、より柔軟に対応できた。これらと Ae 8/14 の両方で回生ブレーキが採用されており、ゴッタルドの急勾配を過熱せずに下るのに役立ち、また電力網に電力を戻すことができた。Ae 4/6 は簡素化され軽量化されたシステムを採用しており、1 つの牽引モーターがブレーキ時に他のモーターの励磁機として機能することができた。また、変圧器とモーターの巻線は銅ではなくアルミニウムで製造された。

実戦において、Ae 4/6はいくつかの点で優れた性能を発揮したが、グリップ力の不足と機械的な信頼性の低さという問題を抱えていた。戦時中の製造工程におけるいくつかの要因が機械的な品質を低下させ、最終減速機の騒音レベルが高くなったり、特に車輪のスリップ後にベアリングやギアの故障が発生しやすくなったりした可能性がある。

オランダのNS 1000型機関車も同じメーカーに発注されたが、戦争のため1948年まで製造が遅れた。3両はSLM社で製造されたが、残りはオランダのWerkspoor社でライセンス生産された。最高速度160km/h（99mph ）の旅客用機関車として設計されたものの、高速走行時の信頼性に欠けることがすぐに判明し、運用中は100km/h（62mph ）に制限され、主に貨物輸送に使用された。にもかかわらず、1982年まで運用され続けた。  

ウィキメディア・コモンズにある(1A)Bo(A1)型電気機関車に関するメディア

剛性フレーム式電気機関車の究極の発展形は、2′Do2′配置であった。ポニートラックに代わって4輪ボギーが採用され、高速走行時の安定性が向上した。4つの独立した牽引モーターにより、高出力が実現した。時には、 2つのモーターを同じ車軸にギアで接続した二重牽引モーターが使用されることもあった。

この配置は、1907年に運行開始から2日後に事故を起こした最初の量産型1′Do1′ニューヨーク・セントラルSモーター（当時はT-2として知られていた）の改造として最初に使用された。その後、単軸台車ではなくボギー台車を備えた2′Do2′として再構築され、元の名称である「Sモーター」に改名された。^{[ 16 ]}

この配置はフランスで、戦前の2D2 5500（1929～1943年）および関連クラス、そして戦後に大幅に改良された2D2 9100（1950年）で使用された。^{[ 20 ]}

1950年代半ば、西オーストラリア州の3フィート6インチ軌間に対応するため、 WAGR X型ディーゼル電気機関車が製造された。追加の車軸により軸重を12トンに抑えることができ、路線網全体での運用が可能となった。   

ウィキメディア・コモンズにある2′Do2′型機関車に関するメディア

2′Do1′

スイスでは、2D2 5500 に似た大型の 4 軸機関車 、2′Do1′ Ae 4/7 (1927–1934) も使用されました。^{[ 21 ]}運用期間を考慮すると、これらは最も成功した電気機関車クラスの 1 つで、70 年間運用されました。これらは、以前の 3 軸 2′Co1′ クラス、Ae  3/6 ^I の発展形です。どちらも非対称レイアウトで、片側のポニー トラックが 4 輪ボギーに置き換えられていました。スイスの低周波交流システムには、50  Hz システムと比較して重い主変圧器が必要になるという欠点があり、これらは機関車の片側に取り付けられ、その重量を支えるために追加の車軸が必要でした。^{[ 21 ]}

フランス製とスイス製の両方の機関車は、牽引モーターを駆動軸に連結するためにブッフリ式駆動装置を使用していた。オリジナルのスイス製駆動装置は、片側に1つのブッフリ式ギアを使用して各車軸を駆動していたが、フランス製機関車は、車軸の両端にブッフリ式ギアを複製した両面駆動装置を使用しており、摩耗を軽減すると考えられていた。^{[ v ] [ 20 ]}

ウィキメディア・コモンズにある2′Do1′型機関車に関するメディア

情報源

• アレン、G.フリーマン（1962）[1959]。今日の英国鉄道と明日（第3 版）。イアン・アラン。
• Haut, FJG (1970). 『電気機関車の図解史』 Oak Tree Publications. ISBN 0-498-07644-X。
• ホリングスワース、ブライアン、クック、アーサー（2000）。現代の機関車。ISBN 0-86288-351-2。
• パーシャル、HF; ホバート、HM (1907).電気鉄道工学. ロンドン: アーチボルド・コンスタブル. OL 23297005M . 
• Ransome-Wallis, P. 編 (2001) [1959].世界の鉄道機関車百科事典. Dover Transportation. Courier Corporation. pp. 149–150 . ISBN  0486412474。
• ソロモン、ブライアン（2003）。電気機関車。ボヤジャー・プレス。37 ページ。ISBN 1610606264。
• ウェブ、ブライアン（2010）。アームストロング・ホイットワース：世界のディーゼル牽引のパイオニア。ライトムーア出版。ISBN 9781899889457。