機関車

ディーゼル機関車はディーゼルエンジンで駆動します。ディーゼル推進の開発初期には、さまざまなトランスミッションシステムがさまざまな成功度で採用され、電気トランスミッションが最も人気がありました。1914年、ゼネラル・エレクトリックの電気技師であるヘルマン・レンプは、信頼性の高い直流電気制御システムを開発し、特許を取得しました（その後の改良もレンプによって特許取得されました）。^{[ 19 ]}レンプの設計では、1つのレバーを使用してエンジンと発電機の両方を協調的に制御しました。これは、すべてのディーゼル電気機関車の制御のプロトタイプでした。1917年から1918年にかけて、GEはレンプの制御設計を使用して3台の実験的なディーゼル電気機関車を製造しました。^{[ 20 ]} 1924年、ディーゼル電気機関車（E ^el 2、元の番号 Юэ 001/Yu-e 001）が運行を開始しました。これはユーリー・ロモノーソフ率いるチームによって設計され、1923年から1924年にかけてドイツのエスリンゲン機械工場で製造された。駆動軸は5つ（1'E1'）あった。数回の試運転の後、1925年から1954年までの約30年間、列車を牽引した。^{[ 21 ]}

初期のシステムは直流システムでした。最初の電気旅客列車は、 1879年にヴェルナー・フォン・ジーメンスによってベルリンで発表されました。機関車は2.2kW の直巻モーターで駆動され、機関車と3両の客車からなる列車は時速13kmに達しました 。この列車は4か月間、長さ300メートル（980フィート）の円形軌道で9万人の乗客を運びました。電力（150V直流）は、線路間の3番目の絶縁レールを通して供給されました。集電には接触ローラーが使用されました。世界初の電気路面電車は、1881年にドイツのベルリン近郊のリヒターフェルデで開通しました。これはヴェルナー・フォン・ジーメンスによって建設されました（グロス・リヒターフェルデ路面電車とベルリン路面電車を参照）。フォルクス電気鉄道は1883年にブライトンで開通し、現存する最古の電気鉄道です。また、1883年にはオーストリアのウィーン近郊でメードリング・ヒンターブリュール路面電車が開業した。これは架線から電力を供給される世界初の定期運行路面電車だった。5年後の1888年には、米国でフランク・J・スプラーグが設計した装置を使用した電気トロリーがリッチモンド・ユニオン旅客鉄道で初めて導入された。^{[ 23 ]}

電気で運行された最初の地下鉄路線は、シティ・アンド・サウス・ロンドン鉄道で、その設立法に蒸気機関の使用を禁止する条項があったことがきっかけとなった。^{[ 24 ]} 1890年に開業し、マザー・アンド・プラット社製の電気機関車が使用された。1897年にスプラーグが多編成列車制御を発明したことで、電気はすぐに地下鉄の動力源として選ばれるようになった。

幹線での電化の最初の使用は、 1895年にボルチモア・アンド・オハイオ鉄道（B&O）のボルチモア・ベルト線の4マイル区間で行われ、ボルチモアのダウンタウンの端にある一連のトンネルを通って、B&Oの本線とニューヨークへの新線が接続されました。当初、電化区間の南端で3つのBo+Boユニットが使用され、機関車と列車に連結してトンネルを通過させました。^{[ 25 ]}

初期のシステムでは直流（DC）が使用されていましたが、徐々に交流（AC）に取って代わられました。現在では、主要幹線鉄道のほぼすべてが交流システムを使用しています。直流システムは、電力需要が少ない地下鉄、ライトレール、路面電車などの都市交通機関にほぼ限定されています。

最初の実用的な交流電気機関車は、当時チューリッヒのエリコン社に勤務していたチャールズ・ブラウンによって設計されました。1891年、ブラウンはラウフェン・アム・ネッカーの水力発電所とフランクフルト・アム・マイン・ウェストの間（280km）で三相交流による長距離送電を実証しました。ジャン・ハイルマンの下で蒸気電気機関車の設計に携わっていた経験から、ブラウンは三相モーターは直流モーターよりも出力重量比が高く、整流子がないため製造とメンテナンスが容易であることに気づきました。^{[ a ]}しかし、三相モーターは当時の直流モーターよりもはるかに大きく、床下台車に取り付けることはできず、機関車本体内にしか搭載できませんでした。^{[ 27 ]} 

1894 年、ハンガリーのエンジニア、カルマン・カンドーは、電気機関車用の新しいタイプの 3 相非同期電動駆動モーターと発電機を開発しました。新しい 3 相非同期電動駆動モーターは、以前の機関車設計で使用されていた同期モーターよりも効率的でした。カンドーの 1894 年の初期の設計は、1896 年と 1898 年の間に建設されたフランスのエビアン・レ・バンにある短い三相交流路面電車に初めて適用されました。 ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} 1918 年、^{[ 33 ]}カンドーは回転位相変換器を発明および開発し、電気機関車が、高電圧の全国ネットワークの単純な産業周波数 (50 Hz) の単相交流を伝送する単一の架線を介して供給される間に三相モーターを使用できるようにしました 。^{[ 34 ]}

1896 年、エリコンはルガーノ路面電車に最初の商用システムを設置した。各 30 トンの機関車には、二重架線から供給される三相 750 V 40 Hz で駆動される110 kW (150 hp)のモーターが 2 台搭載されていた。三相モーターは一定速度で回転し、回生ブレーキを提供するため、急勾配の路線に適している。最初の幹線三相機関車は、1899 年にスイスの 40 kmのブルクドルフ - トゥーン線にブラウン (当時ウォルター ボヴェリと提携) によって供給された。機関車への産業周波数単相交流電源の最初の実装は、ハンス ベーン - エッシェンブルクとエミール フーバー - ストッカーの設計を使用して、1901 年にエリコンによって行われた。スイス連邦鉄道のゼーバッハ-ヴェッティンゲン線への設置は1904年に完了した。15 kV、50 Hz 、 345 kW (460 hp)、48トンの機関車は、変圧器と回転コンバータを使用して直流牽引モーターに電力を供給した。^{[ 35 ]}          

イタリアの鉄道は、短い区間だけでなく本線全体に電気牽引を導入した世界初の鉄道でした。106  km のヴァルテッリーナ線は 1902 年 9 月 4 日に開通し、カンドーとガンツ工場のチームによって設計されました。^{[ 36 ] [ 34 ]}電気システムは 3  kV 15  Hz の三相でした。電圧は以前使用されていたものよりかなり高かったため、電気モーターとスイッチング装置の新しい設計が必要でした。^{[ 37 ] [ 38 ]}三相 2 線システムは北イタリアのいくつかの鉄道で使用され、「イタリア式」として知られるようになりました。カンドーは 1905 年にソシエタ イタリアーナ ウェスティングハウスの経営に招かれ、いくつかのイタリアの電気機関車の開発を主導しました。^{[ 37 ]}

バッテリー式電気機関車（またはバッテリー式機関車）は、車載バッテリーで駆動する電気機関車であり、バッテリー式電気自動車の一種です。

このような機関車は、従来のディーゼル機関車や電気機関車が不向きな場所で使用されます。たとえば、電力供給が停止されている電化路線の保守列車などです。もう 1 つの用途は、密閉空間での火災、爆発、またはガスの危険性により、燃焼動力機関車 (つまり、蒸気機関車またはディーゼル機関車) が安全上のリスクをもたらす可能性がある産業施設です。バッテリー機関車は、集電シューでアーク放電するトロリー駆動ユニットによってガスに引火する可能性がある鉱山、または特にレール継ぎ目で供給回路または戻り回路に電気抵抗が発生し、危険な電流が地面に漏れる可能性がある鉱山で好まれます。^{[ 39 ]}道路サービスでのバッテリー機関車は、ダイナミックブレーキエネルギーを吸収しながら充電できます。^{[ 40 ]}

最初に知られている電気機関車は、1837年にアバディーンの化学者ロバート・デイヴィッドソンによって製造され、ガルバニ電池（バッテリー）で駆動されました。デイヴィッドソンは後にガルヴァーニと名付けられたより大型の機関車を製造し、 1841年の王立スコットランド芸術協会展に出品しました。7ロングトン（7.1トン、7.8ショートトン）のこの車両には、2つの直接駆動リラクタンスモーターが搭載されており、各車軸の木製シリンダーに取り付けられた鉄棒に固定電磁石が作用し、単純な整流子を備えていました。この機関車は6ロングトン（6.1トン、6.7ショートトン）の荷物を時速4マイル（6.4km /h）で1.5マイル（2.4キロメートル）の距離を牽引しました。翌年の9月にエジンバラ・グラスゴー鉄道で試験が行われました。しかし、バッテリーの電力が限られていたため、広く使用されることはありませんでした。 ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}    

もう 1 つの例は、アラスカ州ラトゥーシュのケネコット銅鉱山で、1917 年に地下運搬路が拡張され、2 台の4.5 ショート トン (4.1 t、4.0 ロング トン)のバッテリー機関車が作業できるようになった。^{[ 44 ]} 1928 年、ケネコット銅鉱山は、車載バッテリーを備えた 700 シリーズの電気機関車を 4 台発注した。これらの機関車は85 ショート トン (77 t、76 ロング トン)の重量があり、750 ボルトの架空トロリー線で動作し、バッテリーで動作している間はかなり長い距離を走行できた。^{[ 45 ]}これらの機関車は、ニッケル鉄電池(エジソン) 技術を使用して数十年にわたって使用された。これらは後に鉛蓄電池に置き換えられ、機関車はその後まもなく引退した。4 台の機関車はすべて博物館に寄贈されたが、1 台はスクラップにされた。他の車両は、アイオワ州のブーン・アンド・シーニック・バレー鉄道とカリフォルニア州リオビスタのウェスタン鉄道博物館で見ることができる。トロント交通局は以前、1968年に日本車柳が製造したバッテリー式電気機関車を運行していたが、2009年に引退した。^{[ 46 ]}  

ロンドン地下鉄は、一般的な保守作業のために定期的にバッテリー式電気機関車を運行している。

1950年代初頭、ユタ大学のライル・ボーストは、米国の様々な鉄道会社や製造業者から資金提供を受け、車載原子炉で蒸気を発生させて発電する電気駆動機関車の実現可能性を研究した。当時、原子力は十分に理解されておらず、ボーストは最大の問題はウランの価格だと考えていた。彼の原子機関車では、中央部に200ショートトン（181トン、179ロングトン）の原子炉室と、事故発生時の放射能漏れを防ぐための厚さ5フィート（1.5メートル）の鋼鉄製の壁が設けられる予定だった。彼は、 7,000馬力（5.2MW ）のエンジンを搭載した原子機関車の製造コストを1両あたり約120万ドルと見積もった。^{[ 47 ]}そのため、車載原子力発電機を搭載した列車は、法外なコストのため一般的に実現不可能とみなされた。     

2002年、カナダのケベック州ヴァル・ドールで、重量3.6トン（4.0ショートトン、3.5ロングトン）、出力17kW （23馬力）の水素（燃料電池）動力の鉱山用機関車が初めて実証された。2007年には、台湾の高雄で教育用のミニハイドレールが運行を開始した。レールパワーGG20Bも燃料電池電気機関車の一例である。   

2種類以上の動力源を使用するハイブリッド機関車やデュアルモード機関車には多くの種類があります。最も一般的なハイブリッド機関車は、電力供給源または車載ディーゼルエンジンのいずれかによって駆動される電気ディーゼル機関車です。これらは、部分的にしか電化されていない路線で連続走行を行うために使用されます。例としては、EMD FL9やボンバルディアALP-45DPなどがあります。