国鉄591系電車

591系電車（591けいでんしゃ）は、日本国有鉄道（国鉄）が1970年（昭和45年）に試作した高速試験用の交直流特急型電車である。登場当初は1形式1両のみであったため（経緯は後述）、クモハ591形電車（くもは591がたでんしゃ）とも呼称された。

 概要 
高速道路網の発達に対応すべく、新幹線網完成までの在来幹線、特に特急「ひばり」が走行する東北本線上野駅 - 仙台駅間を念頭に、130 km/h 運転と自然振子式車体傾斜などによる曲線区間の通過速度向上によって、さらなる表定速度の向上を図ったうえで、現行の特急列車より1ランク上の高速列車を設定し、上野駅 - 仙台駅間を4駅停車で3時間20分程度で走破することを目指し、その試作車として川崎重工業兵庫工場により製作された。

形式の付番は新性能電車の車両形式に基づき、十の位が「試作車・試験車」を表す「9」となってはいるが、用途記号は事業用車にあたる「ヤ」ではなく営業用に準じ普通車を表す「ハ」を用いている。

本車試験中の全国新幹線網の建設計画進展により、東北本線をはじめとする主要幹線を車体傾斜式の高速列車で高速化することはなかったが、高速化の一環として取り入れられていた自然振子式車体傾斜など本形式で試験された要素の多くは、亜幹線の高速化を実現させた381系電車の開発に反映された。

 製造の背景 
国鉄では1960年（昭和35年）に列車速度調査委員会（別名：速度向上委員会）が常設機関として立ち上がり、さらなる列車高速化について検討が進められていた。

このうち旅客列車、特に特別急行列車に関しては、1968年（昭和43年）10月のいわゆる「ヨンサントオ」白紙改正で、一部線区（東北本線ほか7線区 1,830 km）で特急列車の120 km/h 運転が開始された。

一方で、この「ヨンサントオ」改正の大枠が決まった同年の第6回列車速度調査委員会では、全国的な高速道路網の発達に対しての危機感から、次なる目標を立てることとなった。この中では、自家用車などへの対抗上、表定速度を85 - 90 km/h から100 km/h 以上へ引き上げることが望ましいとされ、以上より当面の速度向上は、最高速度130 km/h 、乗心地と横圧の面から抑制されている曲線通過速度のさらなる向上（+20 km/h以上）、分岐器直線側通過速度 130 km/h を目標値とし、特定列車を対象とした速度向上（超特急列車の設定）を行うことで実現を目指すこととなり、同年4月9日の国鉄第175回常務会において了承された。

この実現に関しては、高速分岐器による分岐器通過速度の向上など、軌道側の施策も重要であったが、基本的考え方は高額の投資を避けるという方針であり、急曲線などの設備面の改良に依らず、曲線を高速で通過させる機構を組み込んだ車両の開発が大きな柱として位置づけられた。

このため本形式は、高速化にあたってのデータ取得のために、車体傾斜（自然振子）をはじめとする様々な新機軸を盛り込み、1970年（昭和45年）3月に落成、同年4月から1972年（昭和47年）度まで日本各地で試験を実施した。

なお、本形式の量産車に当たる車両の投入線区は、いくつか検討されたものの、前述したように東北本線が念頭に置かれることとなった。これは次の理由からである。

しかし、によれば、1970年（昭和45年）の落成初期の時点で「あくまでも、最終的には新幹線と連携してそのスピード効果を全国におよぼすことにあり（中略）おそらく全国各線区で、新幹線のフィーダーとして使われることになるが」と、新幹線網完成ののちには、亜幹線に転用することが当初より念頭に置かれていた。

 製造当時の構造 
転向横圧対策として台車操舵（後述）を行う関係上、連接構造が採用され、16m級車体で10ｍ級車体を挟み込んだ、3車体4台車の構造となっている。このため、見た目上は3両編成であるが、検修の時を除いて切り離すことはできない不可分の関係にあるとして、車籍の上では3車体（Mc1-M2-Mc3）で1両の扱いとなり、クモハ591形（クモハ591-1）と称された。このため車号を示すステンレス切り抜き文字は中間のM2車側面中央にのみ表記され、各車にはユニット中のどの車体か、を示すMc1などのサフィックスが車体隅に表記された。

 車体 
低重心化と軽量化のため、車体外板には国鉄では301系電車以来となるアルミニウム合金を採用し、外板厚も側面2.5 mm 、屋根上1.6 mm 、前頭部は4 mm と 6 mm の組み合わせとして軽量化した。また、床下の側梁はアルミ・亜鉛・マグネシウムなどの合金とし、床下のキーストンプレートの窪みを配線スペースに流用して配線パイプを省略するなどの軽量化対策もなされている。

低重心化を考慮し、床面高さは従来車比で100 mm 低い。車体長はMc1・Mc3が16,600 mm、M2車が10,000 mm、連結面間距離含む全長は44,900 mmであった。この3車体を1ユニットとして、量産時には複数ユニット連結し、これにボギー車体の付随食堂車1両を加えて1編成とする構想となっていた。

前面形状は、一端 (Mc1) のデザインは前面非貫通で大型窓を採用した切妻型の低運転台、もう一端 (Mc3) は流線型で前面非貫通、583系様の高運転台とされた。これは運転台は重心を下げるためであれば低運転台が有利となるものの、当時国鉄車両設計事務所人間工学研究室から低運転台構造で速度を上げると、運転士にストレスがかかるという報告がされており、車体傾斜を実施する上での運転士の作業環境や身体に与えるストレスについて比較検討・調査するために作り分けられた。

車体色は当時の特急形電車と同様に、クリーム4号地に窓周りと前面前照灯周囲、車体裾と雨どいを赤色（赤2号）で塗装し、比較検討の為3車体すべてが異なる塗料・塗装方法で仕上げられており、従来のエナメル系塗料ではなくポリウレタン系塗料を用いた車体もあった。

 主要機器 
機器は低重心化のためパンタグラフを除いて床下に設置される。後述するように走行に必要な機器はMc1・Mc3の床下に集約搭載されている。

また、投入予定線区が東北本線であったことから、東北本線を走行することを念頭に置いて機器類の容量等は設定されている。

 台車 
台車は、いずれも動力台車とされた。従来の国鉄電車の台車は軸箱支持に長年ペデスタル式を採用していたが、581系での長距離の過酷な運用に起因するトラブルが相次いでいたことの反省もあり、経年劣化が少ない軸箱支持板を用いた方式、リンク・板ばね併用式が採用された。また、曲線高速通過時の軌道破壊と乗心地悪化の低減を図る機構が複数比較検討された。

形式はMc1の運転台側がDT94（日立製作所製造）、Mc3の運転台側がDT95（日立製作所製造）、中間の連接台車がDT96（川崎重工業製造）と称した。比較は下表のとおり。車体傾斜については後節で述べる。
+591系に採用された台車の比較DT94（Mc1運転台側）DT95（Mc3運転台側）DT96（中間台車）横圧低減移動心皿方式（仮想心皿）。モーターによりリンクを転換させ遠心力を配分。心皿移動量は0-300の間で可変。移動心皿方式（強制移動）。心皿中心ピンを抜き、心皿位置を物理的に移動。心皿移動量は0か300の2点間移動のみ。加えて軸箱支持板を工夫し、曲線内外軌の軸重差を利用した台車操舵機能を設置。自己操舵機構。Zリンクを用いて車体変位を台車に伝える。車体傾斜自然振子（コロ式）。自然振子（コロ式）。側受装置内部に空気ばねを仕込んで車体荷重を一部負担し、コロの摩擦を低減。軸箱支持板バネとアルストムリンクを併用板ばねとリンクの併用板バネとアルストムリンクを併用軸距2,300 mm2,100 mm
DT94は横圧軽減対策として移動心皿方式を採用しているが、これはモーターと油圧リンクにより遠心力を分散し、実質的な心皿位置を変えることで、超過遠心力の着力点を列車進行方向の逆方向に移動させ前後軸間の横圧値を等しくする機構である。これに対しDT95は横圧軽減対策はDT94と同様の移動心皿方式であるものの仕組みが異なり、物理的に中心ピンを抜いて心皿位置を移動させる方式で、加えて車体傾斜機構のコロへの荷重を減らしてスムーズに作動させて自然振子に起因する振り遅れを軽減するため、枕はり内部の側受装置内部に特殊な俵型の空気ばねを内蔵している。また、DT95は軸箱支持板に6度の傾斜がついており、曲線走行時に内軌側と外軌側の車輪で発生する軸重の差によって、内軌側の軸距を小さく、外軌側の軸距を大きくすることで曲線区間での切込み角を軽減する機構が搭載された。

連接台車のDT96は、横圧軽減対策としてZリンクを介して車体の変移を台車枕はりに伝え、車体の回転力を利用して車軸を転向させ強制的に曲線区間での切込み角をなくす自己操舵方式を採用した。なお、車体傾斜機構関係や、枕はり内部の空気ばねはDT95と同じである。

 車体傾斜関係 

国鉄では1968年（昭和43年）の列車速度向上委員会以前から車体傾斜列車の開発に着手しており、同年から北海道の狩勝実験線（根室本線旧線）にて貨車に試作台車（TR96）を装備して、曲線通過時にかかる超過遠心力を利用して車体を傾斜、左右定常加速度を低減する自然振子式車体傾斜の実験が行われていた。本系列でも、曲線高速通過を実現する技術試験の一環として、自然振子式車体傾斜が採用されている。

当時世界各国で試験されていた車体傾斜の方式の中には、小田急電鉄で試験されていた方式に見られるように、強制的に車体を傾斜させるものもすでに存在していたが、強制車体傾斜した場合、軸重が増加してしまう問題があった。また、後年の日本では、自然振子をコンピューター制御された油圧や電動のシリンダーで補助し、車体傾斜をより滑らかに実施する、制御付き自然振子が普及するが、これも当時基礎技術自体はできていたものの、当時はATSもS形が普及し始めたころの時期であり、地点検知の技術も未成熟であった。このため仮に採用するのであれば、演算のためにコンピューターなど2トン近い機器を車上に積むこととなるため採用は見送られた。

車体傾斜装置はTR96形台車で用いられていたT字リンク式をやめ、ED76形電気機関車の中間台車で採用例があったコロによる支持（コロ式）が採用されている。しかしこの方式は住友金属工業の周辺特許に抵触することが判明したため、国鉄が基本アイデアを出したうえで、国鉄が台車を実際に製造する日立製作所・川崎重工業との調整を行い、コロ式振子の当該部のみ住友金属工業に製造を委任した。いずれも、レール面上からの振り子中心高さは2,100 mm、車体の最大傾斜角は6°とした。

 電装関係 
制御器は後述するブレーキシステムの関係で、ユニット内前後で2種を比較検討した。Mc1には高速域での制御と制動時にサイリスタによる界磁チョッパ制御（国鉄史上唯一）を行うCS41が搭載され、Mc3には従来通りの抵抗制御を行うCS42が搭載された。主変圧器は容量1,155 kVAのTM19、主整流器はシリコン整流器のRS40でMc3に搭載された。

制御器に合わせて主電動機も2種が併用されており、CS41に対応するDT94とMc1-M2間のDT96にはMT58X直流複巻電動機4基（各台車2基）、CS42に対応するDT95とM2-Mc3間のDT96にはMT59X直流直巻電動機4基（各台車2基）が、それぞれ装架された。基本的な性能は両者とも同一で、駆動装置は中空軸平行カルダン（歯数比1:4.05）、電動機定格回転数は2,385 rpm、公称定格速度は95.4 km/hと高速運転を重視した特性である。

パンタグラフは、下枠交差式のPS905がM2とMc3に装備されたが、M2のものは出前機のようにリンク機構で横移動可能な台にパンタグラフが載っており、自然振り子作用時には、台車枠につけられたコロ用の軸受け部のリミットスイッチにより、コロ上の揺れ枕との相対変位角度を検出し、屋根上の小型空気シリンダーによって機械的にパンタグラフを外軌側に傾斜させ（最大4度）軌道の直上に保持する機構が備えられている。これは、既存幹線に591系を投入した場合、車体傾斜によってパンタグラフと架線の偏倚が大きくなるため、架線の改修が必要になる問題があることを考えてのもので、比較のために固定式と移動式の両方が採用された。この関係でM2のパンタグラフ碍子は磁器ではなくエポキシ樹脂とされ、内部に空気配管を通している。また、集電舟体は、車体傾斜時の車両限界との関係から幅を通常より 150 mm 短縮し、集電幅を 44 mm 拡大しており、加えて舟体の形状も、平面と曲面の2種類を試験している。

床下機器についても、車体傾斜を行うことと低床化に伴い、高さや幅にも制約がでることから、遮断器に空気遮断器（ABB）ではなく真空遮断器（VCB）を用いるなど、小型化が徹底されている。

 制動方式・装置 
ブレーキ装置は鉄道運転規則における、非常制動による制動距離600 m 以内停止を達成するため、機械的なブレーキに全面的には頼らず、発電ブレーキを常用することとされ、空気ブレーキは補助的なものとされている。

発電ブレーキは界磁チョッパ制御であるMc1車側2台車（CS41とMT58Xの組合せ）では、界磁チョッパ制御により発電ブレーキを作動させる方式であり、再粘着制御は界磁電流を絞り込むことにより行なわれる。従来型の抵抗制御であるMc3車側2台車（CS42とMT59Xの組合せ）では、4基の電動機をそれぞれ独立した主抵抗器につなぎ、4群の発電ブレーキ回路を構成している。そのため、1基の電動機で滑走が発生しても電流の低下を検知して個別に再粘着可能である。

空気ブレーキの指令は、当時の新性能電車では電磁直通空気ブレーキが一般的であったところ、あえて、キハ181系気動車と同系のCLE電磁自動空気ブレーキが採用された。これは、ブレーキの反応速度向上や滑走距離短縮、艤装の簡略化による機器の軽量化を達成することが目的であったとされている。

まだ、台車の制輪子は当時耐熱性に優れたレジン制輪子が摩擦係数や寿命の面で未成熟であり、一方で従来の鋳鉄制輪子は最高速度から制動をかけると溶融してしまいフェード現象を起こす可能性があること、全車電動台車であるが故にディスクブレーキを搭載できないことから、レジン制輪子のダブルシュー構造の踏面ブレーキとしている。