大阪市交通局20系電車

概要

1985年の4号線（中央線）深江橋 - 長田 間開業などに伴う所要車両数増加への対応や、老朽化や陳腐化が目立ち始めていた50系・30系などの抵抗制御車の淘汰とこれに伴う保守の合理化、それに冷房化率の向上による乗客サービスの改善を目的として開発・量産された18.7m級4扉車群である。
3相交流誘導電動機をインバータ制御器で制御・駆動する当時最新のVVVF制御システムを搭載しており、大阪市交通局の第3軌条集電方式を用いる高速電気軌道全線で使用可能である。
その外観形状から、先行する10系のそれを踏襲したアルミ合金製車体を備える20系（2代：以降「20系」とのみ表記）と、軽量ステンレス製車体を備える新20系の2グループに大別される。

開発経緯

本系列開発の基礎となった、大阪市交通局におけるVVVF制御の実用化研究は、元々石油ショックをきっかけとする建設費高騰に抗するべく1979年3月に局内に設置された「地下鉄小型化調査委員会」における地下鉄車両の小型化研究を出発点としている。
後に7号線（長堀鶴見緑地線）向け70系や8号線（今里筋線）向け80系として結実することになるこの研究の過程では、建設費高騰の最大の要因であるトンネル断面の縮小を目的として、車輪径や床面高さの縮小が重要課題として取り上げられた。これらの課題については、折からの半導体技術の進歩、特にインバータ装置の心臓部となる主回路のスイッチング素子とそのパターン制御に必要となるマイクロプロセッサの急速な進歩によって、解決の道が開かれた。
これらの技術革新により、従来は実用化が困難と見られていた、三相交流誘導電動機と小直径車輪を用いた駆動システムの実用化の目処が立った。
従来、三相交流誘導電動機は整流子を持たないため保守上問題となる摩耗部品が軸受に限られ、フラッシュオーバーの危険がなく軽量・コンパクトで高回転数化や大出力化が容易、しかも直流電動機を上回る再粘着特性が得られるという大きなメリットを備えていて、鉄道技術者からは「夢の電動機」とさえ呼ばれていた。
だがその反面、三相交流誘導電動機には一定周波数・一定電圧の下で一定回転数を保とうとする性質があり、起動トルクが小さいという問題があって長らく高速電気鉄道での利用は困難視されていた。この問題が、この時期になって実用段階に入りつつあった高速・高耐圧・大出力かつコンパクトなスイッチング素子と、これをプログラムに従って波形制御するマイクロプロセッサを組み合わせ、電圧型PWM制御によって可変電圧・可変周波数(Variable Voltage Variable Frequency:VVVF)制御を行うことで解決可能となったのである。しかも、この制御法により直流整流子電動機に近い、あるいはそれを上回る優れた出力・粘着特性を得ることさえも可能となった。
こうした周辺技術の進歩・成熟を踏まえ、高速電車用VVVF制御システムの開発が日立製作所、三菱電機、それに東芝といった有力電機メーカー各社を交えて開始された。この制御システムについては大阪市交通局と同時期に日本国有鉄道や近畿日本鉄道と東京急行電鉄などが、それぞれの取引先である電機メーカー各社と共同で大規模な研究開発を実施していたが、直流1500Vの下での高速電車への適用にフォーカスしていた各社とは異なり、大阪市交通局のプロジェクトは低床のミニ地下鉄での使用を前提としてコンパクトな機器開発を重視していた点で一線を画していた。
もっとも、ミニ地下鉄の技術的可能性を探るというその開発経緯ゆえに、大阪市ではVVVF制御そのものの開発とスイッチング素子の開発が同時進行するという異例の事態となった。この点では単純に大形高速電車への適用に特化して研究を進められた他社とは状況が異なっており、これは後にVVVF制御車の営業運転開始時期で近鉄や東急の後塵を拝する一因となった。
この全く新しい制御システムの開発過程では、漏洩ノイズ等によるATSの軌道回路や変電所などへの影響を調べるため、営業線上での機器の車載運用試験を行う必要があった。そこで、当時3号線（四つ橋線）から5号線（千日前線）への転用の過程で余剰車が発生していた100形（2代）がそのテストベッドに選ばれ、ミニ地下鉄を想定した低い床面高さに設けられた支持架に装架する形で試作機器を搭載して試験運転が実施された。
この試験運転では黎明期の低耐圧で動作の不安定なGTOサイリスタ素子を使用していたこともあって素子破壊が頻発しており、その開発は難航したという。もっとも、その後半は回路構成上の様々な対策や実装ノウハウの蓄積、それに何よりメーカー各社で量産がようやく軌道に乗り始めた2500V 2000A級GTOサイリスタ素子そのものの動作安定性および生産歩留まりの向上により、飛躍的に信頼性や動作安定性が向上して順調にテストメニューを消化しており、この一連の試験結果はミニ地下鉄実用化に当たっての技術的な裏付けとなり、また20系の搭載機器設計に貴重なデータを提供することともなった。
こうした技術開発の成果を受け、量産先行試作車としてメーカー各社が分担して製造した20系第1編成は1984年3月に竣工した。これは日本初のVVVF制御による誘導電動機搭載鉄道車両となった熊本市交通局8200形に続くものであり、したがって高速電気鉄道用として完成したものとしては日本初のVVVF制御車となっている。

車体

10系と同様に側窓として2段上昇窓を備える切妻構造のアルミ合金製車体である。
ただし、アルミ合金の加工法の発展によって大型押し出し型材や薄肉型材、あるいは中空型材の使用が可能となったことで構体設計が全面的に見直されてよりシンプルにリファインされ、また従来よりも105mm薄くなった新型冷房装置の開発によって当時の10系では1段低くなっていた両端部分の天井が他と同一平面とされ、冷房の吹き出し口も通常のスリット型となるなど内装もより洗練されたものとなっており、開発時期の相違を反映して10系より一歩進んだ設計となっている。
前面は10系と同様に周縁部に枠状のFRP製縁飾りを取り付けたいわゆる額縁スタイルであるが、ガラス窓が10系と異なり上辺が屋根との接合部まで届かず本来の窓枠上部に設けられた方向幕の部分で止められ、その代わりに窓周辺をブラックで塗装する当時流行のスタイルが取り入れられている。このため、前照灯と標識灯は前面窓上部の妻板左右に各1灯ずつ角形灯具を左右に並べて一体化したユニットを振り分けて埋め込まれており、10系に近いながらも固有性の高いデザインとなっている。
冷房装置は10系での実績を基に開発された新型の超薄型冷房装置である三菱電機CU-74Cおよび東芝RPU-4410を搭載する。開発当時の技術で極限に近い薄型化を実現していた10系用冷房装置であったが、その後の技術の進歩、特にスクロール型コンプレッサーの実用化によってより一層の薄型化が可能となり、20系開発に合わせて厚さ300mmと従来比約74％として実用化が図られた。外観上は屋根高さなどほとんど変化しておらず、薄型化の恩恵は全て客室内の天井高さ引き上げに振り向けられており、10系で圧迫感を与えていた車内両端部の冷房装置の露出部がなくなって通常部分と同じルーバーが設置されている。

主要機器

本系列は、日本の高速電車におけるVVVF制御技術開発の揺籃の一つとなった点で特筆される。
20系の段階ではGTOインバータの容量などの制約から1台の制御器で2基の主電動機を制御する1C2M構成のものを2セット搭載しており、制御器はそれぞれ東芝BS-1408-B、日立VF-HR-103、三菱SIV-V564-M-1・-2であった。本系列の中でも第1編成 (2601F) については3両の電動車の電装品を東芝(2101)・日立製作所(2201)・三菱電機(2301)の3社がそれぞれ1両ずつ分担して担当するなど試作要素が多く見られ、各社が量産に必要なデータを収集するための量産先行試作車的な性質の強いものであった。なお、電動車の電装品のメーカーは、2601F以外については編成内で1社に統一されている。
主電動機はVVVF制御のため、従来の10系までと比較して整流子が不要となり、主電動機容積に余裕が生まれて磁気回路の容量が増強され、10系の東芝SE-617Aと比較して10kW増の端子電圧550V時1時間定格出力140kW/1600rpmが実現された。また、製造メーカーはこれまで東芝の1社指名であったものが、制御器の製造に参加する3社全てから供給されるように改められており、このため東芝SEA-309、日立HS-34529-02RB、三菱MB-5012-Aと3種の4極自己通風式三相かご形誘導電動機が採用されている。
台車は、10系用インダイレクトマウント・ノースイングハンガー・軸ばね式空気ばね台車であるDS-10とほぼ同仕様のDS-20が採用されている。また、車輪内周部に異種金属による防音リングを圧入してきしり音の低減を図った、防音波打車輪を装着する。集電装置は10系と同様に離線等による回生失効を防止する目的で、隣接する2両の電動車の内一方（Ma車）の全台車ともう一方（Mb車）のMa車寄り台車の合計左右3カ所ずつに設置されている。
ブレーキ装置は10系に準じた全電気指令式であるが、小改良が施され形式に変更が生じた（OEC-3）。

改造工事

2000年からは車いすスペースの設置が、2002年からは側面行先表示器と車内案内表示装置の設置が開始された。
中央線に配属された車両のうち、2601Fと2602Fは、車体側面全体に沿線の観光地である海遊館のジンベイザメなどを描いたラッピングフィルムが施されたことがある。この2編成はラッピングフィルムが剥がされたあとに側面行先表示器が取り付けられた。

ワンマン・高速化改造

2006年3月27日の近鉄けいはんな線生駒駅 - 学研奈良登美ヶ丘駅間開業時の同線における最高速度の向上に合わせて、2004年に第1編成の制御素子がGTOサイリスタ素子から日立製IGBT素子に交換され、他の編成も順次交換された。
30番台車は、この近鉄けいはんな線延伸開業の際に、全編成が車両番号の変更を実施せずに谷町線から中央線に転用され、代わりに24系9編成が谷町線へ転用された。これは、20系がちょうど主要機器の更新時期を迎えていたため、近鉄線内での95km/h運転やワンマン運転への対応改造を同時に行うことにより効率化を図ったものである。
2006年までに全編成の制御装置の改造工事が完了し、最高速度は70km/hから95km/h、起動加速度は2.5km/h/sから3.0km/h/sにそれぞれ変更された。また、けいはんな線延伸開業時に近鉄線内でのワンマン運転が開始され、それに対応した機器が設置されている。

新20系（21 - 25系）

新20系（しん20けい）は基本設計の共通する21系・22系・23系・24系・25系の各系列の慣用的な総称である。5系列合計で87編成560両が製造、さらに2005年に24系をベースとした大阪港トランスポートシステムのOTS系2編成12両も新20系に編入され、2017年現在は合計89編成572両が在籍する。最初に営業運転を開始したのは谷町線22系と四つ橋線23系で、ともに1990年4月25日から営業運転に入った。
非冷房車である30系と50系の老朽取り替えを目的として1990年から1998年にかけて製造され、それぞれ1号線（御堂筋線）、2号線（谷町線）、3号線（四つ橋線）、4号線（中央線）、5号線（千日前線）に配置された。製造メーカーは日本車輌製造（21・23・24系）・川崎重工業（21・22・23系）・日立製作所（22・23・24系）・東急車輛製造（21・22・24・25系）・近畿車輛（21・22・25系）・アルナ工機（22・24・25系）の各社である。また、架空電車線方式の6号線（堺筋線）向けに、同じくステンレス車体、VVVFインバータ制御の66系も製造されている。
この新20系では車両番号表記が5桁となり、万の位の「2」は20系を表し、千の位は投入線区の路線番号、百の位は車両の形式、十と一の位は車両番号を表す。
ただし、法規上の正式な形式称号は千の位の投入線区路線番号が省略された4桁表記となっており、いずれも20系の対応する形式と同一である（例、2600形）。

車体

本系列では30系以来のステンレス車体が採用された。ただし、30系とは異なり、鋼製の構体にステンレスの外板を貼り付けたセミステンレス車体から、当時最新の有限要素法によってコンピュータ上で強度計算を行って設計された、高抗張力ステンレス鋼を全面的に用いる軽量構造ステンレス車体に変更され、在来のアルミ車に匹敵するスペックをより低廉な製造コストで実現している。
また、エクステリアデザインについては抜本的な改良が加えられており、側窓にはバランサ内蔵の1段下降窓が採用され、前面は従来通り縁取りを設けその内側をダークグレーに塗装するいわゆる「額縁」状のデザインとされたものの、新たに緩やかな曲面を描く「く」の字状の流線型デザインが取り入れられた。この新デザインでは2つの前照灯が前面中央に左右に並べて配され、LEDによる標識灯がFRP製外縁の窓高さに組み込まれた斬新なデザインとなって視認性の向上が図られており、シンプルな造形ながら冷房付きの新車登場を市民に強くアピールすることともなった。なお、側面には薄い板材が使用される外板の溶接ひずみを目立たなくするためにプレス加工によるビードが入っている。
さらにサービス向上のため、室内灯への50系以来久々となるグローブの取り付け、座席へのコイルばねによるクッションの追加、車体側面への行先表示器の設置（後に他系列の更新車にも設置）、 非常通報装置のインターホン化、それに客用扉上部への車内案内表示装置の設置などが実施されているのも大きな特徴であるが、これらの改良は以後の10系および20系の更新メニューに反映されている。
なお、本系列は短期間で大量生産されたためか、保守に関係のない部分の設計や工作方法についてはある程度メーカー各社の裁量に任されており、近車と東急製は側構体と台枠の結合部がインダイレクトスポット溶接されているが他社製は栓溶接のうえカバーが被せられている、といった相違が存在している。

主要機器

新20系ではGTOサイリスタの容量増大を受けて1台の制御器で4基の主電動機を制御する1C4M制御が実現しており、それぞれ東芝SVF-001-A0・-A1、日立VF-HR-129、三菱MAP-144-75V26に変更された。ただし、制御器が各メーカーでの競作となった20系とは異なり、新20系では細部は違うものの、日立製作所が設計主導の下、3社で制御器の設計を共通化した関係で、メーカーの違いで励磁音が違うことはなくなった。
主電動機は20系と互換性を持つが、東芝SEA-309B、日立HS-34529-04RB・-05RB、三菱MB-5012-A3・-A4に形式が変更された。
台車・集電装置は20系のものを踏襲した。ただし、新たに設定された4両編成では電動車が2両ともMb車であるため制御車2両が共に全台車集電装置付きとされ、6両編成時には4両と2両で電気的に分割されることからペアとなるべきMa車のない2両側のMb1車（2100形）のために隣接する制御車（2600形）の全台車に、そして9両編成・10両編成時にはペアとなるべきMb車を持たないMa車（2400形）のために隣接する付随車（2700形）のMa車寄り台車に、それぞれ集電装置が設置されている。

リニューアル

新20系についても初期車の竣工から既に約25年が経過したため、更新工事が実施されることになった。第一陣として千日前線用25系25607Fの更新工事が完了し、2011年1月14日に営業運転を開始した。
2019年9月現在、49編成312両に施工されており、既に24系・25系からは未更新車は消滅している。
更新工事の主な内容は次の通りである。

内装デザインの変更

これまでもリニューアル施工の際は車内において、座席のバケット化や手すり・吊革の増設などを行ってきたが、細かい点が多く利用者から「大きく変わり映えしない」との声が多かったため、新しい発想として利用者に楽しく喜んでいただけるものをコンセプトとして、2015年度からリニューアルの際に内装のデザインを御堂筋線、谷町線、四つ橋線、中央線の車両を対象に一新することとなった。このデザイン変更は上記4路線の新20系の他にも堺筋線の66系、長堀鶴見緑地線の70系でも行われている。
御堂筋線21系は御堂筋線の号線カラーでもある赤色で大阪市営地下鉄の大動脈を表し、御堂筋の伸び行く新緑のイチョウ並木を表現。2018年10月にリニューアルされた第12編成は、ドアの部分に木目を採り入れるなど、変更後の内装デザインが同編成より前に施工された編成とは異なった新しいデザインとなっている。
谷町線22系は歴史的な史跡や神社、寺院が立ち並ぶ歴史がある路線で、沿線で開催される天神祭の壮大な花火と谷町筋のゆかりのある梅の華で華やかさと伝統を融合した車両空間を表現。
四つ橋線23系は上繋橋、下繋橋、炭屋橋、吉野家橋の四つの橋をモチーフにした「四ツ橋柄」と、路線カラーと水をイメージした「ブルー」を取り入れたデザイン。
中央線24系は朝日の昇る生駒山から太陽の沈む大阪港へ号線カラーであるグリーンベルトでつなぎ、そのまわりをかわいい魚が泳ぎまわるデザインで明るくかわいい車内を表現。
千日前線25系については2014年度までに全編成でリニューアル工事が完了していたため、内装デザインの変更の対象となった編成はない。