日本國鐵EF63型電力機車

開發背景

碓冰嶺位於日本群馬縣橫川和長野縣輕井澤之間，分隔開東側的信越地方和西側的關東地方，亦是信越本線的其中一個重要部分。早於明治時代，建設一條翻越碓冰嶺的鐵路已經受到鐵道部門的重視。1885年，上野至橫川的鐵路通車；1888年，輕井澤至直江津的鐵路通車。而橫川至輕井澤的鐵路則在1891年3月動工，至1893年4月正式通車。至此，連接東京和新潟的國營鐵路中山道線（即後來的信越本線）全線開通。
由於碓冰嶺地勢險峻，碓冰嶺區段的最大坡度竟達到66.7‰。為了保證列車上下坡時候的安全，碓冰嶺區段借鑑了德國哈茨山登山鐵路的經驗，採用了阿普特式齒軌鐵路，並使用專門的蒸汽機車擔任補機。兩條路軌之間鋪設有齒條，蒸汽機車的齒輪與之嚙合以產生牽引力，而非像普通鐵路那樣依靠輪軌之間的粘著來驅動列車。為了解決蒸汽機車造成隧道內黑煙瀰漫的問題，碓冰嶺區段於1912年完成了電氣化改造，並先後引進了多種齒軌式電力機車。
然而，由於受到齒軌鐵路的技術限制，碓冰嶺一直是信越本線的瓶頸區段。至1950年代，碓冰嶺區段所使用的ED42型電力機車的功率只有510千瓦，即使四台機車重聯亦只能最多牽引360噸的列車，而且這個單線區段的路線通過能力已達極限。在戰後日本經濟快速增長的形勢下，作為一條連接東京和長野縣北信、東信地方的重要紐帶，信越本線運輸能力不足已經成為一個非常棘手的問題。
1956年，當時的高崎鐵道管理局（今東日本旅客鐵道高崎支社）完成了「碓冰白皮書」，當中指出碓冰嶺已經成為一個交通瓶頸，且齒軌鐵路設備陳舊老化，並提出了取消齒軌鐵路和進行複線改造的建議。翌年，日本國有鐵道進行關於碓冰嶺區段改善措施的檢討。當時曾比較了兩種廢除齒軌的方案，一是對既有線進行複線化改造，修建與既有單線並行的第二線；二是徹底廢除既有線，新建一條坡度較小（25‰）的展線。因考慮到建築成本的因素，最終決定實施第一個改造方案。碓冰嶺鐵路改造工程於1961年動工，至1963年7月15日既有線北側的新線通車，同年9月30日正式廢除了齒軌鐵路。

機車研製

碓冰嶺區段進行粘著運轉化改造的同時，信越本線亦加緊進行電氣化改造。1962年7月，高崎至橫川區段完成電化改造。1963年6月，輕井澤至長野區段亦完成了電化改造。碓冰嶺區段則由原本的600伏直流第三軌供電，改造成1500伏直流架空電車線供電。由於碓冰新線的最大坡度仍是66.7‰，所有列車都無法自行通過該區段，因此仍然需要碓冰嶺區段專用的電力機車補機，以保證列車有足夠的牽引力和制軔力。為此，日本國鐵開發研製了全新的EF62、EF63型電力機車，前者是作為牽引信越本線直通列車的本務機車，而後者則是專門用於碓冰嶺區段的補助機車。
EF62、EF63型電力機車在設計上有許多共通的地方，設計主要重點是改善電力機車的粘著性能和運行安全。兩者都廣泛採用了許多自ED60型電力機車以來國鐵直流新型電力機車的新技術，例如超多段電阻調壓、輪對防空轉系統、軸重轉移電氣補償等，並採用了電阻制軔以確保下坡運行時的安全。EF63型電力機車作為碓冰嶺區段專用的補助機車，為了提高機車的曲線通過性能和粘著性能，除了採用國鐵電力機車常見的Bo-Bo-Bo軸式，機車運轉整備重量更達到108噸，比EF62型電力機車重12噸，是日本國鐵當中軸重最大的電力機車。此外，EF63型電力機車還特別設有磁軌制軔和電樞短接制軔作為緊急制軔手段。

早期試驗

1960年秋季，日本國有鐵道及有關機車製造商開始新型電力機車的研製工作。1962年5月，川崎車輛和川崎電機完成試製首台EF62型電力機車，而東芝公司負責的首台EF63型電力機車也同步落成。同年6月，專門為新型電力機車進行運轉試驗的試驗段（碓冰新線丸山信號場至一號隧道間約長2公里的66.7‰大坡度區間）首先開通，EF62、EF63型電力機車在此開始進行一系列的試驗運轉。試驗過程亦比較順利，一直備受關注的制軔性能並沒有出現什麼問題，但上坡時發生的空轉卻比預期頻密。
根據最初的牽引定數計算，當一台EF63型電力機車與一台EF62型電力機車重聯牽引時，旅客列車和貨物列車的最大牽引定數分別為320噸和360噸；當兩台EF63型電力機車與一台EF62型電力機車重聯牽引時，旅客列車和貨物列車的最大牽引定數分別為500噸和550噸；當三台EF63型電力機車重聯時，可牽引最多12輛編組的電聯車或柴聯車列車。但在第一次實地試驗中，發現原定的牽引定數被大大高估了。因此，最終決定不論旅客列車和貨物列車，均統一使用兩台EF63型電力機車擔任補機，最大牽引定數分別定為360噸和400噸。同時，還對下坡方向的最高運行速度設定了限制（旅客列車為35公里/小時，貨物列車為22公里/小時），原因是列車一旦在66.7‰下坡道超過限制速度+3公里/小時以上，即時使用緊急制軔也難以將列車停止。

橫輕對策

1963年1月，EF62、EF63型電力機車開始進行第二次性能試驗。同年5月，隨著碓冰新線全線完成施工，正線運行試驗和乘務員培訓工作亦開始進行，然而這個時候卻發現了一連串的問題。首先，當之前使用一台EF63型電力機車作為補機時並未發生過斷鉤，但當使用兩台EF63型電力機車作為補機時，就開始頻繁發生列車斷鉤事故。尤其在進行緊急制軔試驗時，由於車鉤承受的縱向作用力過大，不僅會損害車鉤結構，還有機會導致列車屈曲現象。例如，EF63型電力機車為一列10輛編組的165系電聯車擔任補機，當機車使用緊急制軔時由於後續車輛的縱向衝擊，造成機後一位車輛（Kumoha 165型控制車）被擠壓，車體與轉向架發生分離的事故。
針對上述問題，日本國鐵對通過碓冰嶺區段的所有鐵路車輛採取了特殊的措施，以防止列車在陡坡上發生斷鉤、脫軌、溜逸等事故，這些專門措施亦被通稱為「橫輕對策」，非改造車輛一概不得通過碓冰嶺。這些措施包括強化車體底架及車鉤結構、增大車鉤緩衝器容量、轉向架增設抗側滾裝置、對空氣彈簧轉向架增加排風裝置、本務列車司機室內增設緊急制軔閥等。為方便識別經過改造的「橫輕對策」車輛，車輛編號之前額外噴塗一個直徑40毫米的圓點，圓點的顏色通常是紅色（紅2號）或者白色。另外，還將電聯車或柴聯車列車的最大編組輛數減少至8輛.。

國鐵末期

儘管碓冰嶺區段已經實現粘著運轉化，但該路段仍然是信越本線最大的瓶頸區段。由於碓冰嶺區段的貨物列車牽引定數限制為400噸，因此通過碓冰嶺的貨物列車必須在橫川和輕井澤車站重新編組，大大降低了運輸效率。出於這個原因，關東和北陸地方之間的貨物列車，越來越少經由低效率的信越本線運行，而改為經由路線較迂迴但運輸條件較好的上越線運行。1984年2月，日本國鐵實行運行圖調整後，關東地方往長野縣方向的貨物列車均統一經由中央本線、筱之井線運行，並停止了信越本線安中至小諸間（含碓冰嶺區段）的貨運業務。
1982年11月，上越新幹線大宮至新潟區段開通營運，分流了信越本線的部分客流。1985年3月，隨著上越新幹線「朱鷺號」列車延伸至上野到發，上野至金澤的「白山號」特急列車減少至每天2對，並將列車縮短為9輛編組；同時，上野站到發的信越本線日間急行列車全部停運，但「淺間號」特急列車增加至每天15對，由9輛編組的189系電聯車擔當。1986年11月，日本國鐵實施民營化之前最後一次運行圖調整，再增加2對「淺間號」列車，「白山號」列車則維持每天2對。

國鐵民營化後

1987年4月國鐵分割民營化之際，除了之前報廢四台機車外，其餘21台EF63型電力機車均由東日本旅客鐵道（JR東日本）繼承，繼續在碓冰嶺區段為「白山號」、「淺間號」和「能登號」列車擔任補機。
1997年10月1日，長野新幹線通車營運的同時，碓冰嶺鐵路亦結束了104年的歷史，信越本線的「白山號」及「淺間號」特急列車停運，而「能登號」列車亦改為經由上越線運行。同年2月至6月期間，為了紀念EF63型電力機車完成最後一次全面檢查，EF63 18、19、24、25號機車均恢復為最初的葡萄色塗裝。
碓冰嶺鐵路停運後，所有EF63型電力機車經由信越本線、上越線回送至高崎運轉所（今高崎車輛中心）封存，至1998年全部報廢。

總體布置

EF63型電力機車是客貨運通用的直流電力機車，適用於1500伏直流電氣化鐵路。機車的兩端各有一個司機室，司機室內機車運行方向的左側設有司機操縱台，司機正前方的前窗玻璃中央位置設有除霜器，司機室兩側設有供乘務員乘降的車門，司機室上方車頂裝有兩盞密封光束燈式前照燈。考慮到與補助機車重聯運用的需要，司機室前端中央設有貫通門，以便乘務人員通過到另一台機車。車頂安裝有兩台PS17型雙臂式集電弓、高速斷路器、避雷器等高壓電氣設備。機車採用車體通風系統，車身兩側各設有八個通風百葉窗，是車內設備通風冷卻的主要進風窗口，另外並在機車往橫川方向的右側設有緊急用蓄電池安裝口。

調速控制

EF63型電力機車是直—直流電傳動的直流電力機車，機車主電路結構與EF62型電力機車基本相同。機車通過超多段電阻調壓、牽引馬達的串並聯換接、以及磁場削弱控制來達到調速的目的。
電阻調壓系統包含了主電阻器及副電阻器，首先利用主電阻器實現多個大調壓級，再於每個大調壓級內利用副電阻器實現若干小調壓級，降低了每個級位之間的電壓變化，從而獲得了相對平滑的調速性能。EF63型電力機車使用CS16型電動凸輪軸式主電阻控制器（14～21號機車使用CS16A型，22～25號機車使用CS16C型）、CS17型電動凸輪軸式副電阻控制器（14～21號機車使用CS17A型，22～25號機車使用CS17C型）、CS18型電動凸輪軸式轉換控制器（22～25號機車使用CS18B型）。
除了電阻調壓外，亦可以通過改變牽引馬達迴路連接方式（串聯、串—並聯、並聯），來改變牽引馬達的端電壓。該項轉換是通過主電阻控制器的串並聯切換來進行的，並採用橋式換接電路以減少串並聯換接過程中造成的牽引力衝擊。另一方面，由於EF63型電力機車沒有高速運轉的需要，因此每種連接方式只設有一級磁場削弱，削弱率為88%。

牽引馬達

EF63型電力機車使用六台MT52型四極串勵直流牽引馬達（後來改裝MT52A型），這是日本國鐵直流和交流電力機車通用的標準型牽引馬達，小時功率為425千瓦，額定電壓為750伏特，額定電流為615安倍，額定轉速為每分鐘860轉，冷卻方式為強迫通風冷卻。

輔助電路

EF63型電力機車採用直流電傳動的輔助電路系統。主電阻器通風機、牽引馬達通風機均使用MH91A型直流馬達和FK34A型通風機，但通風機組數量由EF62型電力機車的六台減少至四台，四台通風機組全部採用串聯連接，使通風機組輸入電壓提升至375伏特，以增強輸送風量和冷卻能力，因此通風機工作時的噪音音調較高，也是EF63型電力機車的特徵之一。電動空氣壓縮機使用MH92B型直流馬達和C3000型壓縮機，輸入電壓為1500伏特，額定功率為15千瓦。另外，還設有一台小型直流電動發電機，由兩台同軸的MH77C型直流馬達和DM43C型直流發電機組成，額定功率為3千瓦，用於向控制電路、照明電路和蓄電池供應100伏特直流電。

制軔系統

為了保障行車安全，EF63型電力機車設有多種制軔裝置，包括空氣制軔、電阻制軔、磁軌制軔、電樞短接制軔、以及停車時用的手軔機。空氣制軔是最基本的制軔裝置，機車裝用一台EL14AS型自動空氣軔機。如果架空電車線供電中斷，空氣壓縮機可以由大容量蓄電池供電，使空氣制軔系統仍然繼續工作。另外，停車制軔系統採用了凸輪式制軔裝置，防止機車在陡坡上發生溜逸。
EF62、EF63型電力機車都設有電阻制軔功能，使列車可以在長大下坡道上實現恆速制軔。當使用電阻制軔時，首先由CS18型轉換控制器切斷牽引馬達與牽引電路的連接，再將牽引馬達電樞與大容量制軔電阻接成迴路，使牽引馬達變為直流發電機運轉，發出的電能通過電阻器轉化為熱能消耗掉，制軔力可通過CS16型主電阻控制器來調節。當列車下坡時使用電阻制軔，可以避免機車頻繁使用踏面制軔來控制速度，防止閘瓦與輪箍因長時間摩擦而造成磨耗和過熱的問題。
磁軌制軔和電樞短接制軔都是緊急制軔的方法，並不會在正常運轉期間使用。兩端轉向架兩側下方均安裝有磁軌制軔器，利用懸掛在轉向架的電磁鐵靴吸附在路軌上的摩擦阻力來降低速度和停車。電樞短接制軔是將牽引馬達脫離電源後，因慣性作用使其工作於發電狀態，此時將電樞線圈短接使其產生抑制起轉的的磁場，但這樣做會形成很大的電流（機車三重連牽引550噸荷重在時速3km/h的情況下，將產生約400A的電流）並有可能燒毀馬達，因此這種方法只會作為發生溜逸或其他制軔方式失效時的最後手段。
除此之外，EF63型電力機車還設有超速檢測裝置（OSR）。中間轉向架的兩個輪對之間裝用一個獨立的速度檢測輪，用來檢測機車的當前實際速度，一旦超過設定的限制速度（旅客列車為38公里/小時，貨物列車為25公里/小時），系統將即時發出報警聲通知司機或實施非常制軔。這種保護系統亦被後來的ED78、EF71型電力機車沿用。

協調運轉

由於EF63型電力機車會為各種電聯車、柴聯車、普通旅客列車和貨物列車擔任補機，因此機車往輕井澤方向的一端設有特殊的雙頭式車鉤，這種車鉤結合了自動車鉤和密接車鉤，可方便地按需要轉換使用；而往橫川方向的一端為安全起見則仍然使用標準的柴田式上作用自動車鉤。密接車鉤已經包含空氣管路的自動連接，當機車與列車使用密接車鉤連接時無需再連接制軔管。
EF63型電力機車投入運用初期，通過碓冰嶺區段的電聯車列車均以無動力運行，純粹由補助機車牽引運行，列車最大編組限制為8輛車廂。從1960年代末開始為了提高運輸能力，先後研製了一系列具有協調運轉功能的電聯車（169系、189系、489系），電聯車運行時亦輸出牽引力和制軔力，使列車最大編組限制提高至12輛車廂。機車和電聯車之間使用KE70型電氣連接器相連，實現兩者同步的牽引和制軔動作，司機還可以通過有線電話聯絡。
協調運轉時全列車的牽引和制軔皆由EF63型電力機車集中控制，因此當列車往下行方向（輕井澤）行駛時，列車後端為補機，電聯車組司機需要肩負瞭望及確認信號的任務；而當列車往上行方向（橫川）行駛時，列車前端為補機，電聯車組司機基本上不需要做任何事情。為了防止控制信號的交錯和衝突，使用協調運轉時電聯車必須處於從控狀態，司機需要將司機控制器設定為零位並拔除制軔手柄，萬一電聯車司機需要使用非常制軔，司機操縱台側邊亦設有非常制軔閥。
EF63型電力機車往輕井澤方向的排障器上，裝滿了各式各樣的電氣連接器插座，具有機車重聯、協調運轉、電話聯絡的用途，這也是該型機車外觀上最顯著的特點之一。其中，包括了兩個KE63型電氣連接器（EF63型電力機車重聯時的輔助電路連接）、一個KE70型電氣連接器（對應169系、189系、489系電聯車的協調運轉）、兩個KE53型電氣連接器（分別對應80系、115系電聯車及Kiha 57系柴聯車的電話聯絡）、兩個KE62型電氣連接器（對應Kiha 82系柴聯車的電話聯絡）、一個KE66型電氣連接器（對應Kiha 57系柴聯車的傳感器連接）、以及三個放置未使用電纜的空插座。由於信越本線自1960年代中期以後不再增加投入柴聯車，因此從16號機車開始取消了對應柴聯車的電氣連接器。

通信設備

為了滿足本務機車和補助機車之間，以及機車與地面之間的無線通信需要，EF62、EF63型電力機車投入運用初期採用低頻感應無線電，載波頻率為150KHz，但這種無線通信方式的缺點是隧道內的噪聲干擾較嚴重。因此，碓冰嶺區段於1975年10月完成了橫輕協調運轉無線通信改造，採用400MHz特高頻無線通信設備，沿線鋪設鐵路通信專用的漏泄同軸電纜（LCX），並在機車第二端司機室的側面及車頂安裝天線，擴大了鐵路無線通信的覆蓋範圍。1980年代又增加了列車無線防護裝置。1990年代初，為提高山區區段的無線通信可靠性，EF63型電力機車的兩端正面（輕井澤端左側、橫川端右側）加裝了八木天線公司製造的直排陣列天線。

轉向架

機車走行部為三台二軸轉向架，包括兩台DT125型兩端轉向架、一台DT126型中間轉向架。考慮到在陡坡上產生的軸重轉移，EF63型電力機車採用了罕見的不平衡軸重分配方式，輕井澤端轉向架、中間轉向架、橫川端轉向架的軸重分別為19噸、18噸、17噸，以此來抵消軸重轉移的影響。
構架採用「日」字形的鋼板焊接結構，軸箱採用導框式定位結構。轉向架中心間距為2×5150毫米，固定軸距為2800毫米。牽引馬達懸掛裝置採用軸懸式，牽引馬達的一側通過抱軸瓦剛性地支承在車軸上，另一側通過吊杆懸掛在轉向架構架上，牽引馬達輸出的轉矩通過一級減速齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為4.44（16：71）。轉向架採用全旁承支重結構，車體全部重量通過六組旁承彈簧坐落在三台轉向架上。
一系懸掛為軸箱頂端螺旋彈簧和橡膠墊，二系旁承懸掛為每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。為了減少牽引列車起動時的軸重轉移，借鑑了此前ED72型電力機車的經驗，使用低位反向八字形牽引杆裝置，牽引點高度接近於軌道平面，理論上轉向架內無軸重轉移。基礎制軔裝置為單側閘瓦制軔。
為了提高機車的曲線通過性能，中間轉向架和車體之間還設有滾動裝置，當通過曲線時轉向架可實現相對於車體的橫向位移。此外，中間轉向架沒有磁軌制軔裝置，但加裝了一個直徑為115毫米的速度檢測輪。這個檢測輪除了作為超速檢測裝置（OSR）的速度傳感器外，亦是防空轉保護系統的一部分。軸箱上設有測速發電機以檢測輪周速度，一旦檢測到實際速度與輪周速度不符，將即時撒砂並接通防空轉保護。