日本國鐵EF64型電力機車

開發背景

1958年，日本國有鐵道開發了ED60、ED61型電力機車，開創了日本「直流新型電力機車」的先河，此後又在此基礎上研製了一系列六軸直流電力機車。1960年至1961年間，用於東海道本線、山陽本線的EF60型幹線貨運電力機車及EF61型幹線客運電力機車研製成功。1962年，針對信越本線橫川至輕井澤之間最大坡度達到66.7‰的碓冰嶺區間，又專門開發了EF62、EF63型電力機車。
1960年代初，隨著奧羽本線福島至米澤區段的運輸量不斷增長，自1951年開始使用的EF16型電力機車已經不能滿足需要，有必要在該區段引入性能更好的電力機車，以提高列車牽引定數和路線運輸能力；同時，考慮到中央本線電氣化改造的逐步推進，也將需要投入更多數量的直流電力機車。為此，日本國鐵決定開發研製一種對應中等坡度路線且設有電阻制軔的六軸電力機車，以滿足奧羽本線（最大坡度33‰）及中央本線（最大坡度25‰）的牽引需要。
1964年，日本國鐵成功研製了EF64型電力機車。該型電力機車是客貨運通用的六軸直流電力機車，也是在EF60、EF62型電力機車基礎上發展而成的系列化車型。機車上部結構及電氣設備與EF62型電力機車基本相同，包括電動凸輪軸式電阻控制器、軸重轉移電氣補償、電阻制軔裝置、列車供電系統、輔助機電設備等成熟技術均被繼續沿用；但在EF62型電力機車上部分對應碓冰嶺特大坡度區間的設備，例如低頻無線通信裝置、架空電車線停電時電阻制軔等，都沒有在EF64型電力機車上應用。而機車走行部則採用了與EF60型電力機車相同的Bo-Bo-Bo軸式，而非EF62型電力機車的Co-Co軸式，以提高車輛的小半徑曲線通過能力；此外，EF64型電力機車也採用了比較小的齒輪傳動比，以提高機車的高速運轉性能。

國鐵時代

1964年至1965年間，最初落成的首批12台EF64型電力機車配屬福島機關區，投入到奧羽本線福島至米澤間的板谷嶺區段運用，以替換原本使用的EF16型電力機車。從1966年起，新造的EF64型基本番台電力機車陸續大量配屬甲府機關區、長野運轉所、篠之井機關區、稻澤第二機關區，主要投入到中央本線和篠之井線運用。1968年，隨著奧羽本線完成交流電氣化改造，原配屬福島機關區的所有EF64型電力機車，均改配屬稻澤第二機關區。
1980年，EF64型1000番台電力機車投入上越線、高崎線之前，其中5台基本番台機車轉配屬長岡運轉所，作為乘務人員的教學用車。1980年至1982年間，新造的53台EF64型1000番台電力機車陸續配屬長岡運轉所，成為上越線旅客列車和貨物列車的主力牽引機車，包括「能登號」急行旅客列車和「北陸號」臥鋪旅客列車。隨著1000番台機車配屬完畢，早前配屬的5台基本番台亦恢復原配屬。後來，部分1000番台機車轉配屬高崎第二機關區（今高崎機關區），但仍然在上越線運用。
同樣在1980年，由於中國地方的伯備線完成電氣化改造，部分基本番台機車轉配屬岡山機關區；至1987年，配屬長岡運轉所的部分1000番台機車亦轉配屬岡山機關區。1984年，為了替代老舊的ED16型電力機車、擔當青梅線、南武線的貨物列車牽引任務，部分基本番台和1000番台機車轉配屬八王子機關區（今八王子綜合鐵道部）。

總體布置

EF64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，其車體結構和總體布置與EF62型電力機車基本相同。車體採用整體承載式全鋼焊接結構，車體底架採用無中梁的框架式承載結構。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，部分機車的前窗玻璃中央位置還設有除霜器，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。車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室，內設有貫通式雙側內走廊連接兩端司機室。車頂安裝有兩台雙臂式集電弓（基本番台機車採用PS17型集電弓，1000番台機車改裝下框架交叉式設計的PS22型集電弓）、高速斷路器、避雷器等高壓電氣設備。EF64型電力機車採用車體通風系統，出於電阻器及其他電器設備的散熱需要，基本番台的車身兩側各設有六個大面積通風百葉窗。
對於1000番台機車，機械室部分被重新劃分為第一、第二、第三機械室，其中主電阻器通風機和牽引馬達通風機等需要冷卻空氣的機電設備集中安置在第二機械室，主電阻器通風機排風口亦設有過濾器，防止雨雪經由排風口回流到冷卻風道，第二機械室部分的車體兩側各設有三個通風百葉窗。而第一和第二機械室則主要設置發熱量較小的設備，並通過牽引馬達通風機的供風來維持機械間呈微正壓，以改善機車防塵效果及防寒性能，車體兩側只有採光玻璃窗而沒有通風百葉窗。

調速控制

EF64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。EF64型電力機車使用帶有電動凸輪軸控制器的CS22型主電阻控制器（3～30號機車使用CS22A型，31～36號機車使用CS22B型，37～45號機車使用CS22C型，46～79、1001～1053號機車使用CS22D型）、包含牽引制軔工況轉換功能的CS23型副電阻控制器（3～30號機車使用CS23A型，31～36號機車使用CS23B型，37～45號機車使用CS22C型，46～79、1001～1053號機車使用CS23D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。此外，為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引馬達施行四級磁場削弱。EF64型電力機車設有獨立的CS24型勵磁控制器（31～36號機車使用CS24A型，37～45號機車使用CS24B型，46～79、1001～1053號機車使用CS23C型）來調節磁場削弱工況時的勵磁電流，取代了EF62型電力機車所使用的電磁式接觸器控制方式。

牽引馬達

每台機車裝用六台MT52型四極串勵直流牽引馬達（從29號機車開始改裝MT52A型，1000番台機車改裝MT52B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。

軸重補償

當機車牽引列車起動時，由於輪周牽引力與車鉤處作用的列車阻力不在同一水平面，使前後轉向架各軸載荷發生變化，稱之為牽引力作用下的軸重轉移。和EF62型電力機車一樣，EF64型電力機車亦具有軸重轉移電氣補償功能，以提高機車黏著重量利用率。電氣補償是根據各軸粘著重量的比例，通過CS24型勵磁控制器的調節，對各軸牽引馬達實施不同程度的磁場削弱，從而使各軸的輪周牽引力趨於一致。

電阻制軔

為了充分利用列車下坡時的勢能，EF64型電力機車並設有電阻制軔功能。當機車使用電阻制軔時，首先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，使牽引馬達變為他勵直流發電機運轉，發出的電能通過電阻器轉化為熱能消耗掉。電阻制軔的控制方式和EF62型電力機車大致相同，採用各軸牽引馬達的獨立電路控制形式，以提高防空轉防滑行的能力；但EF62型電力機車擁有的一些特殊功能，例如電源切斷時的牽引馬達勵磁和電阻制軔功能，則沒有在EF64型電力機車上繼續應用。

輔助電路

EF64型基本番台機車採用直流電傳動的輔助電路系統，主要輔助機械設備均採用直流馬達驅動，輸入電壓為1500伏特。主電阻器通風機採用一台MH110A-FK77型電動通風機，牽引馬達通風機使用兩台MH91A-FK34A型電動通風機（從31號機車開始改用靜音型渦輪風扇的MH91I-FK102型電動通風機），空氣壓縮機使用一台MH92B-C3000型電動壓縮機，額定功率為15千瓦。
隨著電力電子技術的發展，EF64型1000番台機車全面改為採用三相交流傳動的輔助電路系統，輔助機械設備均採用三相鼠籠式異步馬達驅動，輸入電壓440伏特60赫茲。主電阻器通風機採用一台MH3085-FK145型電動通風機，牽引馬達通風機使用兩台MH3084-FK144型電動通風機。空氣壓縮機亦改為使用MH3064A-C3000型電動壓縮機，與EF66型基本番台第二次量產車相同。輔助電路系統由閘流體逆變器和無換向器的DM104型電動發電機供電。網側的1500伏特直流電通過閘流體逆變器轉換成1500伏特三相交流電，再由電動發電機轉換成440伏特三相交流電。DM104型電動發電機與201系、205系、211系電聯車所使用的DM106型電動發電機屬於同系列產品，由三相同步馬達和發電機組成，並帶有旋轉整流器作為交流勵磁機，額定容量為120千伏安。

控制電路

EF64型電力機車在照明和控制電路系統方面，與以往的國鐵直流電力機車有較大分別。EF62、EF63型電力機車都是利用一台直流電動發電機，向控制電路、照明電路和蓄電池供應100伏特直流電。但考慮到控制電路的無觸點化和低壓交流照明燈具的使用，EF64型電力機車改為裝用一台MH81B-DM44B型二相交流電動發電機，能夠與同時期的新型電聯車互換通用，該電動發電機用於將直流電轉換成交流電，額定容量為5千伏安，額定頻率為60赫茲，直接為照明電路提供24伏特、50伏特、100伏特交流電，並可以通過整流器為控制電路和蓄電池為提供100伏特直流電。

電氣供暖

EF64型電力機車設有列車供電系統，能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置供電。基本番台機車的供電系統包括一台MH107A-DM69A型交流電動發電機及配套的電氣連接路線。交流電動發電機由同軸的MH107A型直流馬達和DM69A型交流發電機組成，用來將1500伏特直流電轉換成1440伏特單相交流電，額定轉速為每分鐘1800轉，供電容量為420千伏安。機車兩端設有供電插座，通過供電線與列車連接。1000番台機車改為使用SC14型閘流體逆變器（靜止式變流器）為列車供電，取代了效率較低的電動發電機。

DT120A/121A

機車走行部為三台二軸轉向架。基本番台機車使用DT120A型兩端轉向架和DT121A型中間轉向架，是在EF70型電力機車所使用的DT120、DT121型轉向架的基礎上改良而成。
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，轉向架固定軸距為2800毫米。轉向架採用帶有搖枕機構的全旁承支重結構，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。兩端和中間轉向架的二系旁承懸掛各有不同，兩端轉向架採用每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器，而中間轉向架則採用每側一個螺旋圓彈簧。牽引力和制軔力通過下心盤低位牽引裝置傳遞。中間轉向架和車體之間通過搖枕吊杆作用，可實現一定程度的橫向位移以便通過曲線。
牽引馬達懸掛裝置採用軸懸式，牽引馬達的一側通過抱軸承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3.83（18：69）。基礎制軔裝置為雙側閘瓦制軔，每個輪對左右各設有一個制軔缸，並設有制軔橫樑以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設置了閘瓦間隙調整器。

DT138A/139A

1000番台機車則採用了無搖枕結構的DT138A型兩端轉向架和DT139A型中間轉向架，是在EF81型電力機車所使用的DT138、DT139型轉向架的基礎上改良而成。構架採用無端梁的「H」字形鋼板焊接結構，軸箱採用兩個圓筒型橡膠裝置定位結構。一系懸掛為軸箱頂端兩個並列的螺旋彈簧組，二系旁承懸掛亦採用每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，一系及二系彈簧每個均由內、外圈彈簧組成，而兩端轉向架並設有垂向油壓減震器。牽引力和制軔力仍然通過下心盤低位牽引裝置傳遞。中間轉向架的二系彈簧和車體之間設有滾柱軸承摩擦式滾動裝置，可實現一定程度的橫向位移以便通過曲線。軸懸式驅動裝置、雙側閘瓦制軔裝置仍然和基本番台機車相同，但追加了保障在坡道上停車安全的制軔缸鎖定裝置。