日本國鐵EF30型電力機車

開發背景

位於山陽本線下關至門司間、橫跨關門海峽的關門鐵道隧道是九州和本州之間最重要的運輸通道，該線是1500伏特直流電氣化鐵路，自1942年通車以來一直採用EF10型電力機車擔當該區段的運輸任務。1961年，鹿兒島本線門司港至久留米間完成20千伏60赫茲交流電氣化改造的同時，門司車站範圍內亦改為採用交流電化，並在門司車站往下關方向的咽喉區設置了交直流中性區，用來分割直流和交流電化區段。為了滿足下關至門司間直通貨物列車和旅客列車的牽引需要，因此開發研製了交直流兩用的EF30型電力機車。

原型車

1960年3月19日，三菱電機、新三菱重工業完成試製了首台原型車（EF30 1）。由於EF30型電力機車的限定運用區段為下關至門司，機車只需要較低的功率即可滿足交流區段短時間的低速運轉需要，因此EF30型電力機車在交流區段的額定功率只有直流區段的四分之一。EF30型電力機車是以發揮牽引力為主的六軸電力機車，採用了以單馬達轉向架為基礎的B-B-B軸式，在雙機重聯牽引的情況下能夠在25‰長大坡道上起動1200噸貨物列車。原型車落成後，因為鹿兒島本線的交流電化尚未完成，所以首先配屬於米原機關區，並在北陸本線坂田至田村間進行試運行，至1961年4月開始在九州繼續進行各種試驗。

量產車

1961年，根據原型車的試驗結果而作出改良的量產車開始投入生產，同年生產了首批16台量產車（2～17）。EF30 2～17號機車的製造預算由國鐵1960年度債務承擔，其中6台由三菱電機、新三菱重工業製造（2～7），5台由日立製作所製造（8～12），5台由東芝公司製造（13～17）。與原型車相比，量產車的主變壓器、矽整流器、牽引馬達、直流避雷器、交流避雷器、集電弓等主要電氣設備均改為採用技術更成熟的產品；此外，車體外板改為採用波紋不鏽鋼板，車體長度亦由17,860毫米縮短為16,560毫米。
1964年，三菱電機、新三菱重工業又再生產了2台EF30型電力機車（18～19）。第二批量產車的製造預算由國鐵1964年度第三次債務承擔，這批機車採用了新型矽整流器，中間轉向架改為採用DT118A型轉向架，車窗玻璃改為以H型斷面的橡膠密封條固定，而車端電氣連接器的布置形式也有所改變。
1968年，三菱電機、新三菱重工業又再生產了3台EF30型電力機車（20～22）。第三批量產車是因應同年10月1日日本國鐵運行圖大範圍調整、寢台特急列車和高速貨物列車增發的需要而製造的，製造預算由國鐵1968年度第三次債務承擔。

運用

EF30型電力機車全部配屬門司機關區。1961年10月1日的國鐵運行圖調整後，EF30型電力機車正式投入運用，專門擔當關門隧道區段的牽引任務，其中，旅客列車在門司至下關之間採用單機牽引，而貨物列車在門司編組站至幡生編組站（或東小倉站）之間採用雙機牽引。1964年10月1日的國鐵運行圖調整，開行了新大阪至博多的「燕號」和「鴿子號」特急旅客列車，由直流專用的151系電聯車擔當，因此在門司至下關之間仍需要使用EF30型電力機車牽引，專門用於牽引這兩對列車的機車（2～8）亦加裝了配合電聯車的控制電路系統，並將機車編號銘牌塗成紅色以示區別。
1978年12月，運用時間最長的原型車首先報廢，成為第一台報廢的EF30型電力機車。1986年初，為了替換日漸老化的EF30型電力機車，門司機關區開始配屬EF81型400番台電力機車。1987年3月，關門隧道區段的牽引任務全部轉交EF81型電力機車擔當，標誌著EF30型電力機車正式告別歷史舞台；同年3月29日，EF30 6、21號機車重聯牽引臨時列車完成告別運轉（門司港—遠賀川—下關—門司），EF81 304號機車亦與之同行。在1987年4月的國鐵分割民營化之前，除了獲得動態保存的EF30 3號機車外，其餘EF30型電力機車均已停運報廢。

總體布置

EF30型電力機車是客貨運通用的雙電流制電力機車，適用於供電制式為20千伏60赫茲工頻單相交流電和1500伏直流電的電氣化鐵路。EF30型電力機車採用全鋼焊接結構箱型車體，車體形式和結構近似同時期的ED60、ED71型電力機車。車體兩端各設有一個司機室，車內設有貫通式雙側內走廊連接兩端司機室，車體中部設有第一輔助機械室、考慮到機車重聯運用的需要，EF30型電力機車亦採用了前端貫通型的結構，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，貫通門上方並設有一盞前照燈。車頂安裝有兩台PS19型雙臂式集電弓、交直流切換器、高速斷路器、避雷器等高壓電氣設備。
EF30型電力機車採用車體通風系統，側牆百葉窗是車內設備通風冷卻的主要進風窗口。但由於原型車和量產車的車內設備布置不一，車體兩側的通風百葉窗和採光玻璃窗的位置也有差異。原型車的車體兩側各設有三扇採光玻璃窗和八個通風百葉窗，而量產車的車體兩側各設有三扇採光玻璃窗和六個通風百葉窗。因應機車有重聯運用的需要，因此在兩端排障器均各設有四個重聯插座，插座使用KE57（原型車）或KE58型（量產車）電氣連接器。

車體結構

由於關門隧道內的海水滲漏會導致鹽害的問題，因此EF30型電力機車和之前的EF10型電力機車一樣，車體外板和頂蓋設備均採用不鏽鋼板，以防止海水對車體造成鏽蝕；而其他暴露於車體外的金屬設備和箱體，亦儘量使用例如黃銅等防腐蝕性能較好的材料。原型車的車體長度為17,860毫米，轉向架中心間距為9,400毫米，車體外板採用光滑平面的不鏽鋼板。量產車的設備布置有所改變，車體長度縮短為16,560毫米，轉向架中心間距縮短為8,800毫米；此外，量產車減少了車體外板厚度以減輕重量，因此改為採用波紋不鏽鋼板來保證車體剛度。雖然不鏽鋼車體無需塗裝，但原型車仍在車體兩側加上兩道紅色色帶，而量產車則完全沒有額外塗裝。

電氣系統

EF30型電力機車是交—直流電傳動的整流器式電力機車，機車主電路由空氣斷路器、主變壓器、整流器、牽引馬達、主電阻器、電路保護裝置等組成。在交流電模式時，機車從架空電車線獲取高壓交流電，首先由主變壓器降低電壓，再通過矽整流器轉換成脈流電（即方向不變而只有電壓變化的直流電），經過電阻調壓後供電給牽引馬達。在直流電模式時，機車從架空電車線獲取直流電，經過電阻調壓後直接向牽引馬達供電。
由於EF30型電力機車運用於下關至門司之間，其中交流區段僅限定於門司車站內，因此機車只需要較低的功率即可滿足交流區段的低速運轉需要。EF30型電力機車在交流區段的額定功率只有直流區段的四分之一，因而減少了主變壓器和整流裝置的體積和重量。EF30型電力機車在直流區段的額定功率為1800千瓦，最高運行速度為85公里/小時；原型車在交流區段的短時功率為397.5千瓦（10分鐘），量產車在交流區段的小時功率提高為450千瓦，最高運行速度為35公里/小時。

主變壓器

為了減少交流電氣設備的功率和重量，主變壓器採用了儘可能緊湊的小型化設計。原型車裝用一台TM4X型殼式單相主變壓器，小時制額定容量為320千伏安。量產車改為裝用一台TM4型芯式單相主變壓器，小時制額定容量為310千伏安。主變壓器原邊的額定輸入電壓為20千伏，額定輸出電壓為2×920伏特，冷卻方式為強迫油循環導向風冷卻。

整流器

EF30型電力機車是日本第一種採用矽整流器的電力機車，取代了以往ED46、ED71型電力機車所使用的水銀整流器。整流裝置採用由矽二極體組成的單相全波整流電路，額定功率為450千瓦，額定整流電壓為1500伏特，矽整流器和冷卻通風裝置採用單元式設計。原型車具有兩套相同的整流裝置，使用三菱電機開發的SR107型矽二極體（最大反向電壓為350伏特，最大反向脈衝電壓為450伏特，平均整流電流為100安倍），每套整流裝置由四個橋臂組成，每一橋臂由兩個並聯支路組成，每個支路有十二個串聯連接的矽二極體，一台機車共使用196個二極體元件。
隨著電力電子器件製造技術的快速進步，二極體的性能和可靠性已大大提高（尤其是反向擊穿電壓），使量產車的整流裝置得以大幅簡化。量產車（2～17）只有一套整流裝置，使用三菱電機製造的SR200F-14型二極體（最大反向電壓為700伏特，最大反向脈衝電壓為800伏特，平均整流電流為200安倍），整流裝置由四個橋臂組成，每一橋臂由兩個並聯支路組成，每個支路有十個串聯連接的二極體，一台機車只需使用80個二極體元件。最後期生產的量產車（18～22）更使用了功率更大的RS24型二極體，在保證整流器性能保持相同的前提下，使二極體元件數量大幅減少至24個。
除此之外，矽整流器的體積和重量也變得越來越小。原型車的每套矽整流裝置（含冷卻系統）的外形尺寸為800毫米×540毫米×1,750毫米，自重為400公斤（因裝用兩套整流裝置，總重800公斤）。而量產車的矽整流裝置（含冷卻系統）的外形尺寸為540毫米×1,150毫米×1,750毫米，自重為580公斤，比原型車減輕了280公斤，並且使車體長度得以縮短。

牽引馬達

由於搭載交流電氣設備使機車重量增大，因此借鑑了此前ED46型電力機車的經驗，同樣採用了單馬達轉向架的設計，每台轉向架安裝一台牽引馬達，通過傳動裝置成組驅動兩個輪對。原型車使用MT102型牽引馬達，而量產車則使用經過改良的MT51型牽引馬達。該型馬達是四極串勵直流馬達，小時功率為600千瓦，額定電壓為1500伏特，額定電流為430安倍，額定轉速為每分鐘1000轉，採用強迫通風冷卻。

調速系統

雖然EF30型電力機車是交直流兩用電力機車，但實際上是以直流區段的運用為主，因此機車主電路系統是以直流電力機車為基礎，再加上基本的交流電氣設備來構成。EF30型電力機車的調速控制方式和ED60、ED61型直流電力機車一樣，採用超多段電阻調壓以及對牽引馬達的串並聯換接來達到調速的目的。雖然調壓級位轉換基本上是以電磁式空氣接觸器進行的，但考慮到關門隧道的惡劣粘著條件（關門隧道內存在海水滲漏的現象，且隧道內上坡道方向的坡度達到22‰）和列車坡停起動的可能性，因此EF30型電力機車亦設有凸輪軸控制器，以提高電力機車的調速性能和粘著性能。
EF30型電力機車在直流和交流區段分別有不同的調速級位。在直流電模式，調速控制器可使用共19個調速級位，其中串聯位11級、並聯位8級；在交流電模式下，由於比較著重重載貨物列車的起動及牽引性能，因此可使用多達26個調速級位，其中牽引馬達三個串聯位11級、牽引馬達兩個串聯位15級，不設並聯位。

輔助電路

EF30型電力機車的輔助電路用於向電動發電機和各類型通風機供電。電動發電機是由一台直流馬達和一台交流發電機組成，由架空電車線（直流區段）或整流器（交流區段）供電，將1500伏特直流電轉換成100伏特60赫茲三相交流電，向機車的控制電路、照明電路、電阻器通風機和蓄電池供電，額定容量為5千伏安。牽引馬達通風機、電動空氣壓縮機均使用1500伏特直流馬達，供電方式與電動發電機相同。

轉向架

機車走行部為三台二軸單馬達轉向架，兩端轉向架是DT117型轉向架，中間轉向架是DT118（DT118A）型轉向架。轉向架採用「日」字形的輕量化鑄鋼構架，軸箱採用傳統的導柱式定位方式。轉向架採用全旁承支重結構，車體重量通過六個旁承支座坐落在三台轉向架上。由於牽引馬達占用了部分搖枕的空間，因此搖枕的位置顯得較低，而且搖枕形狀和搖枕彈簧的布置也比較特殊，以儘量減少牽引列車起動時的軸重轉移。一系懸掛為軸箱兩側的螺旋彈簧。搖枕彈簧裝置為構架外側懸掛結構，中間轉向架採用每側兩個並聯的搖枕圓彈簧組，而兩端轉向架則採用橡膠彈簧。
同時期的國鐵電力機車大多使用心盤來傳遞牽引力，再經由車體底架傳遞到車鉤。但EF30型電力機車的特別之處，是利用轉向架之間的中間聯接裝置直接向車鉤傳遞牽引力。每台轉向架的心盤位於牽引馬達之上，三個心盤之間由牽引拉杆連接，兩端轉向架又和車鉤機械地耦合，車體底架基本上並無承擔傳遞牽引力。此外，為了提高機車的曲線通過能力，中間轉向架設有兩段式連杆機構，當通過曲線時實現強迫橫向位移，以減少中間轉向架對軌道的側壓力，這項技術是新三菱重工業首先發明。
牽引馬達採用架懸式安裝方式，牽引馬達通過螺栓連接完全固定於構架橫樑上，即位於兩個輪對之間、心盤之下，牽引馬達的重量成為簧上重量。驅動裝置採用WN撓性浮動齒式聯軸節驅動方式，從牽引馬達電樞軸輸出的轉矩，經撓性浮動齒式聯軸節傳遞給主動齒輪（小齒輪），然後通過兩個中間齒輪分別傳動兩個輪對的從動齒輪（大齒輪）。兩根車軸的所有牽引傳遞齒輪均封裝在同一個密封齒輪箱內，齒輪傳動比為1：3.88。