新幹線車両

新幹線車両（しんかんせんしゃりょう）では、新幹線の車両について記述する。通常の営業で旅客列車として使用される電車が、新幹線車両の大半を占めている。高速走行のために様々な技術が導入されている。営業以外としては、保守や緊急用の事業用車としての新幹線車両も存在する。 在来線の車両よりも車体のサイズが大きいのがフル規格新幹線車両の特徴の一つである。鉄道車両の横断面サイズは、それぞれの路線で規定されている車両限界によって制限されるが、フル規格新幹線と在来線では車両限界が異なる。高さをレール上面から測ったとして、それぞれの車両限界はおおよその数値で、在来線が幅2.95 m × 高さ4 mに対して、フル規格新幹線が幅3.4 m × 高さ4.5 mである。車両長は、在来線が20 mに対して、フル規格新幹線が25 mである。ただし、ミニ新幹線の新幹線車両である400系、E3系、E6系は、在来線も走行するため車体サイズは在来線車両と同じとなっている。 軽量化のため、台枠だけでなく車体全体で強度を保つ構造である。0系・100系・400系・E1系では、車体の素材に普通鋼が使われている。東北・上越新幹線用の200系で初めてアルミニウムが採用された。これは、耐雪装備による重量増加を抑えるためである。国鉄民営化後に開発された新幹線車両はアルミニウム車体が一般化、さらにアルミ材の加工手法の発達により、製作費のコストダウンとさらなる軽量化の両立が図られた。この結果、近年の車両は国鉄時代に開発された初期新幹線車両より著しく軽量化されている。高速運転時にトンネルに進入するなどの気圧変動による居住性の低下を防ぐため、車両には気密構造が採用されている。 現在の新幹線車両の価格は1両あたりおおむね2 - 3億円と言われている。なお、新幹線車両の製造を行っている（いた）メーカーは、日本車輌製造・川崎重工業・日立製作所・近畿車輛・東急車輛製造・総合車両製作所横浜事業所・三菱重工業の7社である。ごく少数であるが、JR東海浜松工場でも100系が製造されたことがある。 一般に、高速車両の先頭部の形状の決定には空気力学に基づく要素が重要となる。先頭形状が影響する空力的な現象には、走行中の空気抵抗、列車すれ違い時の圧力変動、列車通過時の列車風、空力音による騒音、トンネル微気圧波などがある。新幹線車両も、走行抵抗低減のために空気抵抗が少ない流線形の先頭形状が採用されている。すなわち、車両の先端を尖らせ、徐々に滑らかな曲線で広がりながら通常客室部分の形状に移っていくような形状である。このような先頭形状を「鼻」や「ノーズ」と呼んだりもする。このように空気抵抗低減を目指した結果、初期の新幹線車両の0系や200系の先頭形状は旅客機の機首に似た形状となった。 一方、新幹線の高速化を進める中で、上記の問題の内、トンネル微気圧波が特に問題となってくる。100N系の設計上の最高速度は270 km/hであったが、微気圧波の問題のためこの速度での営業走行は断念された。また、200系で275 km/h走行を開始するときにも微気圧波が問題となった。微気圧波の抑制のためには、先頭部の鼻の部分を長くして、先端部から通常客室部分までの断面積が少しずつ大きくなっていくような形状が有効である。トンネルの多い山陽新幹線で300 km/h運転を達成した500系ではこのような設計が徹底され、先頭車両の車両長の内の3/5を先端部が占めるようになっている。このような長い先頭部採用と視界及びスペース確保を両立させるため、運転台は飛行機の操縦席のようなキャノピー型となっている。 500系の車両の3/5に及ぶ先頭部の長さは、速度向上の成功の要因とはなったが、運転席背後の客室扉の廃止やデッキの廃止、客室面積の減少などの問題も引き起こした。このため、微気圧波の対策を取りつつ先頭部長さもできるだけ小さくする研究が、スーパーコンピュータによる解析や風洞実験を通じて進められ、先端部における断面積の変化率を小さくする以外にも断面積の変化率を一定にすることが有効であることが判明した。この知見はE1系の開発で最初に取り入れられた。また、鉄道車両の特徴として往復運転を行うので、先頭部が最後尾に位置する場合の空力特性も考慮する必要がある。上記の2点を考慮して改善を重ねた結果、700系では「エアロストリーム」と呼ばれる先頭形状が開発、採用された。これにより、300系と同じ客室面積と座席配置の確保と、運転席背後の客室扉の維持が達成されている。700系をベースにした800系も、一見の先頭部形状は700系と異なるが、断面積変化率は700系と同じに保たれている。 最高営業速度285 km/hの700系から300 km/hのN700系を開発するにあたっては、エアロストリーム型でも不十分だったため、さらに先頭部形状の研究が進められた。遺伝的アルゴリズムも取り入れて最適な先頭部形状を割り出し、エアロストリーム型よりも更に3次元的に複雑な形状となった「エアロ・ダブルウィング」と呼ばれる先頭部形状が開発された。このエアロ・ダブルウィング型の採用により、300系、700系と同じ客室面積、扉配置の維持ができている。 先頭車両最前方に位置し、運転士が車両の運転を行う区画である運転台 については、新幹線車両では以下のような特徴がある。 初期の新幹線車両である0系、100系、200系では、運転手と助手の2名が運転台に乗務できるように設計されており、進行方向に向かって左側に運転席、右側に助士席が配置されている。ただし、運転操作自体は1名の運転士だけでも行うことができる。N700系などの近年の新幹線では、運転台では運転士の1名乗務が前提となっており、助士席は廃止されている。N700系の運転席は、ほぼ車体中央に位置する設計となっている。 一般的な電車と同様に、運転席前にマスター・コントローラーハンドル（マスコンハンドル）とブレーキハンドルが配置される。在来線の電車ではブレーキをかける機会が多いため、利き手である割合の多い側である右側がブレーキハンドルとなっており、マスコンハンドルは左手側となっている。新幹線車両ではこの逆で、運転士右手側にマスコンハンドル、左手側にブレーキハンドルがある。新幹線の場合、駅停車以外ではブレーキをかける機会が少ないこと、駅発車以降はマスコン操作による速度の調整が運転操作のほとんどを占めることから、このような配置が採用されている。また、在来線ではマスコンハンドルとブレーキハンドルが一体になったワンハンドルマスコンが採用される例もあるが、新幹線では0系から継続してマスコンとブレーキは2つに分かれた構成が採用されている。また、マスコンハンドルのさらに右側に、逆転ハンドルや前後進ハンドルと呼ばれる小さなハンドルがある。これは列車の進行方向を変更するときに切り替えるためのもので、運転中には操作されない。 運転速度を表示する速度計は、自動列車制御装置（ATC）が指示した許容速度を上に併せて表示しており、100系以降の車両では、横長のバーグラフ表示とデジタル表示の2つで速度が示されている。100系以前の0系と200系では針が横に移動して速度を指し示す機械式となっており、円形の時計のような速度表示ではなく横方向で速度表示する考え方は100系以降の車両と共通である。新幹線では運行速度の範囲が広いため、速度を認識しやすくするためにこのような設計となっている。近年の新幹線では速度計は液晶ディスプレイによる表示となっており、他の計器も多くがデジタル表示されるようになり、運転台のグラスコックピット化が進んでいる。 運転士が前方を確認する車両前面ガラスは、運転士保護のために、鳥や飛石の衝突に耐えられるように強化されている。このような強化のために、初期の新幹線車両の0系、100系、200系では防弾ガラスを2枚貼り合せた前面ガラスが採用された。 運転士保護のためと、前方視界の確保のために、新幹線車両では高めの位置に運転席が設置される。0系、100系、200系では運転士の目の高さが約3.5 mで、新幹線車両の中で最も高い位置にある。300系以降は運転台はやや低い位置となるが視界の確保は配慮されている。また、同じく視界確保のために、光の反射を避けるように前面ガラスの傾き角度はある程度以上の角度をつけるように配慮されている。これらのような運転台における前方視認性確保の制約も、新幹線の先頭形状決定に影響を与えている。北陸新幹線では、前面ガラスに電熱線が埋め込まれ、ガラスについた雪を解かすことができる工夫も施されている。 100系・200系の一部の車両が、E1系・E4系では全部の車両が2階建てとなっている。車両強度確保の観点からE4系を除いて普通鋼製であるが、車体軽量化のためE4系はアルミニウム合金製である。床下部分に機器を搭載するスペースを十分にとることができないため、床上部分に機器室を設置する。 新幹線では、複数の車両に動力を備えた「動力分散方式」が採用される。動力分散方式を採用することにより、電車方式と同様の、加減速能力の向上・軽量化・軌道への負荷軽減といった利点が追求されている。また、高速運転を行うため、列車編成内における電動車（動力車）の比率（MT比）が極力大きくされている。 なお、機関車などによって無動力の客車を牽引する「動力集中方式」との対比における動力分散方式の利点・欠点は以下の通りである。 動力分散方式は、軌道の建設・整備面で有利である。日本は山岳国であり、他国に比して地盤が弱い傾向がある。その場合に動力集中方式を採用すると、動力車の重量に対処するために軌道・路盤を強化する必要が生じるからである。 かつては、動力分散方式は、動力集中式に比してコスト面が不利になることが短所であった。動力分散方式では、車両に装備されるモーター等の電装部品が増える結果、初期コストおよびメンテナンスコストが高くなるためであった。しかし21世紀初頭では、動力集中方式に対する優位性も生じつつある（新世代のTGVやICEも動力分散方式に移行している事例がある）。その理由は、動力集中方式では、高速域からのブレーキの観点から、付随客車にも機械式ブレーキや渦電流ブレーキなど力行時に不要な機器（すなわち重量物となる機器）を搭載する必要がある。それに対し、動力分散方式では、搭載される機器が、力行のために利用されることはもとより、力行ではない例えば減速時においても利用されるためである。この機器の利用効率の良さは、VVVFインバータ制御の採用による誘導電動機の導入や、純電気ブレーキの実用化により、可能となったものである。なお、特に日本国外への販売では動力分散方式のコストが未だ問題となることもある。 基本的に、複数の車両間で主制御器、電動発電機/補助電源装置、空気圧縮機などの主要機器を集約分散搭載する、ユニット方式が採用される。 雪による悪影響を避けるため、200系ではボディーマウント構造が採用された。この構造を応用し、床下部分の騒音低減や整備性の向上を図るために、100系・300系・400系では床下機器を簡易ふさぎ板で滑らかにする方法が採用された。500系・E1系からは、車体と一体形状となるようなふさぎ板に変更された。 0系では、直流電動機を使用する低圧タップ制御方式を採用した。100系・200系・400系ではサイリスタ位相制御方式に進化したが、直流電動機を使用する。 300系以降は、かご形三相誘導電動機を使用する。直流電動機に比べて軽量化と出力アップを果たす。可変電圧可変周波数制御（VVVF制御）を採用しているが、制御機器に使用される半導体素子は、1990年代中ごろまではGTOが主流であった。それ以降は、より性能を向上させたIGBTが主流となっている。2020年代にはシリコン素子に代わってより高耐圧でかつ高速動作も可能、高温下でも使用できる炭化ケイ素 (SiC) 素子が採用された。 0系では、直通管（SAP管）の空気圧でブレーキ指令を送る電磁直通ブレーキが使用されていたが、100系以降は指令線に流れる電圧や電流によりブレーキ指令を送る電気指令式ブレーキを使用している。ブレーキ時には電気ブレーキと基礎ブレーキを併用するが、新幹線のような速度範囲の広い車両には、高速域と低速域に車輪の粘着係数（摩擦係数）に大きな差があり（高速域は粘着係数が小さく、低速域は粘着係数が大きい）高速域で低速域と同じブレーキ力でブレーキを掛けると車輪のスキッドの危険がある。その為、高速時には大きな減速度は得られなくなる。そこでATCの現示速度に応じて高速域では弱いブレーキ、低速域では強いブレーキが作動するように電気ブレーキと基礎ブレーキを自動的に調整する仕組みになっており、いずれかの車輪にスキッドが発生した場合、それを検知してその車両のブレーキ力を短時間弱めてスキッドが無くなった時点で再度ブレーキを作動し直す滑走固着検知装置（自動車のABSに相当）を搭載している。また、高速域からの減速には主に電気ブレーキが使用されており、これにより基礎ブレーキの磨耗を抑えることができる。試験車両であるE954形・E955形にはネコミミ形の空力ブレーキが装備されたが、営業車両に採用された例はまだない。 新幹線車両には、在来線車両でバックアップとして搭載されている自動ブレーキ装置を搭載していない。これはできるだけ編成内の引き通し空気管を少なくして空気ブレーキ制御装置を簡素化するためであり、その代わりに編成内に引き通し線を通して常時電圧を加える緊急ブレーキ回路を設けており、列車分離、ブレーキハンドルの抜取位置、緊急ブレーキ回路の故障、元空気ダメ管の圧力590 kPa以下時、入換時の架線停電、ブレーキ力不足、緊急ブレーキスイッチ（UBS）を扱うと作動する仕組みとなっており、緊急ブレーキ回路が断線または故障すると、無電圧となり継電器（リレー）の電磁弁が消磁して、各車のブレーキ制御装置の緊急電磁弁と非常電磁弁も一斉に消磁し、供給弁が開いて各車のブレーキ装置に空気圧が供給されて緊急ブレーキが作動する。 モーターを発電機として使用することによって制動を掛ける電気ブレーキは、発生した電気を抵抗器で熱に変換する発電ブレーキと、架線に戻す回生ブレーキがある。400系までは発電ブレーキが搭載されていたが、VVVFインバータが実用化された300系以降の車両には回生ブレーキが搭載される。 車輪の表裏もしくは車軸に取り付けられたディスクブレーキに、油圧シリンダーとてこによってブレーキリライニングを押し付けることによって高速域から安定して作動する車輪ディスクブレーキを採用している。 付随車はモーター（電動機）を搭載していないため、電気ブレーキを使用することができない。そのために一部系列（100系・300系・700系）には渦電流式ディスクブレーキが搭載されているが、ブレーキ自体の重量が嵩むため、JR東日本が新造した新幹線車両や、N700系では使用されていない。電動車が付随車のブレーキの一部を負担する遅れ込め制御が採用される場合もある。 新幹線用台車の軸距は、狭軌の在来線では標準的に軸距2,100 mmなのに対し、新幹線の標準的な軸距は2,500 mmとなっている。レールを直接走る車輪の車輪径については、在来線の860 mmから、初代新幹線車両の0系で910 mmへ大型化された。車輪の踏面勾配も、在来線の1/20勾配から0系では1/40勾配へ変更された。これらの変更は、高速走行による蛇行動の発生を抑制するために行われた。車輪径については、その後の300系にて860 mmまで縮小された。これは軽量化を目的としてもので、主電動機の小型化が可能になったことによる。ただし、より大きな主電動機出力を要求される2階建車両のE1系、E4系では車輪径は910 mmのままとなっている。さらなる高速走行に対応するため、試験用車両で、軸距が3,000 mmの台車や車輪径を1,000 mmとしたものがテストされたことがあるが、重量増などの問題から実用化はされていない。 軸箱支持方式は、主にそれぞれの形式の新幹線を保有する鉄道事業者によって異なっている。国鉄によって保有された0系、100系、200系ではIS式が使用された。JR東海によって保有される300系、700系、N700系ではコイルばね併用円筒積層ゴム式が使用された。JR東日本によって保有される400系、E1系、E2系、E3系、E4系では平行板ばね式が使用された。JR西日本によって保有される500系、700系では軸梁式が使用された。JR九州によって保有される800系では軸梁式が使用された。 車体支持方式は、0系、100系、200系ではダイレクトマウント方式が使用され、それ以降の車両形式ではボルスタレス方式が使用されている。車体を支持する枕ばねは、全ての車両形式で空気ばねが使用されている。 台車の軽量化や速度の高速化などの要求からボルスタレス台車の研究が1980年代から始められた。0系や100系に搭載しての実装テストが何度も行われ、300系において実用化された。 新幹線にて運用される営業車両は全て電車であり、その集電方式は全て架空電車線方式となっており、車体側の集電装置はパンダグラフとなっている。新幹線では、架線構造は一部を除いてコンパウンドカテナリが採用され、沿線に設置された変電所で変換された単相交流25,000 Vを集電している。 在来線と比較した際の新幹線車両の集電装置の特徴としては、高速走行によるパンダグラフへの揚力発生と空力音による騒音の発生への対策が必要となる点がある。初代新幹線車両の0系では、枠組と呼ばれる小型化して空気抵抗を小さくするため、下枠交差形パンタグラフが初めて採用された。 在来線と比べての大幅な運転速度の向上に伴う風切りとスパーク（英語版）などの発生は、非常に大きな騒音原因となっていた。そのため、1990年ごろから0系・100系・200系には後付の形でパンタグラフカバーが装着され、100系・200系においては特高圧引通線による実使用パンタグラフ数の削減（6基 → 2・3基）が行われる。運転速度を向上させた300系には、パンタグラフカバーが新製時から装着されている。 しかし、パンタグラフからの騒音を防止するために取り付けたカバーから騒音が発生したり、車体が揺れて乗り心地が悪化することが判明する。そのため、下枠交差型パンタグラフに代わる新型パンタグラフが求められる。 1996年に登場した500系では翼型パンタグラフが開発された。正面から見るとT型に見える。舟体の断面を翼型にし、それを支える構造体を楕円形とすることでパンタグラフ自体からの騒音を低減する。それによってカバーを小型化することが可能となった。しかし、高価であったため、他の系列に普及しなかった。 1999年に登場した700系にはシングルアームパンタグラフと碍子カバーが採用された。このシングルアームパンタグラフと碍子カバーは300系にも後付けの形で搭載される。2005年に登場したN700系には、300 km/h走行に対応した、改良型シングルアームパンタグラフが採用される。 2001年に登場したE2系1000番台では、碍子を楕円形にすることで碍子カバーをも完全に廃する構造を採用した。これは800系にも採用されている。 さらに320 km/h運転を行うE5系では、編成両数が東海道新幹線・山陽新幹線よりも少ない10両であること、擦り板の多分割化による離線を防ぐ改善がなされたことから、パンダグラフ1基のみによる集電が実現された。これにより更なる騒音低減が図られている。また、JR東日本の新幹線車両としてはE2系1000番台以降廃止されていた側面遮音板も、E5系では改めて採用された。E6系でも、側面遮音板が小型化されるなど変更はあるが1基集電などは同じで、E5系の基本的設計が踏襲されている。 1964年に東海道新幹線が開業してしばらくの間は0系のみによる運行の期間が長く、38次のマイナーチェンジを重ねながら延べ3,216両が製造された。その後東北新幹線・上越新幹線が開通すると同時に200系の運行が開始され、国鉄民営化後は新規路線用の車両や、既存路線のサービス向上などを目的とした車両が多数製造され、様々な形式の車両で運行されるようになった。 編成も東海道新幹線開業時は12両編成、1970年以降は16両編成が原則となっているが、その他の区間では様々な編成が見られる。2016年現在、両数では東北新幹線の「やまびこ」（E2系J編成10両）+「つばさ」（E3系L編成7両）、「はやぶさ」（E5系・H5系10両）+「こまち」（E6系7両）の17両が最長である。 新幹線の歴代営業車両とその変遷を以下に示す。