日本の電車史
山地の多い日本では、勾配の続く山岳路線も多く、平坦線とは異なる性能の電車が要求された。これに対し国鉄は、平坦線用の出力強化型の系列に抑速ブレーキを追加した勾配線用の系列を開発(例、113系→115系)。近郊型から特急型までを揃え、電車の運用範囲は全ての電化路線に及ぶようになった。また、電車は得意の高加速性能を発揮し、従来機関車が重連・補機を用いていた急勾配区間でも補機を必要とせず、速度向上やコスト削減に大きく貢献した(例外として、付随車の割合の多い特急列車の一部区間、そして国鉄随一の難所碓氷峠では補機が必要となった)。
国鉄における技術革新は、世界でも珍しい寝台・座席車兼用の581系・583系電車が1967年に開発され、1973年に自然振り子式車両の381系電車が出来た辺りを最後に、停滞するようになっていく。その背景には、労使関係の悪化もあって、新形式の投入に対して国鉄労働組合(国労)や国鉄動力車労働組合(動労)が反発したこと、試運転の実施もこれらの労組の非協力的姿勢や反発で困難だったことがあり、なお、国鉄財政悪化のなかで通勤五方面作戦などの混雑緩和に追われ、新形式投入よりも既存車両と同一の車両を大量増備した方が安定的と見られた部分があるとされる。そのため、国鉄の電化区間においてはその末期辺りまで、昭和30年代に開発された103系電車・113系電車などの車両が20年前後の長きにわたり投入され続け、東海道・山陽新幹線でも、開業以来1980年代半ばまで0系電車が長年にわたり増備され続けるという、技術的に停滞する結果を招いた。
その一方で、私鉄では徐々に技術革新が進んでいった。帝都高速度交通営団(現在は別組織の東京地下鉄)で、それまでの制御方式である抵抗制御に代わって、電機子チョッパ制御(熱放出量が少ない・消費電力を軽減できるシステムである回生ブレーキの使用が可能)並びにアルミ合金車体(メンテナンスの軽減や軽量化の利点がある)を採用した6000系電車が1968年に開発された。また、東京急行電鉄は1950年代後半からステンレス車体(アルミ合金に同じ)を積極的に採用していたが、やはり回生ブレーキが使用できる界磁チョッパ制御方式の導入に至った。高度経済成長期の最盛期からオイルショック後の時代にかけ、質より量に傾きがちであった国鉄に代わり、車両・重電メーカー各社との協力で、日本の電車の技術革新を実効的に推進した、という点で、この時期の大手私鉄企業・地下鉄事業者の功績は大きい。
しかし私鉄についても会社によって方針は様々であり、抵抗制御・鋼製車体の車両を維持する会社もまだまだ多かった。なお、地下鉄各社が新技術の導入に積極的なのは、抵抗器の廃熱によるトンネル内の気温上昇・勾配区間の連続等、地上路線よりも運転条件が厳しかったことによる。また、国鉄で前述の技術を採用した電車が製造されるには、オイルショックに伴い省エネが叫ばれるようになった、1979年の201系電車(電機子チョッパ制御・鋼製車体)まで待つ必要があった。
また、都市交通として使命を長く負っていた路面電車も、自動車社会の発達(モータリゼーション)の影響で、大都市を中心に広島市などの例外を残して、次々と廃止されていった。大都市近郊においては、路面電車の代わりに地下鉄の建設(1927年の東京地下鉄道が都市交通としては初)が盛んになっていく。
通勤形・近郊形車両への冷房導入や、都市発達による編成の長大化、緊密ダイヤ化なども、この頃推し進められるようになっていった。ロングシート通勤車両の冷房化は京王帝都電鉄(現・京王電鉄)初代5000系電車に端を発しているが、地下区間において前述のトンネル内気温上昇の問題があり、抵抗制御の車両に限らず地下鉄車両には冷房機を設置することが躊躇され(冷房機もまた車外に熱を排出する為)、サービス向上の足枷となった。
1983年には、熊本市交通局でインバータ技術を活用した可変電圧可変周波数制御(VVVF制御)を用いた8200形電車が製造された。この方式は現在に至って、電車・電気機関車の主流方式として広く採用されている。
国鉄末期には、211系電車や205系電車で直巻電動機を使用し、簡便な回路構成を用いて回生制動を使用できる界磁添加励磁制御方式が開発・採用される一方、1986年に1編成のみが試作された207系電車のように、実用化まもないVVVF制御をいち早く導入しようという気運も見られた。これらは、国鉄分割民営化に伴うJR各社発足後、本格的に進展する事になる。なお、211系・205系電車では合金製車体の他、機構を簡略化し軽量化を図った、ボルスタレス台車も採用されている。
JR発足後、各社における進取の風潮は更に高まり、独自性を打ち出す会社も増えた。たとえば九州旅客鉄道(JR九州)では、電車のみでなく気動車もそうであるが、水戸岡鋭治デザイナーによるインパクトを持った外見と、快適さを追求したデザインの内装を持った車両が製造されるようになった。
また西日本旅客鉄道(JR西日本)では国鉄時代に製造された車両も、延命工事・車内改装を施して残す面があり、その一方で東海旅客鉄道(JR東海)などでは国鉄形車両を早期に淘汰する面があるなど、各社で方針に違いが生じるようになった。どちらにしても、国鉄時代は私鉄主導で技術革新などが進んでいたものが、分割民営化後はJR主導の流れになった事は確かといえた。
新車の製造コストや保守整備コストを抑えようという観点から、東日本旅客鉄道(JR東日本)では209系において車両の軽量化・大量生産方式を採用し、続くE231系ではそれまで存在した近郊形電車と通勤形電車の区分を廃して、一般形電車という新基準を設け、2車種をまとめた事により開発コストの削減も図った。さらにはE231系とほぼ同一仕様の電車を投入して、大手私鉄などでも開発コスト・製造コストを抑えようという声も出た。これは相模鉄道の10000系などで採用された。
昨今ではその考えを推し進め、各社における車両仕様の共通化を図って、製造・整備費用の削減を目指そうということから、通勤・近郊電車の標準仕様ガイドラインと呼ばれる基準が制定された。これにしたがって、東武鉄道で50000系が製造されたりもしている。
また、前述した連接構造など新機構を採用した一般形電車のE331系が製造されるなど、乗り心地の改善を図ろうという試みもなされている。
その一方で路面電車においては、超低床電車(LRV)と呼ばれるバリアフリーの観点に立った電車の採用も各事業者でなされるようになった。ライトレールへの脱皮を図り、生き残りを図ろうという施策の一つと言えるものである。
特急形車両にもJR各社がそれぞれの路線にあった特急形電車・気動車を開発しているが、国鉄381系電車で実用化された自然振り子式を改良した各種の車体傾斜システムを導入した形式が各地に登場し、運転時間の短縮に貢献する事となった。
きっかけは1989年に四国旅客鉄道(JR四国)が投入した、営業用として世界初の制御付き自然振り子式の2000系気動車であった。381系は自然振り子式であったため乗客が酔いやすいなどの問題点があったが、2000系気動車では車体の傾斜を強制的に行う制御装置を追加することで解決を図った。
この成功を受けてJR各社は制御付き自然振り子式電車を開発し、曲線が多く速度向上が困難だった幹線区間に投入した。まず1992年にJR四国が8000系電車を投入した。その後も、JR東日本E351系電車(1993年)、JR東海383系電車(1995年)、JR九州883系電車(1995年)、JR西日本283系電車(1996年)、JR九州885系電車(2000年)と、JR北海道を除く各JR旅客会社がこの方式の電車を開発・運用している。JR東海の383系は同社の381系電車を全て置き換えたが、JR東日本のE351系およびJR西日本の283系は従来車両全てを置き換えずに製造を終え、新造投入された非車体傾斜車両とともに運用されている。
空気ばねの伸縮を利用した強制車体傾斜式は、自然振り子式よりシンプルな機構で製造・保守も容易なため、新幹線電車では2007年に使用を開始したN700系をはじめE5系・E6系で、また私鉄では名古屋鉄道(2000系電車など)・小田急(50000形電車)の有料特急用形式で、それぞれ導入されている。
気動車の走行による排気ガスの解消や、二酸化炭素排出量・騒音の軽減などを目的として、非電化区間を走行できる電車の研究・開発も行われている。
2000年代以降、鉄道総合技術研究所R291形やJR東日本のクモヤE995形など、燃料電池を用いた電車の研究が行われている。
また、2010年頃より、架線集電によりリチウムイオン電池に充電し、その電力で非電化区間を走行する電車も開発されている。電化区間では普通の電車と同様に架線集電により走行し、走行中あるいは電化された駅構内で停車中に充電し、非電化区間を走行するというものである。2015年にJR東日本が烏山線に直流集電式のEV-E301系を投入して初めて実用化し、2016年にはJR九州が筑豊本線(若松線)に交流集電式のBEC819系を投入した。2017年にはJR東日本がBEC819系と基本構造を同じくする交流集電式のEV-E801系を男鹿線に投入している。蓄電池で走行する電車は先述のように宮崎交通での採用例があるが、これは人手を用いて鉛蓄電池に充電するものであり、架線集電での充電は新たに開発された技術である。BEC819系は約10kmの非電化区間を往復する。EV-E301系・EV-E801系は約20-25kmの非電化区間を走行するが、運行区間の終点駅に架線を新設し、終点での折り返し時にも充電する。
旅客のみならず、貨物輸送用の電車(電動貨車)も製造された。主に大正時代から昭和初期の太平洋戦争前期にかけて私鉄向けに多く製造された。しかし、貨物輸送は貨車を国鉄・私鉄などの各線相互間を直通させることで行われる例が多く、国鉄線に直通できないことは大きな欠点となった。距離の短い一私鉄路線内で完結でき、しかも車両一両分で賄える程度の小量の貨物輸送にしか対応できないため、自動車が普及した1950年代以降はほとんど需要がなくなり、廃れていった。電車による貨物輸送とはいえないが、一部の小規模私鉄では電車を電気機関車の代わりに用い、貨車をけん引させる例もあった。
国鉄内部で島秀雄は、旅客列車のみならず貨物列車も動力分散方式が望ましいと主張したが、国鉄ではコンテナを電車で輸送することを検討し、1960年に試作車としてクモヤ22形2両を製造し、試験を行ったが、実用化には至らなかった。なお、荷物車にも電車は存在した。
現在なお、動力集中方式で運行される貨物列車がほとんど全てを占めている中にあって、JR貨物では2002年、実用の長編成貨物列車としては世界初の動力分散方式を採用したM250系コンテナ貨物電車を新製したが、少数に留まり、運用区間や積載されるコンテナの種類も制限されている。