集電装置
続いて戦後、都市部の路面電車で各電機メーカーの試作品の試用が始まり、1949年(昭和24年)1月の横浜市電(横浜市交通局)採用の泰平電鉄機械(現泰平電機)が開発した定圧式ビューゲル集電装置(1948年(昭和23年)8月に開発)が本格採用第一号。以降、他メーカー(明石製作所、東洋電機製造)の競合製品共々、架線電圧や電流が低く、走行速度の低い路面電車や地方私鉄では普及して長く使用された。 トロリーポールに比較して扱いが格段に簡便になったビューゲルではあったが、以下の欠点もある。
トロリーポールと同様に架線に対して斜めに接触するので、架線の高さが変化すると架線に対するビューゲルの接触角度が変位する。架線を押し上げる圧力の変動が大きく離線しやすい。反転時にも架線とビューゲルがバウンドして離線する事が多い。
離線によってアークが飛び、架線・ビューゲルのすり板(スライダーシュー)共に著しく消耗する。
一般的なタイプは離線の発生を考慮すると集電容量を大きくする事が難しい。
反転時に重い架線を持ち上げるので、パイプで軽量化して製作されているビューゲル本体が破損することがある。
これらの欠点のため、高速車両ではパンタグラフが主流になった。日本国内の路面電車においても順次Zパンタグラフやパンタグラフに換装されて行き、東京都電荒川線が離線によって起こる瞬間的な停電による冷房装置のインバータ故障防止のためパンタグラフに切り替えたのを最後に標準仕様の機器として使用する路線は無くなり、長崎電気軌道の動態保存車や土佐電気鉄道貨1形に残っている程度である。
日本ではパンタグラフは現在、東洋電機製造と工進精工所で製造されている。
かつては日立製作所、東芝、三菱電機、富士電機でも製造されていた。このうち日立製は相模鉄道、東芝製は阪急電鉄(神宝線管内のみ)、三菱電機製は神戸電鉄、富士電機製は山陽電気鉄道などで使用されていたが、いずれの会社も車両の経年廃車、パンタグラフ自体の更新などにより、現在は少数の車両を除き使われていない。
A形はばねカバーなしまたは簡易カバーの直流用、B形がA形の交流用、J形がA形の寒地向け、H形がB形の寒地向けである。また、私鉄向けはPT16となる。 PS17形電気機関車用として、PS16を空気圧上昇式に変更して設計され、1958年(昭和33年)よりED60・61形用として採用が開始され、後継となるPS22系下枠交差式パンタグラフへ切り替わるまで国鉄電気機関車用標準パンタグラフとして多用された。 PS18形カニ22形用としてPS16を基本に設計。寝台特急牽引用の装備を持つ電気機関車からの遠隔操作による、異常時の緊急下降が可能。 PS19形EF30形・EF80形などに採用。PS17を基本に交流対応としたもの。 PS21形剛体架線を使用する地下鉄線乗り入れ対応車として設計された301系用として、PS16を基本にスライダーシューの舟支え装置部分の設計変更等を行って小ばねの追加を行ったもの。追従性能が優秀であったことから回生制動を行い離線が好ましくなかった201系にも採用されたほか、301系以降の各地下鉄線乗り入れ車にも採用された。 PS23形中央線高尾以西(折りたたみ高さ3980mm)、身延線(折りたたみ高さ3,960 mm)などの狭小限界区間対策として、PS16を基本に集電舟の小型化やイコライザーの台枠外への移設などの改良を行い、最小折りたたみ高さを縮小したモデル。 PS24形PS23の集電舟支え装置にPS21と同様の小ばねを追加して架線追従性能を向上させた改良後継機種。JR東日本在籍の201系電車の分割編成と、中央本線用115系の一部に霜取り増設用として搭載。 PS26形PS23を基本に交直流対応とした機種。651系 の他253系でも採用、E351系ではシングルアームパンタグラフ化前に採用。
ビューゲル(独:Bügelstromabnehmer)は、かつての路面電車に多用された集電装置。架線に摺り板(スライダーシュー)を圧接し、摺動させて集電する。
架線からの集電システムはその黎明期に様々な方式が考案されたが、ビューゲルの原型となる物も、トロリーポールやパンタグラフの原型と、ほぼ同じ時期に使用が始まっている。トロリーポール同様に起源の完全な特定にはさらなる研究が待たれるが、アメリカ起源のトロリーポールに対してドイツ語の名詞であるビューゲル(Bügel=枠)が用いられ、主にヨーロッパで発展したシステムである。英語ではボウコレクター(Bow collector)、その和訳では弓形集電子と呼ばれる。
本体は鉄・軽金属・ステンレス等のパイプで作られており、枠状であり通常は関節を持たない。特殊構造で中途に関節を持つものもあるがパンタグラフやZパンタグラフの様に本体の倒れこみを防ぐ機構は持たず、トロリーポールと同様に架線に接触する角度を変位させて架線高さの変位に追従させる。トロリーポールと違い左右方向には首を振らない。横幅を持たせたすり板(スライダーシュー)の左右端が閉じて曲線を描き、枠と接続しているのが特徴で、その形状から日本では「布団たたき」と呼ばれた。枠の丸みは架線が大きく偏倚した際の復元をスムーズにし、ビューゲルと架線の損傷を防ぐ目的で設けられているが、枠が角形でパンタグラフ同様の集電舟を持つタイプも存在する。
架線にトロリーホイールやスライダーシューをはめ込む様に接触させるトロリーポールとは異なり、横幅のあるスライダーシューを架線にすべり接触させる。
舟体をそのままカーブさせてホーンとするモデルからスタートしたが、後にPT43同様パイプ形ホーンとして軽量化が図られた。 PT43形PT42系と並ぶ私鉄向けベストセラー。PT42の派生機種の一つで、スライダーから舟体とホーンを分離することで架線追従性と軽量化を実現した。また、架線高の低い路線に対応すべく、最低高が400mmとPT42系に比して50mm低くなっている。PT42と比較して枠構造がPS16により近いが、外観上、PT42と同様に関節部に横方向の支柱が取り付けられている点で異なる(初期には省略されたものがあった)。主ばねはPS16などと同じ斜めがけである。西武・東急・京急・京成・新京成、それに阪急などの各社に採用された。 PT44形営団3000系電車用に開発された、上下寸法が小型化された機種である。基本的な構造としてはS-PS58や、PS105の私鉄版と言える。営団と同じく日比谷線直通用車両を用意した東武と東急が、基本構造や寸法がPT43とほぼ共通のPT44Bを採用した。菱形パンタグラフを採用したほとんどの地下鉄はPT42かPT43で用が足り、採用例は極端に落ち込んだ。実際に日比谷線系統の後継車は営団車が従来形、東武車が下枠交差形となっている。1985年頃より、省スペースを求めて東急が多数導入したが、この頃には省スペースという点では下枠交差形がすでに普及しており、選択肢としては魅力に乏しかった。1990年代には西武6000系に採用された。 PT45形近鉄が1961年(昭和36年)より製造を開始した奈良線820系用としてPT45-Qを採用。縮小車両限界に対応する小型モデルの一つ。
架線とビューゲルがバウンドして離線が発生しても自動で復旧するので、トロリーポールの様に再び架線に着線させる操作をせずに運転を継続することができる。架線を外れて跳ね上がってしまう事も無いので架線や吊架線の切断事故が起こりにくい。運転中の監視や操作が不要となり、乗務員の負担は軽減されて機関車から路面電車まで幅広く普及した。
てこの原理を応用して架線と接触するすり板(スライダーシュー)部分を作用点とし、なんらかのばね装置で架線への圧接力を得ている。 以下は日本での実用化例である。
本体の台座への取付け部分の回転軸(てこの支点)と直角(車両の前後進行方向)に一組ずつコイルばねを設置し、本体のてこの支点の上部もしくは下部(てこの力点)に作用させるもの(二宮式)。架線への押し上げ圧力を一定にするため架線の高さを一定に整える必要がある。
本体枠中央部分(てこの力点)と台座をリンク装置を介してシリンダに組み込んだ一組のコイルばねで連結するもの(泰平電鉄機械)。スプリングの力を受ける前後のリンクが進行方向毎に切り替わって架線への押し上げ圧力の変動を軽減している。
本体の台座への取付け部分の回転軸(てこの支点)と同軸上にコイルばねを設置し、本体枠下部(てこの力点)にトーションスプリング(ねじりばね)として作用させるもの(明石製作所、東洋電機製造)。巻き数を増やしたスプリングの直径を大きくしてばね定数を低めに設定し、復元力の変動を抑制して押し上げ圧力の変動を軽減している。
PS28形PS16を小型化したもの。209系(但し、500番台後期車はPS33A形、1000番台は203系や207系と同様のPS21形が採用された)、E217系に搭載。 PS29形PS28をさらに小型化し、交直流に対応した。E501系に搭載。 S-PS58形土讃線及び高徳線の電化を見越し、折りたたみ高さ3,900mmに対応するために開発されたパンタグラフ。7000系、6000系、113系に搭載。
私鉄向け 東洋電機製造: 日本における集電装置製造の最大手として、トップシェアを握る。 A形ゼネラル・エレクトリック社製パンタグラフの原図を元に1921年に阪神急行電鉄向けとしてデッドコピーしたもの。事実上、国産初の菱枠パンタグラフであったと見られている。ばね上昇・空気圧下降式。B形はこれを小型化し、バネ上昇ヒキヒモ下降式としたものである。 C形A形を基本に改良を施したもので、戦前の日本国内電気鉄道向けパンタグラフのデファクトスタンダードとして、改良を重ねつつ同社製品の顧客であった南海・京阪・阪和・名鉄などの各社に大量納入された。なお、鉄道省でも上述の通りPS2として初期モデルが制式採用されている。 PT42形国鉄向けのPS16に対応する、戦後私鉄電車向け菱形パンタグラフのベストセラー。初号機は1955年(昭和30年)に設計された。枠構造が同様のPT44形を含め、近鉄・阪急・京阪・東急・小田急・京王・京成など、大手私鉄各社に大量に採用された。構造面ではPS16に類似するが、下枠がM字状ではなく上枠と同様のN字状となっており、また関節部に横方向の支柱が取り付けられている点、主ばね(上昇ばね)が屋根に対し平行にかけられている点などで異なる。