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新幹線電車「のぞみ」号の開発

重量比較(空車時)

図1 重量比較(空車時)

ユニット構成の変更

図2 ユニット構成の変更

実物の構体(25m長)による気密疲労試験(日立笠戸工場)

図3 実物の構体(25m長)による気密疲労試験(日立笠戸工場)

車体断面比較

図4 車体断面比較

台車の改良内容

図5 台車の改良内容

主回路システム構成の変更

図6 主回路システム構成の変更

1.概要

 新幹線電車「のぞみ」号(300系)は,東京~新大阪間を2時間30分で結ぶために開発された車両である.このためには,最高速度を従来の220km/hから270km/hに向上することとし,これに伴う沿線の環境を悪化させないことを第一の課題として開発した.内容としては,従来にない大幅な軽量化と徹底した環境対策を実施し,また,あわせて曲線走行性能をも向上して50km/hの最高速度向上を可能とし,速達化をはかった車両である.これまでとは全く異なる駆動方式及びブレーキ方式,走り装置,車体構造の技術開発を進め,文字通り従来に比較してフルモデルチェンジを行った車両である.

 具体的な「のぞみ」号の技術の内容は次の通りである.

2.技術の内容

 2・1 軽量化技術  従来の新幹線車両は1両が約60トン(定員乗車時)の重量であったが,車両全体の見直しによって1両当たり45トン(定員乗車時)と,約25%の軽量化を実現した(図1).

 このため車両の構成として,アルミ軽合金押出し形材による軽量車体,軽量ボルスタレス台車,交流回生ブレーキの使用によって従来の発電ブレーキ用抵抗器を廃した交流電動機駆動方式などを採用した.また,編成全体としてのユニット構成(図2),機器の配置等,重量配分の最適化によって,編成としての軸重の均等化を図りつつこの軽量化を実現した.

 2・2 アルミ軽合金による高耐久性軽量車体  新幹線の車体は,高速でトンネルに突入するときの圧力変動が車内に及ばないように気密構造としている.速度向上によって負荷が増大するが,形材断面の最適化,溶接箇所を減らすために広幅で車体長手方向にも継ぎ目のない長尺化を行い,新しいアルミ形材を用いて構造を改良し軽量で高耐久性の車体を実現した(図3).また,機器配置についても空調装置等屋根上機器を床下に収め車高を低くし全体として低重心化を図り,高速走行での安定性に寄与している(図4).

 2・3 軽量ボルスタレス台車  従来の台車はボルスター(ユレマクラ)と言われる装置を車体と台車枠の間に介していたが,これを省略したボルスタレス台車を高速鉄道として日本で初めて採用した.また,高速化に伴う走行性能向上のため,中ぐり軸,アルミ合金部品等を使用し,ばね下重量を徹底的に軽量化した(図5).この台車の原形は既に国鉄時代から開発が行われたが,JR東海において走行試験を繰り返して実施し,またJR総研の走行試験台において500km/hまでの実台車試験による確認を行って,実用化を図ったものである.

 2・4 交流電動機駆動システムの採用  小型軽量,保守上も有利な誘導電動機を採用し,大電力用の可変電圧・可変周波数の駆動電源制御システムを完成した.これは発展の著しいパワーエレクトロニクス,特に電力用GTOの開発とその周辺技術の確立によるもので,ブレーキ時にはモータを発電機として発生する交流電力を商用周波数の電力に変換し,架線に返す交流回生ブレーキを実現した(図6).

 2・5 環境対策  新幹線では従来からさまざまな騒音対策の研究を進めていたが,「のぞみ」の実現にあたっては特に高速域で顕著になる車体空力音と集電部の騒音対策を最適化し,前頭形状の変更,車体の平滑化,車高の低減等を行った.従来から実施していたパンタグラフの削減については使用するパンタグラフ数を100系の3台よりさらに2台まで削減した.また,全体としての列車重量の低減は高速化に対して構造物,地盤の振動の低減に大きく寄与し,270km/h走行を可能とした.

3.まとめ

 以上のように,この車両はこれまで高速化の最大の課題であった環境問題に配慮しつつ,高速走行を実現するために,各要素技術に大幅な変更を行い,一つの車両システムにまとめあげた最初のものであり,今後の高速車両の原形となるものと考えている.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、1995年、森村勉(東海旅客鉄道(株))、岡本勲((財)鉄道総合技術研究所)、下村孝(日本車輌製造(株))、小金丸邦夫(川崎重工業(株))、服部守成((株)日立製作所))に日本機械学会賞(技術賞)を贈った。

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軽量化、車両、車台、交流発電機、回生ブレーキ、アルミ材
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