登場の背景
1960年代後半から70年代にかけて、大手私鉄ではチョッパ制御、回生ブレーキ、空気バネ台車、オールステンレス/アルミ車体が普及していた。しかし国鉄は労組の反対等もあって、通勤型電車は抵抗制御、コイルバネ台車、鋼製車体の103系を作り続けていた。
しかし石油危機を発端とする省エネルギー化の風潮や103系の陳腐化もあり、国鉄は電機子チョッパ制御の次世代通勤形電車を開発することとした。それが201系である。試作車は5両編成2本の10両が1979年に登場し、国鉄は初の量産回生ブレーキ電車ということで、「省エネ」のヘッドマークを掲げてPRした。
なお、国鉄の通勤型車両としては初の全車冷房車として登場した型式であり、当時まだ多数残っていた非冷房車を置き換えたことによる夏場のサービス向上の側面もあった。当時、103系でも優先的に新車投入で比較的優遇されていたとされる山手線でも冷房化率は3/4で、全車冷房化は民営化のことであり、101系の当時の中央線など推して知るべしである。なお中央快速線の201系化完了は1985年であり、山手線の冷房化より早かった。
概要
1963年登場の103系以来16年ぶりになる国鉄主力通勤車として、国鉄直流用電車としては初の電機子チョッパ制御とそれによる電力回生ブレーキ、空気バネ台車、それまでの通勤電車のイメージを覆すブラックフェイスのデザインなど、意欲的な設計を盛り込んだ電車である。
1979年に試作車900番代が登場。1981年より量産車が登場し、1982年には本系列をアルミ車体としてデザインし直した203系が常磐緩行線向けに製造された。
またこの形式の量産車以降、鋼製車体の場合でも腐食対策に力が入れられ、若干外観にも影響している。連続溶接と塗装で目立ちにくいが、車体裾部は63系と同様に台枠の鋼材が露出している。従来のスポット溶接では、隙間から毛細管現象で水が侵入してしまい、それが元で腐食していたことから、それを元から断つべくこの構造となった。
内装は、それまでの1950年代前半から根本的改良を加えられることのなく踏襲されてきた、寒色系色彩スキームやデザインからある程度脱却し、暖色系カラースキームおよび冷房搭載前提の内装デザインとなった。ただ、天井高さが低く、それにより圧迫感が強い印象を与えてしまい、量産車である程度改良されたものの廃車期まで若干批判する向きもあった。
ちなみに103系などの特別保全工事車や更新車の内装カラースキームは、この201系を参考としたものである。若年層の場合、幼少期すでに未更新車は残り少ないものとなっていたため、201系とさほど変わらぬなどと誤認する向きも存在するが、103系の内装原形デザインは実際は1950年代前半の72系全金属試作車から延々と25年以上ほぼそのまま受け継いだ古風なデザインであった。
登場時期が国鉄の経営が傾いていた時期に重なったこと、製造価格が高コストな割に消費電力が103系とさほど差がなかったため、導入線区は限定的であったが、それでもそのブラックフェイスのデザインは非常に秀逸で､私鉄各社の通勤型電車に模倣された(このデザインの起源は、東急車輛製造であった)。
2000年代前半頃、一時期中央線が人身のメッカ扱いされていた時期があり、その際に「オレンジ色に心理的に憂鬱にさせる効果があるから悪い」という珍説が鉄オタ界隈に広まって、理不尽なバッシングを受けたことがある。
構造
電機子チョッパ制御を国鉄直流電車として最初に採用。私鉄ですでに10年ほど実績のあった界磁チョッパ制御は複巻電動機を使う必要があり、一部で激しい電圧降下を経験していた国鉄では忌避され、直巻電動機で全速度域をチョッパ制御するものを「本命」としていた。
本来地下鉄などの低速かつ高加減速での運用で効率が上がる方式ではあるものの、国鉄では駅間距離が長く高速運転を行う幹線で主に運用されるため、特に高速域で積極的に回生ブレーキを行う技術の開発に注力していた。
しかし当時の電機子チョッパ制御では、低速域と高速域とで起電力に大きな差がある直流電動機の特性を制御するための、チョッパや添加励磁装置による界磁磁束の調整といった起電力を細かく調整する機能が実装されていなかったため、昇圧チョッパ回路となる回生ブレーキ時にはエネルギーの大きい高速域で過電圧が生じ、スイッチング素子破壊の恐れがあったため、通常の抵抗制御の電車に比べ高速域での電気制動力を上げられなかった。
そのため、主電動機はチョッパ制御に合わせた新形式MT60形が設計された。これは、コイル巻き数を少なくするなどにより起電力を抑え※、高速域で回生ブレーキを積極的に活用することを図ったものである。歯車比も15:84=1:5.60まで落とし、定格電流や定格回転数の高さも相まって、全体的に高速寄りの特性となっている。
さらに、100km/h以上の速度域では、回生ブレーキの際に抵抗制御車同様のバイパス分路による弱め界磁制御を行うことで、回生時の電圧を抑える工夫がなされた。
しかし、これでも架線電圧を大幅に超えてしまい、対策として主回路に抵抗を挟んだり、回生絞り込み制御を導入し、付随車にブレーキ力を負担させるなど、回生電力を抑える施策が行われた。
電機子チョッパ制御は低速域まで回生が可能、とされるものの、そもそも低速域の運動エネルギーは小さく、回収してもしなくても電気代にほとんど差異がない。
逆に回生電力を多く見込めるはずの高速域で回生ブレーキを絞らねばならず、高価な制御器を入れての結果がそれでは、費用だおれといいうるものであった。
ちなみに、低速域での高効率運転と高速域での回生制動力の両立という課題は、半導体スイッチング素子や制御技術の向上・コストダウンによって、営団地下鉄が実用化した分巻チョッパ制御方式(電機子+界磁チョッパ)で完全な解決を見る。
もっとも、実用化された80年代中頃はVVVFインバータによる誘導電動機駆動が視野に入っており、あまり採用が広がる事は無かった。
※似たような施策は、近年の炭化ケイ素適用スイッチング素子を用いて大電力整流に対応し、高速域での回生電力を増加させ省エネルギー化を図ったという売り込みの車両でも行われている。
投入と運用(国鉄時代)
試作編成が、中央快速線に投入され、量産後も同線に集中投入されてすべてを201系に置き換える形となった。その後中央・総武緩行線にも投入されている。また関西エリアにも京阪神緩行線に投入されたが、それまでの103系よりも高速域の性能が高かったことから歓迎され、その後投入された205系と合わせて、日中時間帯は201・205系の限定運用が組まれることになった。
製造打ち切り
103系に代わる新形式として登場した201系だったが、主電動機の電流制御を全て半導体に頼る電機子チョッパ制御を採用したため、製造費がかなり高額になってしまった。当初は私鉄向けを含めた量産効果による製造コスト低減も期待されたのだが、既に私鉄などではやはり高コストに音を上げて、地下鉄向けなど特殊条件以外ではより低コストの界磁チョッパ制御に移行していたため、量産効果が期待できなくなってしまった。運転条件から回生電力の活用が期待できない九州の筑肥線の地下鉄直通車には、車体こそ201系と同等であるが、電装品を103系のもので誂えたほど(103系1500番代を参照)である。後期製造車は一部装備を簡略化(側面窓の二段上昇式への変更、形式表示を切り抜き文字からペイント文字に変更など)したものの焼け石に水で、1985年を以て製造は打ち切られた。
それでも1000両以上の陣容を誇っており、中央線、中央・総武緩行線、京阪神緩行線の各線で活躍を続けた。その後の通勤形電車の増備は製造・運転コストとも廉価な界磁添加励磁制御を用いた205系に移行している。
民営化後
分割民営化後はJR東日本とJR西日本に、それぞれ794両と224両が継承された。
JR東日本
中央・総武緩行線で運用されていた車両はE231系の増備によって2001年までに撤退し、青梅線・五日市線・京葉線へ活躍の場を移した。また、2001年には観光用改造車「四季彩」も登場した。
E233系が登場した2006年頃より本格的な置き換えが始まり、2010年に中央線、青梅・五日市線から撤退し廃車され、長野で解体。最後の2編成は、長野までの廃車回送のうち、豊田駅から松本駅までの区間を臨時団体列車兼用として運転された。2011年には京葉線からも撤退。現在はクハ201-1のみ保留車として残存している。
JR西日本
2003年から2007年にかけて全車に体質改善工事が施行された。
具体的には…
- 腐食対策に窓サッシを2段の田の字窓からバス風の逆T型サッシに取り替え。
- 同様に戸袋窓の埋め込み。ただし103系と異なり妻窓は残存。
- 同じく屋根の雨樋と外板の一体化による張り上げ屋根化。
- 前照灯を前面窓内に配置変更。
- 内装を223系に準じたベージュ色の内装材に交換。
- 妻引き戸を207系風の物に交換。
- ドア付近への吊革増設。
また後に、方向幕を3色LEDに取り替えるなど、誰が言ったか永遠の次世代車両という渾名がついている。
新製配置された京阪神緩行線(JR神戸線、京都線)からは321系の投入によって2007年まで撤退した。しかし経年が浅く(28年)当時のJR西日本の方針である”古い車両を大切に末長く使いましょう計画”の下大阪環状線、大和路線、おおさか東線に活躍の場を移した(体質改善未施工車は転属時に施工)。当初は全車両大阪環状線に集結する計画だったが、その前提で組み換えを行うと電動車比率が滅茶苦茶になる(すべて8連とした場合、4+4の編成や中間車全てが電動車という編成が爆誕してしまう模様)ため、最終的に「7両編成2本→8両編成と6両編成が1本ずつ」という形で整理されていた。玉突きで103系の一部を置き換えたものの、全てを淘汰出来るほどの車両数を保有していなかったので、103系・201系は共通運用で使われた。
転属の際に8両編成は原則オレンジ色、6両編成はウグイス色に塗り替えられた。前者は中央快速線を彷彿とさせるが、後者は国鉄時代に無かった塗装パターン故か公式ウソ電と呼ばれた(余談だが、かつて量産車が登場した頃に鉄道模型メーカーのKATOが各路線に投入されると見込んで5色全てを発売し、結局山手線のウグイスと常磐線のエメラルドが幻になりその後生産中止→カタログからも存在自体が抹消された過去があるため大和路線カラーが出た際にこの件が蒸し返された)。
大阪環状線用編成については、同線向けに新製された323系に代替される形で103系共々置き換えられ、2019年6月7日の運用をもって運行終了。大和路線・おおさか東線用編成については、「残存していた103系6両編成の置き換え」と「おおさか東線新大阪延伸開業」に伴い大阪環状線からの転属で編成が補充され、この時点でJR西日本の201系はウグイス色のみとなった(余剰となった編成や中間車は廃車)。
おおさか東線は大和路線と使用車両が共通なため、なんと平成末期の新路線であるにもかかわらず新大阪延伸開業一番列車の大役を果たした。更に103系の撤退によりおおさか東線の普通列車は201系で統一され、始発から終電まで真新しい路線にチョッパ音を響かせながら走る姿が日常と化していた。
そんな事もあり当分安泰かに思えたが、網干から転属してきた221系によって順次置き換えが進められており、2022年3月のダイヤ改正でおおさか東線から撤退した。残る大和路線でも2024年度内に営業運転を終了する予定。
201系特有の「ジェット音」
国鉄201系では走行時に鉄道ファンから「ジェット音」と呼ばれる騒音を出すことがある。その原因はベアリングホルダーの電蝕やギアの劣化が挙げられている。現存するJR西日本所有の車両ではそのケースはこれまで少なかったが、やはり経年には勝てず増加傾向にある。かつて所有したJR東日本においては非常に目立っていた。「ジェット音」が響いていた編成でも全般検査および重要部検査を通したあとは消えていることもあるため、1番の要因はベアリングホルダーの電蝕によるものだと思われる。
メカニズムとしては、主電動機の回転軸とベアリングの間にわずかな電位差が生じることにより、ベアリングホルダーが腐蝕して、内部の球体を傷めてしまうことで発生してしまう。その件については保守関係の職員の頭をおおいに痛めてしまうほどであった。201系ではその電蝕によって主電動機内部のコロ軸受を破損して主電動機の軸が回転不能となり、継続運転ができなくなる大きな輸送障害を招くことがあった。その対策としてベアリングホルダーを鉄製から砲金製に取り替えて、アース線の増設が行われた。
この「ジェット音」についてだが、前述の通り原因が主電動機のため、201系以外でも比較的古い形式であれば発する可能性はある。
余談ながら、103系よろしくモーター音もかなりけたたましい(ただし、環境省から名指しで騒音源とされたものは103系のみである)。
大和路線の快速運用で都会の喧騒と大自然の中を爆音を唸らせながら走る様は、往年の中央特快の走りを彷彿とさせる……と思う。
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