Стремление к знаниям было настолько велико, что он уезжает в Германию и становится студентом Дармштадского высшего технического училища, из стен которого вышло много известных инженеров-электриков.
В 1884 г. Михаил Осипович после успешного окончания училища был оставлен в нем в должности ассистента и начал преподавать курс электрохимии. Но вскоре его приглашают в Берлинскую электротехническую фирму АЭГ, где он занял должность шеф-электрика и увлекся проблемами создания трехфазных систем.
В 1888 г., изучив работы Феррариса, Доливо-Добровольский решил создать в статоре двигателя вращающееся магнитное поле и поместить в него короткозамкнутый ротор с малым сопротивлением. Тогда в роторе при небольшом скольжении и достаточно сильном магнитном поле статора возникают токи, вызывающие большой вращающий момент.
Медный цилиндр (ротор) в двигателе Феррариса имел небольшое сопротивление, но, как было известно, медь немагнитный материал, и КПД такого двигателя был бы небольшим. Если же заменить медный цилиндр стальным, тогда магнитный поток значительно возрастет, но электропроводность стального ротора значительно меньше, и это неизбежно снизит КПД двигателя. Как преодолеть это противоречие? И вот где проявился необычайный талант Михаила Осиповича, показавшего замечательный пример творческого инженерного мышления и смелости конструкторского решения. Он предложил выполнить ротор в виде стального цилиндра (это уменьшает его магнитное сопротивление), просверлить вдоль него по периметру каналы и заложить в них медные стержни (это уменьшит электрическое сопротивление ротора). Эти стержни на торцах ротора электрически соединяются с помощью медных пластин или колец. Этот ротор получил название «беличьей клетки», и патент на его изобретение был подан Доливо-Добровольским 8 марта 1889 г. Варианты конструкций ротора показаны на рис. 5.16. Поразительно! Прошло более 120 лет, за эти годы неузнаваемо изменились многие электротехнические устройства, появились новые материалы и технологические процессы, но «беличья клетка» остается в своем первозданном виде!
Первый асинхронный двигатель, построенный в конце 1889 г., имел мощность около 100 Вт, медные стержни «беличьей клетки» не имели изоляции, а воздушный зазор был очень небольшой – около 1 мм, что в те годы было тоже смелым инженерным решением (рис. 5.17).
Но для пуска двигателя нужен был трехфазный источник питания. Над его созданием Доливо-Добровольский провел «не одну бессонную ночь, изучая различные схемы многофазных цепей». И он пришел к идее использовать кольцевой якорь одноякорного преобразователя (известной конструкции для превращения машины постоянного тока в машину переменного тока), сделав отпайки от трех его точек, сдвинутых на 120°, и выведя их на три контактных кольца. Так он получил трехфазную систему токов с разностью фаз 120°.
Рис. 5.16. Варианты ротора с обмоткой в виде «беличьей клетки» (из патента Доливо-Добровольского):
1 – стальной цилиндр; 2 – медные стержни; 3 – медные пластины или кольца
Рис. 5.17. Первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского (в собранном и разобранном виде)
О первом впечатлении об испытаниях нового двигателя Доливо-Добровольский писал: «Уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представлений того времени действие. Электродвигатель, якорь которого имел диаметр около 75 мм и длину также около 75 мм и не обладал никакими особыми присоединениями к сети, мгновенно стал вращаться на полное число оборотов и был совершенно бесшумным. Попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась… Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашенных свидетелей».
Исследуя свойства трехфазной системы, Михаил Осипович показал, что в любой момент времени сумма всех трех токов равна нулю, и поэтому для передачи энергии к электродвигателю достаточно трех проводов. И еще несколько важных открытий: экономичность трехфазной системы – на три провода при прочих равных условиях требовалось затратить на 25 % меди меньше, чем в однофазной цепи; обмотки источника питания и потребителей могут соединяться звездой (четырехпроводная цепь) и треугольником (трехпроводная). Преимуществом четырехпроводной цепи стала возможность использования двух напряжений – линейного и фазного.
Достоинства трехфазной системы казались столь необычными, что Доливо-Добровольскому пришлось выступать в Берлинском электрическом обществе и в печати в ее защиту и доказывать, что трехфазная система является наиболее оптимальной, открывающей огромные перспективы при передаче электроэнергии и создании трехфазных генераторов и двигателей.
Заслугой Доливо-Добровольского является создание еще одной конструкции асинхронного двигателя – с фазным ротором, также сохранившимся до наших дней. Он установил, что при пуске более мощных двигателей пусковой момент снижался, а двигатель сильно вибрировал. Это объяснилось тем, что при малом сопротивлении ротора при пуске в нем возникали слишком большие токи, магнитный поток которых был направлен навстречу основному. И он создает электродвигатель с фазным ротором и пусковым реостатом. Патентные заявки на это изобретение он сделал в 1890 г. в Англии и Швейцарии. В этом двигателе в момент пуска включалось большое сопротивление, пусковой ток снижался, и двигатель (рис. 5.18) переходил в нормальный режим.
Рис. 5.18. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором и пусковым реостатом
Высокоэкономичные, надежные электродвигатели занимают ведущее положение в современном электроприводе и, по прогнозам ученых, сохранят это преимущество до середины XXI в. В 1891 г. Михаил Осипович создает трехфазный трансформатор (см. гл. 7), и тем самым разрабатывает все элементы новой комплексной системы, открывшей дорогу современной электрификации.
Летом 1891 г. Доливо-Добровольский продемонстрировал всему миру невиданные успехи трехфазных систем. В этом году в Германии во Франкфурте-на-Майне должна была открыться Международная электротехническая выставка, где предполагалось показать новейшие достижения в передаче и распределении электрической энергии. Фирме АЭГ было предложено осуществить передачу электроэнергии из местечка Лауфен, где имелась гидросиловая установка на реке Неккар, во Франкфурт на невиданное для того времени расстояние 170 км. Доливо-Добровольский взялся за решение этой сложной задачи, чтобы, как он писал, – не «… навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора».
В течение полугода были спроектированы и изготовлены небывалые по мощности асинхронный двигатель (75 кВт), синхронный генератор мощностью 230 кВт и трансформаторы (100-150 кВ* А). В Лауфене напряжение повышалось с 95 до 15 000 В, по трехфазной цепи энергия передавалась во Франкфурт, где напряжение понижалось до 65 В. Коэффициент полезного действия передачи, вопреки предсказаниям скептиков, оказался очень высокий – более 75 %. Выставку освещали 1000 электрических ламп, трехфазный асинхронный двигатель приводил в действие гидравлический насос, подававший воду для ярко освещенного декоративного водопада.
Эта электропередача стала подлинным триумфом трехфазных систем и мировым признанием выдающегося вклада в электротехнику, сделанного М.О. Доливо-Добровольским, которому тогда исполнилось всего 29 лет! По всеобщему признанию специалистов, с 1891 года берет свое начало современная электрификация.
Многие годы Михаил Осипович мечтал о возвращении в Россию. В 1899 г. он прибыл в Петербург для участия в работе Первого Всероссийского электротехнического съезда, где выступил с докладом о влиянии трехфазных систем на прогресс электротехники. В Петербургском политехническом институте предполагалось открыть новый электромеханический факультет, и Доливо-Добровольский согласился стать его деканом. Но руководство АЭГ отнеслось к этому отрицательно, требуя выполнения им всех договорных обязательств. Как писал Михаил Осипович ему еще быть «…три года в некотором рабстве». Но он помогал Политехническому институту в приобретении лабораторного оборудования, подарил институту свою богатейшую библиотеку. Но через три года резко обострилась его сердечная болезнь, вынудившая его уехать в Швейцарию для лечения. После его возвращения в Берлин вскоре началась Первая мировая война, и он, как русский подданный, должен был покинуть Германию, и оставаться в Швейцарии до конца военных действий.
