Ein Synchronmotor ist ein Motor, bei dem sich der Rotor normalerweise mit der gleichen Geschwindigkeit wie das rotierende Feld in der Maschine dreht. Der Stator ähnelt dem einer Induktionsmaschine und besteht aus einem zylindrischen Eisenrahmen mit Wicklungen, in der Regel dreiphasig, die in Nuten am inneren Umfang angeordnet sind. Der Unterschied besteht im Rotor, der normalerweise eine isolierte Wicklung enthält, die über Schleifringe oder andere Mittel mit einer Gleichstromquelle verbunden ist (siehe Abbildung).
Encyclopædia Britannica, Inc.
Das Funktionsprinzip eines Synchronmotors lässt sich verstehen, wenn man die Statorwicklungen an eine Dreiphasen-Wechselstromquelle anschließt. Die Wirkung des Statorstroms besteht darin, ein Magnetfeld aufzubauen, das sich bei einer Frequenz von f Hertz und p Polen mit 120 f/p Umdrehungen pro Minute dreht. Ein Gleichstrom in einer p-poligen Feldwicklung auf dem Rotor erzeugt ebenfalls ein mit Rotordrehzahl rotierendes Magnetfeld. Wenn die Rotordrehzahl mit der des Statorfeldes übereinstimmt und kein Lastmoment vorhanden ist, neigen diese beiden Magnetfelder dazu, sich aneinander auszurichten. Wenn eine mechanische Last aufgebracht wird, rutscht der Rotor gegenüber dem Drehfeld des Stators um einige Grad zurück, entwickelt ein Drehmoment und wird weiterhin von diesem Drehfeld mitgerissen. Der Winkel zwischen den Feldern vergrößert sich mit zunehmendem Lastmoment. Das maximal verfügbare Drehmoment wird erreicht, wenn der Winkel, um den das Rotorfeld dem Statorfeld nacheilt, 90° beträgt. Ein größeres Lastmoment bringt den Motor zum Stillstand.
Ein Vorteil des Synchronmotors besteht darin, dass das Magnetfeld der Maschine durch den Gleichstrom in der Feldwicklung erzeugt werden kann, so dass die Statorwicklungen nur eine Leistungskomponente des Stroms in Phase mit der angelegten Statorspannung liefern müssen, d.h. der Motor kann mit einem Leistungsfaktor von 1 arbeiten. Diese Bedingung minimiert die Verluste und die Erwärmung in den Statorwicklungen.
Der Leistungsfaktor der elektrischen Statoreinspeisung kann direkt durch Einstellung des Feldstroms gesteuert werden. Wenn der Feldstrom über den Wert hinaus erhöht wird, der für die Bereitstellung des Magnetfelds erforderlich ist, ändert sich der Statorstrom und enthält eine Komponente, die diese Übermagnetisierung kompensiert. Das Ergebnis ist ein Gesamtstatorstrom, der die Statorspannung in der Phase führt und somit dem Stromnetz die Blindstromstärke liefert, die zur Magnetisierung anderer an das System angeschlossener Geräte wie Transformatoren und Induktionsmotoren benötigt wird. Der Betrieb eines großen Synchronmotors mit einem solchen voreilenden Leistungsfaktor kann ein wirksames Mittel zur Verbesserung des Gesamtleistungsfaktors der elektrischen Lasten in einer Produktionsanlage sein, um zusätzliche Stromversorgungsgebühren zu vermeiden, die andernfalls für Lasten mit niedrigem Leistungsfaktor anfallen würden.
Drehstrom-Synchronmotoren finden ihre Hauptanwendung in industriellen Situationen, in denen eine große, einigermaßen konstante mechanische Last vorhanden ist, in der Regel über 300 Kilowatt, und in denen die Fähigkeit, mit voreilendem Leistungsfaktor zu arbeiten, von Wert ist. Unterhalb dieses Leistungsniveaus sind Synchronmaschinen im Allgemeinen teurer als Induktionsmaschinen.
Der Feldstrom kann von einem extern gesteuerten Gleichrichter über Schleifringe geliefert werden, oder bei größeren Motoren kann er von einem auf der Welle montierten Gleichrichter mit einem rotierenden Transformator oder Generator geliefert werden.
Ein Synchronmotor mit nur einer Feldwicklung, die Gleichstrom führt, wäre nicht selbstanlaufend. Bei jeder anderen Drehzahl als der Synchrondrehzahl würde sein Rotor ein oszillierendes Drehmoment mit einem Durchschnittswert von Null erfahren, da das rotierende Magnetfeld wiederholt den sich langsamer bewegenden Rotor passiert. Normalerweise wird dem Rotor eine kurzgeschlossene Wicklung ähnlich der einer Induktionsmaschine hinzugefügt, um das Anlaufmoment zu erzeugen. Der Motor wird entweder mit voller oder reduzierter Statorspannung gestartet und auf etwa 95 Prozent der Synchrondrehzahl gebracht, wobei die Erregerwicklung in der Regel kurzgeschlossen ist, um sie vor übermäßiger Induktionsspannung zu schützen. Dann wird der Erregerstrom angelegt, und der Rotor zieht in den Gleichlauf mit dem Drehfeld.
Diese zusätzliche Rotorwicklung wird gewöhnlich als Dämpferwicklung bezeichnet, da sie zusätzlich die Eigenschaft hat, Schwingungen zu dämpfen, die durch plötzliche Änderungen der Last auf dem Rotor im Gleichlauf verursacht werden könnten. Die Anpassung an Laständerungen beinhaltet Änderungen des Winkels, um den das Rotorfeld dem Statorfeld nacheilt, und somit kurzfristige Änderungen der momentanen Drehzahl. Dadurch werden in den Dämpferwicklungen Ströme induziert, die ein Drehmoment erzeugen, das der Drehzahländerung entgegenwirkt.
Der Schutz von Synchronmotoren ist ähnlich wie bei großen Induktionsmotoren. Die Temperatur kann sowohl in den Stator- als auch in den Feldwicklungen gemessen und zum Abschalten der Stromversorgung verwendet werden. Während des Starts kommt es zu einer erheblichen Erwärmung in der Rotor-Dämpfer-Wicklung, und häufig wird eine Zeitschaltuhr eingebaut, um wiederholte Starts innerhalb eines begrenzten Zeitintervalls zu verhindern.