Synkronimoottori on moottori, jonka roottori pyörii tavallisesti samalla nopeudella kuin koneen pyörivä kenttä. Staattori on samanlainen kuin induktiokoneessa, joka koostuu sylinterimäisestä rautakehikosta, jonka sisäreunaa ympäröivissä urissa on yleensä kolmivaihekäämityksiä. Erona on roottori, joka sisältää yleensä eristetyn käämin, joka on liitetty liukurenkaiden tai muiden keinojen avulla tasavirtalähteeseen (ks. kuva).

Synkronimoottorin toimintaperiaate voidaan ymmärtää, kun ajatellaan, että staattorikäämitykset on kytketty kolmivaiheiseen vaihtovirtalähteeseen. Staattorivirran vaikutuksesta syntyy magneettikenttä, joka pyörii 120 f/p kierrosta minuutissa, kun taajuus on f hertsiä ja p napaa. Tasavirta roottorin p-napaisessa kenttäkäämityksessä tuottaa myös roottorin nopeudella pyörivän magneettikentän. Jos roottorin nopeus on sama kuin staattorikentän nopeus eikä kuormitusmomenttia ole, nämä kaksi magneettikenttää pyrkivät kohdistumaan toisiinsa. Kun mekaanista kuormitusta käytetään, roottori liukuu muutaman asteen taaksepäin staattorin pyörivään kenttään nähden, jolloin syntyy vääntömomentti ja tämä pyörivä kenttä vetää sitä edelleen ympäriinsä. Kenttien välinen kulma kasvaa, kun kuormitusmomentti kasvaa. Suurin käytettävissä oleva vääntömomentti saavutetaan, kun kulma, jolla roottorin kenttä on jäljessä staattorin kentästä, on 90°. Suurempi kuormitusmomentti pysäyttää moottorin.

Synkronimoottorin yhtenä etuna on se, että koneen magneettikenttä voidaan tuottaa kenttäkäämityksen tasavirralla, jolloin staattorikäämitysten tarvitsee syöttää vain virran tehokomponentti, joka on samassa vaiheessa kuin staattorijännite – toisin sanoen moottori voi toimia yhden tehokertoimen kanssa. Tämä ehto minimoi staattorikäämien häviöt ja lämpenemisen.

Staattorin sähkönsyötön tehokerrointa voidaan säätää suoraan kenttävirtaa säätämällä. Jos kenttävirtaa kasvatetaan yli sen arvon, joka tarvitaan magneettikentän tuottamiseen, staattorivirta muuttuu sisältämään komponentin, joka kompensoi tämän ylimagnetoinnin. Tuloksena on staattorin kokonaisvirta, joka johtaa staattorijännitettä vaiheeseen, jolloin sähköjärjestelmään saadaan reaktiivisia volttiampeereja, joita tarvitaan muiden järjestelmään kytkettyjen laitteiden, kuten muuntajien ja induktiomoottoreiden, magnetointiin. Suuren synkronimoottorin käyttö tällaisella johtavalla tehokertoimella voi olla tehokas tapa parantaa tuotantolaitoksen sähkökuormien kokonaistehokerrointa, jotta voidaan välttää ylimääräiset sähköverkkomaksut, jotka muutoin saatetaan periä alhaisen tehokertoimen kuormista.

Kolmivaiheiset synkronimoottorit ovat tärkeimmän käyttökohteensa teollisuustilanteissa, joissa mekaaninen kuormitus on suuri ja kohtuullisen tasainen, yleensä yli 300 kilowatin, ja joissa kyky toimia johtavalla tehokertoimella on arvokasta. Tämän tehotason alapuolella synkronikoneet ovat yleensä kalliimpia kuin induktiokoneet.

Kenttävirta voidaan syöttää ulkoisesti ohjatusta tasasuuntaajasta liukurenkaiden kautta tai suuremmissa moottoreissa se voidaan syöttää akselille asennetusta tasasuuntaajasta, jossa on pyörivä muuntaja tai generaattori.

Synkronimoottori, jossa on vain tasasähköä kuljettava kenttäkäämitys, ei olisi itsekäynnistyvä. Millä tahansa muulla nopeudella kuin synkroninopeudella sen roottoriin syntyisi värähtelevä vääntömomentti, jonka keskiarvo on nolla, kun pyörivä magneettikenttä ohittaa toistuvasti hitaammin liikkuvan roottorin. Tavallisesti roottoriin lisätään induktiokoneen kaltainen oikosulkukäämi käynnistysmomentin aikaansaamiseksi. Moottori käynnistetään joko täydellä tai alennetulla staattorijännitteellä, ja se nostetaan noin 95 prosenttiin synkroninopeudesta, yleensä niin, että kenttäkäämitys on oikosuljettu sen suojaamiseksi liialliselta indusoidulta jännitteeltä. Tämän jälkeen kenttävirta kytketään ja roottori vetäytyy synkroniin pyörivän kentän kanssa.

Tätä ylimääräistä roottorikäämitystä kutsutaan tavallisesti vaimennuskäämitykseksi, koska sen lisäominaisuutena on vaimentaa värähtelyjä, joita roottoriin kohdistuvan kuorman äkilliset muutokset synkronin ollessa päällä voivat aiheuttaa. Kuormituksen muutoksiin sopeutuminen edellyttää muutoksia kulmassa, jolla roottorikenttä on jäljessä staattorikentästä, ja siten lyhytaikaisia muutoksia hetkellisessä nopeudessa. Nämä aiheuttavat vaimentimen käämityksiin indusoituvia virtoja, jotka tuottavat vääntömomentin, joka toimii nopeuden muutosta vastaan.

Synkronimoottoreiden suojaus on samanlainen kuin suurten induktiomoottoreiden suojaus. Lämpötila voidaan havaita sekä staattori- että kenttäkäämityksissä ja sitä voidaan käyttää sähkönsyötön katkaisemiseen. Roottorin vaimentimen käämityksessä tapahtuu huomattavaa lämpenemistä käynnistyksen aikana, ja usein asennetaan ajastin estämään toistuvat käynnistykset rajoitetun ajan kuluessa.