Un motore sincrono è un motore in cui il rotore ruota normalmente alla stessa velocità del campo rotante della macchina. Lo statore è simile a quello di una macchina a induzione che consiste in un telaio cilindrico di ferro con avvolgimenti, di solito trifase, situati in fessure intorno alla periferia interna. La differenza è nel rotore, che normalmente contiene un avvolgimento isolato collegato tramite anelli di scorrimento o altri mezzi a una sorgente di corrente continua (vedi figura).

Il principio di funzionamento di un motore sincrono può essere compreso considerando gli avvolgimenti dello statore collegati a una corrente alternata trifase. L’effetto della corrente di statore è di stabilire un campo magnetico che ruota a 120 f/p giri al minuto per una frequenza di f hertz e per p poli. Una corrente continua in un avvolgimento di campo p-poli sul rotore produrrà anche un campo magnetico che ruota alla velocità del rotore. Se la velocità del rotore è uguale a quella del campo dello statore e non c’è coppia di carico, questi due campi magnetici tenderanno ad allinearsi l’uno con l’altro. Quando viene applicato un carico meccanico, il rotore scivola indietro di un certo numero di gradi rispetto al campo rotante dello statore, sviluppando una coppia e continuando ad essere trascinato da questo campo rotante. L’angolo tra i campi aumenta all’aumentare della coppia di carico. La coppia massima disponibile si raggiunge quando l’angolo di cui il campo del rotore è in ritardo rispetto al campo dello statore è di 90°. Un vantaggio del motore sincrono è che il campo magnetico della macchina può essere prodotto dalla corrente continua nell’avvolgimento di campo, in modo che gli avvolgimenti dello statore devono fornire solo una componente di potenza della corrente in fase con la tensione statorica applicata, cioè il motore può funzionare a fattore di potenza unitario. Questa condizione minimizza le perdite e il riscaldamento negli avvolgimenti dello statore.

Il fattore di potenza dell’ingresso elettrico dello statore può essere controllato direttamente dalla regolazione della corrente di campo. Se la corrente di campo viene aumentata oltre il valore richiesto per fornire il campo magnetico, la corrente dello statore cambia per includere una componente per compensare questa sovramagnetizzazione. Il risultato sarà una corrente statorica totale che conduce la tensione statorica in fase, fornendo così al sistema di alimentazione i volt-amperes reattivi necessari per magnetizzare altri apparecchi collegati al sistema come i trasformatori e i motori a induzione. Il funzionamento di un grande motore sincrono con un tale fattore di potenza trainante può essere un modo efficace per migliorare il fattore di potenza complessivo dei carichi elettrici in un impianto di produzione per evitare ulteriori tariffe di fornitura elettrica che possono altrimenti essere addebitate per carichi a basso fattore di potenza.

I motori sincroni trifase trovano la loro principale applicazione in situazioni industriali dove c’è un grande carico meccanico ragionevolmente costante, di solito superiore a 300 kilowatt, e dove la capacità di funzionare a fattore di potenza trainante è di valore. Al di sotto di questo livello di potenza, le macchine sincrone sono generalmente più costose delle macchine a induzione.

La corrente di campo può essere fornita da un raddrizzatore controllato esternamente attraverso anelli di scorrimento, o, nei motori più grandi, può essere fornita da un raddrizzatore montato sull’albero con un trasformatore o un generatore rotante.

Un motore sincrono con solo un avvolgimento di campo che porta una corrente continua non sarebbe autoavviante. A qualsiasi velocità diversa da quella sincrona, il suo rotore sperimenterebbe una coppia oscillante di valore medio zero, poiché il campo magnetico rotante passa ripetutamente sul rotore in movimento più lento. Normalmente, un avvolgimento cortocircuitato simile a quello di una macchina a induzione viene aggiunto al rotore per fornire la coppia di avviamento. Il motore viene avviato, con tensione statorica completa o ridotta, e portato a circa il 95% della velocità sincrona, di solito con l’avvolgimento di campo cortocircuitato per proteggerlo dall’eccessiva tensione indotta. La corrente di campo viene quindi applicata e il rotore si mette in sincronia con il campo rotante.

Questo avvolgimento aggiuntivo del rotore è di solito indicato come un avvolgimento smorzante a causa della sua proprietà aggiuntiva di smorzare qualsiasi oscillazione che potrebbe essere causata da improvvisi cambiamenti nel carico sul rotore quando è in sincronia. L’adattamento ai cambiamenti di carico comporta cambiamenti nell’angolo di cui il campo del rotore è in ritardo rispetto al campo dello statore e quindi comporta cambiamenti a breve termine nella velocità istantanea. Questi causano correnti indotte negli avvolgimenti dello smorzatore, producendo una coppia che agisce per opporsi alla variazione di velocità.

La protezione dei motori sincroni è simile a quella impiegata con i grandi motori a induzione. La temperatura può essere rilevata sia nello statore che negli avvolgimenti di campo e utilizzata per interrompere l’alimentazione elettrica. Si verifica un considerevole riscaldamento nell’avvolgimento rotore-ammortizzatore durante l’avviamento, e un timer è spesso installato per prevenire avviamenti ripetuti entro un intervallo di tempo limitato.

Il motore sincrono è un motore a corrente alternata.