Un motor síncrono es aquel en el que el rotor gira normalmente a la misma velocidad que el campo giratorio de la máquina. El estator es similar al de una máquina de inducción, que consiste en un armazón de hierro cilíndrico con devanados, normalmente trifásicos, situados en ranuras alrededor de la periferia interior. La diferencia está en el rotor, que normalmente contiene un devanado aislado conectado mediante anillos rozantes u otros medios a una fuente de corriente continua (véase la figura).

El principio de funcionamiento de un motor síncrono puede entenderse considerando que los devanados del estator están conectados a una alimentación trifásica de corriente alterna. El efecto de la corriente del estator es establecer un campo magnético que gira a 120 f/p revoluciones por minuto para una frecuencia de f hertzios y para p polos. Una corriente continua en un devanado de campo de polos p en el rotor también producirá un campo magnético que gira a la velocidad del rotor. Si la velocidad del rotor se hace igual a la del campo del estator y no hay par de carga, estos dos campos magnéticos tenderán a alinearse entre sí. A medida que se aplica la carga mecánica, el rotor retrocede varios grados con respecto al campo giratorio del estator, desarrollando un par de torsión y continuando siendo arrastrado por este campo giratorio. El ángulo entre los campos aumenta a medida que se incrementa el par de carga. El par máximo disponible se alcanza cuando el ángulo en el que el campo del rotor se retrasa con respecto al campo del estator es de 90°. La aplicación de más par de carga calará el motor.

Una ventaja del motor síncrono es que el campo magnético de la máquina puede ser producido por la corriente continua en el devanado de campo, de modo que los devanados del estator sólo necesitan proporcionar un componente de potencia de la corriente en fase con la tensión del estator aplicada, es decir, el motor puede funcionar con un factor de potencia unitario. Esta condición minimiza las pérdidas y el calentamiento en los devanados del estator.

El factor de potencia de la entrada eléctrica del estator puede controlarse directamente mediante el ajuste de la corriente de campo. Si la corriente de campo se incrementa por encima del valor necesario para proporcionar el campo magnético, la corriente del estator cambia para incluir un componente que compense esta sobremagnetización. El resultado será una corriente total del estator que conduce a la tensión del estator en fase, proporcionando así al sistema de potencia los voltio-amperios reactivos necesarios para magnetizar otros aparatos conectados al sistema, como transformadores y motores de inducción. El funcionamiento de un gran motor síncrono con un factor de potencia líder puede ser una forma eficaz de mejorar el factor de potencia global de las cargas eléctricas en una planta de fabricación para evitar las tarifas de suministro eléctrico adicionales que de otro modo podrían cobrarse por las cargas de bajo factor de potencia.

Los motores síncronos trifásicos encuentran su mayor aplicación en situaciones industriales en las que hay una carga mecánica grande y razonablemente estable, normalmente superior a 300 kilovatios, y en las que la capacidad de funcionar con un factor de potencia líder es valiosa. Por debajo de este nivel de potencia, las máquinas síncronas suelen ser más caras que las máquinas de inducción.

La corriente de campo puede ser suministrada por un rectificador controlado externamente a través de anillos rozantes o, en motores más grandes, puede ser suministrada por un rectificador montado en el eje con un transformador o generador giratorio.

Un motor síncrono con sólo un devanado de campo que lleve una corriente continua no sería autoarrancable. A cualquier velocidad que no sea la velocidad sincrónica, su rotor experimentaría un par oscilante de valor medio nulo, ya que el campo magnético giratorio pasa repetidamente por el rotor de movimiento más lento. Normalmente, se añade al rotor un devanado en cortocircuito similar al de una máquina de inducción para proporcionar el par de arranque. El motor se pone en marcha, ya sea con la tensión del estator completa o reducida, y se lleva hasta aproximadamente el 95% de la velocidad sincrónica, normalmente con el devanado de campo cortocircuitado para protegerlo de una tensión inducida excesiva. A continuación, se aplica la corriente de campo y el rotor entra en sincronismo con el campo giratorio.

Este devanado adicional del rotor suele denominarse devanado amortiguador debido a su propiedad adicional de amortiguar cualquier oscilación que pueda ser causada por cambios repentinos en la carga del rotor cuando está en sincronismo. La adaptación a los cambios de carga implica cambios en el ángulo en el que el campo del rotor se retrasa con respecto al campo del estator y, por tanto, implica cambios a corto plazo en la velocidad instantánea. Esto hace que se induzcan corrientes en los devanados del amortiguador, produciendo un par que actúa para oponerse al cambio de velocidad.

La protección de los motores síncronos es similar a la empleada con los grandes motores de inducción. La temperatura puede detectarse tanto en el devanado del estator como en el del campo y utilizarse para desconectar el suministro eléctrico. Se produce un calentamiento considerable en el devanado del rotor-amortiguador durante el arranque, y a menudo se instala un temporizador para evitar que se repitan los arranques en un intervalo de tiempo limitado.