Een synchrone motor is een motor waarbij de rotor gewoonlijk met dezelfde snelheid draait als het draaiveld in de machine. De stator is vergelijkbaar met die van een inductiemachine en bestaat uit een cilindrisch ijzeren frame met wikkelingen, gewoonlijk driefasig, in sleuven rond de binnenste omtrek. Het verschil zit in de rotor, die gewoonlijk een geïsoleerde wikkeling bevat die via sleepringen of andere middelen is verbonden met een gelijkstroombron (zie figuur).
Encyclopædia Britannica, Inc.
Het werkingsprincipe van een synchrone motor kan worden begrepen door de statorwikkelingen te beschouwen als verbonden met een driefasige wisselstroomvoeding. Het effect van de statorstroom is de totstandbrenging van een magnetisch veld dat roteert met 120 f/p omwentelingen per minuut voor een frequentie van f hertz en voor p polen. Een gelijkstroom in een p-pool veldwikkeling op de rotor zal ook een magnetisch veld produceren dat roteert met rotorsnelheid. Als de rotorsnelheid gelijk wordt gemaakt aan die van het statorveld en er geen belastingskoppel is, zullen deze twee magnetische velden de neiging hebben zich op elkaar af te stemmen. Bij mechanische belasting zal de rotor een aantal graden terugglijden ten opzichte van het draaiveld van de stator, waardoor een koppel wordt ontwikkeld en de rotor door dit draaiveld blijft worden voortgetrokken. De hoek tussen de velden wordt groter naarmate het belastingskoppel toeneemt. Het maximaal beschikbare koppel wordt bereikt wanneer de hoek waarmee het rotorveld achterloopt op het statorveld 90° bedraagt. Toepassing van een groter belastingskoppel zal de motor doen afslaan.
Een voordeel van de synchrone motor is dat het magnetisch veld van de machine kan worden opgewekt door de gelijkstroom in de veldwikkeling, zodat de statorwikkelingen slechts een vermogenscomponent van stroom in fase met de aangelegde statorspanning behoeven te leveren – d.w.z. de motor kan werken bij eenparige arbeidsfactor. Deze toestand minimaliseert de verliezen en de verwarming in de statorwikkelingen.
De vermogensfactor van de elektrische input van de stator kan rechtstreeks worden geregeld door aanpassing van de veldstroom. Als de veldstroom wordt verhoogd tot boven de waarde die nodig is om het magnetische veld te leveren, verandert de statorstroom om een component op te nemen ter compensatie van deze overmagnetisering. Het resultaat zal een totale statorstroom zijn die het statorvoltage in fase leidt, en aldus aan het machtssysteem reactieve volt-ampères verstrekt die nodig zijn om andere apparaten te magnetiseren die met het systeem zoals transformatoren en inductiemotoren worden verbonden. De werking van een grote synchrone motor met een dergelijke leidende vermogensfactor kan een effectieve manier zijn om de totale vermogensfactor van de elektrische belastingen in een fabriek te verbeteren en zo extra elektrische voedingstarieven te vermijden die anders voor belastingen met een lage vermogensfactor in rekening kunnen worden gebracht.
Driefasige synchrone motoren vinden hun belangrijkste toepassing in industriële situaties waar sprake is van een grote, redelijk constante mechanische belasting, gewoonlijk van meer dan 300 kilowatt, en waar het vermogen om met een leidende vermogensfactor te werken van waarde is. Onder dit vermogensniveau zijn synchrone machines over het algemeen duurder dan inductiemachines.
De veldstroom kan worden geleverd door een extern geregelde gelijkrichter via sleepringen, of, bij grotere motoren, kan deze worden geleverd door een op de as gemonteerde gelijkrichter met een roterende transformator of generator.
Een synchrone motor met alleen een veldwikkeling die een gelijkstroom draagt, zou niet zelfstartend zijn. Bij elke andere snelheid dan de synchrone snelheid zou zijn rotor een oscillerend koppel met een gemiddelde waarde van nul ondervinden, omdat het roterende magnetische veld herhaaldelijk de langzamer bewegende rotor passeert. Normaliter wordt een kortgesloten wikkeling, vergelijkbaar met die van een inductiemachine, aan de rotor toegevoegd om het startkoppel te leveren. De motor wordt gestart, hetzij met volle of verlaagde statorspanning, en op ongeveer 95% van het synchrone toerental gebracht, gewoonlijk met de veldwikkeling kortgesloten om deze te beschermen tegen te hoge geïnduceerde spanning. De veldstroom wordt dan aangelegd en de rotor trekt synchroon met het draaiende veld.
Deze extra rotorwikkeling wordt gewoonlijk een demperwikkeling genoemd vanwege zijn extra eigenschap om eventuele oscillatie te dempen die veroorzaakt zou kunnen worden door plotselinge veranderingen in de belasting van de rotor wanneer deze synchroon is. Aanpassing aan veranderingen in de belasting brengt veranderingen met zich mee in de hoek waarmee het rotorveld achterloopt op het statorveld en brengt dus kortstondige veranderingen in de momentane snelheid met zich mee. Deze veroorzaken stromen die worden geïnduceerd in de demperwikkelingen, waardoor een koppel ontstaat dat werkt om de snelheidsverandering tegen te gaan.
De beveiliging voor synchrone motoren is vergelijkbaar met die welke wordt gebruikt voor grote inductiemotoren. De temperatuur kan zowel in de stator- als in de veldwikkeling worden gemeten en worden gebruikt om de elektrische voeding uit te schakelen. Tijdens het starten wordt de rotor-demperwikkeling aanzienlijk verhit en vaak wordt een timer geïnstalleerd om herhaalde starts binnen een beperkt tijdsinterval te voorkomen.