Silnik synchroniczny to taki, w którym wirnik normalnie obraca się z tą samą prędkością co pole wirujące w maszynie. Stojan jest podobny do stojana maszyny indukcyjnej, składającej się z cylindrycznej żelaznej ramy z uzwojeniami, zwykle trójfazowymi, umieszczonymi w szczelinach wokół wewnętrznego obwodu. Różnica polega na wirniku, który zwykle zawiera izolowane uzwojenie połączone poprzez pierścienie ślizgowe lub inne środki ze źródłem prądu stałego (patrz rysunek).

Zasadę działania silnika synchronicznego można zrozumieć rozważając, że uzwojenia stojana są podłączone do trójfazowego źródła prądu zmiennego. Efektem działania prądu stojana jest wytworzenie pola magnetycznego obracającego się z prędkością 120 f/p obrotów na minutę dla częstotliwości f herców i dla p biegunów. Prąd stały w uzwojeniu pola p-biegunowego na wirniku wytwarza również pole magnetyczne obracające się z prędkością wirnika. Jeśli prędkość wirnika jest równa prędkości pola stojana i nie występuje moment obciążenia, te dwa pola magnetyczne będą miały tendencję do wyrównywania się względem siebie. W miarę przyłożenia obciążenia mechanicznego, wirnik cofa się o kilka stopni w stosunku do pola wirującego stojana, wytwarzając moment obrotowy i nadal jest przyciągany przez to pole wirujące. Kąt pomiędzy polami wzrasta wraz ze wzrostem momentu obciążenia. Maksymalny dostępny moment obrotowy jest osiągany, gdy kąt, o który pole wirnika pozostaje w tyle za polem stojana, wynosi 90°. Zastosowanie większego momentu obciążenia spowoduje zgaśnięcie silnika.

Jedną z zalet silnika synchronicznego jest to, że pole magnetyczne maszyny może być wytwarzane przez prąd stały w uzwojeniu pola, tak że uzwojenia stojana muszą dostarczać tylko składową mocy prądu w fazie z przyłożonym napięciem stojana – tzn. silnik może działać przy jedności współczynnika mocy. Ten warunek minimalizuje straty i nagrzewanie się uzwojeń stojana.

Współczynnik mocy wejścia elektrycznego stojana może być bezpośrednio kontrolowany przez regulację prądu pola. Jeśli prąd pola zostanie zwiększony ponad wartość wymaganą do zapewnienia pola magnetycznego, prąd stojana zmienia się, aby uwzględnić składnik kompensujący to przemagnesowanie. W rezultacie całkowity prąd stojana prowadzi napięcie stojana w fazie, dostarczając w ten sposób do systemu elektroenergetycznego woltoampery bierne potrzebne do namagnesowania innych urządzeń podłączonych do systemu, takich jak transformatory i silniki indukcyjne. Działanie dużego silnika synchronicznego przy takim wiodącym współczynniku mocy może być skutecznym sposobem poprawy ogólnego współczynnika mocy obciążeń elektrycznych w zakładzie produkcyjnym w celu uniknięcia dodatkowych stawek za dostawę energii elektrycznej, które w przeciwnym razie mogłyby być naliczane dla obciążeń o niskim współczynniku mocy.

Trójfazowe silniki synchroniczne znajdują swoje główne zastosowanie w sytuacjach przemysłowych, w których występuje duże, w miarę stałe obciążenie mechaniczne, zwykle przekraczające 300 kilowatów, i w których zdolność do działania przy wiodącym współczynniku mocy ma wartość. Poniżej tego poziomu mocy, maszyny synchroniczne są generalnie droższe od indukcyjnych.

Prąd pola może być dostarczany z zewnętrznie sterowanego prostownika poprzez pierścienie ślizgowe, lub, w większych silnikach, może być dostarczany przez prostownik zamontowany na wale z obracającym się transformatorem lub generatorem.

Silnik synchroniczny z tylko uzwojeniem pola przenoszącym prąd stały nie byłby samorozruchowy. Przy każdej prędkości innej niż prędkość synchroniczna, jego wirnik doświadczałby oscylującego momentu obrotowego o zerowej wartości średniej, ponieważ wirujące pole magnetyczne wielokrotnie mijałoby wolniej poruszający się wirnik. Zazwyczaj do wirnika dodaje się zwarte uzwojenie podobne do tego w maszynie indukcyjnej, aby zapewnić moment rozruchowy. Silnik jest uruchamiany przy pełnym lub obniżonym napięciu stojana i doprowadzany do około 95 procent prędkości synchronicznej, zwykle przy zwartym uzwojeniu pola, aby chronić je przed nadmiernym napięciem indukowanym. Następnie włączany jest prąd pola i wirnik wchodzi w synchronizm z polem wirującym.

To dodatkowe uzwojenie wirnika jest zwykle określane jako uzwojenie tłumiące ze względu na jego dodatkową właściwość tłumienia wszelkich oscylacji, które mogą być spowodowane nagłymi zmianami obciążenia wirnika w synchronizmie. Dostosowanie do zmian obciążenia wiąże się ze zmianami kąta, o jaki pole wirnika opóźnia pole stojana, a więc wiąże się z krótkotrwałymi zmianami prędkości chwilowej. Powodują one indukowanie prądów w uzwojeniach tłumika, wytwarzając moment obrotowy, który działa przeciwnie do zmiany prędkości.

Zabezpieczenia silników synchronicznych są podobne do tych stosowanych w dużych silnikach indukcyjnych. Temperatura może być wykrywana zarówno w uzwojeniach stojana jak i pola i wykorzystywana do wyłączenia zasilania elektrycznego. Znaczne nagrzewanie występuje w uzwojeniu tłumika wirnika podczas rozruchu i często instalowany jest wyłącznik czasowy, aby zapobiec wielokrotnym rozruchom w ograniczonym przedziale czasu.

.