同步电动机是一种交流电动机，在稳定工作状态下，[1] 轴的旋转频率与电源电流的频率同步；自转周期恰好等于交流电周期的整数倍。同步电机的定子上包含多相交流电磁体，这些电磁体产生的磁场随着线路电流的极性交变而同时旋转。 带有永磁体或电磁体的转子以相同的速度与定子磁场同步转动，从而提供任何交流电机都有的第二个同步旋转磁场。如果在转子和定子上都有独立激励的多相交流电磁铁，则该同步电机被称为 双馈 电机。
同步电动机和感应电动机是最广泛使用的两种交流电动机。这两种电动机的区别在于，同步电动机的旋转速度与电路频率相关，因为它不依赖电流感应来产生转子磁场。相比之下，感应电动机具有转速 转差: 为了在转子绕组中产生感应电流，转子转频必须比交流电的交流频率稍慢。小型同步电动机用于定时，如同步时钟、电器定时器、磁带录音机和精密伺服机构，其中电机必须以精确的速度运行；速度精度就是电网频率的精度，这在大型互联电网系统中需要精确控制。
从自激亚分数马力规模[2] 到大功率工业规模，同步电动机都能适用。[1] 在小功率范围内，大多数同步电动机用于需要精确恒速的地方。这些机器通常用于模拟电子钟、计时器和其他需要准确时间的设备。在较大功率的工业设备中，同步电动机提供两个重要功能：第一，这是一种高效的交流能量转换方式；第二，它可以在超前功率因数或单位功率因数下运行，从而提供功率因数校正功能。
同步电动机属于一般的类别的 同步机械 ，同步机械还包括同步发电机。 如果场磁极“被原动机的向前运动驱动到合成气隙磁通之前”，则为发电机动作。 如果磁场极“被轴负载的减速扭矩拖到合成气隙磁通后面”，则为电动机动作。[1]
根据转子的磁化方式，同步电动机主要有两种类型: 无励磁 和 直流励磁。[3]
在无励磁电动机中，转子由钢制成。 在同步转速情况下，转子随着定子的旋转磁场同步旋转，所以转子的磁场几乎是恒定的。 外部定子磁场磁化转子，感应出转子旋转所需的磁极。 转子由高强度钢制成，如钴钢。以下类型的电动机采用永磁体、磁阻和磁滞设计制造:[4]
磁阻电机
磁阻电机有一个转子，由实心铸钢件制成，带有突出的齿杆。一般来说，转子比定子磁极少，以尽可能减小转矩波动，并防止磁极同时对齐——这是一个不能产生转矩的位置。[2][5] 当磁极与定子的(旋转)磁场对齐时，磁路中的气隙尺寸以及磁阻最小。气隙尺寸以及磁阻随着磁极与定子的(旋转)磁场之间的角度而增加，这产生了一个扭矩，将转子拉至与定子磁场最近的磁极对准。 因此，在同步转速中，转子被“锁定”在旋转的定子磁场上。 但这样不可能启动电机，所以转子磁极通常嵌入鼠笼绕组，以提供低于同步转速的扭矩。 磁阻电机作为感应电机启动，直到电机转速接近同步转速，此时转子被“拉进来”并锁定在旋转的定子磁场上。[6]
磁阻电机设计的额定功率范围包括小马力(几瓦)到大约 22 kW。非常小的磁阻电机具有低扭矩的优点，通常应用于仪器仪表。中等扭矩、多马力电机采用鼠笼式结构和带齿转子。当与可调频率电源一起使用时，驱动系统中的所有电机都可以控制在完全相同的速度。电源频率决定了电机运行速度。
磁滞电机
磁滞电机有一个实心光滑的圆柱形转子，由高矫顽力磁性的“硬”钴钢铸造而成。[5] 这种材料具有宽磁滞回线(高矫顽力)，这意味着一旦它在给定方向上磁化，那么需要较大的反向磁场来反转磁化。 旋转的定子磁场使转子的每一小部分都经历反向磁场。由于磁滞现象，磁化的相位滞后于外加磁场的相位。其结果是，转子中感应的磁场轴滞后于定子磁场轴一个恒定的角度δ，当转子试图“赶上”定子磁场时产生扭矩。 只要转子低于同步转速，转子的每一个部分都会经历一个“滑动”频率的反向磁场，使其绕着磁滞回线运动，导致转子磁场滞后并产生转矩。 转子中有一个双极低磁阻棒结构。[5] 当转子接近同步转速并且转差率为零时，双极低磁阻棒受到磁化并与定子磁场对齐，使转子“锁定”在旋转的定子磁场上。
磁滞电机的一个主要优点是，由于滞后角δ与速度无关，它从启动到转速同步一直产生恒定的扭矩。 因此，磁滞电机是自启动的，不需要感应绕组来启动，但仍然许多磁滞电机的设计在转子中嵌入了鼠笼式导电绕组结构，以便在启动时提供额外的扭矩。
磁滞电机的额定功率低于分马力，主要用作伺服电机和定时电机。磁滞电机比磁阻电机更昂贵，在需要精确恒速的地方使用。
永磁电机
永磁同步电机(PMSM)使用嵌入钢转子中的永磁体来产生恒定磁场。定子带有连接到交流电源的绕组，以产生旋转磁场。 在同步转速情况下，转子磁极锁定在旋转磁场上。永磁同步电机类似于无刷直流电机。
由于转子中的恒定磁场，永磁电机不能使用感应绕组来启动。这些电机需要变频电源才能启动。[7][8][9][10][11]
永磁同步电机和异步电机的主要区别在于转子结构。
自2000年以来，永磁电机一直被用作无齿轮电梯电机。[12]
直流励磁电机通常制成较大的功率(大于1马力或1千瓦) 。 这些电机需要向转子提供直流电(DC)进行励磁。 最直接的励磁方式使用滑环，但是也可以使用无刷交流感应和整流器装置。[13] 所需要的直流电可以由单独的直流电源提供，也可以由直接连接到电机轴的直流发电机提供。
以下给出了同步电动机的同步转速:[14]
单位为rpm:
单位为rad*s−1:
其中:
如果 是每相的极对数(很少有这种情况，例如 交换平面)，只需将两个公式除以2。
单相、4极(2极对)同步电机以50Hz的交流电源频率运行。每相的极对数是2/1 = 2，因此，同步转速是:
三相12极(6极对)同步电机以60Hz的交流电源频率运行。每相的极对数为6/3 = 2，因此，同步转速是:
同步电动机的运行是基于定子和转子磁场的相互作用。同步电动机的定子绕组由三相绕组组成，配有三相电源，转子配有直流电源。承载三相电流的三相定子绕组产生三相旋转磁通量(因此产生旋转磁场)。转子与旋转磁场锁定并随之旋转。一旦转子与旋转磁场锁定，电动机就被称为同步电动机。同步电动机也有单相(或单相派生的两相)定子绕组类型，但在这种情况下，旋转方向没有定义。只要启动装置允许，机器可以在任一方向上启动。[22]
一旦电机运行，电机转速仅取决于供电频率。当电机负载增加到超过击穿负载时，电机失去同步，磁场绕组不再跟随旋转磁场。由于如果电动机不同步，就不能产生同步转矩，因此实际的同步电动机有一个局部或完整的鼠笼式阻尼器(减震器)绕组来保持稳定运行和便于起动。因为鼠笼式阻尼绕组比等效感应电动机的绕组小，并且在长时间运行时可能过热，而且电机失去同步时转子励磁绕组中会感应出大的滑动频率电压，因此同步电动机保护装置可以检测到这种情况并中断电源(失步保护)。[22]
超过一定功率和尺寸，同步电动机就不是自启动电机。这一特点是由于转子的惯性作用：转子不能立即跟随定子磁场的旋转。由于同步电动机在静止时不产生固有的平均转矩，因此如果没有一些辅助机构，电动机就不能加速到同步转速。[2]
以商用电源频率运行的大型电动机包含鼠笼式感应绕组，该绕组为加速提供足够的扭矩，并且还可以抑制运行中电机转速的波动。[2] 一旦转子接近同步转速，励磁绕组就被激励，电动机就实现同步运转。较大的电动机系统可能包括一个“小型”电动机，在施加负载前加速空载的同步电动机。[23][24] 通过改变定子电流的频率，电子控制的电动机可以实现从零速度加速。[25]
较小的同步电机通常用于线路供电的电动机械时钟或计时器，这些时钟或计时器使用输电线频率以正确的速度驱动齿轮机构。 如果转子的惯性矩及其机械负载足够小，那么这种小型同步电机能够在没有辅助的情况下启动。这是因为在磁阻转矩的加速半周间，电动机将从转差转速加速到同步转速。[2] 单相同步电机，如电动挂钟，可以在任何方向自由旋转，这一点与罩极式电动机不同。
运行经济性是选择不同电机起动方法的一个重要因素。[26] 因此，转子的激励是解决电机启动问题的一种可能方式。[27] 此外，现代的大型同步电动机起动方法包括起动期间转子磁极的反复极性反转。[28]
通过改变同步电动机的激励，可以使其在滞后、超前和单位功率因数下运行。功率因数为1的激励电压称为 正常激励电压。[29] 这种激励下的电流量最小。[29] 超过正常激励的激励电压被称为过激励电压，低于正常激励的激励电压被称为欠激励电压。[29] 当电机过励磁时，反电动势将大于电机端电压。由于电枢反应，这会导致消磁效应。[30]
同步电动机的电压曲线显示电枢电流是励磁电流的函数。随着励磁电流的增加，电枢电流先减小，然后达到最小值，然后增加。最小值就是功率因数为1的点。[31]
这种选择性控制功率因数的特性可以用于电动机所连接的电力系统的功率因数校正。由于大型电力系统都有净滞后功率因数，因此过励磁同步电机的存在使系统的净功率因数更接近于1，提高了效率。尽管电机可以在没有机械负载的情况下运行，只是为了提供功率因数校正，但这种功率因数校正通常是已经存在于系统中提供机械功的电机的副作用。在像工厂这样的大型工业站点中，同步电动机和其他滞后负载之间的相互作用可能是工厂电气设计中的一个明确考虑因素。
式中，
是扭矩
是扭矩角
是最大扭矩
其中，
当施加负载时，扭矩角 增加。当 = 90时，扭矩最大。如果进一步施加负载，电动机扭矩将小于负载扭矩，电动机将失去同步性。[32][33] 在不失去同步性的情况下可以施加到电动机上的最大负载转矩被称为同步电动机的稳态稳定极限。[32]
同步电动机在需要精确速度和位置控制的应用中发挥重要作用。
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