同步電動機的結構與同步發(fā)電機相同，其轉子一般都采用凸極式結構。使用時，同步電動機的定子繞組中要通入三相交流電流，同時轉子勵磁繞組中通入直流電勵磁。
如圖所示是同步電動機的工作原理示意圖。定子三相繞組（也稱電樞繞組）接至三相交流電源后，便有三相對稱電流流過，并產生電樞旋轉磁場。該磁場以同步速度n1= 60f1/p在氣隙空間旋轉，其方向決定于電流的相序。轉子的勵磁繞組接入直流電源后，就有直流電流流過，并產生大小和極性都不變的恒定磁場，極對數和電樞旋轉磁場一樣。根據同性磁極互相排斥、異性磁極互相吸引的原理，當轉子磁極的s極與電樞旋轉磁場的n極對齊（或轉子的n極與旋轉磁場的s極對齊）時，轉子磁極將被電樞旋轉磁場吸引而產生電磁吸引力，并進而產生電磁轉矩，拖動轉子跟著旋轉磁場轉動。因而轉子的轉速大小及方向和電樞旋轉磁場的轉速大小及方向相同，兩者相對于定子“同步”旋轉，故稱為同步電動機。如果同步電動機軸上帶有機械負載，則和異步電動機一樣，電樞繞組從電網吸收電功率，通過氣隙磁場傳給轉子，變?yōu)闄C械功率，帶動生產機械做功。
圖 同步電動機工作原理圖
可以證明，同步電動機的電磁轉矩的大小與電樞磁場磁極軸線和轉子磁極軸線的夾角有關，如果外加電壓和電動機的勵磁電流不變，則在一定的范圍內(<90°)，夾角越大，電磁轉矩越大；夾角越小，電磁轉矩越小。
圖(a)是同步電動機理想空載時的情況，這時轉子磁極軸線和電樞磁場軸線重合，θ=0，電動機產生的電磁轉矩為零；實際空載時，電動機有一定的空載阻力矩，故電動機要產生一定的電磁轉矩來克服空載阻力矩，以維持電動機的轉速不變。這時θ>0，但其值很小，如圖(b)所示；若電動機軸上的負載增加，則θ角隨之增加，電動機的電磁轉矩也隨之增加，如圖(c)所示；但若電動機軸上的負載轉矩太大，則電動機產生的電磁轉矩將不足以克服負載轉矩，同步電動機將停止旋轉，這種現象稱為同步電動機的“失步”現象。同步電動機產生失步現象時，通過定子繞組的電流將很大，這時應盡快切斷電源，以免電動機因過熱而損壞。
結論：當外加電源的頻率一定時，同步電動機的轉速就確定了，它總是以同步轉速n1=60f1/p旋轉。負載在一定范圍內變化時，電動機的轉速不變，這個特性是同步電動機的特點，也是優(yōu)點，因此同步電動機適用于不需調速的場合，例如拖動大型空氣壓縮機、水泵等。