同步电动机的结构与同步发电机相同，其转子一般都采用凸极式结构。使用时，同步电动机的定子绕组中要通入三相交流电流，同时转子励磁绕组中通入直流电励磁。
如图所示是同步电动机的工作原理示意图。定子三相绕组（也称电枢绕组）接至三相交流电源后，便有三相对称电流流过，并产生电枢旋转磁场。该磁场以同步速度n1= 60f1/p在气隙空间旋转，其方向决定于电流的相序。转子的励磁绕组接入直流电源后，就有直流电流流过，并产生大小和极性都不变的恒定磁场，极对数和电枢旋转磁场一样。根据同性磁极互相排斥、异性磁极互相吸引的原理，当转子磁极的S极与电枢旋转磁场的N极对齐（或转子的N极与旋转磁场的S极对齐）时，转子磁极将被电枢旋转磁场吸引而产生电磁吸引力，并进而产生电磁转矩，拖动转子跟着旋转磁场转动。因而转子的转速大小及方向和电枢旋转磁场的转速大小及方向相同，两者相对于定子“同步”旋转，故称为同步电动机。如果同步电动机轴上带有机械负载，则和异步电动机一样，电枢绕组从电网吸收电功率，通过气隙磁场传给转子，变为机械功率，带动生产机械做功。
图 同步电动机工作原理图
可以证明，同步电动机的电磁转矩的大小与电枢磁场磁极轴线和转子磁极轴线的夹角有关，如果外加电压和电动机的励磁电流不变，则在一定的范围内(<90°)，夹角越大，电磁转矩越大；夹角越小，电磁转矩越小。
图(a)是同步电动机理想空载时的情况，这时转子磁极轴线和电枢磁场轴线重合，θ=0，电动机产生的电磁转矩为零；实际空载时，电动机有一定的空载阻力矩，故电动机要产生一定的电磁转矩来克服空载阻力矩，以维持电动机的转速不变。这时θ>0，但其值很小，如图(b)所示；若电动机轴上的负载增加，则θ角随之增加，电动机的电磁转矩也随之增加，如图(c)所示；但若电动机轴上的负载转矩太大，则电动机产生的电磁转矩将不足以克服负载转矩，同步电动机将停止旋转，这种现象称为同步电动机的“失步”现象。同步电动机产生失步现象时，通过定子绕组的电流将很大，这时应尽快切断电源，以免电动机因过热而损坏。
结论：当外加电源的频率一定时，同步电动机的转速就确定了，它总是以同步转速n1=60f1/p旋转。负载在一定范围内变化时，电动机的转速不变，这个特性是同步电动机的特点，也是优点，因此同步电动机适用于不需调速的场合，例如拖动大型空气压缩机、水泵等。
