同步电机的基本结构
同步电机的基本构造型式有：磁极旋转式和电枢旋转式。由于电枢旋转式从转动着的电枢绕组要通过滑动接触才能输出或者输入电能，存在着许多的限制。所有主要使用的是磁极旋转式。
磁极旋转式的结构即励磁绕组在转子上，电枢绕组在定子上。转子分为隐极式和凸极式。隐极式气隙均匀，适用于高速旋转；凸极式气隙不均匀，旋转事空气阻力较大。
同步电机的工作原理
原动机驱动转子以同步速n1旋转,即（n=n1），在气隙磁场中形成旋转磁场，定子三相绕组切割该旋转磁场，感应电势的频率为
f?同步电动机的工作原理图如下所示
pn160
nFfFan1AZYNBSCX
图1 同步电机工作原理图
定子三相交流绕组接三相电源。定子产生合成旋转磁场，依靠磁拉力驱动直流励磁的转子同速同向旋转。
n=n1?60fp
同步电机无论是作为发电机还是电动机，它的转子转速总等于由电机极对数和电枢电流频率所决定的同步转速。同步电机运行处于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主
磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。
若转子主磁场超前于定子合成磁场即δ>0，此时转子输出机械功率，定子绕组向电网或者负载输出电功率，电机作为发电机运行。
若转子主磁场与定子合成磁场的轴线重合，δ=0，则电磁转矩为零。此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态和空载状态。
若转子主磁场滞后于定子合成磁场，δ<0，此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负载而输出机械功率，电机作为电动机运行。
对称负载时电枢反应
在电枢绕组内每相的电枢电流I和励磁电势E之间的相角ψ为内功率因数角。电枢电流产生的磁势对气隙磁场的影响叫作电枢反应。
当功率因数角ψ=0°时（即电枢电流I与励磁电动势E同相位时），称为交轴电枢反应，发电机不发出无功功率；
当功率因数角ψ≠0°时（即电枢电流I与励磁电动势不同相时），电枢磁动势Fa滞后于主极磁动势Ff于90°+ψ电角度。由于Fa与Ff同向、同时旋转，所以它们之间的相对位置将始终保持不变。此时Fa可以分成两个分量，一个是交轴电枢磁动势Faq，另一个是直轴电枢磁动势Fad，即Fa=Fad+Faq
其中
Fad?Fasin?
Faq?Facos?
交轴电枢磁动势产生交轴电枢反应，直轴电枢磁动势所产生的是直轴电枢反应，对主极而言，其作用是可以是去磁也可以是助磁，根据ψ角的正、负来判定。对于同步发电机，若电枢电流I滞后于励磁电动势E，则直轴电枢反应是去磁性；若I超前于E，直轴电枢反应将是增磁性。
隐极同步发电机的电压方程、相量图
同步发电机负载运行时，除了主极磁动势Ff之外，还有电枢磁动势Fa，如果不计磁饱和，则可用叠加原理。把Ff和Fa的作用分别单独考虑，再将它们的效果叠加起来。设Ff和Fa各自产生主磁通Φ0和电枢磁通Φa，并在定子绕组内感应出相应的激磁电动势E0和电枢反应电动势Ea，把Ea和E0相量相加，可得电枢一相绕组的合成电动势E（也称为气隙磁动势）。再把气隙电动势E减去电枢绕组的电阻压降IRa和漏抗压降jIXσ，便得到电枢绕组的端电压U。电枢电压方程为
E0?Ea?I?Ra?jX???U
E0ΦEajIXaEUψIRaIjIXσ
凸极同步发电机的电压方程和相量图
不计磁饱和时，由于凸极电机气隙不均匀，无法采用叠加原理。根据双反应原理，把电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴磁动势Fad、Faq，分别求出其所产生的直轴、交轴电枢磁通Φad、Φaq和电枢中相应的电动势Ead、Eaq，再与主磁通Φ0所产生的激励磁动势E0相量相加，得到一相和合成电动势E(也称为气隙电动势)，电枢电压方程为
在时间相位上，不计定子铁耗时，Ead和Eaq分别滞后于Id、Iq以90°电角度，所以Ead
和Eaq可以用相应的负电抗压降来表示
E0?Ead?Eaq?I?Ra?jX???UEad??jIdXad
Eaq??jIqXaq化简可得
E0?U?IRa?jIX??jIdXad?jIqXaq?U?IRa?jId?X??Xad??jIqX??Xaq??U?IRa?jIdXd?jIqXq?