同期電動機
同期電動機は、三相交流の回転磁界と回転子の磁極が同期して一定速度で回転する電動機である。誘導電動機と異なり滑りがゼロで、回転速度は電源周波数と極数のみで決まる（同期速度）。回転子には直流励磁による電磁石、または永久磁石を用い、固定子の三相巻線が作る回転磁界と位相角を保って結合する。定速駆動、力率調整、大容量用途での高効率が特長であり、産業用コンプレッサ、送風機、ポンプ、圧延機などで広く用いられる。同期電動機は励磁量の調整により無効電力を吸収・供給でき、系統の力率改善にも寄与する。
構造と原理
固定子は三相巻線を有し、電源により回転磁界を生む。回転子は直流励磁の界磁巻線（スリップリング経由またはブラシレス励磁）もしくは永久磁石で構成される。回転子磁極と固定子の回転磁界が同期すると、両者の位相差（負荷角δ）に応じた電磁トルクが発生する。同期速度は n_s＝120f/p（min⁻¹）で表され、fは周波数（Hz）、pは極数である。
同期速度とトルクの関係
理想化すれば電磁トルクはおおむね T≒(E_f·V/X_s)sinδ に比例し、負荷増大でδが増えるとトルクが増える。δが大きくなりすぎると同期が外れるため、安定運転には適切な励磁と機械負荷のマージンが必要となる。同期運転中は滑りがゼロであるため速度変動が小さく、プロセス制御に有利である。
励磁方式と力率制御
直流励磁はブラシ・スリップリング式のほか、補助発電機を回転軸上に持つブラシレス励磁が用いられる。励磁電流を増やす（過励磁）と端子電流の進み成分が増え、系統に進み無効電力を供給して力率を改善できる。逆に減らす（不足励磁）と遅れ力率となる。これにより設備全体の変圧器・配電損失の低減が期待できる。
V曲線の活用
端子電流の大きさを縦軸、励磁電流を横軸にとるとV字状の特性（V曲線）を描く。電流極小点がほぼ力率１の条件を示し、ここから左右に外れると進み（過励磁）・遅れ（不足励磁）となる。運転点を監視しながら励磁を調整することで、損失増大や過電流を避けつつ所望の力率を実現する。
始動法
同期電動機は自力始動が困難なため、実務では①ダンパ巻線（かご形）を備えて誘導電動機的に加速し、同期速度近傍で界磁を投入して同期引込みする方法、②補助電動機（ポニーモータ）で先に同期速度へ引上げる方法、③インバータによる可変周波数始動（V/f制御やFOC）などを用いる。近年は③が主流で、始動電流を抑え、機械的衝撃も低減できる。
始動時の実務上の注意
- 同期引込み直前後の電気的過渡で端子電流が一時的に増大するため、保護継電器の整定と冷却余裕を確保する。
- 機械結合部や端子ボルトの締結状態を点検し、共振・捩り振動の回避を図る。
- 無励磁始動では界磁巻線の誘起電圧に留意し、適切な保護抵抗やサージ対策を施す。
損失と効率
固定子銅損・鉄損、回転子励磁損、機械損（摩擦・風損）が主要損失である。誘導電動機に比べ二次銅損が小さいため、大容量・高負荷域で高効率になりやすい。永久磁石同期電動機（PMSM）は回転子励磁損がなく、部分負荷でも効率が高いが、磁石温度特性や減磁保護が設計課題となる。
種類
回転子形状で円筒極（高速向け）と突極（低速・多極）がある。励磁源で電磁界磁形とPMSM、磁気異方性を利用するリラクタンス同期電動機（SRM/同期リラクタンス）に大別できる。無効電力補償専用に同期調相機として運転する場合もある。
制御・保護
ブラシレス励磁ではAVRが端子電圧・力率・無効電力指令に応じて励磁を制御する。保護は過電流、失励磁、逆相・不平衡、過速度、過熱、アウトオブステップ検出などを組み合わせる。インバータ駆動では電流制限、弱め界磁制御、位置推定（センサレス）などの機能が重要である。
用途と選定指標
大容量のファン・ブロワ・コンプレッサ、押出機、圧延機、ポンプなどで定速・高効率運転に適する。選定では定格電圧（V）、出力（kW）、極数、同期リアクタンスX_d/X_q、慣性J、冷却方式、許容温度上昇、許容負荷角、必要な力率改善量、始動方式と電源設備条件（短絡容量・高調波規制）を確認する。
永久磁石同期電動機（PMSM）
高保磁力のNd-Fe-B磁石を用い、ベクトル制御（FOC）で高トルク密度と高効率を両立する。弱め界磁により広範囲の速度制御が可能で、ロボット、工作機械スピンドル、EV駆動などで主流となっている。反面、減磁・発熱設計、逆起電力対策、希土類資源リスクが設計の勘所である。
誘導機との比較
誘導機は堅牢・低コスト・簡便始動が利点だが、滑り損がある。同期電動機は定速性と力率調整が利点で、大容量系での省エネ・配電損低減に効果が大きい。可変速が前提ならインバータ＋PMSMが総合効率に優れる場合が多い。
据付・保守の要点
据付時は芯出し、基礎剛性、冷却風路、絶縁・耐圧、軸受給脂計画を整える。運転中は振動・温度・電流・力率・励磁電流・δのトレンド監視を行い、失励磁兆候や引込み不良を早期に検知する。定期点検では界磁回路の絶縁、回転子健全性、冷却ファンや端子部の緩みを確認する。
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