Khi dòng điện ba-pha chạy vào cuộn dây đối xứng ba pha-của stato của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, lực từ động do dòng điện tạo ra kết hợp lại tạo thành lực từ quay có biên độ không đổi. Vì biên độ của nó không đổi nên quỹ đạo của lực từ quay này tạo thành một vòng tròn, gọi là lực từ quay tròn. Độ lớn của nó chính xác bằng 1,5 lần biên độ cực đại của lực từ động một pha.
Trong đó, F là lực từ quay tròn (T·m); Fφl là biên độ cực đại của lực từ động một pha-(T·m); k là hệ số dây quấn cơ bản; p là số cặp cực của động cơ; N là số vòng nối tiếp của mỗi cuộn dây; và I là giá trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua cuộn dây. Do tốc độ quay của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu luôn là tốc độ đồng bộ nên từ trường chính rôto và từ trường quay được tạo ra bởi lực từ động quay tròn stato vẫn tương đối đứng yên. Hai từ trường tương tác với nhau tạo thành từ trường tổng hợp trong khe hở không khí giữa stato và rôto. Từ trường tổng hợp này tương tác với từ trường chính của rôto, tạo ra mômen điện từ Te điều khiển hoặc cản trở chuyển động quay của động cơ.
Trong đó Te là mômen điện từ (N·m); BR là từ trường chính của rôto (T); và Bnet là từ trường tổng hợp trong khe hở không khí (T). Do mối quan hệ vị trí khác nhau giữa từ trường tổng hợp trong khe hở không khí và từ trường chính của rôto, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có thể hoạt động ở cả chế độ động cơ và máy phát điện. Ba trạng thái hoạt động của PMSM được hiển thị trong Hình 3. Khi từ trường tổng hợp trong khe hở không khí tụt lại phía sau từ trường chính của rôto, mômen điện từ được tạo ra sẽ ngược với hướng quay của rôto; ở trạng thái này, động cơ đang tạo ra điện. Ngược lại, khi từ trường tổng hợp trong khe hở không khí dẫn đến từ trường chính của rôto, mômen điện từ được tạo ra sẽ cùng chiều với chiều quay của rôto; ở trạng thái này, động cơ hoạt động như một máy phát điện. Góc giữa từ trường chính của rôto và từ trường tổng hợp trong khe hở không khí được gọi là góc công suất.
PMSM bao gồm hai thành phần chính: rôto nam châm vĩnh cửu đa phân cực và stato với các cuộn dây được thiết kế phù hợp. Trong quá trình vận hành, rôto nam châm vĩnh cửu đa cực quay sẽ tạo ra từ thông-thay đổi theo thời gian trong khe hở không khí giữa rôto và stato. Thông lượng này tạo ra một điện áp xoay chiều tại các cực của cuộn dây stato, do đó tạo thành cơ sở cho việc phát điện. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được thảo luận ở đây sử dụng nam châm vĩnh cửu hình vòng -gắn trên lõi sắt từ. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong không được xem xét ở đây. Vì việc nhúng nam châm vào lõi sắt từ mạ điện là rất khó nên bằng cách sử dụng nam châm có độ dày thích hợp (500 μm) và vật liệu từ tính hiệu suất cao-trong lõi rôto và lõi stato, khe hở không khí có thể được tạo ra rất lớn (300~500 μm) mà không làm giảm hiệu suất đáng kể. Điều này cho phép cuộn dây stato chiếm một không gian nhất định trong khe hở không khí, do đó đơn giản hóa đáng kể việc chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.