同步电机可分为两类：非凸极电机与凸极电机。图19为凸极内置式永磁同步电机（IPMSM）的典型产品示例。图20为这两类电机相比外部励磁同步电机的内部机械结构概述。
图19：带有分布式绕组的凸极内置式永磁同步电机 (IPMSM) 的截面图(14)
图20：凸极外部励磁同步电机（左）、非凸极表贴式永磁同步电机 (PMSM/SMPMSM) (中间)以及凸极内置式永磁电机(IPMSM)（右）的截面图
与直流电机类似，同步电机在旋转的电磁场与恒定磁场处于相对静止状态时可产生力矩。由于励磁绕组及其磁场固定在转子上，因此如要在同步电机中产生恒定力矩，定子磁场必须与转子同步旋转。励磁绕组安装在同步电机的转子上。转子通过直流电源和滑环（图20，左边）励磁，或通过永磁体（图20，中间和右边）励磁（这种方法更常见）。
由于转子磁场以转子的机械速度旋转，定子绕组必须产生旋转磁场。因此，定子必须具有旋转磁场绕组。在图20中，定子槽中的绕组方向（用飞箭概念表示的电流流动方向）显示为“点”（箭头=从表面出来）与“交叉线”（箭羽=进入表面）。中间和右边的图都有一个双层三相绕组，这种绕组允许相邻相的叠加，因此在气隙中生成正弦定子磁场。
d轴（图20中的Ld） 指同步电机的直轴（主磁通量路径轴，一般处于永磁体的方向），而q轴（图20 中的Lq）指正交轴。取决于转子的几何结构，同步电机要么是非凸极型（位于图20中间）（即定子电感不取决于转子位置），要么是凸极型（位于图20 右边）（即定子电感取决于转子位置）。在凸极同步电机中，定子电感取决于转子位置 (Lq>>Ld)，从而产生磁阻力。电感差异会受到转子几何结构的影响，同时也是因为转子使用的材料的磁属性有差异，例如，磁体和空气的相对磁导率µr为1，而电钢片的相对磁导率µr约为4000-10000。此外，由于存在d轴和q轴电感差异，凸极电机的弱磁性能较好。由于转子的凸极性，IPMSM的力矩取决于d和q电流分量。
表贴式非凸极永磁同步电机——电机直径远大于电机长度——通常适合混合动力电动车应用。由于直接连接至汽车中的齿轮箱，汽车应用中的电机通常直径较大而轴长较小，即电机的直径一般与齿轮箱相同。图19从另一方面显示了更常见的电机直径与长度比。该电机具有分布式绕组和内置于转子中的永磁体，这会产生凸极效性以及磁阻力矩，即该电机是凸极电机。
同步电机的绕组可为分布式或集中式。当绕组为集中式时，所有导线位于一个槽中并跨一个极，即跨距为一个极——如图21的左边所示。分布式绕组的跨距更大。在图21右边的示例中，每个绕组跨3个槽。此外，不同相的集中式绕组不会重叠，而分布式绕组则重叠——在图21中可以清楚地看到这一点。集中式绕组使用的铜材料更少，且大多数的端部绕组都比转子长度短。这一点在以下两种绕组的示意图中也能明显看出来。集中式绕组可采用更紧凑的方式构建，并且，由于使用的铜减少，材料和生产成本可以大大降低。
然而，由于性能出色——通常归因于谐波含量较低，分布式绕组仍是较具优势的绕组类型。相比集中式绕组，分布式绕组励磁通量的空间（接近正弦）波形明显得到优化。分布式绕组的缠绕方式可产生近于恒定的旋转定子磁场。由于电机制造的成本压力增加，更廉价的集中式绕组已变得更普遍。
负载角显示了转子和定子磁场之间的角度。图21显示了力矩对负载角ϑ的正弦依赖性。这一关系仅在所有电压保持恒定的情况下有效。仅可通过改变他励式永磁同步电机 (PMSM) 中的励磁电流，才可改变拔拉力矩的大小（电机的最大力矩）。如励磁电流为恒定，则负载角ϑ将由负载力矩决定。图21显示了力矩对负载角的依赖性。如两个磁场垂直 (ϑ= ±π/2°)，则将产生最大力矩。如两个磁场对齐 (ϑ= 0°)，则不会产生力矩。从图21可以推出静态负载力矩（该力矩大于拔拉力矩），将迫使负载角处于稳定运行区之外，导致磁极滑动。在电动模式中，同步电机将停下、静止。在发电机模式中，电机将加速并超速。
图21：在恒定电压运行中力矩为负载角的函数 (4)
要在不同的力矩/速度点运行同步电机，需要调整电压（或电流）和频率。电气励磁电机也可控制励磁电流或励磁磁链，对所产生的反电动势产生影响。
带有同步电机的现代传动设备大部分由变频器馈电，以产生频率与电压（或电流）可变的三相系统。因此，可以控制速度与力矩。
有些控制方法试图对同步电机进行调控，调控方式可以实现同步电机仅要求有功功率或纯粹的无功功率（感性或容性同步补偿器）。一些控制器针对既定的定子电流对力矩进行最大化（每安培的最大力矩）。下面对不同的控制方法进行更详细的说明。
要充分利用逆变器的视在功率 (kVA)，同步电机可在整功率因数（即cosφ=1）情况下运行。利用这种控制方法，由于无需提供无功功率，因此可充分利用逆变器的安装功率。由于必须对转子磁场励磁进行控制，因此这种方法适用于带有转子励磁绕组的非凸极式同步电机。
在永磁同步电机中不能对励磁（即反电动势电压）进行改变。因此，反电动势电压ui与转子速度成比例：ui~速度。
故永磁同步电机 (PMSM) 不能在同时保持恒定定子磁通量和每安培最大力矩或最大有功功率的情况下运行。
由于无法达到最大力矩，因此有功功率运行（即，cosφ=1）很少应用于无励磁绕组的永磁同步电机 (PMSM)。
为充分利用永磁同步电机 (PMSM) 的性能，大部分情况下采用一种可最大化每安培力矩的控制算法。利用这种控制方式，在既定的反电动势电压下可产生最大力矩。这种控制方式的一个缺点为功率因数 cosφ变小，这是定子磁链增加所导致。
当速度低于基本速度时，定子电流受到控制以与反电动势保持同相。因此，对于由永磁体确定的既定励磁，在电流最小时可产生最大力矩。
当速度增加并达到基本速度（额定速度）时逆变器馈电的永磁同步电机 (PMSM) 达到其电压限值。当磁场（来自于永磁体）减小时，才可进一步增加速度。要实现这一点，可对定子电流进行相移，直至产生电流的负的d轴分量。这种d轴分量电流（即产生磁通量的分量）会使电机中的总励磁磁场减小，从而降低反电动势。在速度更高的情况下，需要对定子电流进行相移，使定子电压保持恒定。取决于定子电流与速度，可获得不同的功率因数 (cosφ)。在设计功率变换器时，必须针对最大速度下出现的最差 cosφ进行设计。
永磁同步电机 (PMSM) 的一个重要特征在于在非零速度下，永磁体在定子绕组中产生非零反电动势电压。这种效应可用作紧急制动功能，通过使定子绕组形成短路来降低电机速度。另一方面，如未考虑短路额定值，这种短路电流可能会使转换器过载，甚至会损坏功率器件。短路电流值取决于永磁体磁链、定子电阻以及定子电感，在某些程度上还取决于电机速度。在较高速度下短路电流达到限值（图22）。应针对这种电流来设计逆变器以避免出现故障。应注意，这种短路电流有时低于电机的额定电流。此外，短路力矩与磁链平方除以定子电感值所得的值成正比（图22）。
图22：相较于转子速度的短路力矩与短路电流 (6)
除了短路运行，转换器的设计师还必须考虑针对磁通量削弱以恰当设计转换器。要减小电机d轴中的磁场，逆变器必须注入负的d轴分量。
但如果这种励磁中断（例如，由于逆变器被强制关闭），由于电机中的磁通量突然急剧增大，则极高的励磁电压（反电动势）可能导致逆变器二极管或电压源逆变器中的电容器损坏。
也称为6步式控制，是一种最简单的算法。对于6步换向步骤（在三相电机中）中的每一步，在一对绕组之间形成电流路径，从而断开第三个绕组。与其他算法相比，这种方法会产生高力矩波动，从而导致振动、噪音以及性能变差。
也称为电压频率比换相，正弦控制通过向3个绕组顺畅提供（正弦）变化电流，减少力矩波动，带来顺畅旋转，从而克服了梯形控制出现的许多问题。不过，经常使用基本的PI调节器对这些时变电流进行控制，会导致较高速度下性能较差。
磁场定向控制 (FOC) 也称为矢量控制，与正弦控制相比，在较高速度下能提供较高效率。即使在瞬态运行期间，这种控制通过出色地保持定子和转子磁通量仍可确保较高的效率。与所有其他技术相比，在动态负载变化情况下磁场定向控制 (FOC) 还可提供较高的性能。
与感应电机类似，永磁同步电机 (PMSM) 可在磁场定向控制 (FOC) 中运行，对力矩和产生磁通量的定子电流分量进行去耦。因此，定子电流中的d轴电流分量可被视为产生磁通量的分量，而q轴分量则可产生力矩。在基本速度区，这一d轴分量通常设置为零，以最大程度降低定子损耗并使逆变器电流额定值最小化。在永磁同步电机 (PMSM) 的弱磁区，需要提供负的d轴分量以减小电机磁场。
在利用磁场定向控制 (FOC) 时，力矩波动可被降低至最小程度，并可在低速和高速情况下对电机进行准确控制。
对于磁场定向控制，必须已知转子位置，这样可使用安装在转子轴上的绝对式编码器或无传感器控制算法（该算法用于测量反电动势电压）来确定转子位置。
目前，同步伺服传动器通常由 PWM 电压源逆变器馈电。直流电压源由逆变器转化为可变三相交流电压。可以对电压和频率进行控制。当同步电机具有磁场励磁绕组时，励磁斩波器可用于调控磁场电流。可使用连接至直流电源的简单降压转换器。
目前永磁同步电机 (PMSM) 被广泛应用于自动化系统、自动化机械设备和工具中的低功率（0.1kW至10kW）伺服应用领域。
目前永磁同步电机 (PMSM) 被广泛应用于自动化系统、自动化机械设备和工具中的低功率（0.1kW至10kW）伺服应用领域。
电气励磁同步电机与永磁同步电机 (PMSM) 已被应用于高铁，且仍在使用中。不过，作为更廉价的备选方案的感应电机，也得到普遍的使用。
永磁同步电机 (PMSM) 应用于将效率与重量至于首要地位的领域，如航空工业。
PMSM传动器具有低转子损耗的优势，这对需要花费高昂成本进行转子冷却的应用领域而言颇具吸引力。
在基本速度运行中提供最高效率
提供最高力矩/重量比
所使用的磁性材料的类型对电机整体价格产生较大影响
弱磁区需要使用额外的电流，这通常会导致高速运行
时效率较低（相较于感应电机）
