步进电机作为一种离散型自动化执行元件,具有机械结构简单、可开环控制、定位精准、无累计定位误差等优点,被广泛地应用在现代军事、办公自动化、医疗器械等领域一些精度要求很高的设备中。传统混合式步进电机（HSM）采用夹在两段转子之间的轴向磁环提供永磁磁通,磁钢充磁面积受转子铁心内、外径的限制从而使磁钢用量受限,且由于冲片间隙的存在使永磁磁通沿轴向衰减严重。为此传统HSM转子常采用多段并联以缩短轴向磁路同时增加磁钢用量,但这一方面导致轴向长度增加的同时转子铁心占比减小,不利于转矩密度的提升,另一方面,在电机轴向安装尺寸较小的情况下并不适用。为提高转矩密度,常见的增强型结构大多是在定子或转子小齿之间加装众多径向充磁磁钢,但会使结构、工艺变得非常复杂,可靠性降低,且对于齿层几何尺寸小的电机难以实现。针对以上问题,本文提出了一种新型单极内嵌式HSM拓扑结构,其定子结构和定、转子齿层结构均与传统式HSM相同,转子铁心轴向分两段,相互错开半个齿距,每段内嵌两片相同极性的半圆瓦片形径向充磁的永磁体,使转子两段铁心分别呈现N极和S极单极性,从而使该单极磁势与定子通电产生的异极磁势相互叠加后作用于气隙基波磁导,在两段转子上产生同向的转矩。这种结构可有效改善传统HSM永磁磁通沿轴向衰减的问题,且无需多段并联,可通过调节永磁磁瓦的径向嵌入位置来调节永磁体用量,不会额外增加电机轴向长度,节省了轴向空间,有效提高了电机的转矩密度。本文首先介绍了单极内嵌式HSM的结构型式、工作原理及数学模型;其次,为了与传统HSM作对比,本文采用与传统57型HSM相同的几何尺寸、齿层结构和绕组参数,基于Ansys有限元分析软件,分别建立了两台不同结构的单极内嵌式HSM样机的三维仿真模型,以额定保持转矩最大为目标,用参数扫描方法确定了永磁体关键尺寸,分析了单极内嵌式HSM的磁场分布及绕组电感;同时建立了传统57 HSM的三维有限元模型,对比分析了三台样机的永磁气隙磁密衰减、空载反电动势、不同电流下的保持转矩、150rpm下的输出转矩等稳态性能,并仿真计算了恒定脉冲频率下空载起动-加载运行的动态过程。此外,为了与传统HSM作比较,本文制作了与57电机具有相同几何尺寸、齿层结构和绕组参数的单极内嵌HSM样机,分别实验测试了该样机与57电机的空载反电势以及各自的保持转矩特性、矩频特性等稳态性能并进行了对比,实验结果表明,单极内嵌式HSM样机在不同电流下均具比57电机有更高的保持转矩,且在同一驱动模式下,单极内嵌式HSM样机在不同转速下的牵出转矩也高于57电机。