目前在航天发射和试验中广泛使用的推进装置仍然是化学火箭发射器。由于化学发射器的推进剂具有较高能量密度和较快的燃烧速度,其燃烧产生的高温高压气体使得化学发射器具有很高的功率密度,能够将航天飞行器加速到超高速度。然而受限于推进剂中氧化剂的质量以及燃烧温度的限制,火箭发射器的比冲基本达到上限,很难通过降低发射燃料比重来增加发射能力。鉴于化学火箭发射技术存在的限制和不足,探索一种超高速、大负载、高效能的电磁辅助发射推进系统成为人类迫切的需求,本文针对该系统的电机设计及控制问题展开了研究。首先,通过电磁场的理论,建立传统连续型直线电机的气隙磁场方程,通过求解气隙磁场计算直线电机的推力和能量特性,对比分析了直线感应电机和直线同步电机的电磁力密度和能量特性。通过分析认为同步电机具有更高的电磁力密度,但是感应电机具有较大的推重比。根据超高速电磁发射的能级特点和加速特点,认为带铁芯电机的推重比以及高速下的铁芯损耗制约了带铁芯同步电机的进一步提速,提出超高速大推力的空芯超导直线同步电机方案。其次,设计了超高速大推力空心超导直线同步电机。建立了空芯超导直线同步电机的数学模型,基于该模型推导了电机的稳态推力和能量效率表达式,分析了空芯直线同步电机的电磁力和功率特性。并通过有限元仿真方法验证了所推导理论模型的准确性。通过参数分析认为电机的气隙长度和超导线圈的长度的比值影响着互感梯度的分布。参考目前已经实用化的超导磁体参数,计算了超导空芯直线电机的推力特性和功率特性。结果表明,在相同的定子参数下,超导空芯直线电机的推力密度、推重比、功率因数和效率远大于带铁芯直线同步电机和直线感应电机。最后对双初级长定子空芯直线同步电机进行了动态运行仿真,电机的峰均力比为1.0654,功率因数为0.98,效率为0.7756。然后,提出了直线同步电机的控制方法。在直线同步电机连续数学模型的基础上,推导了空芯直线同步电机的动态离散模型;结合电机的时延特性提出了电流预测控制方法,设计了控制算法,并针对数字控制系统的时延量级,预测计算出时延后一时刻的控制电压指令。仿真结果显示在控制周期为10KHz,电机极距1.2m时,采用预测电流控制方法,保证电机运行速度达到333.4m/s时,电机电流相位滞后不大于10°。针对电机互感梯度谐波畸变引起推力波动较大的问题,提出电流补偿控制策略,根据位置信号和速度信号计算得到电机的互感梯度信息,通过互感梯度和期望电磁力来设计期望电流形状。仿真结果表明电流补偿控制能够非常有效的抑制电机推力波动。由于电流补偿控制是在已知互感梯度信息的基础上求解期望电流,同样也能够抑制定子绕组电动势谐波畸变引起的推力波动,仿真结果表明在定子绕组每极每相数较小时,推力波动抑制效果也非常好。这使得电机的定子结构能够设计的比较简单。最后,以永磁体代替超导动子,搭建了空芯直线同步电机原理样机试验平台;采用等效电流方法建立了永磁空芯直线电机的模型,通过电机的静态性能测试,验证了设计模型的准确性。在原理试验样机上进行了预测电流控制和电流补偿控制算法验证,试验结果与仿真结果一致,表明了控制算法的有效性。牵引控制实验,试验结果验证了理论设计及控制方法的有效性。通过动态发射试验发现,电机的功率因数和效率较低,这是由于永磁体产生的磁感应强度太小造成的。所以采用永磁体只能对空芯电机进行原理验证。